一种基于受损叶片应力集中系数与风轮转速的在役叶片疲劳寿命计算方法

本发明涉及风力发电，具体涉及一种基于受损叶片应力集中系数与风轮转速的在役叶片疲劳寿命计算方法。

背景技术：

1、风力机叶片作为风力发电机组的关键捕风部件，长期承受复杂多变的交变载荷，其结构完整性和可靠性直接决定了整机的运行安全与发电效率。叶片在制造过程中易产生褶皱、分层等初始缺陷，在服役过程中也可能因雷击、疲劳损伤、异物撞击等因素形成损伤。上述制造缺陷与运行损伤会造成局部纤维弯曲、树脂富集，显著降低复合材料层的力学性能，并形成明显的应力集中源。此类缺陷与损伤会加速疲劳裂纹扩展，严重时可引发叶片断裂事故，直接影响在役叶片疲劳寿命评估的准确性。因此，实现对受损叶片的精准寿命评估，对保障机组安全稳定运行具有重要意义。

2、目前，叶片疲劳寿命评估主要依赖于设计阶段的理论计算和认证测试。这些方法基于标准载荷工况和理想的无缺陷结构模型，通过雨流计数和miner线性累积损伤理论估算叶片的理论寿命。例如，文献《兆瓦级风力发电机叶片疲劳载荷及寿命分析》中提出基于kaimal湍流风模型获取时序疲劳载荷，采用雨流计数和goodman平均应力修正处理载荷谱，再结合威布尔风速分布估算叶片理论疲劳寿命。然而，该方案聚焦完好叶片标准工况寿命推演，完全未考虑叶片带缺陷服役时损伤加速累积特性，仅适用于新品设计校核，不具备在役受损叶片运维评估的工程落地能力。文献《风电叶片寿命分析及故障诊断方法研究》通过搭建整机gh-bladed载荷模型与叶片有限元模型，通过瞬态动力学提取危险节点应力谱，基于多轴miner模型计算叶片全寿命疲劳损伤，同样不考虑在役受损叶片与机组实际转速运行数据的耦合作用，不能直接用于在役带伤叶片剩余寿命定量评估。

3、综上，现有叶片疲劳寿命评估手段大多面向全新无损伤叶片设计校核，针对在役受损叶片存在以下明显不足：一是无法考虑叶片在实际运行中产生的具体缺陷及其导致的局部应力集中效应；二是评估过程中多采用设计工况下的假定载荷谱，未能与叶片运行真实环境相结合，所以无法真实评估叶片带伤运行后的寿命。倘若沿用传统理想无缺陷模型开展测算，会低估缺陷带来的应力放大效果，造成剩余寿命评估结果偏乐观，运维决策容易出现滞后，提升叶片突发性断裂的安全隐患。

4、然而现有技术存在两大核心空白：一方面，在役叶片缺陷类型繁多、尺寸与分布随机性强，多损伤之间还存在应力干涉耦合作用；传统miner损伤框架仅能输入均匀名义应力，无法把现场实测缺陷特征定量转化为寿命修正参数直接参与损伤迭代；另一方面，各场站机组运行工况差异化显著，若要还原真实载荷，现有手段只能借助专业载荷仿真软件开展全时域数值模拟，计算周期长，算力成本高，不适用于大批量在役受损叶片快速巡检评估。因此，亟需一种能够结合缺陷实际特征与机组真实运行数据的在役叶片疲劳寿命计算方法，以实现对叶片剩余寿命的高效、精准量化评估。

技术实现思路

1、针对传统叶片疲劳评估依赖设计载荷、忽略实际缺陷与运行状态、结果偏于保守且难以指导现场运维等技术问题，本发明的目的是为了提供一种基于受损叶片应力集中系数与风轮转速的在役叶片疲劳寿命计算方法，将叶片缺陷引起的应力集中效应与机组真实运行数据相结合，通过引入缺陷应力集中系数scf，准确反映缺陷对局部疲劳损伤的加速作用，突破传统无缺陷模型与实际结构状态不符的局限；同时，充分利用scada系统采集的风轮转速时间序列数据，统计实际旋转圈数，使寿命计算基于机组真实运行强度，而非理想化设计工况，大幅提升评估结果的真实性与可信度。

2、为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

3、一种基于受损叶片应力集中系数与风轮转速的在役叶片疲劳寿命计算方法，所述方法包括以下步骤：

4、步骤1、获取目标风电机组的设计寿命、叶片材料的s-n曲线参数m，并从机组scada系统中采集带时间戳的风轮转速时间序列数据；

5、步骤2、检测并确定目标叶片缺陷类型和展向位置，匹配该缺陷类型对应的应力集中系数scf；

6、步骤3、基于步骤1中获取的风轮转速时间序列数据，截取一段连续完整的参考时间段，统计该参考时间段内的风轮实际旋转圈数nref，并记录该参考时间段对应的总天数dref；

7、步骤4、结合机组设计参数与风电场实际风频分布，分风速区间计算年度叶片旋转圈数，折算得到设计寿命ldesign年内的叶片理论总旋转圈数ntotal；

8、步骤5、计算获取叶片从投运日期或上次维护日期tmaint到当前scada数据统计截止日期tnow的累计运行天数dmaint，并基于scada数据统计得到该时间段内的风轮实际总旋转圈数nmaint，并调取tmaint之前的历史累计旋转圈数nmaint0；

