考虑气固耦合的广谱风力机混合驱动机构动力学与控制

风能技术是近年来世界各国学术界的一个研究热点问题，对国家能源战略和环境保护意义重大。但风能的随机性和低能密度的特点使得传统的风力机只能在一个很窄的风速范围内工作。针对此问题，本课题提出了一种新概念的广谱风力机：它是一种基于马格努斯效应的新型高效的混合驱动型风力机械。桨叶的混合驱动机构是其关键部件。如何通过圆柱桨叶转速的主动控制来获得最优的低速启动性能和高风速下的动力学稳定性，以保证安全可靠高效的运行，是其关键技术和核心理论。因此，本课题拟结合桨叶构型几何学、气固耦合动力学与混驱机构运动主动控制等技术和风洞实验等手段，通过对不同圆柱桨叶构型的绕流特性及其主动控制的理论与实验研究，揭示混合驱动主动控制技术在弱风（小于3m/s）条件下对风力机械启动性能和强风条件下动力学性能等的影响规律，掌握桨叶设计和主动控制技术，为设计"轻风起舞、常风高效、恶风可靠"的新型马格努斯风力机械奠定理论与技术基础。

马格努斯风力机是利用流体力学中的马格努斯效应、采用混合驱动思想设计的一种新型的风力发电机，其优势在于拓宽了风力机的风速范围，具有微风启动、强风稳健的优点。马格努斯风力机可使占全国大多数的风能贫乏区变成可利用区甚至丰富区，因此开展对马格努斯风力机的研究具有重要的学术意义和市场价值。.该课题是一个涉及空气动力学、运动学、机构动力学及控制等多学科的多输入多输出、强耦合非线性动力学系统。本课题主要研究内容和取得的成果包括：.首先,完成了弱风下圆柱桨叶转速对风力机械启动性能的影响规律研究。完成了马格努斯风力机样机的设计和制造；获得了弱风条件下圆柱桨叶转速与马格努斯风力机升力之间的变化规律；完成了两套小型样机的研制，初步掌握了基于马格努斯效应的混合驱动型风力机制造技术。.其次，完成了额定风速附近混驱桨叶机构的最大功率点追踪及其控制策略研究。建立考虑阻尼的马格努斯风力机传动系统的动力学模型，进一步建立空气动力学模型、伺服电机模型、发电机模型、桨叶反转矩模型等，并对其进行线性化处理，得到考虑随机风速影响的马格努斯风力机系统线性化的仿真模型；针对马格努斯风力机的启动性能提出变桨叶转速控制策略，设计马格努斯风力机的线性二次型最优控制器（LQG）.基于上述控制器，实现了马格努斯风力机在低风速情况下启动的桨叶自转转速主动控制。.再次，完成了强风下圆柱桨叶的结构动力学分析与主动阻尼控制研究。结合传统风力机叶片和圆柱形叶片的优缺点，提出了一种自旋转圆柱后缘组合式风力机叶片，该叶片是将传统叶片的后缘去掉而用带自转的圆柱形叶片代替，形成一种区别于传统风力机叶片的新型叶片。根据空气动力学理论，分析了组合式风力机叶片的空气动力学特性，同时采用CFD方法，对该叶片翼型的气动性能进行了数值模拟。研究表明：组合式风力机叶片的圆柱翼不仅在马格努斯效应作用下产生较大的升力，同时在其旋转流场的作用下前缘翼产生的升力也得到了极大的提升。.此外，还展开了在复杂地形条件下的弱风特性及基于实测风数据的风力机设计与微观选址问题研究；强风下（特别是在海上复杂风况下）风力机结构流固耦合动力学及其主动阻尼控制问题研究。.通过本项目的研究，提出了两自由度混驱型马格努斯风车的概念。采用主动伺服驱动控制，实现了低风速下启动和高风速下主动阻尼控制以减轻过载破坏的问题, 从而为新型马格努斯风力机设计提供了理论依据。