水平轴风机的新型变桨原理与气动性能

“清华大学优秀博士学位论文丛书”（以下简称“优博丛书”）精选自2014年以来入选的清华大学校级优秀博士学位论文（Top 5%）。每篇论文经作者进一步修改、充实并增加导师序言后，以专著形式呈现在读者面前。“优博丛书”选题范围涉及自然科学和人文社会科学各主要领域，覆盖清华大学开设的全部一级学科，代表了清华大学各学科很优秀的博士学位论文的水平，反映了相关领域近期新的科研进展，具有较强的前沿性、系统性和可读性，是广大博硕士研究生开题及撰写学位论文的推荐参考，也是科研人员快速和系统了解某一细分领域发展概况、近期新进展以及创新思路的有效途径。

本书介绍了水平轴风机的变桨原理和近期新的发展趋势,总结了作者在新型变桨结构和理论方面的研究成果,主要内容包括:①水平轴风机的变桨原理、国内外变桨技术的研究进展和风机气动载荷理论。②新型折叠变桨风机的概念,折叠变桨原理和新型变桨风机的风洞实验结果。③折叠变桨风机的气动载荷理论和气动性能。④折叠变桨轮毂的结构、力学原理和参数设计等。 本书可供从事风电装备变桨技术研究的科研工作者参考,也适用于具有一定风电理论基础的读者。

目录 第1章绪论 ………………………………………………………………… 1 1.1风能的利用与水平轴风机 ……………………………………… 1 1.2风轮结构的研究现状 …………………………………………… 3 1.1……………………………………… 3 2.轮毂载荷控制技术 1.2……………………………………… 4 2.气动载荷控制技术 1.3功率控制与新型变桨技术 ……………………………… 5 2. 1.3叶素动量理论的研究进展 ……………………………………… 7 1.4水平轴风机的风洞实验 ………………………………………… 11 1.5本书的主要内容 ………………………………………………… 12第2章折叠变桨风机的基本原理 ……………………………………… 14 2.1引言 ……………………………………………………………… 14 2.2水平轴风机的能量利用效率 …………………………………… 14 2.1………………………… 14 2.水平轴风机的风能利用系数 2.2.2水平轴风机的气动载荷理论 ………………………… 18 2.2.3 5MW风机的风能利用效率分析 …………………… 20 2.4风轮的功率输出能力分区 …………………………… 23 2. 2.3折叠变桨风轮的概念与原理 …………………………………… 24 2.4折叠变桨叶片的可行性风洞实验 ……………………………… 27 2.1风洞与测量装置 ……………………………………… 27 4.2.2………………………………… 28 4.实验叶片与实验方案 2.3实验结果与讨论 ……………………………………… 30 4.第3章折叠变桨风轮的风洞实验 ……………………………………… 33 3.1引言 ……………………………………………………………… 33 3.2折叠变桨叶片的风洞实验 ……………………………………… 33 3.1……………………… 33 2.风洞实验装置及数据处理方法 3.2………………………………… 35 2.风洞实验的基本参数 3.3…………………………………… 37 2.功率调节性能实验 3.4………………………………………… 40 2.启动性能实验 3.2.5气动刹车性能实验 …………………………………… 42 3.6小结 …………………………………………………… 45 2. 3.3折叠变桨风轮的功率输出性能实验 …………………………… 46 3.1机械功率测量平台与实验风轮 ……………………… 47 3. 3.2数据处理方法 ………………………………………… 49 3.3.3………………… 51 3.零折叠角风轮的功率输出性能实验 3.4………………… 52 3.折叠变桨风轮的功率输出性能实验 3.5…………………… 55 3.折叠变桨风轮的恒功率调节实验 3.4折叠变桨风轮的功率调节原理 ………………………………… 59第4章折叠变桨风轮的气动载荷理论 ………………………………… 62 4.1引言 ……………………………………………………………… 62 4.2折叠变桨风轮的叶素动量理论 ………………………………… 62 4.1………………………… 63 2.折叠变桨风轮的局部坐标系 4.2.2叶素气动载荷与气流动量定理方程 ………………… 67 4.3叶素动量理论的变量修正 …………………………… 69 2. 4.4叶素动量理论的计算流程 …………………………… 70 2. 4.3折叠变桨风轮叶素动量理论的准确性 ………………………… 72 4.1风洞实验平台与实验风轮 …………………………… 72 3.4.2………………………………………… 76 3.数据处理方法 4.3…………………………………… 76 3.风轮功率测试结果 4.4………………………………… 78 3.理论计算结果与分析 4.4折叠变桨风轮的气动性能分析 ………………………………… 81 4.1………………… 81 4.折叠轴倾角对风能利用系数的影响 4.2……………………… 82 4.折叠变桨风轮的风阻推力性能 4.3………………………… 83 4.折叠变桨风轮的功率曲线族 4.5折叠变桨风轮的气动性能调节机理 …………………………… 85 4.5.1风轮气动性能调节的影响因素 ……………………… 85 4.2风轮气动性能调节因子的算例分析 ………………… 90 5.第5章折叠变桨风轮结构的参数设计 ………………………………… 95 5.1引言 ……………………………………………………………… 95 5.2考虑折叠轴位置的叶素动量理论 ……………………………… 95 目录19 5.1……………………………………… 96 2.风轮局部坐标系 5.2……………………………… 98 2.气流动量定理方程修正 5.3叶素动量理论的变量修正 …………………………… 101 2. 5.4计算流程 ……………………………………………… 102 2. 5.3折叠轴参数对风轮功率调节能力的影响 …………………… 104 5.4折叠变桨轮毂的结构与原理 ………………………………… 110 5.5折叠变桨轮毂的静力学 ……………………………………… 111 5.1…………………………… 111 5.折叠变桨轮毂的受力分析 5.2折叠变桨轮毂载荷与结构参数的关系 ……………… 113 5. 5.3 1MW折叠变桨风轮的轮毂载荷分析 ……………… 114 5. 5.6折叠变桨轮毂的参数设计 …………………………………… 119 5.1……………………………… 119 6.桨距角调节灵敏度分析 5.2……………………… 122 6.