风力发电机组的创新设计

本书涉及的内容主要包括设计原理、设计决策背后的原因，并阐述了创新的系统和组件的评估方法。Jamieson总是喜欢引用当前的技术水平进行比较，讨论了风机的理论和设计的基本知识，以及如何应用现有的工程知识进一步推进技术发展，使读者评估目前的技术在未来的发展方向之前，能够对它先有一个透彻的了解。 本书分为4篇，包括设计背景、技术评估、设计主题和创新技术示例。第1篇概述了空气动力学理论和优化设计，讨论了风能转换系统、传动系统、缩放问题、海上风机，并通过对未来技术的一瞥，总结了其技术发展趋势；第2篇介绍了关于风力发电系统大量设计方案的全局性观点，开发了相应的评估方法，其中包括带有一些能源成本评估的具体实例；第3篇讨论了经常出现的一些设计主题，如叶片数、变桨距或失速、水平或垂直轴；第4篇用现实生活中商业客户的案例研究了创新技术的一些实例。 ·将两个相互独立的领域，即工程创新和风能技术协同在一个实用的参考主题下。 ·使创造性和分析性思维以及对参数研究非常宝贵的工程见解等在设计的早期阶段成为可能。 ·囊括了以前未发表或鲜有传播的理论，其中还包括作者近期归纳贝兹理论，以期探索叶轮在管道或非均匀流区的行为问题的研究。 本书对风力发电机组设计当前技术水平的这一突破性的研究是专业风能工程师、电力工程师和风机的设计师以及在可再生能源领域工作的顾问、研究人员和学者们的阅读书籍。 

本书分为4篇，包括设计背景、技术评估、设计主题和创新示例。第1篇概述了空气动力学理论和优化设计，讨论了风能转换系统、传动系统、缩放问题、海上风力发电机，并通过对未来技术的一瞥，总结了其技术发展趋势；第2篇介绍了关于风力发电系统大量设计方案的全局性观点，开发了相应的评估方法，其中包括带有一些能源成本评估的具体实例；第3篇讨论了经常出现的一些设计主题，如叶片数、变桨距或失速、水平或垂直轴；第4篇用现实生活中商业客户的案例研究了创新技术的一些实例。

译者序原书序原书前言原书致谢引言10.1为什么要创新10.2风能所面临的挑战20.3现代风机的规范20.4风能的变化40.5商业风力发电技术40.6风能技术评价的基础60.6.1作为基线的标准设计60.6.2技术优势的基础60.6.3所宣称的功率性能的安全性60.6.4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91.1简介91.2气动升力101.3激励盘121.4开流激励盘131.4.1轴向感应131.4.2动量141.5广义激励盘理论151.6扩散器的受力211.7广义激励盘理论和实际扩散器设计221.8为什么只有一个叶轮？221.9叶轮的基本运行231.10叶素动量理论251.10.1动量方程251.10.2叶素方程261.11叶轮理论281.11.1功率系数Cp311.11.2正压力系数341.11.3面外弯矩系数341.12广义叶素动量理论361.13激励盘和叶素动量理论的局限性391.13.1激励盘的局限性391.13.2尾翼旋转和尖端效应391.13.3叶轮理论401.13.4偏流401.13.5小结41参考文献41第2章旋翼气动设计442.1叶轮和硬度442.2叶轮硬度和理想的变速运行452.3硬度和负荷472.4翼型设计开发472.5气动性能对平面形状的敏感性522.6翼型设计规范53参考文献54第3章叶轮结构的相互作用563.1叶片大体设计563.2叶片结构基础573.3简化的盖梁分析593.3.1规定挠度的小质量设计593.3.2疲劳强度设计：无挠度限制603.4翼型剖面的有效t/c比613.5叶片设计研究：参数化分析实例633.6工业叶片技术683.6.1设计683.6.2制造683.6.3设计开发69参考文献71第4章风力发电机组的尺度升级724.1简介:尺寸和尺寸限制724.2二次方—三次方定律754.3缩放基础754.4风力发电机组的相似律774.4.1叶尖速度774.4.2气动力矩的缩放774.4.3弯曲剖面模量的缩放784.4.4张力剖面的缩放784.4.5气动弹性稳定性784.4.6自重载荷的缩放784.4.7叶片（叶尖）挠度缩放784.4.8更微妙的缩放效果及影响794.4.9变速器缩放804.4.10支撑结构缩放804.4.11功率/能量缩放804.4.12电气系统缩放804.4.13控制系统缩放814.4.14缩放小结814.5商业数据分析824.5.1叶片质量缩放834.5.2轴质量缩放864.5.3机舱质量和塔顶质量的缩放874.5.4塔顶质量884.5.5塔架缩放894.5.6变速器缩放934.6垂直轴风机的尺度升级944.7额定叶尖速度944.8载荷升级964.9违反相似性984.10成本模型994.11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1056.1简介1056.2定义1056.3传动系统创新的目的1066.4传动系统技术图1066.5直驱系统1106.6混合型系统1136.7液压传动装置1146.8直驱组件效率1166.8.1简介1166.8