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CN108105039B - 一种风力发电机塔筒与基础连接的变形测试装置及其用途 - Google Patents

一种风力发电机塔筒与基础连接的变形测试装置及其用途 Download PDF

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CN108105039B
CN108105039B CN201711338491.0A CN201711338491A CN108105039B CN 108105039 B CN108105039 B CN 108105039B CN 201711338491 A CN201711338491 A CN 201711338491A CN 108105039 B CN108105039 B CN 108105039B
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Abstract

本发明公开了一种风力发电机塔筒与基础连接的变形测试装置及其用途，该装置包括全温补高精度的倾角传感器、数据采集模块；倾角传感器与数据采集模块相连；当基础为陆地风机基础时，在高度方向上，倾角传感器安装在从基础顶面起h处，h小于2m，倾角传感器的x、y轴分别与基础连接段塔筒的径向和切向平行；当基础为海上风机基础时，倾角传感器固定在海水面以上。本发明的变形测试装置测试精度和可靠性显著提高；提供了风机塔筒与基础连接变形测试装置在施工期和服役期的用途；确定了一个高精度的风机基础连接段的安全监控指标，为结构的安全评价提供了依据；测试和分析方案简洁、性能更稳定，安装简便，节省投资。

Description

一种风力发电机塔筒与基础连接的变形测试装置及其用途
技术领域
本发明属于风力发电、新能源领域，尤其涉及一种风力发电机塔筒与基础连接的变形测试装置及其用途。
背景技术
风力发电机(以下简称风机)主要由机舱、叶片、塔筒、基础等组成，其中机舱和叶片位于塔筒的顶部。对于陆上风电，风机塔筒与基础之间采用基础环连接或锚栓连接，对于海上风电，风机塔筒和基础采用基础环连接、或法兰螺栓连接或灌浆套筒连接，该塔筒与基础连接的区段统称为基础连接段。在风机基础施工过程中，需要准确调整安装基础连接段，使其水平度满足很高的要求，以往主要采用水准观测仪器进行人工水平度测试，测试效率低、不能实时给出水平度结果，且与基础施工存在交叉作业问题，极大影响施工进度和控制精度。在风机的长期服役过程中，由于塔筒与基础的连接段受到复杂的疲劳荷载作用，基础环或锚栓周边的混凝土易破碎、脱开，螺栓连接易疲劳受损，水通过连接段的裂缝渗入到基础中、加速基础劣化。当风机基础连接段出现损坏后，风机基础对塔筒的约束降低，风机塔筒的晃动位移加大，遇到较大的风荷载时，极易发生风机倒塌，严重影响风机安全运行。因此需要一套针对风机基础连接段的变形测试装置及监测方法。
现有的专利主要是针对风机塔筒的倾斜测试方法。专利申请CN201410045389.1和CN201510166891.2主要是利用摄像头获取塔筒倾斜角度。CN201010245707.0公开了一种利用自动化数字水准仪进行风机塔筒倾斜测试的方法。专利申请CN201310454617.6和CN201510783851.2公开了一种利用激光测距技术的塔筒状态测试装置和方法。专利申请CN201410437076.0在塔筒底部距离基础为2～3m处，安装四个单轴倾角传感器,并以塔筒直径为对称轴对称分布。专利申请CN201110458573.5和CN201310166732.3采用倾斜加速度传感器组进行倾斜测量，传感器安装在塔筒顶部和塔筒底座(即基础)的中心。这些专利申请与本次申请的测试对象、测试要点和技术方案不同。现有文献未给出风机塔筒的安全监控指标确定方法或预警临界值。
