基于兆瓦级风力机叶片高频微振动测定及抑制系统

1.本发明属于风力发电机技术领域，具体涉及一种基于兆瓦级风力机叶片高频微振动测定及抑制系统。


背景技术：

2.随着风力发电的普及，风力机正大规模地朝着兆瓦级方向发展。发展的同时还需要使其尽可能的高效、安全和可靠，这就使得风力机叶片的安全性设计变得非常重要。而风力机叶片的安全设计中叶片的断裂失效问题的研究尤为重要。目前关于叶片断裂失效的研究主要集中在以下方面：在叶片的失速非线性气动弹性稳定性问题（也即结构非线性和气动力非线性共同作用下的耦合振动中的失速颤振问题）、大风速下的线性经典颤振问题以及各种湍流和尾流效应下的振动引起的断裂失效问题。
3.然而，目前针对造成叶片断裂失效的隐性故障的研究较少，其中造成叶片断裂失效的隐性故障是指：一种在正常风况下，由于长期处于“高频微振动”条件下的叶片，会形成隐性的裂纹缺陷，该隐性缺陷的存在使得叶片体在极端工况或高风速颤振条件下，更容易造成断裂失效。其中上述的正常风况下的“高频微振动”所限定的状态是指：在正常风况下（风速u《8m/s），叶片从属于单一弯扭耦合状态下频率很高的、极度微小幅度的振动，该振动状态不容易用肉眼观察到位移，且由于幅度太小而频率太大，无法用常规传感器来测量其振动，但叶片长期处于此种振动状态下，如前所述，极易使得叶片产生隐性故障，从而带来潜在破坏。
4.而根据现场的设备检测发现，正是由于上述的“高频微振动”在正常风况下长期存在，从而引起了叶片的隐性故障：叶片体内发生微小裂纹现象，进而使得风力机叶片在迎击极端工况时往往更容易被破坏或摧毁。
5.基于以上问题，本技术提出一种基于兆瓦级风力机叶片高频微振动测定及抑制系统，通过两组对称嵌在叶片母体薄壁层内的压电铺层形成双传感结构，能够实现高频微振动的测定，进而通过触发变桨系统进行抑制，从而避免叶片的隐性故障；同时通过叶片母体外部环绕的形状记忆合金丝环结构组抑制微幅高频的扭转振动，以保护压电铺层。


技术实现要素：

6.本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种基于兆瓦级风力机叶片高频微振动测定及抑制系统。
7.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
8.基于兆瓦级风力机叶片高频微振动测定及抑制系统，包括叶片本体、压电双传感信号处理单元；所述叶片本体包括叶片母体以及叶片母体外部的蒙皮外层，所述叶片母体和蒙皮外层之间设置呈蜂窝状的pvc填充层；所述叶片母体呈薄壁复合材料层压结构；
所述叶片母体的薄壁层内嵌有两组相对称的压电铺层；所述叶片母体外部沿长度方向环绕有若干嵌于pvc填充层内的形状记忆合金丝环结构组，所述形状记忆合金丝环结构组包括若干形状记忆合金丝环；所述压电双传感信号处理单元与压电铺层相连，接收并处理压电铺层产生的电压信号；所述压电双传感信号处理单元与变桨系统相连。
9.优选的，所述叶片母体的横截面呈矩形薄壁层压结构；所述叶片母体横截面的外壁长度大于等于外壁宽度的2倍；所述叶片母体薄壁层中复合材料的铺层层数为6层的倍数。
10.优选的，所述叶片母体包括上薄壁、下薄壁、左薄壁、右薄壁；所述上薄壁、下薄壁内各设置一组压电铺层。
11.优选的，所述上薄壁、下薄壁、左薄壁、右薄壁中复合材料铺层角度的大小均为θ且0＜θ＜90
°
；所述上薄壁、下薄壁、左薄壁、右薄壁中复合材料采用周向反对称铺层方式；所述周向反对称铺层方式为：上薄壁中各层复合材料的铺层角度为[θ]
2n
，其中n=3，6，9，12，15，
…
；下薄壁中各层复合材料的铺层角度为[-θ]
2n
，其中n=3，6，9，12，15，
…
