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水平轴风机的新型变桨原理与气动性能

前沿性、系统性、可读性 深入专题研究领域的阶梯 进入交叉学科的桥梁 启迪研发创新的源泉

作者:谢炜
定价:89
印次:1-1
ISBN:9787302542148
出版日期:2020.02.01
印刷日期:2020.01.15

本书介绍了水平轴风机的变桨原理和最新的发展趋势,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。

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一流博士生教育体现一流大学人才培养的高度 (代丛书序 )① 人才培养是大学的根本任务。只有培养出一流人才的高校 ,才能够成为世界一流大学。本科教育是培养一流人才最重要的基础 ,是一流大学的底色 ,体现了学校的传统和特色。博士生教育是学历教育的最高层次 ,体现出一所大学人才培养的高度 ,代表着一个国家的人才培养水平。清华大学正在全面推进综合改革 ,深化教育教学改革 ,探索建立完善的博士生选拔培养机制 ,不断提升博士生培养质量。 学术精神的培养是博士生教育的根本 学术精神是大学精神的重要组成部分 ,是学者与学术群体在学术活动中坚守的价值准则。大学对学术精神的追求 ,反映了一所大学对学术的重视、对真理的热爱和对功利性目标的摒弃。博士生教育要培养有志于追求学术的人 ,其根本在于学术精神的培养。 无论古今中外 ,博士这一称号都是和学问、学术紧密联系在一起 ,和知识探索密切相关。我国的博士一词起源于 2000多年前的战国时期 ,是一种学官名。博士任职者负责保管文献档案、编撰著述 ,须知识渊博并负有传授学问的职责。东汉学者应劭在《汉官仪》中写道 :“博者 ,通博古今 ;士者 ,辩于然否。”后来 ,人们逐渐把精通某种职业的专门人才称为博士。博士作为一种学位 ,最早产生于 12世纪 ,最初它是加入教师行会的一种资格证书。 19世纪初 ,德国柏林大学成立 ,其哲学院取代了以往神学院在大学中的地位,在大学发展的历史上首次产生了由哲学院授予的哲学博士学位 ,并赋予了哲学博士深层次的教育内涵 ,即推崇学术自由、创造新知识。哲学博士的设立标志着现代博士生教育的开端 ,博士则被定义为独立从事学术研究、具备创造新知识能力的人 ,是学术精神的传承者和光大者。 ①本文首发于《光明日报》, 2017年12月5日。 博士生学习期间是培养学术精神最重要的阶段。博士生需要接受严谨的学术训练 ,开展深入的学术研究 ,并通过发表学术论文、参与学术活动及博士论文答辩等环节 ,证明自身的学术能力。更重要的是 ,博士生要培养学术志趣 ,把对学术的热爱融入生命之中 ,把捍卫真理作为毕生的追求。博士生更要学会如何面对干扰和诱惑 ,远离功利 ,保持安静、从容的心态。学术精神特别是其中所蕴含的科学理性精神、学术奉献精神不仅对博士生未来的学术事业至关重要 ,对博士生一生的发展都大有裨益。 独创性和批判性思维是博士生最重要的素质 博士生需要具备很多素质 ,包括逻辑推理、言语表达、沟通协作等 ,但是最重要的素质是独创性和批判性思维。 学术重视传承 ,但更看重突破和创新。博士生作为学术事业的后备力量,要立志于追求独创性。独创意味着独立和创造 ,没有独立精神 ,往往很难产生创造性的成果。1929年6月3日,在清华大学国学院导师王国维逝世二周年之际 ,国学院师生为纪念这位杰出的学者 ,募款修造 “海宁王静安先生纪念碑 ”,同为国学院导师的陈寅恪先生撰写了碑铭 ,其中写道 :“先生之著述 ,或有时而不章 ;先生之学说 ,或有时而可商 ;惟此独立之精神 ,自由之思想 ,历千万祀 ,与天壤而同久 ,共三光而永光。 这”是对于一位学者的极高评价。中国著名的史学家、文学家司马迁所讲的 “究天人之际 ,通古今之变 ,成一家之言 ”也是强调要在古今贯通中形成自己独立的见解 ,并努力达到新的高度。