目前基于倾角传感器(或倾角加速度传感器组)的风机监测方法，存在的问题是：1)传感器设置在塔筒中上部和顶部，受风机振动干扰严重、引入噪声，尽管有部分测试采用滤波等方法过滤掉高频信号，但是这种处理显著降低了测试精度和灵敏度，对塔筒和基础缺陷的识别灵敏度低。2)传感器选型和技术指标不明确，布置的传感器数量和种类多，现场测试系统布置复杂、繁琐。3)风机塔筒和基础的连接对于结构体系的承载力至关重要，但是现有技术对该重要部位的检测处于空白。4)对于风机基础连接段的检测或监测，缺乏一套测试方法和安全监控指标确定方法。
综上所述，风机基础连接段对于风机结构安全非常重要，目前缺少有效的测试装置和监测方法。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种风力发电机塔筒与基础连接的变形测试装置及其用途。建立了一套针对塔筒与基础连接的倾斜变形测试装置，测试精度和可靠性显著提高；建立了一个高精度的风机基础连接段的安全监控指标确定方法，为结构的安全评价提供了依据；提供了风机塔筒与基础连接变形测试装置在施工期和服役期的用途；测试和分析方案简洁、性能更稳定，安装简便，节省投资。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：一种风机塔筒与基础连接的变形测试装置，包括全温补高精度的倾角传感器、数据采集模块、电源模块；倾角传感器与数据采集模块相连，电源模块为倾角传感器和数据采集模块进行供电，倾角传感器的分辨率不大于0.001度；当基础为陆地风机基础时，在高度方向上，倾角传感器安装在从基础顶面起h处，h小于2m，倾角传感器的x、y轴分别与基础连接段塔筒的径向和切向平行；当基础为海上风机基础时，倾角传感器固定在海水面以上，倾角传感器的x、y轴分别与基础或风机塔筒的径向和切向平行。
进一步的，针对不同的基础连接方式，倾角传感器的安装位置不同，具体如下：
对于采用基础环连接的风机基础，倾角传感器靠近混凝土基础顶面，固定在基础环内壁或塔筒内壁或法兰上；
对于采用锚栓连接的风机基础，倾角传感器靠近混凝土基础顶面，固定在塔筒内壁或锚栓法兰上；
对于采用基础环或锚栓连接的海上风机基础，倾角传感器安装位置在海水面以上的基础环内壁或塔筒内壁或法兰上；
对于采用法兰连接或是灌浆套筒连接的海上风机，倾角传感器固定在海水面以上的法兰连接或是灌浆套筒连接处。
进一步的，所述全温补高精度的倾角传感器采用一只全温补高精度的双轴倾角传感器或者采用两只全温补高精度的单轴倾角传感器；针对双轴倾角传感器，倾角传感器的x、y轴分别与基础连接段圆周的径向和切向平行；针对单轴倾角传感器，两只单轴倾角传感器分别与基础连接段圆周的径向和切向平行。
进一步的，倾角传感器优选地布置在风机的主导风向的上风向上。
进一步的，所述数据采集模块为单片机或工控机。
进一步的，所述数据采集模块包括：
处理器，用于发出指令和数据计算；
显示屏，与处理器相连，用于实现数据和图形的显示及交互；
以太网接口，与处理器相连，用于将风机现场采集到的数据，通过网线或光缆传输到风电场中控室、云端服务器；
无线网络接口，与处理器相连，用于接入风机附近的局域网，然后再通过网线或光缆传输到风电场中控室、云端服务器；
蓝牙接口，与处理器相连，用于用户的外接设备与数据采集模块连接；
隔离485、232以及USB接口，均与处理器相连，用于连接倾角传感器以及数据拷贝和传输；
SD卡和硬盘接口，与处理器相连，用于保存监测到的数据；
视频接口，与处理器相连，用于连接显示器和图像输出。
进一步的，倾角传感器固定方式采用焊接、胶粘结或磁铁吸附连接，并做防腐、防护处理。
本发明的另一目的是提供一种风机塔筒与基础连接的变形测试装置的用途，该用途为施工期风机基础连接段的调平控制和服役期风机基础连接段的安全性状评价，
