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引言1

0.1 为什么要创新1

0.2 风能所面临的挑战2

0.3 现代风机的规范2

0.4 风能的变化4

0.5 商业风力发电技术4

0.6 风能技术评价的基础6

0.6.1 作为基线的标准设计6

0.6.2 技术优势的基础6

0.6.3 所宣称的功率性能的安全性6

0.6.4 所提出的创新的影响6

参考文献7

第1篇 设计背景9

第1章 旋翼气动理论9

1.1 简介9

1.2 气动升力10

1.3 激励盘12

1.4 开流激励盘13

1.4.1 轴向感应13

1.4.2 动量14

1.5 广义激励盘理论15

1.6 扩散器的受力21

1.7 广义激励盘理论和实际扩散器设计22

1.8 为什么只有一个叶轮？22

1.9 叶轮的基本运行23

1.10 叶素动量理论25

1.10.1 动量方程25

1.10.2 叶素方程26

1.11 最佳叶轮理论28

1.11.1 功率系数Cp31

1.11.2 正压力系数34

1.11.3 面外弯矩系数34

1.12 广义叶素动量理论36

1.13 激励盘和叶素动量理论的局限性39

1.13.1 激励盘的局限性39

1.13.2 尾翼旋转和尖端效应39

1.13.3 最佳叶轮理论40

1.13.4 偏流40

1.13.5 小结41

参考文献41

第2章 旋翼气动设计44

2.1 最佳叶轮和硬度44

2.2 叶轮硬度和理想的变速运行45

2.3 硬度和负荷47

2.4 翼型设计开发47

2.5 气动性能对平面形状的敏感性52

2.6 翼型设计规范53

参考文献54

第3章 叶轮结构的相互作用56

3.1 叶片大体设计56

3.2 叶片结构基础57

3.3 简化的盖梁分析59

3.3.1 规定挠度的最小质量设计59

3.3.2 疲劳强度设计：无挠度限制60

3.4 翼型剖面的有效t/c比61

3.5 叶片设计研究：参数化分析实例63

3.6 工业叶片技术68

3.6.1 设计68

3.6.2 制造68

3.6.3 设计开发69

参考文献71

第4章 风力发电机组的尺度升级72

4.1 简介：尺寸和尺寸限制72

4.2 二次方—三次方定律75

4.3 缩放基础75

4.4 风力发电机组的相似律77

4.4.1 叶尖速度77

4.4.2 气动力矩的缩放77

4.4.3 弯曲剖面模量的缩放78

4.4.4 张力剖面的缩放78

4.4.5 气动弹性稳定性78

4.4.6 自重载荷的缩放78

4.4.7 叶片（叶尖）挠度缩放78

4.4.8 更微妙的缩放效果及影响79

4.4.9 变速器缩放80

4.4.10 支撑结构缩放80

4.4.11 功率／能量缩放80

4.4.12 电气系统缩放80

4.4.13 控制系统缩放81

4.4.14 缩放小结81

4.5 商业数据分析82

4.5.1 叶片质量缩放83

4.5.2 轴质量缩放86

4.5.3 机舱质量和塔顶质量的缩放87

4.5.4 塔顶质量88

4.5.5 塔架缩放89

4.5.6 变速器缩放93

4.6 垂直轴风机的尺度升级94

4.7 额定叶尖速度94

4.8 载荷升级96

4.9 违反相似性98

4.10 成本模型99

4.11 缩放的结论100

参考文献101

第5章 风能转换的概念102

参考文献104

第6章 传动系统设计105

6.1 简介105

6.2 定义105

6.3 传动系统创新的目的106

6.4 传动系统技术图106

6.5 直驱系统110

6.6 混合型系统113

6.7 液压传动装置114

6.8 直驱组件效率116

6.8.1 简介116

6.8.2 运行范围内的效率118

6.8.3 变速器效率118

6.8.4 发电机效率119

6.8.5 变换器效率119

6.8.6 变压器效率121

6.8.7 液力耦合器效率121

6.9 最佳传动系统121

6.10 动力输出装置的创新概念123

参考文献126

第7章 海上风机127