博士生应该以 “独立之精神、自由之思想 ”来要求自己 ,不断创造新的学术成果。 诺贝尔物理学奖获得者杨振宁先生曾在 20世纪 80年代初对到访纽约州立大学石溪分校的 90多名中国学生、学者提出 :“独创性是科学工作者最重要的素质。”杨先生主张做研究的人一定要有独创的精神、独到的见解和独立研究的能力。在科技如此发达的今天 ,学术上的独创性变得越来越难,也愈加珍贵和重要。博士生要树立敢为天下先的志向 ,在独创性上下功夫,勇于挑战最前沿的科学问题。 批判性思维是一种遵循逻辑规则、不断质疑和反省的思维方式 ,具有批判性思维的人勇于挑战自己、敢于挑战权威。批判性思维的缺乏往往被认为是中国学生特有的弱项 ,也是我们在博士生培养方面存在的一个普遍问题。2001年,美国卡内基基金会开展了一项 “卡内基博士生教育创新计划”,针对博士生教育进行调研 ,并发布了研究报告。该报告指出 :在美国 一流博士生教育体现一流大学人才培养的高度(代丛书序) 和欧洲,培养学生保持批判而质疑的眼光看待自己、同行和导师的观点同样非常不容易,批判性思维的培养必须要成为博士生培养项目的组成部分。 对于博士生而言,批判性思维的养成要从如何面对权威开始。为了鼓励学生质疑学术权威、挑战现有学术范式,培养学生的挑战精神和创新能力,清华大学在2013年发起“巅峰对话”,由学生自主邀请各学科领域具有国际影响力的学术大师与清华学生同台对话。该活动迄今已经举办了 21期,先后邀请17位诺贝尔奖、3位图灵奖、1位菲尔兹奖获得者参与对话。诺贝尔化学奖得主巴里·夏普莱斯(Bar ySharples )在2013年 11月来清华参加“巅峰对话”时,对于清华学生的质疑精神印象深刻。他在接受媒体采访时谈道:“清华的学生无所畏惧,请原谅我的措辞,但他们真的很有胆量。这”是我听到的对清华学生的最高评价,博士生就应该具备这样的勇气和能力。培养批判性思维更难的一层是要有勇气不断否定自己,有一种不断超越自己的精神。爱因斯坦说:“在真理的认识方面,任何以权威自居的人,必将在上帝的嬉笑中垮台。 这”句名言应该成为每一位从事学术研究的博士生的箴言。 提高博士生培养质量有赖于构建全方位的博士生教育体系 一流的博士生教育要有一流的教育理念,需要构建全方位的教育体系,把教育理念落实到博士生培养的各个环节中。 在博士生选拔方面,不能简单按考分录取,而是要侧重评价学术志趣和创新潜力。知识结构固然重要,但学术志趣和创新潜力更关键,考分不能完全反映学生的学术潜质。清华大学在经过多年试点探索的基础上,于 2016年开始全面实行博士生招生“申请-审核”制,从原来的按照考试分数招收博士生转变为按科研创新能力、专业学术潜质招收,并给予院系、学科、导师更大的自主权。《清华大学“申请-审核”制实施办法》明晰了导师和院系在考核、遴选和推荐上的权力和职责,同时确定了规范的流程及监管要求。 在博士生指导教师资格确认方面,不能论资排辈,要更看重教师的学术活力及研究工作的前沿性。博士生教育质量的提升关键在于教师,要让更多、更优秀的教师参与到博士生教育中来。清华大学从2009年开始探索将博士生导师评定权下放到各学位评定分委员会,允许评聘一部分优秀副教授担任博士生导师。近年来学校在推进教师人事制度改革过程中,明确教研系列助理教授可以独立指导博士生,让富有创造活力的青年教师指导优秀的青年学生,师生相互促进、共同成长。 在促进博士生交流方面 ,要努力突破学科领域的界限 ,注重搭建跨学科的平台。跨学科交流是激发博士生学术创造力的重要途径 ,博士生要努力提升在交叉学科领域开展科研工作的能力。清华大学于 2014年创办了 “微沙龙 ”平台 ,同学们可以通过微信平台随时发布学术话题、寻觅学术伙伴。3年来 ,博士生参与和发起 “微沙龙 ”12000多场 ,参与博士生达 38000多人次。“微沙龙 ”促进了不同学科学生之间的思想碰撞 ,激发了同学们的学术志趣。