【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种基于雨蚀疲劳损伤的风电叶片前缘涂层寿命预测方法。
技术介绍
1、陆上、海上风电的发展正面临机组大型化、降本增效等诸多技术创新与挑战。随着风电机组单机容量的不断增加，叶片大型化已成为必然趋势，但其可靠性越来越难以保证，叶片失效事故与日俱增。
2、恶劣服役环境是引起叶片失效的主要原因之一，而叶片前缘侵蚀是其中一种普遍的环境损伤形式，情况严重的将引发叶片失效。特别是当大型化的风电叶片在雨水较多地区长期运行时，受雨水冲蚀等持续作用，2~3年叶片前缘表面就会出现麻点凹坑现象，若不及时维护将进一步导致凿孔、基体裸露等损伤积累扩展，情况严重的在连接处发生分层形成裂缝，严重影响叶片结构稳定性和动力性能，最终引起叶片失效。与此同时，叶片表面损伤的积累和粗糙度的增加，将使叶片气动阻力系数增大，对于风机发电效率有较大的影响，研究表明，严重的叶片前缘侵蚀造成年发电量的损失可达20%。因此，开展风电叶片前缘累积损伤预测对于降低叶片维护成本、提高机组安全性具有重要理论意义和实用价值，同时蕴含着明显的社会和经济效益。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种准确性高、降低风电叶片维护成本、提高机组安全性的基于雨蚀疲劳损伤的风电叶片前缘涂层寿命预测方法。
2、本专利技术的目的通过以下的技术措施来实现：一种基于雨蚀疲劳损伤的风电叶片前缘涂层寿命预测方法，其特征在于包括以下步骤：
3、s1、针对风电场中风电叶片的服役环境，统计不同降雨强度小时分布数据；>
4、s2、计算不同降雨强度下的雨滴粒径以及不同粒径雨滴的最大末端下落速度；
5、s3、以风电叶片前缘涂层样品为对象，对其开展耐雨蚀试验，计算雨滴对前缘涂层样品各位置的冲击速度，并构建风前缘涂层样品在雨场中的冲击频率模型与雨滴动能冲击模型；
6、s4、建立风电叶片前缘涂层样品的单位面积累积冲击次数与冲击速度、雨滴粒径的关系式；
7、s5、将步骤s1~s4所得数据，结合基于环境载荷持续变化的线性疲劳累积损伤准则，对风电叶片前缘涂层服役寿命进行预测。
8、风电叶片尖端前缘雨蚀疲劳损伤形成速率与雨滴体积、冲击频率、冲击速度及材料性能等因素有关，本专利技术基于风场风电叶片实际服役环境数据，首先统计分析降雨强度分布情况，得到年平均的不同降雨强度小时数分布数据，完成雨蚀环境严酷度分级；其次，建立不同降雨强度下雨滴粒径与降雨强度之间的关联关系；再针对叶片前缘涂层开展耐雨蚀试验，获取叶片前缘涂层抗冲击性能参数；然后构建叶片前缘涂层在雨场中的冲击频率模型与雨滴动能冲击模型，再建立单位面积累积冲击次数与冲击速度、雨滴粒径之间的关联关系；最后，基于palmgren-miner rule线性疲劳累积损伤准则，结合叶片服役环境数据与各模型，预测实际环境中风速、降雨强度、雨滴粒径、冲击速度皆非定值下的叶片前缘涂层疲劳损伤寿命。
9、本专利技术可准确预测风电叶片前缘涂层寿命，适用于风电叶片在某地点长期服役过程中因叶尖前缘与雨滴发生频繁高速撞击造成侵蚀磨损的雨蚀损伤预测，可降低叶片维护成本、提高机组安全性，具有明显的经济效益和社会效益。
10、本专利技术在所述步骤s2中，对于全球范围小/中雨降雨强度，即降雨强度≦1mm/h，计算与之对应的雨滴粒径：
11、 公式(1)
12、对于低纬度地区中/大/暴雨降雨强度，即降雨强度为：1<r<5mm/h，计算与之对应的雨滴粒径：
13、 公式(2)
14、对于低纬度地区大暴雨/特大暴雨降雨强度，即降雨强度>5mm/h，计算与之对应的雨滴粒径：
15、 公式(3)
16、对于中高纬度地区各类型降雨强度，即降雨强度>1mm/h，计算与之对应的雨滴粒径：
17、 公式(4)
18、再根据雨滴粒径，计算不同降雨强度下不同粒径雨滴的最大末端下落速度：
19、 公式(5)
20、本专利技术在所述步骤s3中，根据风电叶片前缘涂层样品从外到内出现磨损的位置和对应的时间，计算各位置的冲击速度。
21、本专利技术在所述步骤s3中，假设雨场中的水滴为球形且粒径一致，分布均匀，单位时间单位面积上发生的冲击次数f为：
22、 公式(6)
23、即为冲击频率模型，式中，vt为风电叶片在雨场中的穿行速度；
24、单位面积累积冲击次数nei为：
25、 公式(7)
26、式中，t为时间，s；
27、单次冲击的能量ek为：
28、 公式(8）
29、即为雨滴动能冲击模型。