针对施工期风机基础连接段的调平控制，包括如下步骤：
1)对初始安放好的风机基础连接段进行调平，倾斜传感器采集记录径向和切向的倾角值，分别记为xs和ys；
2)在基础混凝土浇筑过程中，或是沉桩过程中，或是受外界荷载影响，可能会造成基础连接段的垂直度发生变化，利用该测试系统能够在显示屏幕上实时地显示施工期间，基础连接段的径向和切向倾角，分别记为xi和yi；
3)为了保持基础连接段的水平度，需要进行调平操作的角度为xs-xi和ys-yi，使调平后的测试值xi和yi分别等于xs和ys，或者是二者的差值小于允许误差值，，从而实时方便地指导调平、安装或沉桩操作。
针对服役期风机基础连接段的安全性状评价，包括如下步骤：
1)采集记录倾斜传感器的初始值，径向和切向的倾角初始值，分别记为x0和y0；
2)采集并记录风机运行过程中实时的径向和切向的倾角值，分别记为xj和yj，计算得到因荷载引起的径向和切向的倾角变化数值为xj-x0和yj-y0，记为监测值；
3)将监测值与安全监控指标X和Y进行比较，当监测值超过安全监控指标时，系统报警；对获得的监测值进行统计计算，通过回归分析预测其发展趋势，评价基础连接段运行正常或是存在持续恶化。
进一步的，所述安全监控指标X和Y通过以下步骤获得：
(1)根据风机基础和塔筒的实际尺寸建立有限元计算模型，风机塔筒与基础连接段需要精细化地进行单元剖分和模拟，采用接触单元模拟钢材和混凝土之间的界面作用；
(2)对步骤(1)建立的有限元模型赋予材料属性，钢材采用理想弹塑性本构模型模拟，输入参数主要包括钢材的弹性模量、泊松比、屈服强度，混凝土采用非线性弹性本构模型模拟，输入混凝土的非线性应力应变关系曲线；
(3)对有限元模型施加风机的荷载设计值，采用有限单元法求解计算获得在设计荷载下风机整体的响应；
(4)根据倾角传感器的安装位置，在有限元模型计算结果中，提取倾角传感器位置处的径向和切向倾角计算值X、Y，作为风机运行监测中的安全监控指标。
以上未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。
本发明的优势与有益效果如下：
(1)风机塔筒与基础连接往往是最容易发生破坏的部位，本发明建立了一套非常具有针对性的倾斜和位移变形测试装置，传感器安装位置和技术选型更优，实现了对该关键结构部位的检测和监测，测试精度和可靠性显著提高。
(2)建立了一个高精度的风机基础连接段数值模拟方法，能够准确确定风机基础连接段的安全监控指标，同时风机结构上其他位置的安全监控指标也可以按照该方法执行，从而为结构的安全评价提供了依据。
(3)本发明提供了风机塔筒与基础连接变形测试装置的用途，在风机基础施工期能够为连接段的调平控制提供实时、准确的信息，在风机服役期能够用于风电场基础连接和基础不均匀沉降的长期健康监测，有效预警和防止由于基础和连接段变形引起的风机倒塌事故。
(4)本发明的测试和分析方案简洁、性能更稳定，安装简便，节省投资。
附图说明
图1为风机基础环连接的剖面图；
图2为风机基础环连接的俯视图；
图3为风机锚栓连接的剖面图；
图4为风机锚栓连接的俯视图；
图5为风机法兰连接的倾角传感器安装位置剖面图；
图6为风机法兰连接的俯视图；
图7为风机法兰螺栓连接的倾角传感器另一安装位置剖面图；
图8为风机灌浆套筒连接的剖面图；
图9为风机灌浆套筒连接的俯视图；
图10为风机灌浆套筒连接的倾角传感器另一安装位置剖面图；
图11为测试系统硬件组成图；
图12为基础环x方向的实测倾角图；
图13为基础环y方向的实测倾角图；
图中：1-法兰，2-基础环，3-混凝土基础，4-风机塔筒，5-倾角传感器，6-锚栓法兰，7-锚栓，8-桩基础，9-海床，10-法兰及工作平台，11-海水，12-灌浆套筒过渡段，α表示倾角传感器安装位置相对于正北的方位角，h表示倾角传感器距离基础顶面的高度。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
