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The Third-Order Viscoelastic Acoustic Model Enables an Ice-Detection System for a Smart Deicing of Wind-Turbine Blade Shells
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作者 Eugen Mamontov Viktor Berbyuk 《Journal of Applied Mathematics and Physics》 2016年第10期1949-1976,共28页
The present work is based on the third-order partial differential equation (PDE) of acoustics of viscoelastic solids for the quasi-equilibrium (QE) component of the average normal stress. This PDE includes the stress-... The present work is based on the third-order partial differential equation (PDE) of acoustics of viscoelastic solids for the quasi-equilibrium (QE) component of the average normal stress. This PDE includes the stress-relaxation time (SRT) for the material and is applicable at any value of the SRT. The notion of a smart deicing system (SDS) for blade shells (BSs) of a wind turbine is specified. The work considers the stress in a BS as the one caused by the operational load on the BS. The work develops key design issues of a prospective ice-detection system (IDS) able to supply an array of the heating elements of an SDS with the element-individual spatiotemporal data and procedures for identification of the material parameters of atmospheric-ice (AI) layer accreted on the outer surfaces of the BSs. Both the SDS and IDS flexibly allow for complex, curvilinear and space-time-varying shapes of BSs. The proposed IDS presumes monitoring of the QE components of the normal stresses in BSs. The IDS is supposed to include an array of pressure-sensing resistors, also known as force-sensing resistors (FSRs), and communication hardware, as well as the parameter-identification software package (PISP), which provides the identification on the basis of the aforementioned PDE and the data measured by the FSRs. The IDS does not have hardware components located outside the outer surfaces of, or implanted in, BSs. The FSR array and communication hardware are reliable, and both cost- and energy-efficient. The present work extends methods of structural-health/operational-load monitoring (SH/OL-M) with