Active vibration control of a blade containing magnetorheological fluid

Abstract

Bu tez çalışmasında küçük ölçekli bir rüzgâr türbini kanat elemanının titreşimlerini bastırmak için manyetoreolojik sıvı esaslı bir kontrol yöntemi önerilmiştir. Bu kapsamda manyetoreolojik sıvının kanat elemanı içerisine tamamen doldurulması ve kanat elamanı üzerine bir tabaka halinde yama olarak yapıştırılması gibi iki durum ele alınmıştır. Her iki durumda da manyetoreolojik sıvının manyetik özelliğini kullanarak kuvvet oluşturmak için bir elektromıknatıs eyleyici kullanılmıştır. Gerek tam dolu kanat elemanı gerekse tabaka halindeki yama için elektromıknatıs ile manyetoreolojik sıvı arasında kuvvet ilişkisini veren bir model elde edilmiştir. Manyetoreolojik sıvının elektromıknatısın oluşturduğu çekme kuvvetine olan cevabını ortaya koymak için kuvvet karakterizasyonu çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Manyetoreolojik sıvı içeren kanat elemanının hareket denklemi iki farklı yöntemle elde edilerek doğal frekansları bulunmuş deneysel olarak elde edilen sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Doğal frekanslar üzerinde manyetoreolojik sıvının etkisi incelenmiştir. Durum uzayı denklemleri her iki hareket denklemi esas alınarak elde edilmiştir. Kanat elemanının aktif titreşim kontrolü için norm esaslı çok amaçlı kontrolcü tasarımı gerçekleştirilmiştir. Aktif titreşim kontrolünü deneysel olarak gerçekleştirmek amacıyla manyetoreolojik sıvının kanat elemanı içerisine tamamen doldurulduğu ve kanat elamanı üzerine bir tabaka halinde yama olarak yapıştırıldığı iki farklı durum için deneysel sistemler oluşturulmuştur. Kanat elemanı üzerinde sürekli bir titreşim oluşturmak için deneysel olarak bir aerodinamik yük oluşturulmuş, bu yük altında farklı durumlar için tasarlanan kontrolcüler test edilmiştir. Deneysel sonuçlar frekans ve zaman cevapları üzerinden değerlendirilmiştir. Manyetoreolojik yama durumunda elde edilen sonuçlar hemen hemen aynı boyuttaki bir piezoelektrik (PZT) yama kullanılarak yapılan aktif titreşim kontrolü sonuçları ile karşılaştırılmıştır.

In this thesis, a magnetorheological fluid-based control method has been proposed to suppress the vibrations of a small-scale wind turbine blade element. In this scope, two cases are respectively investigated. In the first case, the magnetorheological fluid is filled into the blade element and in the second case, this fluid is adhered as a patch layer on the blade element. In both cases, an electromagnet actuator is used to generate force by using the magnetic property of the magnetorheological fluid. Considering both the filled blade element and the laminated patch, a model that describes the force relationship between the electromagnet and the magnetorheological fluid is obtained. Force characterization studies have been carried out to reveal the response of the magnetorheological fluid to the pulling force generated by the electromagnet.The equation of motion of the blade element containing magnetorheological fluid is obtained by two different methods and its natural frequencies are compared with the experimental results. The effect of magnetorheological fluid on natural frequencies is investigated. State space equations are obtained based on both equations of motion. Norm based multi-objective controller design has been realized for active vibration control of the blade element.In order to perform the active vibration control experimentally, experimental systems have been constituted for two different cases that the magnetorheological fluid has been filled into the blade element and has been adhered as a layer on the blade element. To create a continuous vibration on the blade element, an aerodynamic load is created experimentally and the controllers designed for different conditions under this load are tested. Experimental results were evaluated over frequency and time responses. The results obtained in the case of the magnetorheological patch are compared with the results of active vibration control using a piezoelectric (PZT) patch of almost the same size.