；左薄壁中各层复合材料的铺层角度为[θ/-θ]n，其中n=3，6，9，12，15，
…
；右薄壁中各层复合材料的铺层角度为[θ/-θ]n，其中n=3，6，9，12，15，
…
。
[0012]
优选的，两组压电铺层沿叶片母体展长方向延伸，所述压电铺层嵌于叶片母体薄壁层的中心位置处；所述压电铺层的宽度为叶片母体根部头端外壁长度的1/3，所述压电铺层的厚度为叶片母体薄壁厚度的1/3；所述压电铺层由叶片本体根部的尾端延伸至叶片本体的最大弦长处。
[0013]
优选的，所述形状记忆合金丝环结构组设置有两个；第一个形状记忆合金丝环结构组环绕在压电铺层所在的叶片母体的外部；第二个形状记忆合金丝环结构组环绕在叶片本体最大弦长与叶片本体尖端之间叶片母体的中心部位处；第二个形状记忆合金丝环结构组的长度为叶片本体长度的1/4。
[0014]
优选的，所述形状记忆合金丝环结构组中相邻形状记忆合金丝环之间的距离为3~5厘米。
[0015]
优选的，所述压电双传感信号处理单元包括弱电信号接收器、同向叠加器、运算放大器以及用来触发变桨系统的控制器；所述弱电信号接收器与两组压电铺层相连，接收两个压电铺层的电压信号；所述弱电信号接收器与同相叠加器相连，同相叠加器对两个电压信号进行取模运算得到压电输出总电压；所述同相叠加器与运算放大器相连，得到放大后的输出电压；所述运算放大器与控制器相连，所述控制器对输出电压与设定电压阈值、持续时间与设定时间进行对比；所述持续时间是指在正常风况下，输出电压信号不间
断、且持续大于等于设定电压阈值所持续的时间；所述控制器与变桨系统相连，当且时，控制器触发变桨系统。
[0016]
优选的，位于叶片母体下薄壁内压电铺层输出的电压信号的计算公式如下：（1）式（1）中：为压电铺层的厚度；为挥舞弯曲位移沿着方向的投影的位移，为叶片母体薄壁结构截面薄壁厚度处的闭合中线沿着逆时针方向的位移长度；为挥舞弯曲位移对时间求一阶导数，然后又对求一阶导数，并取时的函数值；其中为叶片本体的展长方向，为压电铺层在叶片本体展长方向的起始位置坐标；为挥舞弯曲位移对时间求一阶导数，然后又对求一阶导数，并取时的函数值，为压电铺层在叶片本体展长方向的终了位置坐标；为压电铺层表面积；为介电允常；为压电系数；位于叶片母体上薄壁层内压电铺层输出的电压信号与的计算公式相同。
[0017]
优选的，设定电压阈值的确定方法包括以下步骤：步骤1：对叶片本体建立偏微分结构方程如下：（2）（3）其中：为挥舞弯曲位移；为对时间的一阶导数；为对时间的二阶导数；为对的一阶导数；为对的二阶导数；为对的三阶导数；为对的四阶导数，为叶片本体的展长方向；为扭转位移；为对时间的一阶导数；为对时间的二阶导数；为对的一阶导数；为对的二阶导数；为对的三阶导数；
为对的四阶导数；步骤2：将叶片主体翼型截面的高频微振动气动力标定如下：（4）（5）其中：为翼型截面挥舞弯曲方向上起作用的气动升力；为翼型截面扭转力矩；为空气密度；为半弦长；为由叶片本体转速和风速形成的相对速度，其中，为叶片本体转速，为翼型截面至叶片根部头端旋转中心的距离，u为风速；为气弹中心到翼型截面质心的距离，取值范围为弦长的0.1~0.3倍；步骤3：将式（4）带入式（2）、式（5）带入式（3），采用galerkin方法求解气弹系统方程，得到气弹系统的各阶固有频率，其中6≤m≤8；步骤4：在叶片本体的尖端位置安装高频振动传感器，在正常风况下，通过高频振动传感器测量叶片本体挥舞弯曲位移与扭转位移耦合振动的频率；步骤5：当位于时，其中2≤i≤m，则叶片本体高频微振动的频率为；步骤6：根据确定设定电压阈值。
[0018]
本发明的有益效果是：
[0019]
（1）本发明通过两组对称嵌在叶片母体薄壁层内的压电铺层形成双传感结构，并结合对叶片本体高频微振动气动力的标定实现对叶片本体高频微振动的测定，进而通过触发变桨系统进行抑制，从而避免叶片的隐性故障。