measurements of the operational-load-caused stress in closed solid shells and, if the prospective PISP is used, endows the methods with identification of material parameters of the shells. The identification algorithms that can underlie the PISP are computationally efficient and suitable for implementation in the real-time mode. The identification model and algorithms can deal with not only the single-layer systems such as the BS layer without the AI layer or two-layer systems but also multi-layer systems. The outcomes can be applied to not only BSs of wind turbines but also non-QE closed single- or multi-layer deformable solid shells of various engineering systems (e.g., the shells of driver or passenger compartments of ships, cars, busses, airplanes, and other vehicles). The proposed monitoring of the normal-stress QE component in the mentioned shells extends the methods of SH/OL-M. The topic for the nearest research is a better adjustment of the settings for the FSR-based measurement of the mentioned components and a calibration of the parameter-identification model and algorithms, as well as the resulting improvement of the PISP. 展开更多
关键词 Non-Equilibrium Deformable Solid System Quasi-Equilibrium Mechanical Variable Average Normal Stress Pressure-Sensing Resistor Acoustics of Viscoelastic Solids Third-Order Partial Differential Equation Shell of a blade of a Wind Turbine Atmospheric Ice smart Deicing Structural-Health/Operational-Load Monitoring Identification of Material Parameters
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基于FLUENT的农业灌溉管路微型水轮机发电效率的分析与研究
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作者 李杰 翁泽城 潘鹤立 《节水灌溉》 北大核心 2023年第8期129-135,142,共8页
为了实现管道中水能发电满足智能灌溉系统供电需求,需要提高超微型水轮机的发电量和发电效率。使用DesignModeler和Soildworks建立了三维结构模型,将水轮机转轮不同的叶片数量和叶片角度分组并导入流体力学仿真软件Fluent中分析。根据... 为了实现管道中水能发电满足智能灌溉系统供电需求,需要提高超微型水轮机的发电量和发电效率。使用DesignModeler和Soildworks建立了三维结构模型,将水轮机转轮不同的叶片数量和叶片角度分组并导入流体力学仿真软件Fluent中分析。根据灌溉用水特点,设置在水压150kPa,水流速度1.33m/s的条件下进行仿真实验。在稳定旋转的条件下,分别对6、10、20、25、30叶片数和夹角60°、70°、75°、80°、90°的叶轮模型稳定后的转速进行仿真试验,发现在叶片夹角75°下,20和25片叶片时水轮机转速较快,分别为1185 r/min和1148 r/min。经过仿真试验,发现叶轮转速与其叶片长度的关系不明显。对有效输出功率和流场进行分析,发现当水轮机叶片为25片,夹角为75°时,为仿真实验中的最优组合。叶片数在6~20片时转速随着叶片数量增加而增加,20~30片则会骤降,叶片的角度在75°时转速最高,叶片长度对转速影响不大。研究结果表明通过调整其转轮数量和叶片角度对叶轮转速有明显提升,能有效提高输出功率,提高发电效率。 展开更多
