基于弦向分段襟摆的大型风力机叶片失速非线性颤振机理及抑制

To enhance designed production capacity of large-scale wind turbine, the theories of aerodynamic characteristics, new materials combining new technologies, and control strategies in the range of extreme wind speeds are important topics in not only theoretical investigation but also practical development, one significant direction of which is to devise feasible turbine blade with fine aerodynamic performance and longevity. So it is imperative to investigate dynamic and structural characteristics and stability problems, the prerequisite one of which is to investigate aeroelastic stability problem under stall nonlinear flutter conditions. Aeroelastic stability analysis and control of dynamic stall blade under nonlinear aerodynamics based on chordwise and segmental trailing-edge flaps is investigated in the project...Firstly, nonlinear modeling of blade with chordwise and segmental trailing-edge flaps is investigated combining geometric nonlinear theories and structural damping computing. Secondly, the group of nonlinear partial differential equations of coupling motion and pitch motion combining in nonlinear aerodynamics is investigated based on piezoelectric sensing and actuation, and established by Hamilton theory and structural-modal energy approach. Thirdly, the group of nonlinear differential equations is solved by Galerkin Method and strip theories. The stability and its accordance rule are confirmed by time domain response, frequency results from harmonic balance method, and sliding mode variable structure control and tracking method. The stability adjustment and flutter suppression can be fulfilled by aeroservelastic active control based on video camera sensing for structural deformation measurement and flow field particle imaging sensor.

为增强我国大型风力发电机组独立设计能力,需要对极端风速情况下的动力学特性、结构特性和稳定性，以及先进计算机仿真方法等交叉学科和前沿学科问题进行探索研究。能引起叶片疲劳断裂失效的失速非线性颤振是影响稳定性的关键，鉴于此，本项目基于弦向分段襟摆，对极端风速情况下的非线性气动力作用下的大展长叶片的失速非线性颤振进行分析和控制。..首先，建立分段尾缘襟摆叶片的几何非线性模型，计算结构阻尼，实现叶片非线性建模；其次，基于Hamilton原理及结构模态的能量解法，并纳入非线性气动力的作用，建立薄壁叶片耦合变桨运动的非线性偏微分方程组，研究大展长叶片的气弹建模问题；最后，离散化处理非线性微分方程组，实现大规模变系数非线性微分方程组的求解，通过与频域分析结论及滑模跟踪结果相对比来验证稳定性问题，并通过基于结构变形测量的视频摄像传感及流场粒子成像技术传感的伺服气弹主动控制技术来实现稳定性调节和颤振抑制。

引起叶片疲劳断裂失效的失速非线性颤振是影响大型风力机叶片稳定性的关键。本项目基于弦向分段襟摆，对极端风速情况下的非线性气动力作用下的大展长叶片的失速非线性颤振进行了理论分析、控制和实验研究。首先，建立了分段尾缘襟摆叶片的结构模型，计算了复合材料叶片结构阻尼，实现了翼型结构的非线性系统建模；其次，基于Hamilton原理及结构模态的能量解法，并纳入非线性气动力的作用，建立了复合材料薄壁叶片耦合变桨运动的非线性偏微分气弹方程组，研究了大展长叶片的气弹建模问题；离散化处理了非线性微分方程组，实现了大规模变系数非线性微分方程组的求解，通过与频域分析结论及时域跟踪结果的对比来验证了稳定性问题及控制实施问题。通过基于结构变形测量的压电/形状记忆合金作动技术，以及基于激光-光纤-暗脉冲流场测量的伺服气弹主动控制技术，实现了稳定性调节和颤振抑制。..重要结果、关键数据阐述如下：.1）标定了失速颤振、经典颤振、准稳态振动状态下的风力机叶片气动力模型，申请和获批了相关发明专利，为后人在不同振动状态下的大型风力机叶片的气弹行为研究奠定了基础。.2）基于分段尾缘襟摆，实现了失速颤振、经典颤振、准稳态振动状态的不稳定振动的控制，并给出了适合于失速颤振和经典颤振控制的不同的尾缘襟翼结构、尺寸、位置的关键数据，标定了尾缘襟翼翼型截面的气动力系数。..具有科学实践意义的贡献如下：.1）基于先进智能控制理论，如神经网络理论、模糊神经控制理论、滑模控制理论、线性矩阵不等式控制理论、反演控制理论、AI机器学习算法，研究了振动控制和颤振抑制问题，并基于智能控制理论和PID控制实现了“精炼的OPC技术”(ROT)，同时基于ROT，创新性地开发了多种智能控制理论应用在西门子PLC控制器硬件的半实物仿真平台,为复杂智能控制理论的工程应用奠定了基础。.2）研究了多种作动技术。基于压电作动、形状记忆合金作动、全分布式光纤传感差压反馈，研究了电子变桨及液压变桨驱动叶片实现变桨运动的作动方案、结构参数，控制参数及相关控制技术。.3)发现了形状记忆合金(SMA)特有的“横向的高频振动”的频率响应区域，为“微幅-高频”振动的作动及检测提供了技术依据。在新的SMA本构关系中，可能纳入SMA的应力-横向高频特性。其机理未明，但其结论与应用，已获批发明专利“基于SMA差压反馈的抑制风力机挥舞共振的智能变桨系统”。