选择全温补高精度的双轴倾角传感器1只，也可以采用全温补高精度的单轴倾角传感器2只，传感器分辨率不大于0.001度，采用全温补技术修正传感器温度漂移，受测试环境变化影响小。
如图1和图2所示，对于采用基础环连接的风机基础，风机塔筒4与基础环2通过法兰1连接，倾角传感器5靠近混凝土基础顶面，在本例中固定在基础环2内壁上，距离混凝土基础3顶面高度为h＝10cm，也可以固定在法兰1或风机塔筒4内壁上。对于海上风机也会采用基础环连接混凝土承台和风机塔筒，可参照图1和图2布置传感器。
如图3和图4所示，对于采用锚栓连接的风机基础，风机塔筒4通过锚栓法兰6和锚栓7固定在混凝土基础3上，倾角传感器5靠近混凝土基础3顶面，在本例中固定在风机塔筒4的内壁上，也可以固定在锚栓法兰6上，距离混凝土基础顶面小于2m，本实施例中取h＝10cm。对于海上风机也会采用锚栓连接混凝土承台和风机塔筒，可参照图3和图4布置传感器。
如图5-7所示，对于无过渡段、采用法兰连接的海上风机基础，桩基础8插入海床9中，风机塔筒4与桩基础8之间通过法兰及工作平台10连接，倾角传感器5固定在海水11以上的法兰及工作平台处。如图8-10所示，对于采用灌浆套筒过渡段的海上风机，风机塔筒4与桩基础8之间通过灌浆套筒过渡段12连接，倾角传感器5固定在水面以上的灌浆套筒连接处。图5和图8中所示传感器位于法兰和灌浆套筒以上的h值小于2m；也可以将传感器安装在法兰和灌浆套筒以下的内部，此时传感器位置高出海平面即可，如图7和图10。
在上述各俯视图的水平面内，倾角传感器5可以布置在连接段圆周上的任意位置，记倾角传感器安装位置相对于指北针方向的方位角为a。在实施例中，优选地布置在风机的主导风向的上风向上。双轴倾角传感器的x、y轴分别与连接段圆周的径向和切向平行，若采用2个单轴倾角传感器，则分别与连接段圆周的径向和切向平行。倾角传感器固定方式采用焊接或是高性能胶粘结，并做防腐、防护处理。
如图11所示，本发明提供的一种风机塔筒与基础连接的变形测试装置，包括全温补高精度的倾角传感器、数据采集模块、电源模块；倾角传感器与数据采集模块相连，电源模块为倾角传感器和数据采集模块进行供电，在安装倾角传感器后，接入到数据采集模块中；所述数据采集模块包括：
处理器，用于发出指令和数据计算；
以太网接口，与处理器相连，用于将风机现场采集到的数据，通过网线或光缆传输到风电场中控室、云端服务器；
无线网络接口(可配置4G网卡)，与处理器相连，用于接入风机附近的局域网，然后再通过网线或光缆传输到风电场中控室、云端服务器；
蓝牙接口，与处理器相连，用于用户的外接设备与数据采集模块连接；
隔离485、232以及USB接口，均与处理器相连，用于连接倾角传感器以及数据拷贝和传输；
SD卡和硬盘接口，与处理器相连，用于保存监测到的数据；
视频接口，与处理器相连，用于连接显示器和图像输出。
显示屏，与处理器相连，用于实现数据和图形的显示及交互；将监测到的数据实时地在显示器上展示，通过与监控指标的对比，对于超过监控指标的情况，在显示器上予以报警提示，并向用户发送报警通知；通过对监测数据的统计计算，也可以在显示器上展示，基础连接段变形的长期发展过程数据，以便于用户掌握基础连接段变形的发展趋势。所述数据采集模块为单片机或工控机。
以基础环连接为例，计算风机塔筒与基础环连接的安全监控指标，具体步骤如下：
(1)根据风机基础和塔筒的实际尺寸建立有限元计算模型，本例中风机基础环直径为4.2m，埋在混凝土基础中的深度为：1.3m。风机塔筒与基础连接段需要精细化地进行单元剖分和模拟，采用接触单元模拟不同材料之间(例如：钢材和混凝土之间)的界面作用。
