本發(fā)明涉及葉片及葉片控制，尤其涉及一種用于抑制顫振失穩(wěn)的雙變槳葉片及其控制方法。

背景技術(shù)：

1、為了滿足世界風(fēng)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需求，同時(shí)也為了實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電效率成本最優(yōu)化以及提高風(fēng)電的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，風(fēng)力發(fā)電機(jī)單機(jī)容量的不斷增加、尺寸的大型化、葉片的細(xì)長化成為必然發(fā)展趨勢(shì)。然而，隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)大型化的發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片氣彈穩(wěn)定性問題也變得越發(fā)突出，尤其是葉片的經(jīng)典顫振失穩(wěn)問題，其不僅影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作性能產(chǎn)生氣動(dòng)噪聲，此外將顯著降低葉片疲勞壽命，更嚴(yán)重的是將導(dǎo)致葉片的直接斷裂破壞，對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)造成巨大損失。已有文獻(xiàn)研究表明，對(duì)于下一代10兆瓦以上級(jí)別風(fēng)力發(fā)電機(jī)而言，其顫振臨界轉(zhuǎn)速的理論計(jì)算值等于甚至小于額定轉(zhuǎn)速。因此風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片顫振失穩(wěn)問題將成為制約下一代風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)展的關(guān)鍵問題之一。

2、當(dāng)前針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)顫振失穩(wěn)問題的解決措施主要分為兩類：一、氣動(dòng)措施，其基本原理是通過改變風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片斷面氣動(dòng)外形來改善葉片氣動(dòng)荷載，進(jìn)而提高葉片氣彈穩(wěn)定性。常用的做法包括采用帶有主動(dòng)控制系統(tǒng)的后緣襟翼葉片，或者在葉片尾部安裝可主動(dòng)控制長度的微型擾流片。然而顫振發(fā)生在葉片氣流附著階段，且顫振發(fā)生臨界條件與葉片斷面氣動(dòng)升力系數(shù)的斜率有關(guān)。相關(guān)實(shí)驗(yàn)證明通過氣動(dòng)措施改變?nèi)~片斷面升力系數(shù)的斜率其效果十分有限，因此通過氣動(dòng)措施抑制顫振發(fā)生效果不理想。二、結(jié)構(gòu)措施，其基本原理是通過改變?nèi)~片結(jié)構(gòu)特性來提高結(jié)構(gòu)氣彈穩(wěn)定性，比如采用復(fù)合材料改變?nèi)~片彎扭耦合程度；或者改變?nèi)~片鋪層材料斷面類型來改變截面重心、氣動(dòng)中心以及剪切中心的相對(duì)位置；又或者在葉片內(nèi)增加阻尼材料提高葉片自身結(jié)構(gòu)阻尼。然而相關(guān)研究表明增加葉片彎扭耦合度能一定程度上提高結(jié)構(gòu)顫振臨界轉(zhuǎn)速，但同時(shí)會(huì)導(dǎo)致葉片發(fā)生靜力失穩(wěn)；同時(shí)通過改變?nèi)~片鋪層材料和斷面形狀來改變截面重心、氣動(dòng)中心以及剪切中心的相對(duì)位置，進(jìn)而提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)顫振臨界轉(zhuǎn)速的方法僅僅適用于小型家用風(fēng)力機(jī)，對(duì)于葉片長度達(dá)到數(shù)十米的商用風(fēng)力發(fā)電機(jī)不適用；而在葉片內(nèi)增加阻尼層的方法，雖然可以提高葉片的結(jié)構(gòu)阻尼有利于葉片顫振抑制，但是相關(guān)研究表明阻尼層的增加會(huì)降低葉片結(jié)構(gòu)剛度。綜上所述，現(xiàn)有的顫振控制措施無法實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制，控制的效果十分有限，對(duì)顫振臨界轉(zhuǎn)速的提升不足15%，無法滿足今后風(fēng)力發(fā)電機(jī)安全設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種可操作性強(qiáng)、抑顫效率高、成本低且可維護(hù)性強(qiáng)的用于抑制顫振失穩(wěn)的雙變槳葉片及其控制方法。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為：