关键词 FLUENT 超微型水轮机 智能灌溉 管道水流发电 叶片数量 叶片角度 发电效率
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尾缘襟翼结构参数对大型风机气动性能影响的仿真研究 被引量:6
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作者 张文广 李腾飞 +3 位作者 刘吉臻 白雪剑 韩越 胡阳 《可再生能源》 CAS 北大核心 2016年第12期1826-1833,共8页
利用FAST仿真平台,研究了大型风机智能叶片的尾缘襟翼结构参数对叶片载荷抑制和功率捕获等气动性能的影响。仿真结果表明:尾缘襟翼位于叶尖部位时,在不同风况下,襟翼对叶片具有较好的降载效果,低风况及过渡风况下,功率捕获损失较小;增... 利用FAST仿真平台,研究了大型风机智能叶片的尾缘襟翼结构参数对叶片载荷抑制和功率捕获等气动性能的影响。仿真结果表明:尾缘襟翼位于叶尖部位时,在不同风况下,襟翼对叶片具有较好的降载效果,低风况及过渡风况下,功率捕获损失较小;增加襟翼占弦比、长度和摆角范围,在低风况及过渡风况下,可进一步提高叶片的降载能力,但存在一定的功率损失;在高风况下,襟翼占弦比、长度和摆角范围均存在提高叶片降载能力的最佳值,且这3个参数的变化对功率捕获无影响。 展开更多
关键词 大型风机 智能叶片 尾缘襟翼 载荷抑制 功率捕获
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智能风力机叶片振动主动控制研究综述 被引量:5
4
作者 韩江 乔印虎 +2 位作者 张春燕 陈杰平 缑瑞宾 《应用力学学报》 CAS CSCD 北大核心 2015年第3期446-453,9,共8页
风力机叶片是一个细长柔性体,承受多种交变力的作用,其可靠性受到越来越多的关注,现有风力机叶片的被动式控制很难适应风力机叶片大型化发展的要求,针对智能结构的风力机叶片主动控制的研究越来越受到重视。本文对智能风力机叶片的振动... 风力机叶片是一个细长柔性体,承受多种交变力的作用,其可靠性受到越来越多的关注,现有风力机叶片的被动式控制很难适应风力机叶片大型化发展的要求,针对智能结构的风力机叶片主动控制的研究越来越受到重视。本文对智能风力机叶片的振动主动控制问题进行了综述,包括结构设计、不同智能材料选用及各类控制算法(如直接速度控制、状态空间控制、神经网络控制、前馈控制、自适应控制等不同的控制策略)的运用等。现有的研究存在不同程度的不足:1叶片智能结构设计不足;2智能风力机叶片的理论建模不足;3针对风力机叶片的振动主动控制技术有待完善。今后应加强以上方面的研究力度。 展开更多
关键词 风力机叶片 智能材料 振动主动控制 综述
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基于改进DMC的风力机智能叶片多目标襟翼控制 被引量:2
5
作者 张文广 韩越 +1 位作者 王奕枫 刘瑞杰 《太阳能学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第3期600-607,共8页
为研究尾缘襟翼在风力机主动降载和功率控制方面的效果,以NREL 5 MW参考风力机为研究对象,在改进FAST的带有尾缘襟翼的气弹仿真平台基础上,使用改进动态矩阵控制(DMC)方法,将独立襟翼控制器与集成襟翼控制器结合,提出DMC多目标襟翼控制... 为研究尾缘襟翼在风力机主动降载和功率控制方面的效果,以NREL 5 MW参考风力机为研究对象,在改进FAST的带有尾缘襟翼的气弹仿真平台基础上,使用改进动态矩阵控制(DMC)方法,将独立襟翼控制器与集成襟翼控制器结合,提出DMC多目标襟翼控制策略。仿真结果表明,稳定风况及湍流风况下,独立襟翼控制器均能很好地降低叶根疲劳载荷;阶跃风况下与传统DMC控制器相比,使用改进DMC的集成襟翼控制器对叶轮功率的控制效果更好;湍流风况下与PID襟翼控制策略相比,DMC多目标襟翼控制策略有更好的控制效果,能使叶根弯矩标准差降低52.64%,叶轮功率标准差降低74.62%。 展开更多
关键词 风力机 功率控制 气动载荷 智能叶片 尾缘襟翼 动态矩阵控制
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压电板壳风力机叶片动力学建模与分析 被引量:2
6
作者 乔印虎 韩江 +2 位作者 张春燕 陈杰平 缑瑞宾 《太阳能学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2016年第6期1560-1565,共6页