.2运行范围内的效率1186.8.3变速器效率1186.8.4发电机效率1196.8.5变换器效率1196.8.6变压器效率1216.8.7液力耦合器效率1216.9传动系统1216.10动力输出装置的创新概念123参考文献126第7章海上风机1277.1海上风机设计1277.2高速叶轮1277.2.1设计逻辑1277.2.2速度限制1287.2.3叶轮结构1297.2.4设计比较1307.3“更简单的”海上风机1337.4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1398.1演变过程1398.2叶片数量和经营理念的共识1418.3传动系统概念的分歧1418.4未来的风力发电技术1428.4.1简介1428.4.2机载系统1428.4.3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1479.1能源成本的计算方法1479.2能源：功率曲线1509.3能源：有效性、可靠性、可用性1559.3.1有效性1559.3.2可靠性1559.3.3实用性1569.4资本成本1579.5运维1589.6总成本分摊1589.7缩放成本影响1609.8负荷影响（场所类型）161参考文献164第10章评估方法16610.1主要的评估问题16610.2致命缺陷分析16610.3功率性能16710.3.1贝兹极限16710.3.2风机的压差16910.3.3气流中的总能量16910.4传动系统转矩17110.5典型的基准17110.6设计负荷的比较17210.7评估举例：风机的额定功率17310.8评估举例：Carter风机和结构的灵活性17610.9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章叶片数18311.1能源捕获比较18311.2叶片设计问题18411.3运行和系统设计问题18611.4多叶片叶轮191参考文献191第12章变桨距与失速19212.1失速调节19212.2变桨距调节19412.3疲劳载荷问题19512.4电能质量和网络需求19712.4.1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20013.1简介20013.2垂直轴风机的空气动力学20113.3功率特性和能量捕获20613.4传动系统转矩20713.5垂直轴风机的适当应用20913.6垂直轴风机设计现状20913.6.1问题20913.6.2解决方法210参考文献211第14章自由偏航21214.1偏航系统的能源成本价值21214.2偏航动力学21214.3偏航阻尼21414.4主传动21414.5自由偏航风机的运行经验21414.6小结216参考文献216第15章多叶轮系统21715.1简介21715.2标准化效益和概念的发展21715.3运行机制21815.4缩放比例经济学21815.5历史回顾22015.6多叶轮阵列的气动性能22015.7近的多叶轮理念22115.8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22917.1叶轮运行的要求22917.2风机的控制23117.3适应性强的叶轮23217.4锥形叶轮23417.4.1概念23417.4.2锥形叶轮:总体评价—能量捕获23617.4.3锥形叶轮:总体评价—负载23717.4.4概念综述23817.5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GamesaG10X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26324.1磁性齿轮传动技术26324.2准直驱技术265参考文献267第25章总结和评论268

本书着眼于风机设计的革新—更具体地说是关于对革新的评估—评估一个概念或者系统能否改进设计、提高性能或降低成本。本书作者的风能生涯开始于1980年，从业以来，在商业客户和公众权威人物的要求下，他就不断地在给有相关报告的创新系统做评估，不管这评估能否增进投资或促进发展。有些情况下，客户是有着宝贵思想的民间发明家。而有的时候，客户是一些战略上能实现技术创新的小公司，一些希望能跨入风机行业的大公司或者期待能跨入下一代风能技术的现存的风机公司。正如大部分人设想的那样，在风能行业中一直存在着一种实质保守主义。因为产品都必须要经过彻底地检查并确认完好无损，所以就算是该产品未来的利润有很好的前景，改变通常还是太过冒险并且昂贵。从某种程度上说，随着对更大的风机及相关零件的需求的逐年增长，产品的改变也加快了步伐，但这种需求的变化才刚刚开始。实际上，现在人们对产品的主流设计的几种方法正在渐渐融合。然而，随着更多新鲜血液的注入和更多国家加入风能行业，对于风能技术的观念以及对新设计的需求又在渐渐增多。风能行业世界范围内的扩张更是成了一种动力，它使本书完完全全成为了一个充满不同创新设计和组件的书。