3、一種用于抑制顫振失穩(wěn)的雙變槳葉片，包括葉片基部、葉片尖部、用于調(diào)節(jié)葉片基部槳距角的葉片基部變槳驅(qū)動(dòng)器和用于調(diào)節(jié)葉片尖部槳距角的葉片尖部變槳驅(qū)動(dòng)器，所述葉片基部通過葉片基部變槳軸承與輪轂轉(zhuǎn)動(dòng)連接，所述葉片基部變槳驅(qū)動(dòng)器設(shè)于所述輪轂內(nèi)、并與所述葉片基部變槳軸承連接；所述葉片尖部變槳驅(qū)動(dòng)器設(shè)于所述葉片基部，所述葉片尖部與所述葉片尖部變槳驅(qū)動(dòng)器連接；

4、采用?pi模糊控制算法對(duì)葉片尖部槳距角進(jìn)行主動(dòng)控制，其中，以葉片基部頂端扭轉(zhuǎn)角為反饋量，葉片尖部槳距角通過下式確定：

5、，

6、其中，是葉片尖部槳距角角速度，表示時(shí)間，是葉片基部頂端扭轉(zhuǎn)角，是葉片基部頂端扭轉(zhuǎn)角角速度，是比例常數(shù)，是積分常數(shù)，是控制的響應(yīng)時(shí)間。

7、作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述葉片基部變槳驅(qū)動(dòng)器連接有主動(dòng)齒輪，所述葉片基部變槳軸承設(shè)有內(nèi)齒圈，所述主動(dòng)齒輪與所述內(nèi)齒圈嚙合。

8、作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述葉片尖部變槳驅(qū)動(dòng)器連接有葉片尖部傳動(dòng)軸，所述葉片尖部與所述葉片尖部傳動(dòng)軸固定連接。

9、作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述葉片尖部變槳驅(qū)動(dòng)器設(shè)于葉片基部頂端截面剪切中心處，所述葉片尖部傳動(dòng)軸與所述葉片尖部底端截面剪切中心處固定連接。

10、作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述葉片尖部傳動(dòng)軸采用合金材料制成。

11、作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述葉片基部頂端截面和所述葉片尖部底端截面采用合金材料封閉。

12、作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述葉片基部變槳軸承采用合金結(jié)構(gòu)鋼制成。

13、一種上述的用于抑制顫振失穩(wěn)的雙變槳葉片的控制方法，按照如下步驟確定葉片尖部長度最優(yōu)值：

14、建立不同葉片尖部長度所對(duì)應(yīng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)模型；

15、求解每種風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)模型下對(duì)葉片尖部槳距角角進(jìn)行主動(dòng)控制時(shí)的最優(yōu)控制參數(shù)，得到不同葉片尖部長度所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)模型，所述最優(yōu)控制參數(shù)包括最優(yōu)葉片尖部長度以及最優(yōu)葉片尖部傳動(dòng)軸位置參數(shù)；

16、對(duì)比不同風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉尖扭轉(zhuǎn)響應(yīng)值確定響應(yīng)最小的最優(yōu)風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)模型，所述響應(yīng)最小的最優(yōu)風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)模型所對(duì)應(yīng)的葉片尖部長度值即為最終的葉片尖部長度最優(yōu)值。

17、作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)：所述建立不同葉片尖部長度所對(duì)應(yīng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)模型包括：根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片三維構(gòu)造原始數(shù)據(jù)，通過有限元軟件首先建立風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片三維精細(xì)化殼單元數(shù)值模型，隨后基于風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片三維精細(xì)化殼單元數(shù)值模型建立不同葉片尖部長度以及葉片尖部傳動(dòng)軸位置所對(duì)應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片三維梁?jiǎn)卧Ｐ汀?/p>

18、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

19、本發(fā)明當(dāng)葉片發(fā)生扭轉(zhuǎn)顫振時(shí)，采用?pi模糊控制算法對(duì)葉片尖部槳距角進(jìn)行主動(dòng)控制，在葉片尖部主動(dòng)控制策略控制下葉片尖部變槳驅(qū)動(dòng)器自動(dòng)調(diào)節(jié)葉片尖部槳距角至目標(biāo)值，從而改變?nèi)~片尖部氣動(dòng)荷載，葉片尖部荷載合力產(chǎn)生的扭矩傳動(dòng)軸傳遞到葉片基部，該扭矩對(duì)葉片基部的扭轉(zhuǎn)變形起到抑制作用，進(jìn)而抑制葉片顫振，達(dá)到最佳的葉片顫振抑制效果。本發(fā)明可操作性強(qiáng)，無需改變?nèi)~片內(nèi)部構(gòu)造；同時(shí)可維護(hù)性強(qiáng)，維修人員僅需更換較短的葉片尖部，無需對(duì)整個(gè)葉片進(jìn)行維修；同時(shí)本發(fā)明控制效果好，制造成本低，且具有良好的通用性。