折叠变桨轮毂的参数设计准则 第6章针对 1MW风机的折叠变桨风轮应用 ………………………… 123 6.1引言 …………………………………………………………… 123 6.2 1MW风轮的额定参数与叶片参数 ………………………… 123 6.1……………………………………………… 123 2.额定参数 6.2…………………………… 124 2.叶片几何外形与气动参数 6.3 1MW折叠变桨风轮的结构设计 …………………………… 126 6.1叶片的额定载荷 ……………………………………… 126 3. 6.2 1MW折叠变桨风轮的结构参数设计 ……………… 127 3. 6.3.3 1MW折叠变桨风轮桨距角调节灵敏度分析 ……… 129 6.4 1MW折叠变桨风轮的功率输出性能 ……………………… 131 6.1…………… 131 4.叶片折叠角对风轮功率输出性能的影响 6.4.2 1MW折叠变桨风轮的功率曲面 …………………… 133 6.3 1MW折叠变桨风轮的功率调控准则 ……………… 135 4. 6.5 1MW折叠变桨风轮与常规变桨风轮的对比 ……………… 138 6.1…………………… 138 5.额定工况下的变桨结构载荷对比 6.2……………………………… 140 5.恒功率调节过程的对比 6.6 1MW折叠变桨风轮非额定工况下的载荷 ………………… 141参考文献 …………………………………………………………………… 147 Contents Chapter1 Introduction …………………………………………………… 1 1.WidEnrovrinadHoiotl 1 negyCnesonrznaAxisWindTurbine ………………………………………… 1 1.WidTubntrRsaceiw …………………… 3 2 nrieRooeerhRve 1.2.1 RotorHubLoadsControlTechnology ………… 3 1.2.2 AerodynamicLoadsControlTechnology ……… 4 1.2.3 PowerControlandInnovative PitchingTechnology ……………………………… 5 1.aemetMomettoeerhRve… 7 3 BldeElnnum MehdRsaceiw 1.4 IntroductionofWindTunnelExperimentof WindTurbine……………………………………………… 11 1.ManCnetfThsBo…………………………… 12 5 iotnsoiok Chapter2 TheoryofWindTurbineFoldingRotor …………………… 14 2.nrdcin ……………………………………………… 14 1 Itouto 2.WidEnrovrinEf cecf 2 negyCnesoiinyoHorizontalAxisWindTurbine ………………………… 14 2.2.1 PowerCoef icientofHorizontal AxisWindTurbine ……………………………… 14 2.2.2 AerodynamicLoadsTheoryof HorizontalAxisWindTurbine ………………… 18 2.2.3 EnergyConversionEf iciencyAnalysis ofa5MW WindTurbine ……………………… 20 2.2.4 WindTurbineRotorDivisionsBased onPowerOutputCapability …………………… 23 2.3 FoldingRotorConceptandPrinciple …………………… 24 2.WidTunlFaiiiyEprmet 4 nneesbltxeinofFoldingBlade…………………………………………… 27 2.4.1 WindTunneland MeasurementDevices ……… 27 2.4.2 TestedBladesandExperimentScheme ……… 28 2.4.3 ExperimentResultsandDiscus ion …………… 30 Chapter3 WindTunnelExperimentofFoldingRotor ………………… 33 3.nrdcin ……………………………………………… 33 1 Itouto3.WidTunlEpeinfFligBld…………… 33 2 nnexrmetoodnae 3.2.1 WindTunnelExperimentDevicesand DataProces Method …………………………… 33 3.2.2 ExperimentParameters ………………………… 35 3.2.3 PowerRegulationExperiment ………………… 37 3.2.4 StartupExperiment……………………………… 40 3.2.5 AerodynamicBrakeExperiment ……………… 42 3.2.6 Summary ………………………………………… 45 3.einfFligRtrPeefrmac…… 46 3 ExprmetoodnooowrProne 3.3.1 MechanicalPowerMeasurement DevicesandTestedRotor ……………………… 47 3.3.2 DataProces Method …………………………… 49 3.3.3 PowerPerformanceTestofRotor withUnfoldedBlades …………………………… 51 3.3.4 PowerPerformanceTestofRotor withFoldedBlades ……………………………… 52 3.3.5 ConstantPowerRegulationTestof FoldingRotor …………………………………… 55 3.ThoyoodnooowrRglto…………… 59 4 erfFligRtrPeeuain Chapter4 AerodynamicLoadsTheoryofFoldingRotor ……………… 62 4.1 Introduction ……………………………………………… 62 4.aemetMomettof 2 BldeElnnum MehdoFoldingRotor……………………………………………… 62 4.2.1 LocalCoordinateSystemsofFoldingRotor … 63 4.2.2 