[0020]
（2）本发明中第一个形状记忆合金丝环结构组起到抑制纯弯扭耦合中的扭转运动，从而避免压电铺层受到过度扭转而损坏；第二个形状记忆合金丝环结构组克服部分扭转运动，一方面使得耦合运动呈现以弯曲为主模态的耦合振动，便于压电铺层呈现弯曲为主模态的振动，提供更大的压电信号，另一方面减少靠近叶尖的扭矩向根部传递，起到间接保护压电铺层的作用。
附图说明
[0021]
构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。
[0022]
图1是本发明中叶片本体的结构示意图；
[0023]
图2是本发明中叶片母体的结构示意图；
[0024]
图3是图1的a-a向剖视图；
[0025]
图4是本发明中周向反对称铺层方式的示意图；
[0026]
图5是本发明上薄壁中复合材料的铺层角度示意图；
[0027]
图6是本发明中压电双传感信号处理单元的示意图；
[0028]
其中：
[0029]
1-叶片母体，101-上薄壁，102-下薄壁，103-左薄壁，104-右薄壁；
[0030]
2-蒙皮外层，3-pvc填充层，4-压电铺层，5-形状记忆合金丝环。
具体实施方式
[0031]
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0032]
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0033]
在本发明中，术语如“上”、“下”、“底”、“顶”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
[0034]
本发明中，术语如“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
[0035]
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0036]
实施例1：
[0037]
如图1-图3所示，基于兆瓦级风力机叶片高频微振动测定及抑制系统，包括叶片本体、压电双传感信号处理单元；所述叶片本体包括叶片母体1以及叶片母体1外部的蒙皮外层2，所述叶片母体1和蒙皮外层2之间设置呈蜂窝状的pvc填充层3；所述叶片母体1呈薄壁复合材料层压结构，其中叶片母体采用的复合材料为碳纤维复合材料；所述叶片母体1的薄壁层内嵌有两组相对称的压电铺层4；所述叶片母体1外部沿长度方向环绕有若干嵌于pvc填充层3内的形状记忆合金丝环结构组，所述形状记忆合金丝环结构组包括若干形状记忆合金丝环5；本技术中形状记忆合金丝环结构组用来抑制微幅高频的扭转振动，其中由于形状记忆合金丝环5为环形结构，无需复位；所述压电双传感信号处理单元与压电铺层4相连，接收并处理压电铺层4产生的电压信号；所述压电双传感信号处理单元与变桨系统相连。
[0038]
本技术中两组压电铺层4均为传感信号层，这种双传感形式，是一种被动式输出电压的形式，属于被动控制的范畴，技术操作相对简单，且易于实现过程控制，更重要的是，本
申请中压电铺层4采用常规压电材料即可，由于长度较小，厚度可以稍大，在被动激励中可以输出较大的电压信号。
[0039]
而叶片中常规压电层的设计大多数属于主动控制设计，其往往采用一个传感层和一个作动层，由传感层获取信号，并通过特定的智能控制手段进行信号反馈，反馈的信号传递到作动层，然后由作动层实现主动控制，技术操作很复杂，同时其由于主动作动，压电材料沿着叶片长度的方向需要较长的铺层，这就必须把压电材料限定为特定的、具有一定柔性的asf(active structural fiber)材料，增加了叶片设计难度和成本。