9、步骤6、基于miner损伤理论与s-n曲线参数m，结合应力集中系数scf、风轮实际总旋转圈数nmaint与历史累计旋转圈数nmaint0，计算含损伤的等效已用圈数neq；由叶片理论总旋转圈数ntotal减去等效已用圈数neq，计算得到在缺陷影响下的剩余可用圈数nres；再利用参考时间段的风轮实际旋转圈数nref和总天数dref表征机组当前运行强度，将剩余可用圈数nres换算为叶片剩余寿命天数lres。

10、进一步地，步骤1中，从风电场信息系统中获取目标机组的设计寿命ldesign、叶片主要承力材料的s-n曲线参数m；同时，从机组的scada系统中导出包含时间戳和风轮转速的历史运行数据，构建得到风轮转速时间序列数据。

11、步骤2进一步包括：

12、获取叶片表面及内部损伤图像与尺寸数据，识别缺陷类型，所述缺陷类型至少包括表面凹坑、前缘裂纹、后缘裂纹、层间分层、粘接脱粘、雷击烧蚀坑和孔边微裂纹；采集缺陷沿叶片展向的位置坐标，判定缺陷所属结构分区，所述结构分区至少包括主梁区域、腹板区域、叶尖前缘区域和壳体蒙皮区域；

13、根据缺陷几何尺寸、缺陷所处结构区域以及载荷受力方向，采用复合材料缺陷解析计算公式，或搭建叶片局部精细化有限元仿真模型施加载荷，直接计算单一损伤对应的基础应力集中系数，全程不依赖缺陷系数查表取值；若同一区域存在两处及以上近距离损伤，依据损伤间距与损伤特征尺寸的比值判定是否存在应力干涉效应，通过试验标定得到对应干涉修正系数，采用相应的干涉修正系数对基础应力集中系数进行放大修正，最终得到耦合多损伤耦合效应的应力集中系数 scf。

14、步骤3进一步包括：

15、截取连续性完好且scada数据完整度达到预设完整度阈值的参考时间段，将该参考时间段对应的总天数记作dref；对于转速连续变化的理想场景，针对参考时间段内所有采样点的转速数据开展积分运算，求取参考时间段内的风轮实际旋转圈数nref：

16、

17、对于scada离散采样场景，参考时间段内的风轮实际旋转圈数nref表示为：

18、

19、其中为参考时段的起始时刻单位为秒，n(t)为t时刻的转速，dref为参考时段的天数

20、1天=86400秒，ni为第i个采样点转速，dt表示单次采样的时间间隔，nref为该时段内的风轮总旋转圈数，m为有效采样点数。

21、步骤4进一步包括：

22、将风速从切入风速到切出风速划分为若干区间，对于每个风速区间i，根据风电场风频分布，计算设计寿命时限内该风速区间的出现概率fi和年度发生小时数ti=fi×8766；

23、确定每个风速区间对应的机组转速rpmi，转速单位为转每分钟；其中，在额定风速以下，转速与风速成正比；在额定风速以上，转速保持额定转速不变，直至达到最大叶尖速度限制；

24、将年度发生小时数换算成分钟尺度后，结合每个风速区间的年度发生时间和机组转速，计算得到一年内该风速区间对应的旋转圈数ci=rpmi×ti×60：

25、将所有风速区间的旋转圈数ci累加得到年度总旋转圈数nyear，引入风场可用率uti和设计寿命年数ldesign，计算得到设计寿命周期内叶片总旋转圈数：

26、

27、其中，ntotal为估算叶片的设计寿命总旋转圈数，风场可用率uti用于扣除包括检修停机和故障停机在内的无效运行时段。

28、进一步地，步骤5中，若tmaint为机组投运日期，则nmaint0=0；否则，通过历史scada数据或机组运行记录查询得到上次维护日期tmaint。

29、步骤6进一步包括：

30、结合应力集中系数scf、风轮实际总旋转圈数nmaint与历史累计旋转圈数nmaint0，计算含损伤的等效已用圈数neq：

31、；

32、由叶片理论总旋转圈数ntotal减去等效已用圈数neq，计算得到在缺陷影响下的剩余可用圈数nres：

33、；

34、以参考时间段的风轮实际旋转圈数nref和总天数dref表征机组当前运行强度，结合应力集中系数scf，将剩余可用圈数nres换算为叶片剩余寿命天数lres：

35、。

36、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

37、第一，本发明的基于受损叶片应力集中系数与风轮转速的在役叶片疲劳寿命计算方法，通过将损伤对应的应力集中系数scf与基于scada系统风轮转速数据统计的实际旋转圈数相结合，建立了一种快速计算叶片疲劳寿命计算方法。该方法克服了传统设计评估中忽略真实缺陷和实际运行载荷的弊端，使得评估结果更贴近叶片的真实服役状态，为风电场提供了更科学的运维决策依据。

38、第二，本发明的基于受损叶片应力集中系数与风轮转速的在役叶片疲劳寿命计算方法，通过输入scada替代输入载荷，可与实际环境相结合，计算流程简洁，可在短时间内完成疲劳寿命预测，显著降低工程应用成本，适合风电场批量机组或离线评估。

39、第三，本发明的基于受损叶片应力集中系数与风轮转速的在役叶片疲劳寿命计算方法，引入了基于scada数据的参考旋转圈数作为基准运行强度，将抽象的剩余可用圈数转化为直观的剩余寿命天数，代替传统方法仅能输出循环次数、难以得知剩余疲劳寿命的痛点。

40、第四，本发明的基于受损叶片应力集中系数与风轮转速的在役叶片疲劳寿命计算方法，形成了从设计参数、缺陷特征、运行数据到疲劳寿命的完整计算体系，实现设计数据与机组实际运行数据相结合，能够精准反映缺陷对疲劳损伤的加速效应，有效提升在役受损叶片寿命评估，具备较高工程应用价值与推广前景。