BladeElementAerodynamicLoadsand Airflow Momentum Theorem ………………… 67 Contents 23 4.2.3 VariableModificationsofBlade ElementMomentum Method …………………… 69 4.2.4 CalculationProcedureofBlade ElementMomentum Method …………………… 70 4.3 ValidationofBladeElementMomentum MethodofFoldingRotor ………………………………… 72 4.3.1 WindTunnelExperimentDevices andTestedRotor………………………………… 72 4.3.2 DataProces Method …………………………… 76 4.3.3 FoldingRotorPowerTestResults …………… 76 4.3.4 TheoreticalCalculation ResultsandAnalysis …………………………… 78 4.odntrAeoniefrmacayi…… 81 4 FligRoordyamcProneAnlss 4.4.1 ImpactofFoldingAxisInclineAngle MagnitudeonPowerCoef icient ……………… 81 4.4.2 WindThrustBehaviorofFoldingRotor ……… 82 4.4.3 PowerCurveFamilyofFoldingRotor ………… 83 4.5 TheoryofFoldingRotorAerodynamicsRegulation …… 85 4.5.1 InfluenceFactorsofFoldingRotor AerodynamicsRegulation ……………………… 85 4.5.2 A CaseStudyofInfluenceFactors …………… 90 Chapter5 FoldingRotorLayoutParametersDesign …………………… 95 5.nrdcin ……………………………………………… 95 1 Itouto5.aemetMomettoosdring 2 BldeElnnum MehdCnieFoldingAxisLocation …………………………………… 95 5.2.1 RotorLocalCoordinateSystems ……………… 96 5.2.2 Airflow Momentum Theorem Modifications … 98 5.2.3 VariableModificationsofBlade ElementMomentum Method ………………… 101 5.2.4 CalculationProcedure ………………………… 102 5.nlecfFligAxsPrtrn 3 IfuneoodniaameesoPowerRegulationPerformance ………………………… 104 5.odintorHubLyuner……………… 110 4 FlgRoaotadThoy 5.5 FoldingRotorHubStatics ……………………………… 111 5.5.1 LoadsStudyonFoldingRotorHub ………… 111 5.5.2 RelationshipBetwe nFoldingRotor HubParametersandLoads …………………… 113 5.5.3 LoadsAnalysisofA1 MW FoldingRotorHub …………………………… 114 5.odntrHubPrtreign ……………… 119 6 FligRooaameesDs 5.6.1 BladePitchAngleAdjustment SensitivityStudy ……………………………… 119 5.6.2 FoldingRotorHubParametersDesignRule …… 122 Chapter6 Applicationof1MW FoldingRotor ……………………… 123 6.nrdcin ……………………………………………… 123 1 Itouto 6.aeaameesadBldePrtrf 2 RtdPrtrnaaameeso1MW FoldingRotor …………………………………… 123 6.2.1 RatedParameters ……………………………… 123 6.2.2 BladeShapeandAerodynamicParameters … 124 6.3 LayoutDesignof1MW FoldingRotor ………………… 126 6.3.1 BladeRatedLoads ……………………………… 126 6.3.2 LayoutParametersDesignof 1MW FoldingRotor …………………………… 127 6.3.3 BladePitchAngleAdjustmentSensitivityAnalysisof1MW FoldingRotor ……………… 129 6.oweefrmacf1MW FligRoo………… 131 4 PrProneoodntr 6.4.1 InfluenceofBladeFoldAngleMagnitude onRotorPowerPerformance ………………… 131 6.4.2 PowerSurfacesof1MW FoldingRotor ……… 133 6.4.3 PowerRegulationRuleof 1MW FoldingRotor …………………………… 135 6.5 ComparisonBetwe n1MW FoldingRotorand ConventionalPitchRegulatedRotor…………………… 138 6.5.1 BladePitch Mechanism LoadsComparison UnderRatedCondition ………………………… 138 Contents 25 6.5.2 ConstantPowerRegulation Proces Comparison …………………………… 140 6.6 LoadsAnalysisUnderHigh WindSpe dCondition of1MW FoldingRotor ………………………………… 141 References ………………………………………………………………… 147