[0040]
优选的，所述叶片母体1的横截面呈矩形薄壁层压结构；所述叶片母体横截面的外壁长度大于等于外壁宽度的2倍；所述叶片母体1薄壁层中复合材料的铺层层数为6层的倍数。
[0041]
优选的，所述叶片母体1包括上薄壁101、下薄壁102、左薄壁103、右薄壁104；所述述上薄壁101、下薄壁102内各设置一组压电铺层4。
[0042]
优选的，所述上薄壁101、下薄壁102、左薄壁103、右薄壁104中复合材料铺层角度的大小均为θ且0＜θ＜90
°
；所述上薄壁101、下薄壁102、左薄壁103、右薄壁104中复合材料采用周向反对称铺层方式；如图4所示，所述周向反对称铺层方式为：上薄壁101中各层复合材料的铺层角度为[θ]
2n
，其中n=3，6，9，12，15，
…
；即各层的铺层角度均为θ；下薄壁102中各层复合材料的铺层角度为[-θ]
2n
，其中n=3，6，9，12，15，
…
；即各层的铺层角度均为-θ；左薄壁103中各层复合材料的铺层角度为[θ/-θ]n，其中n=3，6，9，12，15，
…
；即左薄壁103中各层复合材料以θ、-θ的铺层角度交替铺设；右薄壁104中各层复合材料的铺层角度为[θ/-θ]n，其中n=3，6，9，12，15，
…
；即右薄壁104中各层复合材料以θ、-θ的铺层角度交替铺设；其中，铺层角度指的是相应薄壁中复合材料长度方向与该薄壁外壁面上直线a之间的夹角，直线a经过薄壁外壁面前、后两端的中点，由直线a量起，以顺时针方向为θ、以逆时针方向为-θ；其中图5中展示了上薄壁101中复合材料的铺层角度。
[0043]
优选的，两组压电铺层4对称内嵌在叶片母体1内且沿叶片母体1展长方向延伸；所述压电铺层4嵌于叶片母体1薄壁层的中心位置处；所述压电铺层4的宽度为叶片母体1根部头端外壁长度的1/3，所述压电铺层4的厚度为叶片母体薄壁厚度的1/3，这样的尺寸设置能够产生较大的压电响应信号；所述压电铺层4由叶片本体根部的尾端延伸至叶片本体的最大弦长处。本技术中压电铺层4之所以介于叶片本体根部尾端和最大弦长处之间，是为了使压电铺层4免受到较大的弯扭位移，避免损坏。
[0044]
优选的，所述形状记忆合金丝环结构组设置有两个；第一个形状记忆合金丝环结构组环绕在压电铺层4所在的叶片母体1的外部；第一个形状记忆合金丝环结构组起到抑制纯弯扭耦合中的扭转运动，从而避免压电铺层4免受到过度扭转而损坏；
第二个形状记忆合金丝环结构组环绕在叶片本体最大弦长与叶片本体尖端之间叶片母体1的中心部位处；第二个形状记忆合金丝环结构组的长度为叶片本体长度的1/4。第二个形状记忆合金丝环结构组克服部分扭转运动，一方面使得耦合运动呈现以弯曲为主模态的耦合振动，便于压电铺层4呈现弯曲为主模态的振动，提供更大的压电信号，另一方面减少靠近叶尖的扭矩向根部传递，起到间接保护压电铺层的作用。
[0045]
优选的，所述形状记忆合金丝环结构组中相邻形状记忆合金丝环5之间的距离为3~5厘米。其中，相邻形状记忆合金丝环5之间采用丝环扣进行搭接，其中丝环扣为工业用接线端子，为标准件，为现有技术。
[0046]
优选的，如图6所示，所述压电双传感信号处理单元包括弱电信号接收器、同向叠加器、运算放大器以及用来触发变桨系统的控制器；所述弱电信号接收器与两组压电铺层4相连，接收两个压电铺层4的电压信号；其中两个压电铺层4的电压信号、由公式（1）进行计算；所述弱电信号接收器与同相叠加器相连，同相叠加器对两个电压信号进行取模运算得到压电输出总电压；由于在振动过程中的不同，每一时刻、的大小和方向有所不同，所以由同相叠加器处理后，进行取模运算，从而得到压电输出总电压；所述同相叠加器与运算放大器相连，得到放大后的输出电压，，其中在具体实践中进行标定；所述运算放大器与控制器相连，所述控制器对输出电压与设定电压阈值、持续时间与设定时间进行对比；所述持续时间是指在正常风况下，输出电压信号不间断、且持续大于等于设定电压阈值所持续的时间；所述控制器与变桨系统相连，当且时，控制器触发变桨系统。其中，设定时间通常取为5分钟。