可能有的读者会感到很奇怪，认为本书中关于技术背景怎么可以和一些特定的创新概念的讨论占有相同的分量。但是创新绝不是为了建立一个怪诞的概念来娱乐一下无聊的工程师们，而是提高技术的发展，解决实际问题而不仅仅是建立概念本身。所以，为了实现这种创新，很好地理解潜在的技术要求是至关重要的，这样这种创新才能被很好地利用于本领域,使得投入实现的回报。除此之外，才是要对一些常规的技术背景加以重视。在这种背景下，一些长期建立的理论被重新审视（激励器盘和叶素动量），除此之外一些新的相关公式也不断涌现出来。被重新定义的创新观念要打破常规的束缚，需要一些新的分析方式或现存理论的进一步发展，总之要有新的思维。在分析评估的过程中一定不要陷入一种体系化常规化的思维方式。评估创新跟设计本身一样，是一个积极的动态过程，是不断改革的，而不是一个终的方法论。但从另一方面讲，有一些基本准则和基本结构当然也可以被引入到评估的这个过程当中。在纠缠上面的这些情况的过程中会发现，宽泛的概念和具体的设计之间的差距其实是十分明显的。在这个领域中，既要头脑风暴，又要参数分析。单纯地判断就过于受限制，而繁重的计算既耗时又耗钱而且还不能确定方向是否正确。这就是为什么细节的设计总是不能很好地实施。这又应该是另一本书的主题了。本书主要是给评估创新性的概念搭桥引线，并指出在细节设计上投资是值得的。风能行业的创新是设计者在对未来一种可持续发展技术中展现出来的理想主义，这是对地球的恩惠。我从事风能技术的职业生涯开始于1980年，当时我在格拉斯哥杰姆斯豪顿(James Howden)公司工作。在这里，我要特别感谢我的同事们，是他们跟我分享了那些早期的发现。虽然，遗憾的是1988年豪顿公司退出了涡轮制造业，但是正是那个时候我对风能却出奇地着迷，几乎着迷到了无药可救的地步。在那段时间里，我对一个事业蓬勃发展的风能咨询公司十分钦佩，也就是现在的GLGarradHassan公司。所以，1991年我十分开心地加入了他们，并成立了在苏格兰的办事处。当时，我就想，跟这么一群才华横溢的人一起工作肯定会很棒，工作中会一直充满挑战。从那之后，我对这份工作的态度就从未改变过。特别的，我要非常感谢AndrewGarrad和DaveQuarton，感谢他们在过去的几年里在我编写本书的过程中给予的精神上的鼓励、实践方面的支持，还有莫大的包容。近几年，也就是2009年以来，我还在斯凯莱德大学的博士培训中心从事风能方面的工作，我要感谢那里的BillLeithead这些年来对本书的支持以及许多关于风能技术的头脑风暴方面的帮助。与此同时，我还要特别感谢一下WoodyStoddard。尽管我们只见过几面，但作为朋友，他给了我很多的灵感和启发，并给予我巨大的支持。在这里，我同样还要感谢MikeGraham在许多项目中给予我的无私帮助，他善良的天性让我对他印象颇深。尽管他不是一名正式的导师，但对我来说他却是一位非常优秀的空气动力学导师。当然，我还要十分感谢HenrikStiesdal。他作为一个大型风机制造公司的技术主管，工作十分繁忙，但还是从百忙之中抽出时间帮我完成了本书的一章。后，我还要特别感谢许多对本书做出了宝贵贡献的其他同事和朋友，他们是AlbertSu、AlenaBach、AlexanderOvchinnikov、AndrewLatham、AnneTelfer、BenHendriks、BobThresher、ChaiToren、CharlesGamble、ChrisHornzee-Jones、ChrisKirby、ChristineSams、DavidBanks、DavidMilborrow、DavidSharpe、EdSpooner、EmilMoroz、ErvinBossanyi、FabioSpinato、FatmaMurray、JanRens、GeirMoe、GeorgBhmeke、GerardvanBussel、HermanSnel、IrinaDyukova、JegaJegatheeson、JimPlatts、JohnArmstrong、LeongTeh、LoisConnell、MagnusKristbergsson、MarciaHeronemus、MarkHancock、MartinHansen、MasaakiShibata、MauroVillanueva-Monzón、MikeAnderson、MikeSmith、NickJenkins、NilsGislason、PatrickRainey、PaulGardner、PaulGipe、PaulNewton、PaulVeers、PeterMusgrove、RobRawlinson-Smith、RogerHaines、RolandStoer、RossWalker、RossWilson、RuudvanRooij、SandyButterfield、StephenSalter、SteveGilkes、TimCamp、TakisChaviaropoulos、TrevorNash、UnsalHassan、VaranSureshan、VidarHolmy、WinRampen和WouterHaans。Peter Jamieson