7.1 海上风机设计127

7.2 高速叶轮127

7.2.1 设计逻辑127

7.2.2 速度限制128

7.2.3 叶轮结构129

7.2.4 设计比较130

7.3 “更简单的”海上风机133

7.4 海上漂浮风机系统135

参考文献137

第8章 技术发展趋势总结139

8.1 演变过程139

8.2 叶片数量和经营理念的共识141

8.3 传动系统概念的分歧141

8.4 未来的风力发电技术142

8.4.1 简介142

8.4.2 机载系统142

8.4.3 新型系统的概念144

参考文献146

第2篇 技术评估147

第9章 能源成本147

9.1 能源成本的计算方法147

9.2 能源：功率曲线150

9.3 能源：有效性、可靠性、可用性155

9.3.1 有效性155

9.3.2 可靠性155

9.3.3 实用性156

9.4 资本成本157

9.5 运维158

9.6 总成本分摊158

9.7 缩放成本影响160

9.8 负荷影响（场所类型）161

参考文献164

第10章 评估方法166

10.1 主要的评估问题166

10.2 致命缺陷分析166

10.3 功率性能167

10.3.1 贝兹极限167

10.3.2 风机的压差169

10.3.3 气流中的总能量169

10.4 传动系统转矩171

10.5 典型的基准171

10.6 设计负荷的比较172

10.7 评估举例：风机的最佳额定功率173

10.8 评估举例：Carter风机和结构的灵活性176

10.9 评估举例：概念设计优化研究178

参考文献180

第3篇 设计主题183

第11章 最佳叶片数183

11.1 能源捕获比较183

11.2 叶片设计问题184

11.3 运行和系统设计问题186

11.4 多叶片叶轮191

参考文献191

第12章 变桨距与失速192

12.1 失速调节192

12.2 变桨距调节194

12.3 疲劳载荷问题195

12.4 电能质量和网络需求197

12.4.1 风机设计的并网导则要求和意义197

参考文献199

第13章 水平轴风机还是垂直轴风机200

13.1 简介200

13.2 垂直轴风机的空气动力学201

13.3 功率特性和能量捕获206

13.4 传动系统转矩207

13.5 垂直轴风机的适当应用209

13.6 垂直轴风机设计现状209

13.6.1 问题209

13.6.2 解决方法210

参考文献211

第14章 自由偏航212

14.1 偏航系统的能源成本价值212

14.2 偏航动力学212

14.3 偏航阻尼214

14.4 主传动214

14.5 自由偏航风机的运行经验214

14.6 小结216

参考文献216

第15章 多叶轮系统217

15.1 简介217

15.2 标准化效益和概念的发展217

15.3 运行机制218

15.4 缩放比例经济学218

15.5 历史回顾220

15.6 多叶轮阵列的气动性能220

15.7 最近的多叶轮理念221

15.8 多叶轮的结论225

参考文献226

第16章 设计主题概述227

第4篇 创新示例229

第17章 强适应性叶轮的概念229

17.1 叶轮运行的要求229

17.2 风机的控制231

17.3 适应性强的叶轮232

17.4 锥形叶轮234

17.4.1 概念234

17.4.2 锥形叶轮：总体评价—能量捕获236

17.4.3 锥形叶轮：总体评价—负载237

17.4.4 概念综述238

17.5 变直径叶轮238

参考文献240

第18章 覆盖式叶轮241

参考文献244

第19章 Gamesa G10X型传动系统245

第20章 陀螺转矩传递247

参考文献252

第21章 Norsetek叶轮设计253

参考文献255

第22章 西门子叶片技术256

第23章 摆振259

参考文献262

第24章 磁性齿轮传动和准直驱263

24.1 磁性齿轮传动技术263

24.2 准直驱技术265

参考文献267

第25章 总结和评论268