[0047]
当且时，认为叶片处于较长时间的高频微振动状态，然后控制器触发变桨系统，外部低速变桨运动被触发，叶片在外部变桨运动下，避开整个气动力作用下的气弹系统的气弹共振状态，避免了高频微振动。此处外部低速变桨运动指的是：低速转动的变桨运动，且变桨角每隔5度停止、停留分钟，如果高频微振动仍然发生，则继续低速变桨运动。其中，总的变桨角在90度范围内，一定会避开共振区域，达到抑制高频微振动的目标。
[0048]
优选的，位于叶片母体1下薄壁内压电铺层4输出的电压信号的计算公式如下：（1）式（1）中：
为压电铺层4的厚度；为挥舞弯曲位移沿着方向的投影的位移，为叶片母体薄壁结构截面薄壁厚度处的闭合中线沿着逆时针方向的位移长度；其中挥舞弯曲位移利用galerkin方法离散化方程组（2）和（3），然后利用通用的时域求解法就可以获取；为挥舞弯曲位移对时间求一阶导数，然后又对求一阶导数，并取时的函数值；其中为叶片本体的展长方向，为压电铺层4在叶片本体展长方向的起始位置坐标；为挥舞弯曲位移对时间求一阶导数，然后又对求一阶导数，并取时的函数值，为压电铺层4在叶片本体展长方向的终了位置坐标；为压电铺层4表面积；为介电允常；为压电系数；其中，和为压电材料的性能参数，对于不同种类的压电材料是不相同的，根据压电材料选择的种类而直接给定，比如某种常规的压电材料，两个参数可以取值为：=1.19
×
10-8
f/m；=-2.05
×
102pav；位于叶片母体上薄壁内压电铺层输出的电压信号与的计算公式相同。
[0049]
实施例2：
[0050]
在实施例1的基础上，设定电压阈值的确定方法包括以下步骤：步骤1：对叶片本体建立偏微分结构方程如下：（2）（3）其中：为挥舞弯曲位移；为对时间的一阶导数；为对时间的二阶导数；为对的一阶导数；为对的二阶导数；为对的三阶导数；为对的四阶导数，为叶片本体的展长方向；为扭转位移；为对时间的一阶导数；为对时间的二阶导数；为对的一阶导数；为对的二阶导数；为对的三阶导数；为对的四阶导数；步骤2：将叶片主体翼型截面的高频微振动气动力标定如下：
（4）（5）其中：为翼型截面挥舞弯曲方向上起作用的气动升力，即挥舞弯曲位移方向上起作用的气动升力；为翼型截面扭转力矩；为空气密度；为半弦长；为由叶片本体转速和风速形成的相对速度，其中，为叶片本体转速，为翼型截面至叶片根部头端旋转中心的距离，u为风速；为气弹中心到翼型截面质心的距离，取值范围为弦长的0.1~0.3倍；步骤3：将式（4）带入式（2）、式（5）带入式（3），采用galerkin方法求解气弹系统方程，得到气弹系统的各阶固有频率，其中6≤m≤8；根据经验估计，对于兆瓦级风力机，高频微振动的频率可能介于任意两个相邻的固有频率之间，因为高频微振动的振动幅度大小没有明显的跳跃，所以其频率介于相邻的两个固有频率之间；步骤4：在叶片本体的尖端位置安装高频振动传感器，在正常风况下，通过高频振动传感器测量叶片本体挥舞弯曲位移与扭转位移耦合振动的频率；步骤5：当位于时，其中2≤i≤m，则叶片本体高频微振动的频率为；步骤6：根据确定设定电压阈值。
[0051]
对应于不同，可以通过试验标定其对应的设定电压阈值，叶片出厂时，通过多次自然风况下的风洞试验就能对对应的设定电压阈值进行标定，其中通过风洞试验对对应的设定电压阈值进行标定的方法为现有技术，在此不再赘述其具体结构。