清华于 2002年创办了博士生论坛 ,论坛由同学自己组织 ,师生共同参与。博士生论坛持续举办了 500期,开展了 18000多场学术报告 ,切实起到了师生互动、教学相长、学科交融、促进交流的作用。学校积极资助博士生到世界一流大学开展交流与合作研究 ,超过 60%的博士生有海外访学经历。清华于 2011年设立了发展中国家博士生项目 ,鼓励学生到发展中国家亲身体验和调研 ,在全球化背景下研究发展中国家的各类问题。 在博士学位评定方面 ,权力要进一步下放 ,学术判断应该由各领域的学者来负责。院系二级学术单位应该在评定博士论文水平上拥有更多的权力,也应担负更多的责任。清华大学从 2015年开始把学位论文的评审职责授权给各学位评定分委员会 ,学位论文质量和学位评审过程主要由各学位分委员会进行把关 ,校学位委员会负责学位管理整体工作 ,负责制度建设和争议事项处理。 全面提高人才培养能力是建设世界一流大学的核心。博士生培养质量的提升是大学办学质量提升的重要标志。我们要高度重视、充分发挥博士生教育的战略性、引领性作用 ,面向世界、勇于进取 ,树立自信、保持特色 ,不断推动一流大学的人才培养迈向新的高度。 清华大学校长 2017年12月5日 丛书序二 以学术型人才培养为主的博士生教育 ,肩负着培养具有国际竞争力的高层次学术创新人才的重任 ,是国家发展战略的重要组成部分 ,是清华大学人才培养的重中之重。 作为首批设立研究生院的高校 ,清华大学自 20世纪 80年代初开始 ,立足国家和社会需要 ,结合校内实际情况 ,不断推动博士生教育改革。为了提供适宜博士生成长的学术环境 ,我校一方面不断地营造浓厚的学术氛围 ,一方面大力推动培养模式创新探索。我校已多年运行一系列博士生培养专项基金和特色项目 ,激励博士生潜心学术、锐意创新 ,提升博士生的国际视野 ,倡导跨学科研究与交流 ,不断提升博士生培养质量。 博士生是最具创造力的学术研究新生力量 ,思维活跃 ,求真求实。他们在导师的指导下进入本领域研究前沿 ,吸取本领域最新的研究成果 ,拓宽人类的认知边界 ,不断取得创新性成果。这套优秀博士学位论文丛书 ,不仅是我校博士生研究工作前沿成果的体现 ,也是我校博士生学术精神传承和光大的体现。 这套丛书的每一篇论文均来自学校新近每年评选的校级优秀博士学位论文。为了鼓励创新 ,激励优秀的博士生脱颖而出 ,同时激励导师悉心指导,我校评选校级优秀博士学位论文已有 20多年。评选出的优秀博士学位论文代表了我校各学科最优秀的博士学位论文的水平。为了传播优秀的博士学位论文成果 ,更好地推动学术交流与学科建设 ,促进博士生未来发展和成长 ,清华大学研究生院与清华大学出版社合作出版这些优秀的博士学位论文。 感谢清华大学出版社 ,悉心地为每位作者提供专业、细致的写作和出版指导 ,使这些博士论文以专著方式呈现在读者面前 ,促进了这些最新的优秀研究成果的快速广泛传播。相信本套丛书的出版可以为国内外各相关领域或交叉领域的在读研究生和科研人员提供有益的参考 ,为相关学科领域的发展和优秀科研成果的转化起到积极的推动作用。 感谢丛书作者的导师们。这些优秀的博士学位论文 ,从选题、研究到成文,离不开导师的精心指导。我校优秀的师生导学传统 ,成就了一项项优秀的研究成果 ,成就了一大批青年学者 ,也成就了清华的学术研究。感谢导师们为每篇论文精心撰写序言 ,帮助读者更好地理解论文。 感谢丛书的作者们。他们优秀的学术成果 ,连同鲜活的思想、创新的精神、严谨的学风 ,都为致力于学术研究的后来者树立了榜样。他们本着精益求精的精神 ,对论文进行了细致的修改完善 ,使之在具备科学性、前沿性的同时 ,更具系统性和可读性。 这套丛书涵盖清华众多学科 ,从论文的选题能够感受到作者们积极参与国家重大战略、社会发展问题、新兴产业创新等的研究热情 ,能够感受到作者们的国际视野和人文情怀。相信这些年轻作者们勇于承担学术创新重任的社会责任感能够感染和带动越来越多的博士生 ,将论文书写在祖国的大地上。 