针对由压电智能结构构成的风电叶片振动逆控制技术进行理论分析和研究。首先设计压电复合材料叶片,将风力机叶片等效为扁壳结构,基于压电层合壳理论,推导压电扁壳的振动控制微分方程。在此基础上,把压电板壳风力机叶片简化成弹性压电层... 针对由压电智能结构构成的风电叶片振动逆控制技术进行理论分析和研究。首先设计压电复合材料叶片,将风力机叶片等效为扁壳结构,基于压电层合壳理论,推导压电扁壳的振动控制微分方程。在此基础上,把压电板壳风力机叶片简化成弹性压电层合壳,建立叶片智能结构机-电耦合系统动力学模型和压电复合材料压电扁壳结构的动力学方程,进行有限元分析,结果表明在风载作用下,控制电压对叶片振动有抑制作用。 展开更多
关键词 风力机叶片 智能结构 层合扁壳 动力学建模
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智能叶片风力机建模及多目标尾缘襟翼控制 被引量:5
7
作者 张文广 白雪剑 《动力工程学报》 CAS CSCD 北大核心 2018年第4期321-328,共8页
为了研究尾缘襟翼在风力机主动降载和功率控制方面的效果,以NREL 5 MW参考风力机为研究对象,在每个叶片上增加了2段独立的尾缘襟翼。首先,建立了智能叶片风力机气动、传动链以及发电机模型,进而在Matlab/Simulink中搭建了带有尾缘襟翼... 为了研究尾缘襟翼在风力机主动降载和功率控制方面的效果,以NREL 5 MW参考风力机为研究对象,在每个叶片上增加了2段独立的尾缘襟翼。首先,建立了智能叶片风力机气动、传动链以及发电机模型,进而在Matlab/Simulink中搭建了带有尾缘襟翼的智能叶片风力机模型,并在不同风况下使用FAST气弹仿真平台对所建模型进行对比验证,最后在智能叶片风力机模型基础上设计了多目标多襟翼控制。结果表明:与FAST气弹仿真平台相比,智能叶片风力机模型各项参数偏差均小于10%,精度较高;在多目标多襟翼控制作用下,风力机的叶根挥舞弯矩在1P频率处的功率谱密度减少了89.73%,发电机功率标准差减少了75.07%。 展开更多
关键词 智能叶片风力机 尾缘襟翼 主动降载 功率控制
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风力机智能叶片非定常气动特性分析 被引量:3
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作者 张文广 王奕枫 刘瑞杰 《太阳能学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第4期1171-1178,共8页
为研究大型风力机智能叶片的非定常气动特性,以具有尾缘襟翼的NREL 5 MW参考风力机为研究对象,改进动态失速模型并修正动态尾流模型,建立风力机智能叶片的非定常气动模型。进而,通过仿真验证所建模型的准确性。最后,研究在不同尾缘襟翼... 为研究大型风力机智能叶片的非定常气动特性,以具有尾缘襟翼的NREL 5 MW参考风力机为研究对象,改进动态失速模型并修正动态尾流模型,建立风力机智能叶片的非定常气动模型。进而,通过仿真验证所建模型的准确性。最后,研究在不同尾缘襟翼角度下翼型升力系数、叶根挥舞弯矩和风力机功率的变化规律。结果表明,所建模型可较准确模拟翼型周围的非定常流动状态;尾缘襟翼可减小动态失速效应,有利于降低疲劳载荷、抑制功率波动。 展开更多
关键词 风力机 非定常空气动力学 气动特性 智能叶片 尾缘襟翼
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风力机叶片压电振动的主动控制研究 被引量:5
9
作者 乔印虎 韩江 +2 位作者 张春燕 陈杰平 缑瑞宾 《应用力学学报》 CAS CSCD 北大核心 2013年第4期587-592,650,共6页
提出了将智能材料粘贴在叶片表面或嵌入叶片内部形成新结构的概念。本文将智能材料作为传感器和作动器,通过机电耦合抑制叶片的振动;利用有限元软件Algor分析在气动力作用下叶片的应力、应变;基于压电陶瓷第一压电方程,将风电叶片简化... 提出了将智能材料粘贴在叶片表面或嵌入叶片内部形成新结构的概念。本文将智能材料作为传感器和作动器,通过机电耦合抑制叶片的振动;利用有限元软件Algor分析在气动力作用下叶片的应力、应变;基于压电陶瓷第一压电方程,将风电叶片简化成柔性悬臂梁,建立了压电智能悬臂梁状态空间的动力学模型;针对此系统利用最优控制理论进行主动振动控制,设计了在系统低阶模态空间的振动控制器。最后通过计算机仿真得出:系统振动幅度缩小了约20%,振动时间减少了约80%,从而说明了此主动振动控制方法的有效性和可行性,对防止叶片这一弹性体发生颤振也起到一定的作用。 展开更多
关键词 风力机叶片 压电智能结构 悬臂梁 模态控制 最优控制理论 有限元分析
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风力机智能叶片气弹建模与主动控制仿真研究 被引量:1