[0052]
本技术通过两组对称嵌在叶片母体1薄壁层内的压电铺层4形成双传感结构，并结合对叶片本体高频微振动气动力的标定实现对叶片本体高频微振动的测定，进而通过触发变桨系统进行抑制，从而避免叶片的隐性故障；本技术中第一个形状记忆合金丝环结构组起到抑制纯弯扭耦合中的扭转运动，从而避免压电铺层受到过度扭转而损坏；第二个形状记忆合金丝环结构组克服部分扭转运动，一方面使得耦合运动呈现以弯曲为主模态的耦合振动，便于压电铺层4呈现弯曲为主模态的振动，提供更大的压电信号，另一方面减少靠近叶尖的扭矩向根部传递，起到间接保护压电铺层的作用。
[0053]
本技术涉及的丝环扣、变桨系统等均属于成熟的现有技术，在此不再赘述。
[0054]
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

技术特征：
1.基于兆瓦级风力机叶片高频微振动测定及抑制系统，其特征在于，包括叶片本体、压电双传感信号处理单元；所述叶片本体包括叶片母体以及叶片母体外部的蒙皮外层，所述叶片母体和蒙皮外层之间设置呈蜂窝状的pvc填充层；所述叶片母体呈薄壁复合材料层压结构；所述叶片母体的薄壁层内嵌有两组相对称的压电铺层；所述叶片母体外部沿长度方向环绕有若干嵌于pvc填充层内的形状记忆合金丝环结构组，所述形状记忆合金丝环结构组包括若干形状记忆合金丝环；所述压电双传感信号处理单元与压电铺层相连，接收并处理压电铺层产生的电压信号；所述压电双传感信号处理单元与变桨系统相连。2.如权利要求1所述的基于兆瓦级风力机叶片高频微振动测定及抑制系统，其特征在于，所述叶片母体的横截面呈矩形薄壁层压结构；所述叶片母体横截面的外壁长度大于等于外壁宽度的2倍；所述叶片母体薄壁层中复合材料的铺层层数为6层的倍数。3.如权利要求2所述的基于兆瓦级风力机叶片高频微振动测定及抑制系统，其特征在于，所述叶片母体包括上薄壁、下薄壁、左薄壁、右薄壁；所述上薄壁、下薄壁内各设置一组压电铺层。4.如权利要求3所述的基于兆瓦级风力机叶片高频微振动测定及抑制系统，其特征在于，所述上薄壁、下薄壁、左薄壁、右薄壁中复合材料铺层角度的大小均为θ且0＜θ＜90
°
；所述上薄壁、下薄壁、左薄壁、右薄壁中复合材料采用周向反对称铺层方式；所述周向反对称铺层方式为：上薄壁中各层复合材料的铺层角度为[θ]
2n
，其中n=3，6，9，12，15，
…
；下薄壁中各层复合材料的铺层角度为[-θ]
2n
，其中n=3，6，9，12，15，
…
；左薄壁中各层复合材料的铺层角度为[θ/-θ]
n
，其中n=3，6，9，12，15，
…
；右薄壁中各层复合材料的铺层角度为[θ/-θ]
n
，其中n=3，6，9，12，15，
…
。5.如权利要求4所述的基于兆瓦级风力机叶片高频微振动测定及抑制系统，其特征在于，两组压电铺层沿叶片母体展长方向延伸，所述压电铺层嵌于叶片母体薄壁层的中心位置处；所述压电铺层的宽度为叶片母体根部头端外壁长度的1/3，所述压电铺层的厚度为叶片母体薄壁厚度的1/3；所述压电铺层由叶片本体根部的尾端延伸至叶片本体的最大弦长处。6.如权利要求1所述的基于兆瓦级风力机叶片高频微振动测定及抑制系统，其特征在于，所述形状记忆合金丝环结构组设置有两个；第一个形状记忆合金丝环结构组环绕在压电铺层所在的叶片母体的外部；第二个形状记忆合金丝环结构组环绕在叶片本体最大弦长与叶片本体尖端之间叶片母体的中心部位处；第二个形状记忆合金丝环结构组的长度为叶片本体长度的1/4。7.如权利要求6所述的基于兆瓦级风力机叶片高频微振动测定及抑制系统，其特征在于，所述形状记忆合金丝环结构组中相邻形状记忆合金丝环之间的距离为3~5厘米。