30、本专利技术在所述步骤s4中，结合公式（8）得到风电叶片前缘涂层样品的单位面积累积冲击次数与冲击速度、雨滴粒径的关系式，即雨蚀疲劳损伤累积模型：
31、 公式(9)
32、式中，c与m是与前缘材料性能相关的常数。
33、本专利技术在所述步骤s4中，根据降雨强度与雨滴粒径的关系得到单位面积累积冲击次数与累积降雨量之间的关系。
34、本专利技术在所述步骤s5中，基于环境载荷持续变化的线性疲劳累积损伤准则：
35、 公式(10)
36、式中，i为载荷等级编号，ni为i载荷等级时循环数量，ni为试验过程中i载荷等级下发生失效现象时的循环数，j为载荷等级数；
37、当m≧1时，经历过疲劳循环的材料达到预期疲劳寿命，判定为失效。
38、本专利技术在所述步骤s1中，统计至少近3年不同降雨强度小时分布数据，优选的，对某风场近5年及以上的降雨环境进行统计分析。
39、本专利技术在所述步骤s1中，统计近5年以上不同降雨强度小时分布数据。
40、与现有技术相比，本专利技术具有如下显著的效果：
41、本专利技术可准确预测风电叶片前缘涂层寿命，适用于风电叶片在某地点长期服役过程中因叶尖前缘与雨滴发生频繁高速撞击造成侵蚀磨损的雨蚀损伤预测，可降低叶片维护成本、提高机组安全性，具有明显的经济效益和社会效益。
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1.一种基于雨蚀疲劳损伤的风电叶片前缘涂层寿命预测方法，其特征在于包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于雨蚀疲劳损伤的风电叶片前缘涂层寿命预测方法，其特征在于：在所述步骤S2中，对于全球范围小/中雨降雨强度，即降雨强度≦1mm/h，计算与之对应的雨滴粒径D：
3.根据权利要求2所述的基于雨蚀疲劳损伤的风电叶片前缘涂层寿命预测方法，其特征在于：在所述步骤S3中，根据风电叶片前缘涂层样品从外到内出现磨损的位置和对应的时间，计算各位置的冲击速度。
4.根据权利要求3所述的基于雨蚀疲劳损伤的风电叶片前缘涂层寿命预测方法，其特征在于：在所述步骤S3中，假设雨场中的水滴为球形且粒径一致，分布均匀，单位时间单位面积上发生的冲击次数F为：
5.据权利要求4所述的基于雨蚀疲劳损伤的风电叶片前缘涂层寿命预测方法，其特征在于：在所述步骤S4中，结合公式（8）得到风电叶片前缘涂层样品的单位面积累积冲击次数与冲击速度、雨滴粒径的关系式，即雨蚀疲劳损伤累积模型：
6.根据权利要求5所述的基于雨蚀疲劳损伤的风电叶片前缘涂层寿命预测方法，其特征在
7.根据权利要求6所述的基于雨蚀疲劳损伤的风电叶片前缘涂层寿命预测方法，其特征在于：在所述步骤S5中，基于环境载荷持续变化的线性疲劳累积损伤准则：
8.根据权利要求7所述的基于雨蚀疲劳损伤的风电叶片前缘涂层寿命预测方法，其特征在于：在所述步骤S1中，统计至少近3年不同降雨强度小时分布数据。
9.根据权利要求8所述的基于雨蚀疲劳损伤的风电叶片前缘涂层寿命预测方法，其特征在于：在所述步骤S1中，统计近5年以上不同降雨强度小时分布数据。
...【技术特征摘要】
1.一种基于雨蚀疲劳损伤的风电叶片前缘涂层寿命预测方法，其特征在于包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于雨蚀疲劳损伤的风电叶片前缘涂层寿命预测方法，其特征在于：在所述步骤s2中，对于全球范围小/中雨降雨强度，即降雨强度≦1mm/h，计算与之对应的雨滴粒径d：
3.根据权利要求2所述的基于雨蚀疲劳损伤的风电叶片前缘涂层寿命预测方法，其特征在于：在所述步骤s3中，根据风电叶片前缘涂层样品从外到内出现磨损的位置和对应的时间，计算各位置的冲击速度。
4.根据权利要求3所述的基于雨蚀疲劳损伤的风电叶片前缘涂层寿命预测方法，其特征在于：在所述步骤s3中，假设雨场中的水滴为球形且粒径一致，分布均匀，单位时间单位面积上发生的冲击次数f为：
5.据权利要求4所述的基于雨蚀疲劳损伤的风电叶片前缘涂层寿命预测方法，其特征在于：在所述步骤s4...
【专利技术属性】
技术研发人员：吕天一，王俊，薛梅芳，陈川，刘淼然，秦昊，
申请(专利权)人：中国电器科学研究院股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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