10
作者 张文广 刘瑞杰 王奕枫 《动力工程学报》 CAS CSCD 北大核心 2018年第8期665-673,共9页
为研究大型风力机智能叶片的气弹特性及尾缘襟翼对叶片形变和疲劳载荷的影响,以带有尾缘襟翼的NREL 5 MW参考风力机为研究对象,综合柔性叶片的旋转、重力、阻尼和气弹耦合等因素,建立了智能叶片多模态挥舞气弹模型,并与FAST平台进行仿... 为研究大型风力机智能叶片的气弹特性及尾缘襟翼对叶片形变和疲劳载荷的影响,以带有尾缘襟翼的NREL 5 MW参考风力机为研究对象,综合柔性叶片的旋转、重力、阻尼和气弹耦合等因素,建立了智能叶片多模态挥舞气弹模型,并与FAST平台进行仿真对比。基于LMS算法设计了尾缘襟翼主动控制器,在湍流风况下对叶尖偏移量进行控制仿真。结果表明:该气弹模型的准确度较高;尾缘襟翼主动控制方法可以有效减小叶尖偏移量波动并降低叶片疲劳载荷。 展开更多
关键词 大型水平轴风力机 智能叶片 尾缘襟翼 气弹建模 LMS算法
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智能复合材料风力机叶片设计与有限元分析 被引量:1
11
作者 乔印虎 韩江 +1 位作者 张春燕 陈杰平 《材料工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2013年第5期57-61,共5页
随着风力发电机叶片的大型化,将智能材料粘贴在叶片表面或嵌入叶片内部形成新的结构,智能材料作为传感器和作动器。设计了小型风力发电机叶片及其智能夹层结构,用有限元分析软件Algor分析埋入的压电材料逆压电效应下的应力、位移,并与... 随着风力发电机叶片的大型化,将智能材料粘贴在叶片表面或嵌入叶片内部形成新的结构,智能材料作为传感器和作动器。设计了小型风力发电机叶片及其智能夹层结构,用有限元分析软件Algor分析埋入的压电材料逆压电效应下的应力、位移,并与气动力作用下的叶片流体计算结果进行对比。分析实现叶片振动主动控制的可行性,以防止叶片这一弹性体发生颤振。 展开更多
关键词 风力机叶片 压电智能复合材料 建模 有限元分析
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智能材料的风机叶片振动主动控制分析
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作者 乔印虎 易克传 易勇 《机械研究与应用》 2009年第1期118-120,126,共4页
对风力发电机叶片破坏形式、主动控制用智能材料作了介绍,进一步分析了用智能材料进行风机叶片保护可行性。分析了基于智能材料叶片主动控制方案,为进一步实现叶片振动保护打下基础。
关键词 风力发电机 叶片 智能材料 控制方法
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风力机智能叶片气动建模与控制 被引量:1
13
作者 漆良文 陈严 +3 位作者 何科杉 郑黎明 周奇 白兴之 《控制工程》 CSCD 北大核心 2019年第9期1687-1694,共8页
可通过有效控制风力机叶片的升力间接减小风力机的疲劳载荷,提高风力机的可靠性。该文建立了基于尾缘襟翼的风力机叶片试验模型静态升力控制系统仿真平台。该系统在上位机Matlab/Simulink中建立叶片试验模型静态升力的数学模型和系统控... 可通过有效控制风力机叶片的升力间接减小风力机的疲劳载荷,提高风力机的可靠性。该文建立了基于尾缘襟翼的风力机叶片试验模型静态升力控制系统仿真平台。该系统在上位机Matlab/Simulink中建立叶片试验模型静态升力的数学模型和系统控制算法,利用下位机PLC进行实时数据采集和输出,并利用用于过程控制的OPC(OLEfor Process Control,OPC)技术实现上位机和下位机的实时数据通信。结果表明:该控制系统通过主动调节尾缘襟翼的偏转角度有效地减小了周期渐变风、周期阵风、阶梯风和湍流风风况下叶片的升力波动幅度。同时,使用单神经元PID控制器能更好地弥补风扰动引起的升力波动,其控制效果优于经典PID控制器。 展开更多
关键词 智能叶片 升力控制 尾缘襟翼 单神经元PID OPC技术
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直升机旋翼复合材料桨叶结构设计与选材分析 被引量:11
14
作者 孟雷 程小全 +1 位作者 胡仁伟 徐云研 《高科技纤维与应用》 CAS 2014年第2期16-23,共8页