祝愿丛书的作者们、读者们和所有从事学术研究的同行们在未来的道路上坚持梦想 ,百折不挠 !在服务国家、奉献社会和造福人类的事业中不断创新 ,做新时代的引领者。 相信每一位读者在阅读这一本本学术著作的时候 ,在吸取学术创新成果、享受学术之美的同时 ,能够将其中所蕴含的科学理性精神和学术奉献精神传播和发扬出去。 清华大学研究生院院长 2018年1月5日 导师序言 风能作为一种清洁能源 ,是国际上公认的最主要的绿色能源之一。近十年来 ,风能在我国得到了大规模的利用。自然风能的随机性与可变性使得根据风况进行发电机功率的调节成为风力发电设备中最核心的技术。目前,水平轴风机是风力发电设备的主要形式 ,它的功率调节技术就是基于叶片自旋转的变桨技术 ,通过连接于叶片与轮毂之间的变桨轴承来实现。因其具有叶片的承载与旋转变桨的双重功能 ,所以必然具有受力状态与运动驱动的复杂性 ,制造与维护成本都非常高 ,难以满足中小型风机经济性和结构紧凑性的要求。 正是针对水平轴风机的新型变桨原理 ,谢炜博士在其博士学位论文中提出了一种全新的基于斜轴折叠的变桨原理。首先 ,围绕水平轴风机的新型变桨方式 ,提出并进行折叠变桨原理的研究 ,搭建了风轮功率测试平台 ,制作折叠变桨风轮模型 ,系统开展风洞实验。风洞实验的结果证明了折叠变桨风轮具有有效的功率调节能力。然后 ,在气动载荷理论方面 ,定义风轮局部坐标系 ,采用向量形式表征风轮和叶片关键结构参数 ,通过修正有效气流状态参数 ,获取有效气动载荷分量 ,重构气流动量定理方程 ,以及解耦分析叶片折叠变桨效应 ,对叶素动量理论进行修正 ,建立了折叠变桨风轮的气动载荷理论模型 ,并验证了模型的合理性。进一步 ,开展折叠变桨风轮气动性能调节机理研究 ,对产生气动性能变化的因素进行区分和无量纲化表征。基于风轮气动载荷理论 ,定量分析折叠轴参数对风轮功率调节性能的影响。通过合理的折叠角调节 ,可以实现恒定功率与恒定转速的控制。针对折叠变桨轮毂开展静力学分析 ,综合力学性能与功率调节性能的要求 ,提出折叠变桨轮毂结构参数设计准则。最后 ,针对 1MW折叠变桨风轮开展工程化应用研究 ,设计风轮结构参数 ,制定功率调控规则 ,对比分析折叠变桨轮毂与常规变桨轴承载荷状态。 谢炜博士针对水平轴风机提出了全新的折叠变桨原理 ,不仅在原理及理论上具有创新性 ,还具有重要的工程应用价值。本书获得了 2017年清华大学优秀博士学位论文一等奖 ,所取得的成果已在风电领域的权威学术刊物 Energy,EergyConversionand Management上发表了系列的论文 ,在 WindEuropeSnummit上也展示了重要的成果 ,得到学术界的高度认同。 本书系统性好、描述清晰、数据详实 ,既有理论推导、数值计算 ,也有很多的实验测试数据。希望本书的出版 ,能对从事风电装备新型变桨原理研究的科技工作者具有重要的启发和参考价值。 曾攀 清华大学机械工程系教授 2018年6月20日 前言 自从兆瓦级风机诞生以来 ,几乎所有的风机都采用了变桨系统。叶片的变桨是指叶片绕展向轴的旋转 ,这种轴向的旋转能够改变气流的攻角 ,调节叶片承受的气动载荷。由于自然界中风况的不确定性 ,风机在运行过程中,必须时刻感知甚至是预判风况的变化 ,做出相应的变桨动作 ,保证气流对机组的作用力和风轮的输出功率维持在设计水平内。因此 ,变桨系统对于风机的运行安全具有决定性的作用。现有的变桨系统中最重要的部件之一为变桨轴承。变桨轴承一方面要具备出色的工作性能 ,实现叶片的平稳变桨 ;另一方面还必须具备非常良好的承载能力 ,抵抗叶片施加的载荷。由于自然界中的风况具有非常大的不确定性 ,作用在变桨轴承上的载荷往往非常复杂 ,轴承需要经过专门的设计并进行定制化生产 ,但即便在这样的条件下 ,变桨轴承的受力情况依然恶劣。 伴随着风电行业的发展 ,风电技术不断推陈革新 ,越来越多的新型技术给风机功率和载荷控制提供了新的思路。