(2)对步骤(1)建立的有限元模型赋予材料属性，钢材采用理想弹塑性本构模型模拟，输入参数主要包括钢材的弹性模量取200GPa、泊松比取0.167、屈服强度取380MPa，混凝土采用非线性弹性本构模型模拟，输入混凝土弹性模量25GPa、泊松比0.25、非线性应力应变关系曲线。在满足计算精度和计算效率的情况下，钢材和混凝土也可以采用其他的本构模型来模拟。
(3)对有限元模型施加风机的荷载设计值41100kNm，采用有限单元法求解计算获得在设计荷载下风机整体的响应。
(4)根据前面所述测试系统中倾角传感器的位置，在有限元模型计算结果中，提取倾角传感器位置处的径向和切向倾角计算值X＝0.1°、Y＝0.05°，作为风机运行监测中的安全监控指标(或称为预警临界值)，当监测值超过该计算值时，系统报警。
(5)由于该方法可以计算获得风机塔筒、基础、连接段等任意位置处的应力、位移、倾角等结果，因此该方法不仅限于确定风机基础连接段的安全监控指标，在确定风机结构上任意位置的安全监控指标时，都可以按照上述方法执行。
以风机服役期间，风机基础连接段的安全性状评价为例，实施步骤如下：
1)按照前述方法安装倾斜变形测试系统后，采集记录传感器的初始值，径向和切向的倾角初始值分别记为x0＝1°和y0＝1.5°。
2)采集并记录风机运行过程中实时的径向和切向的倾角值，分别记为xj和yj，计算得到荷载引起的径向和切向的倾角数值为xj-x0和yj-y0，见图12和图13。将监测倾角值与前文方法确定的安全监控指标X＝0.1°、Y＝0.05°进行比较。
3)对监测倾角值xj-x0和yj-y0进一步统计计算，通过回归分析预测其发展趋势。本实施例中监测值未超过安全监控指标，监测倾角值波动幅度处于正常范围内，风机基础环连接处于正常状态。
通过实施基础连接段监测，所取得的显著效益是：
(1)风机塔筒与基础连接往往是最容易发生破坏的部位，本发明建立了一套非常具有针对性的倾斜和位移变形测试装置，传感器安装位置和技术选型更优，实现了对该关键结构部位的检测和监测，测试精度和可靠性显著提高。
(2)建立了一个高精度的风机基础连接段数值模拟方法，能够准确确定风机基础连接段的安全监控指标，同时风机结构上其他位置的安全监控指标也可以按照该方法执行，从而为结构的安全评价提供了依据。
(3)本发明提供了风机塔筒与基础连接变形测试装置的用途，在风机基础施工期能够为连接段的调平控制提供实时、准确的信息，在风机服役期能够用于风电场基础连接和基础不均匀沉降的长期健康监测，有效预警和防止由于基础和连接段变形引起的风机倒塌事故。
(4)本发明的测试和分析方案简洁、性能更稳定，安装简便，节省投资。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种风机塔筒与基础连接的变形测试装置的用途，所述风机塔筒与基础连接的变形测试装置包括全温补高精度的倾角传感器、数据采集模块、电源模块；倾角传感器与数据采集模块相连，电源模块为倾角传感器和数据采集模块进行供电，倾角传感器的分辨率不大于0.001度；当基础为陆地风机基础时，在高度方向上，倾角传感器安装在从基础顶面起h处，h小于2m，倾角传感器的x、y轴分别与基础连接段塔筒的径向和切向平行；当基础为海上风机基础时，倾角传感器固定在海水面以上，倾角传感器的x、y轴分别与基础或风机塔筒的径向和切向平行，其特征在于，该用途为施工期风机基础连接段的调平控制和服役期风机基础连接段的安全性状评价，
针对施工期风机基础连接段的调平控制，包括如下步骤：
1）对初始安放好的风机基础连接段进行调平，倾斜传感器采集记录径向和切向的倾角值，分别记为x s和y s；
2）在基础混凝土浇筑过程中，或是沉桩过程中，或是受外界荷载影响，可能会造成基础连接段的垂直度发生变化，利用该测试系统能够在显示屏幕上实时地显示施工期间，基础连接段的径向和切向倾角，分别记为x i 和y i ；
