[发明专利]一种小型风力机叶片统一变桨系统及变桨方法

说明书

一种小型风力机叶片统一变桨系统及变桨方法，所述统一变桨系统包括滚珠丝杆传动系统、叶片统一变桨系统、变桨控制系统和步进电机，所述变桨控制系统内置准稳态气动力计算方法和基于输入量限制的线性矩阵不等式(LMI/IL)控制方法，本发明基于滚珠丝杆传动与连杆运动的联动结构系统。由变桨控制系统发出指令，驱动步进电机带动传动齿轮传动，从而带动联动结构系统，实现叶片的统一变桨运动。LMI/IL算法是基于临界颤振状态的判定，处理准稳态气动力激励下的准稳态气弹系统，计算出符合颤振抑制要求的“理论变桨规律”，并跟踪和优化变桨过程，避开临界颤振区域，使得叶片的实际变桨规律，能满足失速颤振抑制的要求。

技术领域

本发明属于小型风力发电机叶片失速颤振抑制技术领域，具体地说，涉及一种小型风力机叶片统一变桨系统及变桨方法。

背景技术

近年来，风力发电新能源技术得到了很大的发展，尤其风能捕获机械方面。小型风力机叶片在失速非线性气动力作用下，可能发生断裂失效。现有技术中常规的变桨方式大都采用常规的机械传动、液压传动来实现，机械传动存在所需机械设备笨重、安装复杂、驱动不平稳等缺陷，采用液压传动时存在传动滞后、液压管道复杂等缺陷，此外，现有技术对叶片失速颤振采用的是直接抑制手段解决，基于此，本发明提出一种小型风力机叶片统一变桨系统及变桨方法，本设计所述滚珠丝杆传动系统、叶片统一变桨系统、准稳态气动力计算方法和基于输入量限制的线性矩阵不等式(LMI/IL)控制方法，基于临界的准稳态气动激励状态，实现气动弹性稳定性控制(简称气弹控制)，恰好能使得叶片在进入失速颤振状态之前，在临界状态下即时调节，避开颤振区域，实现颤振抑制。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种小型风力机叶片统一变桨系统及变桨方法，在临界状态下即时调节，避开颤振区域，实现颤振抑制，以抑制可能发生的失速颤振断裂失效现象。

一种小型风力机叶片统一变桨系统，所述统一变桨系统包括滚珠丝杆传动系统、叶片变桨系统、变桨控制系统和步进电机，所述滚珠丝杆传动系统包括传动齿轮、丝杆、滚珠和平移块，所述丝杆两端通过轴承与风力机机箱固定，所述传动齿轮设置在丝杆一端部，步进电机通过传动齿轮带动丝杆转动，滚珠丝杆轴传动带动平移块实现轴向位移，所述滚珠设置在丝杆和平移块之间，所述叶片变桨系统包括叶片、第一连杆和第二连杆，叶片根部、第一连杆、第二连杆和平移块依次连接，所述第一连杆轴向与叶片根部轴向平行，所述第二连杆与平移块之间采用转动副连接，所述变桨控制系统包括模拟量输入模块和数字量输出模块，所述变桨控制系统内置准稳态气动力计算方法和基于输入量限制的线性矩阵不等式控制方法，所述准稳态气动力计算方法用于根据模拟量输入模块输入数据判断叶片临界颤振状态，所述基于输入量限制的线性矩阵不等式控制方法用于计算能够达到颤振抑制效果的变桨角度值，所述变桨角度值通过数字输出模块输出至步进电机驱动器。

进一步地，所述变桨系统还包括测振传感器和风速传感器，所述测振传感器设置在叶片尖部且在空心叶片内部，所述风速传感器设置在叶片根部，所述测振传感器与风速传感器与模拟量输入模块信号连接。

进一步地，所述丝杆两端分别设置有左轴承和右轴承，所述左轴承与风机机箱顶部嵌入式安装，所述右轴承通过支架与风机机箱连接。

进一步地，所述传动齿轮为齿轮环结构，通过齿轮环的内齿与丝杆右端固定。

进一步地，所述准稳态气动力计算方法的计算公式为：

式中：F为气动升力、M为力矩，ρ_a为空气密度，A_e为翼型截面面积，b为半弦长，W₀、W₁为准稳态气动变量W₀、W₁；

准稳态气动变量W₀、W₁的具体计算公式为：