超轻变形风轮、伸缩叶片风轮、叶片弯扭耦合技术和分段变桨技术等就是典型的例子 ,其中部分技术已经具备了常规变桨系统的功能。在这样的大背景下 ,本书针对目前变桨技术中的变桨与受力支撑相互耦合的问题 ,提出了一项将变桨与受力支撑分离的新型叶片变桨方式 ,称为斜轴折叠变桨原理。从理论上分析新型变桨方式调节风机功率和气动载荷的机理 ,就该变桨类型风机的气动性能做了详尽的理论分析和风洞测试 ,展示该新型变桨方式的效果和优势。本书共分为 6章,主要内容如下。 第1章为绪论 ,简要介绍水平轴风机和叶片变桨的基本概念 ,综述当前风机设计的前沿技术、风机气动载荷理论和风机的风洞实验方法等。 第2章为折叠变桨风机的基本原理 ,推导风机气动载荷计算的叶素动量方法 ,基于实例展示气动载荷在风轮面上的分布形式。介绍新型折叠变桨风机的概念 ,阐述新型变桨结构的基本原理和优势。进行验证性的风洞测试 ,证明新型变桨概念的正确性。 第3章为折叠变桨风轮的风洞实验 ,首先对静态的折叠变桨叶片进行测试 ,然后对真实旋转状态下的折叠变桨风轮进行功率测试 ,总结风洞实验的结果 ,讨论叶片折叠变桨的效果。 第4章为折叠变桨风轮的气动载荷理论部分 ,系统推导折叠变桨风轮的改进叶素动量方法 ,开展风洞实验 ,验证改进方法的正确性和准确性 ,讨论折叠变桨风轮的气动性能 ,涉及叶片折叠轴参数与风机功率调控能力的关系、风机承受的推力情况和输出功率能力等。基于实例 ,推导和讨论叶片折叠变桨调节风机气动载荷的机理。 第5章为折叠变桨风轮结构的参数设计 ,首先 ,将完整的折叠轴参数纳入风机气动载荷计算中 ,进一步推导了改进的叶素动量方法。其次 ,介绍了折叠变桨轮毂的结构形式和原理 ,详细分析了轮毂结构的静力学 ,给出了折叠变桨风轮结构参数与轮毂结构受力之间的关系 ,并基于实例 ,展示了风轮结构参数对折叠变桨轮毂受力的影响。最后 ,介绍了折叠变桨风轮结构参数的设计思路 ,给出了设计方法。 第6章为针对 1MW风机的折叠变桨风轮应用 ,首先介绍 1MW风机的额定参数和叶片参数 ,然后对风机进行折叠变桨风轮结构参数的设计 ,讨论该 1MW风轮叶片折叠变桨的效果 ,对比常规变桨风轮与折叠变桨风轮的功率调节性能与变桨结构承受的载荷。 本书的研究工作承蒙国家自然科学基金项目 (51575296、51875305)和清华大学科技创新项目 (20121087919)的资助 ,也得到了清华大学机械工程系和先进成形制造教育部重点实验室的支持。作者导师 ,清华大学机械工程系的曾攀教授对作者的研究工作给予了非常重要的指导和帮助 ,对本书的出版给予了大力的支持 ,并对本书进行了详细的审定。清华大学机械工程系超轻结构与塑性成形研究团队的各位老师及研究生对本书的编写也提供了大量的帮助 ,在此表示衷心的感谢。作者同时要感谢清华大学研究生院和清华大学出版社对本书出版的支持 ,感谢清华大学出版社的戚亚编辑对本书出版的重要贡献。 谢炜 2018年8月5日

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  • “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最优秀的博士学位论文的水平,反映了相关领域最新的科研进展,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必备参考,也是科研人员快速和系统了解某一细分领域发展概况、最新进展以及创新思路的有效途径。
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  • 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...

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