3）为了保持基础连接段的水平度，需要进行调平操作的角度为x s-x i 和y s-y i ，使调平后的测试值x i 和y i 分别等于x s和y s，或者是二者的差值小于允许误差值，从而实时方便地指导调平、安装或沉桩操作；
针对服役期风机基础连接段的安全性状评价，包括如下步骤：
1）采集记录倾斜传感器的初始值，径向和切向的倾角初始值，分别记为x 0和y 0；
2）采集并记录风机运行过程中实时的径向和切向的倾角值，分别记为x j 和y j ，计算得到因荷载引起的径向和切向的倾角变化数值为x j - x 0和y j - y 0，记为监测值；
3）将监测值与安全监控指标X和Y进行比较，当监测值超过安全监控指标时，系统报警；对获得的监测值进行统计计算，通过回归分析预测其发展趋势，评价基础连接段运行正常或是存在持续恶化。
2.根据权利要求1所述的用途，其特征在于，所述安全监控指标X和Y通过以下步骤获得：
（1）根据风机基础和塔筒的实际尺寸建立有限元计算模型，风机塔筒与基础连接段需要精细化地进行单元剖分和模拟，采用接触单元模拟钢材和混凝土之间的界面作用；
（2）对步骤（1）建立的有限元模型赋予材料属性，钢材采用理想弹塑性本构模型模拟，输入参数主要包括钢材的弹性模量、泊松比、屈服强度，混凝土采用非线性弹性本构模型模拟，输入混凝土的非线性应力应变关系曲线；
（3）对有限元模型施加风机的荷载设计值，采用有限单元法求解计算获得在设计荷载下风机整体的响应；
（4）根据倾角传感器的安装位置，在有限元模型计算结果中，提取倾角传感器位置处的径向和切向倾角计算值X、Y，作为风机运行监测中的安全监控指标。
3.根据权利要求1所述的用途，其特征在于，针对不同的基础连接方式，倾角传感器的安装位置不同，具体如下：
对于采用基础环连接的风机基础，倾角传感器靠近混凝土基础顶面，固定在基础环内壁或塔筒内壁或法兰上；
对于采用锚栓连接的风机基础，倾角传感器靠近混凝土基础顶面，固定在塔筒内壁或锚栓法兰上；
对于采用基础环或锚栓连接的海上风机基础，倾角传感器安装位置在海水面以上的基础环内壁或塔筒内壁或法兰上；
对于采用法兰连接或是灌浆套筒连接的海上风机，倾角传感器固定在海水面以上的法兰连接或是灌浆套筒连接处。
4.根据权利要求1所述的用途，其特征在于，所述全温补高精度的倾角传感器采用一只全温补高精度的双轴倾角传感器或者采用两只全温补高精度的单轴倾角传感器；针对双轴倾角传感器，倾角传感器的x、y轴分别与基础连接段圆周的径向和切向平行；针对单轴倾角传感器，两只单轴倾角传感器分别与基础连接段圆周的径向和切向平行。
5.根据权利要求1所述的用途，其特征在于，倾角传感器优选地布置在风机的主导风向的上风向上。
6.根据权利要求1所述的用途，其特征在于，所述数据采集模块为单片机或工控机。
7.根据权利要求1或6所述的用途，其特征在于，所述数据采集模块包括：
处理器，用于发出指令和数据计算；
显示屏，与处理器相连，用于实现数据和图形的显示及交互；
以太网接口，与处理器相连，用于将风机现场采集到的数据，通过网线或光缆传输到风电场中控室、云端服务器；
无线网络接口，与处理器相连，用于接入风机附近的局域网，然后再通过网线或光缆传输到风电场中控室、云端服务器；
蓝牙接口，与处理器相连，用于用户的外接设备与数据采集模块连接；
隔离485、232以及USB接口，均与处理器相连，用于连接倾角传感器以及数据拷贝和传输；
SD卡和硬盘接口，与处理器相连，用于保存监测到的数据；
视频接口，与处理器相连，用于连接显示器和图像输出。
8.根据权利要求1所述的用途，其特征在于，倾角传感器固定方式采用焊接、胶粘结或磁铁吸附连接，并做防腐、防护处理。
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