8.如权利要求1所述的基于兆瓦级风力机叶片高频微振动测定及抑制系统，其特征在于，所述压电双传感信号处理单元包括弱电信号接收器、同向叠加器、运算放大器以及用来触发变桨系统的控制器；所述弱电信号接收器与两组压电铺层相连，接收两个压电铺层的电压信号；所述弱电信号接收器与同相叠加器相连，同相叠加器对两个电压信号进行取模运算得到压电输出总电压；所述同相叠加器与运算放大器相连，得到放大后的输出电压；所述运算放大器与控制器相连，所述控制器对输出电压与设定电压阈值、持续时间与设定时间进行对比；所述持续时间是指在正常风况下，输出电压信号不间断、且持续大于等于设定电压阈值所持续的时间；所述控制器与变桨系统相连，当且时，控制器触发变桨系统。9.如权利要求8所述的基于兆瓦级风力机叶片高频微振动测定及抑制系统，其特征在于，位于叶片母体下薄壁内压电铺层输出的电压信号的计算公式如下：（1）式（1）中：为压电铺层的厚度；为挥舞弯曲位移沿着方向的投影的位移，为叶片母体薄壁结构截面薄壁厚度处的闭合中线沿着逆时针方向的位移长度；为挥舞弯曲位移对时间求一阶导数，然后又对求一阶导数，并取时的函数值；其中为叶片本体的展长方向，为压电铺层在叶片本体展长方向的起始位置坐标；为挥舞弯曲位移对时间求一阶导数，然后又对求一阶导数，并取时的函数值，为压电铺层在叶片本体展长方向的终了位置坐标；为压电铺层表面积；为介电允常；为压电系数；位于叶片母体上薄壁层内压电铺层输出的电压信号与的计算公式相同。10.如权利要求8所述的基于兆瓦级风力机叶片高频微振动测定及抑制系统，其特征在于，设定电压阈值的确定方法包括以下步骤：步骤1：对叶片本体建立偏微分结构方程如下：
（2）（3）其中：为挥舞弯曲位移；为对时间的一阶导数；为对时间的二阶导数；为对的一阶导数；为对的二阶导数；为对的三阶导数；为对的四阶导数，为叶片本体的展长方向；为扭转位移；为对时间的一阶导数；为对时间的二阶导数；为对的一阶导数；为对的二阶导数；为对的三阶导数；为对的四阶导数；步骤2：将叶片主体翼型截面的高频微振动气动力标定如下：（4）（5）其中：为翼型截面挥舞弯曲方向上起作用的气动升力；为翼型截面扭转力矩；为空气密度；为半弦长；为由叶片本体转速和风速形成的相对速度，其中，为叶片本体转速，为翼型截面至叶片根部头端旋转中心的距离，u为风速；为气弹中心到翼型截面质心的距离，取值范围为弦长的0.1~0.3倍；步骤3：将式（4）带入式（2）、式（5）带入式（3），采用galerkin方法求解气弹系统方程，得到气弹系统的各阶固有频率，其中6≤m≤8；步骤4：在叶片本体的尖端位置安装高频振动传感器，在正常风况下，通过高频振动传感器测量叶片本体挥舞弯曲位移与扭转位移耦合振动的频率；步骤5：当位于时，其中2≤i≤m，则叶片本体高频微振动的频率为；步骤6：根据确定设定电压阈值。

技术总结
本发明公开了一种基于兆瓦级风力机叶片高频微振动测定及抑制系统，属于风力发动机技术领域，包括叶片本体、压电双传感信号处理单元；叶片本体包括叶片母体以、蒙皮外层，叶片母体和蒙皮外层之间设置PVC填充层；叶片母体呈薄壁复合材料层压结构；叶片母体的薄壁层内嵌有两组相对称的压电铺层；叶片母体外部环绕若干形状记忆合金丝环结构组；压电双传感信号处理单元与压电铺层相连，压电双传感信号处理单元与变桨系统相连。本发明通过两组对称嵌在叶片母体薄壁层内的压电铺层形成双传感结构，并结合对叶片本体高频微振动气动力的标定实现对叶片本体高频微振动的测定，进而通过触发变桨系统进行抑制，从而避免叶片的隐性故障。从而避免叶片的隐性故障。从而避免叶片的隐性故障。


技术研发人员：刘廷瑞 崔庆虎 赵元志 巩爱凌
受保护的技术使用者：山东科技大学
技术研发日：2023.04.26
技术公布日：2023/5/26