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)

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