兆瓦级风力机叶片新型两点疲劳加载试验系统振动耦合机理及解耦研究

In fatigue loading test for MW wind turbine blade, the method of single-point loading has the problem of much error and distortion of the testing result. A new dual-point fatigue loading mode is put forward to improve the testing accuracy in this project. However, the two frequency conversion motors and the wind turbine blade construct a complicated non-liner energy transferring system where the coupling effect will influence the distribution of target flexural moment seriously and then testing result. So firstly the space coupling mechanisms of two loadings connected by flexible wind blade and the coupling mechanisms of one loading with blade influenced by another loading will be researched. By building their mathematical and simulation model of coupling, the effect rules of parameters will be found. Then the two models mentioned above will be tested by the developed dual-point fatigue loading equipment in non-control situation. Finally an intelligent decoupling algorithm for the non-liner coupling system mentioned above will be presented to form an integrated theory of vibration coupling for dual-point fatigue loading system. The research findings are expected to improve the accuracy of fatigue loading test of MW wind turbine blade greatly and to supply the detailed data for wind turbine blade designing.

针对目前兆瓦级风力机叶片单点疲劳加载试验方法测试结果误差较大，从而造成疲劳测试失真的问题，提出新型两点疲劳加载测试方法。由于两点疲劳加载系统中两个加载源与风力机叶片之间构成了一个非常复杂的非线性能量传递系统，因此其耦合效应会严重影响目标弯矩的分布精度以及最终的疲劳测试结果。为进一步提高疲劳测试精度，本项目将研究基于叶片柔性连接的两个加载源振动的空间耦合机理、其它加载源影响下的单加载源与叶片的振动自同步机理，通过分别建立其相应的振动耦合数学模型和仿真模型，揭示各个参数对上述耦合过程的作用规律。然后搭建非控制作用下的两点疲劳加载装备，通过现场试验验证数学模型与仿真模型的准确性。在此基础上，最后提出该非线性耦合系统的智能解耦方法，从而形成完善的两点疲劳加载试验系统的振动耦合理论体系。本项目研究成果将有望极大提高兆瓦级风力机叶片的疲劳性能测试精度，同时为叶片的优化设计提供详实的试验数据。

针对目前兆瓦级风力机叶片单点疲劳加载试验方法测试结果误差较大，从而造成疲劳测试失真的问题，本项目首次提出新型两点疲劳加载测试方法。由于两点疲劳加载系统中两个加载源与风力机叶片之间构成了一个非常复杂的非线性能量传递系统，因此其耦合效应会严重影响目标弯矩的分布精度以及最终的疲劳测试结果。. 为进一步提高疲劳测试精度，本项目首先研究了基于叶片柔性连接的两个加载源振动的空间耦合机理。通过构建相应的空间耦合数学模型，得到了影响振动耦合的因素包括偏心块初始相位差和转速、偏心块偏心矩等。利用Matlab/Simulink仿真软件结合该数学模型建立了振动系统仿真模型，并进行了小型叶片现场试验验证，得出了如下重要结论：若想得到较稳定的振幅，两加载源的电机转速应尽量相等，否则两偏心质量块的相位差越来越大，两加载系统不能达到同步振动状态，需要对两电动机进行同步控制。同时两电机应尽量对称安装。. 其次，研究了扰动载荷影响下的单加载源与叶片的振动自同步机理，通过构建相应的振动自同步数学模型，得到影响振动自同步的因素有扰动载荷的初始转速和初始相位差、偏心矩等。通过在Matlab软件中采用相平面法建立仿真模型并进行小型叶片现场试验验证，进一步验证了上述结论。. 最后，针对转速同步问题，设计了滑模变结构跟随误差同步控制算法和基于PID控制的同步误差解耦算法分别来减小转速跟随误差以及同步误差；针对相位同步问题，设计了“虚拟加载源-误差分段智能控制”解耦算法使两加载源的相位差收敛于零；搭建了一套LZ62-5.0MW大型风电叶片的两点疲劳加载试验平台，现场试验表明：5s后振动系统处于同步状态，叶片的振幅值稳定在 0.5m左右，可实现对叶片的等幅疲劳加载，说明上述解耦控制算法的有效性。. 本项目首次提出了采用两点疲劳加载新方法完成风电叶片的疲劳测试，探索了整个非线性系统的振动耦合机理，深入研究各个影响因素的作用规律。在此基础上，进一步提出该耦合系统的解耦方法，从而达到形成完善的两点疲劳加载试验系统振动耦合理论体系的目的。