1.一種用于抑制顫振失穩(wěn)的雙變槳葉片，其特征在于：包括葉片基部、葉片尖部、用于調(diào)節(jié)葉片基部槳距角的葉片基部變槳驅(qū)動(dòng)器和用于調(diào)節(jié)葉片尖部槳距角的葉片尖部變槳驅(qū)動(dòng)器，所述葉片基部通過葉片基部變槳軸承與輪轂轉(zhuǎn)動(dòng)連接，所述葉片基部變槳驅(qū)動(dòng)器設(shè)于所述輪轂內(nèi)、并與所述葉片基部變槳軸承連接；所述葉片尖部變槳驅(qū)動(dòng)器設(shè)于所述葉片基部，所述葉片尖部與所述葉片尖部變槳驅(qū)動(dòng)器連接；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于抑制顫振失穩(wěn)的雙變槳葉片，其特征在于：所述葉片基部變槳驅(qū)動(dòng)器連接有主動(dòng)齒輪，所述葉片基部變槳軸承設(shè)有內(nèi)齒圈，所述主動(dòng)齒輪與所述內(nèi)齒圈嚙合。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于抑制顫振失穩(wěn)的雙變槳葉片，其特征在于：所述葉片尖部變槳驅(qū)動(dòng)器連接有葉片尖部傳動(dòng)軸，所述葉片尖部與所述葉片尖部傳動(dòng)軸固定連接。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于抑制顫振失穩(wěn)的雙變槳葉片，其特征在于：所述葉片尖部變槳驅(qū)動(dòng)器設(shè)于葉片基部頂端截面剪切中心處，所述葉片尖部傳動(dòng)軸與所述葉片尖部底端截面剪切中心處固定連接。

5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于抑制顫振失穩(wěn)的雙變槳葉片，其特征在于：所述葉片尖部傳動(dòng)軸采用合金材料制成。

6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于抑制顫振失穩(wěn)的雙變槳葉片，其特征在于：所述葉片基部頂端截面和所述葉片尖部底端截面采用合金材料封閉。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于抑制顫振失穩(wěn)的雙變槳葉片，其特征在于：所述葉片基部變槳軸承采用合金結(jié)構(gòu)鋼制成。

8.一種如權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的用于抑制顫振失穩(wěn)的雙變槳葉片的控制方法，其特征在于：

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的用于抑制顫振失穩(wěn)的雙變槳葉片的控制方法，其特征在于：所述建立不同葉片尖部長度所對(duì)應(yīng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)模型包括：根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片三維構(gòu)造原始數(shù)據(jù)，通過有限元軟件首先建立風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片三維精細(xì)化殼單元數(shù)值模型，隨后基于風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片三維精細(xì)化殼單元數(shù)值模型建立不同葉片尖部長度以及葉片尖部傳動(dòng)軸位置所對(duì)應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片三維梁?jiǎn)卧Ｐ汀?/p>
技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種用于抑制顫振失穩(wěn)的雙變槳葉片及其控制方法，雙變槳葉片包括葉片基部、葉片尖部、葉片基部變槳驅(qū)動(dòng)器和葉片尖部變槳驅(qū)動(dòng)器，采用PI模糊控制算法對(duì)葉片尖部槳距角進(jìn)行主動(dòng)控制。方法包括：建立不同葉片尖部長度所對(duì)應(yīng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)模型；求解每種風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)模型下對(duì)葉片尖部槳距角進(jìn)行主動(dòng)控制時(shí)的最優(yōu)控制參數(shù)，得到不同葉片尖部長度所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)模型；對(duì)比不同風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉尖扭轉(zhuǎn)響應(yīng)值確定響應(yīng)最小的最優(yōu)風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)模型，模型對(duì)應(yīng)的葉片尖部長度值為最終的葉片尖部長度最優(yōu)值。本發(fā)明具有可操作性強(qiáng)、維護(hù)方便、控制效果好等優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)研發(fā)人員：陳孛,華旭剛,王文熙,巫發(fā)明,羅濤,卜凱霖
受保護(hù)的技術(shù)使用者：湖南大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/30