介绍了直升机旋翼复合材料桨叶的结构特点和设计要求,分析了国内外复合材料桨叶结构设计的选材情况,总结了我国直升机复合材料桨叶结构选材现状与现存问题,并对无轴承旋翼柔性梁和主动控制智能旋翼国际新型桨叶复合材料结构设计与选材... 介绍了直升机旋翼复合材料桨叶的结构特点和设计要求,分析了国内外复合材料桨叶结构设计的选材情况,总结了我国直升机复合材料桨叶结构选材现状与现存问题,并对无轴承旋翼柔性梁和主动控制智能旋翼国际新型桨叶复合材料结构设计与选材进行了讨论。综述研究表明,直升机旋翼桨叶工作环境复杂,在动力学设计方面有较高要求,复合材料桨叶结构设计及其成本与选材存在相互依赖和相互制约的矛盾关系,指出桨叶用复合材料与其结构设计技术的发展,对提高我国直升机旋翼桨叶性能、可靠性、寿命和安全性具有重要意义。 展开更多
关键词 旋翼桨叶 复合材料 无轴承旋翼 智能旋翼 结构设计 选材分析
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大型海上风电叶片载荷智能控制研究 被引量:6
15
作者 张明明 《工程热物理学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2017年第7期1363-1375,共13页
近年来海上风电机组大型化已成为风电行业主要发展趋势之一。与此相应,柔性大变形风电叶片气弹效应将更加增强,致使叶片乃至整机载荷更大,严重危及机组的安全、可靠运行。为此,本文根据国际叶片载荷控制新概念—"智能叶片",... 近年来海上风电机组大型化已成为风电行业主要发展趋势之一。与此相应,柔性大变形风电叶片气弹效应将更加增强,致使叶片乃至整机载荷更大,严重危及机组的安全、可靠运行。为此,本文根据国际叶片载荷控制新概念—"智能叶片",系统地总结了团队过去相关气动-伺服-弹性模型构建、系统在通常和极限风况下可靠性与参数影响等工作和取得的进展,并在此基础上,在国际上首次揭示了气弹耦合控制机理。这些成果的取得为未来大型海上风电机组叶片和机组优化设计提供了有价值的理论依据。 展开更多
关键词 大型海上风电叶片 智能叶片 柔性尾缘襟翼 气弹控制
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大型风电机组叶片不同方位角下载荷智能控制效果分析 被引量:3
16
作者 杨洪磊 张明明 徐建中 《工程热物理学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第2期262-270,共9页
本文基于自主搭建的带有柔性尾缘襟翼(DTEF)控制的气动伺服弹性耦合仿真计算平台,首先从整体上论证了DTEF对降低风机叶片疲劳载荷的有效性,得到不同风速下风机叶片的叶根挥舞力矩按方位角的分布特性,在此基础上分析了DTEF能够降低叶片... 本文基于自主搭建的带有柔性尾缘襟翼(DTEF)控制的气动伺服弹性耦合仿真计算平台,首先从整体上论证了DTEF对降低风机叶片疲劳载荷的有效性,得到不同风速下风机叶片的叶根挥舞力矩按方位角的分布特性,在此基础上分析了DTEF能够降低叶片疲劳载荷的作用机理。最终得到结论:基于DTEF的智能叶片控制在不影响电机功率输出量的前提下可以有效降低叶片的疲劳载荷,减小电机输出功率、推力、桨距角的波动;不同轮毂高风速下DTEF的作用效果按方位角的分布规律不同;从参数的方位角分布规律分析出智能叶片控制机理,即DTEF引入破坏了原有叶片的气弹耦合特性,减弱叶片承受气动力,从而有效降低了叶片疲劳载荷。本文工作为未来明确智能叶片流动控制机理和优化载荷控制提供参考。 展开更多
关键词 5MW风电叶片 智能叶片 柔性尾缘襟翼 方位角 作用机理
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不同传感信号对风电叶片载荷智能控制影响研究
17
作者 张明明 谭斌 +1 位作者 杨洪磊 徐健中 《工程热物理学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2016年第4期747-754,共8页
本文在自主搭建的DTEF(柔性尾缘襟翼)"智能叶片"仿真实验平台的基础上,讨论了三种不同传感信号方案,即信号来自叶片挥舞方向加速度,叶尖位移和叶根挥舞力矩,对控制效果影响。首先,本文分析了四组不同位置处加速度信号对控制效果的影... 本文在自主搭建的DTEF(柔性尾缘襟翼)"智能叶片"仿真实验平台的基础上,讨论了三种不同传感信号方案,即信号来自叶片挥舞方向加速度,叶尖位移和叶根挥舞力矩,对控制效果影响。首先,本文分析了四组不同位置处加速度信号对控制效果的影响,接着对比了三种传感器信号方案的优劣,最后详细分析了相关流动控制机理。通过详细的讨论,本文得出结论:1)由于复杂流动分离和变桨作用,导致风力机叶片在Ⅱ区运行时选取加速度传感信号越靠近叶尖,控制效果越差,与Ⅲ区运行时相反;2)三种传感器信号方案中,选取叶根挥舞力矩为传感信号时控制效果最佳,相比原有主机控制最大降低载荷12.0%~22.5%;3)DTEF的作用扰乱了控制前叶片流动-结构间较好的同步性,削弱了叶片系统间的气弹耦合作用,从而有效地减少了叶轮受载。 展开更多
关键词 智能旋翼控制 海上风电能源 疲劳载荷 传感信号 流体叶片相互作用
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