مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

کنترل غیرفعال ارتعاشات لبه‌ای پره توربین بادی با تلفیق سیاهچاله آکوستیکی (ABH)، لایه ویسکوالاستیک و مستهلک‌کننده غلطکی غیرخطی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 گروه آموزشی مکانیک دانشگاه فردوسی مشهد
2 گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه فردوسی، مشهد، ایران
10.48311/mme.2026.123155.83094
چکیده
افزایش ابعاد و انعطاف‌پذیری پره‌های توربین‌های بادی، آن‌ها را به شدت در برابر ارتعاشات عرضی در صفحه لبه‌ای (Edgewise) تحت بارگذاری‌های دینامیکی دوار حساس می‌سازد. راهکارهای غیرفعال متداول مانند جذب‌کننده‌های جرم تنظیم‌شده (TMD)، اگرچه موثر هستند، اما به دلیل افزودن جرم کمکی، بار استاتیکی ریشه پره را افزایش می‌دهند. در این پژوهش، یک سیستم کنترلی ترکیبی و کاملاً غیرفعال متشکل از سیاهچاله آکوستیکی یک‌بعدی (1D-ABH)، لایه ویسکوالاستیک موضعی و مستهلک‌کننده غلطکی غیرخطی (NRD) برای کنترل ارتعاشات Edgewise و کاهش جرم پره پیشنهاد شده است. مدل‌سازی ریاضی بر پایه تئوری تیر اویلر-برنولی دوار همراه با معادلات حاکم ۲ درجه آزادی غیرخطی کوپل‌شده استخراج شده و اثرات سخت‌شوندگی گریز از مرکز، کوریولیس و اصطکاک غلتشی لحاظ گردیده‌اند. پاسخ‌های دینامیکی در ۱۰ سناریوی مختلف با روش رانگه-کوتا حل شده‌اند. نتایج نشان می‌دهد که ABH خام به تنهایی، اگرچه باعث کاهش جرم می‌شود، اما به دلیل تضعیف صلبیت خمشی محلی، دامنه ارتعاشات حالت ماندگار را ۲0.7% افزایش می‌دهد. افزودن لایه ویسکوالاستیک این ضعف را جبران کرده و ارتعاشات را ۱۵.۷۸% کاهش می‌دهد. در نهایت، طرح ترکیبی بهینه (سناریو ۸) هم‌زمان به ۱۵.۴% کاهش وزن کل پره و ۲۱.۵۳% کاهش در RMS ارتعاشات حالت ماندگار (و ۳۳.۸۷% کاهش در پیک نوسانات) دست می‌یابد. این نتایج اثبات می‌کند که سیستم ترکیبی پیشنهادی، راهکاری بسیار کارآمد برای سبک‌سازی سازه‌ای و سرکوب پایدار ارتعاشات در توربین‌های بادی نسل جدید است.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Hybrid Passive Vibration Control of a Wind Turbine Blade Integrating Acoustic Black Hole (ABH), Viscoelastic Damping, and Non-linear Roller Damper

نویسندگان English

Reza Fazaeli 1
Aliakbar Akbari 2
1 Mechanical Engineering Department, Ferdowsi University of Mashhad
2 Mechanical Engineering Department, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
چکیده English

The increasing size and structural flexibility of megawatt-scale wind turbine blades make them highly susceptible to edgewise vibrations under rotating dynamic loads. Conventional passive control methods, such as tuned mass dampers (TMDs), effectively mitigate vibrations but add auxiliary mass, thereby increasing static root loads. This study proposes a novel, fully passive hybrid control framework integrating a one-dimensional Acoustic Black Hole (1D-ABH), a localized viscoelastic damping layer, and a Nonlinear Roller Damper (NRD) to simultaneously suppress edgewise vibrations and reduce blade mass. A two-degree-of-freedom (2-DOF) nonlinear coupled dynamic model is derived based on rotating Euler-Bernoulli beam theory, incorporating centrifugal stiffening, Coriolis forces, and rolling friction. The governing equations are solved using the variable-step Runge-Kutta method across ten distinct operational scenarios. The results reveal that a bare ABH structure, despite reducing mass, increases steady-state vibration amplitudes by 20.7% due to localized stiffness degradation. Adding a viscoelastic layer compensates for this reduction, yielding a 15.78% vibration decrease. Ultimately, the optimal hybrid configuration (Scenario 8) achieves a 15.4% total blade mass reduction while providing a 21.53% decrease in steady-state RMS displacement and a 33.87% reduction in peak amplitude. These findings demonstrate that the proposed hybrid system offers a highly efficient strategy for structural lightweighting and robust vibration suppression in modern wind turbine blades.

کلیدواژه‌ها English

Wind turbine blade
Edgewise vibration
Acoustic Black Hole (ABH)
Nonlinear Roller Damper (NRD)
Passive vibration control

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 05 مهر 1405