风轮是风力机的关键部件,其气动性能直接决定了风力机能从风中提取的能量多少及其转化效率,是风力发电技术中的核心内容。然而风速在空间上具有风切变特性,致使风力机叶片扫掠面的不同水平截面的风速大小各不相同,风速的变化使得风力机叶片运行工况时刻发生改变,直接影响到风轮的气动性能,进而影响风力发电设备的效率与安全。本文针对风切变影响风能转换装置输出特性这一个问题,选取了容量1.5MW,风轮直径82.7m的风力发电机组,对其在风切变流场中轮毂高度处的来流风速为额定风速时的叶片变桨进行了研究。研究内容包括风切变流场中风轮气动特性研究,风切变流场中风轮叶片旋转到任意相位角时各截面节距角计算,风轮叶片旋转到任意相位角时最佳节距角的优化选取,风切变流场中风轮输出特性仿真模拟等。为了实现所研究的内容,本文以风力机空气动力学的基础理论为依据,建立了风切变流场中风轮气动特性数学模型,通过Matlab软件编制风切变流场中理想叶片旋转到任意相位角时各截面节距角计算程序,用多项式拟合的方法归纳出理想叶片旋转到任意相位角时各截面节距角变化规律方程;进行节距角优化选取后,建立了实际叶片旋转一周变桨方程;为了验证风切变对风能转换装置输出特性的影响,分别对叶片旋转到任意相位角时不变桨风轮输出功率和叶片按照变桨方程进行变桨风轮输出功率进行了仿真模拟,通过仿真结果对比分析可知,在风切变流场中进行叶片旋转一周变桨距调节,可使得风轮输出的平均功率约为1492kW,比叶片旋转到任意相位角时不变桨风轮输出的平均功率高出约18kW,风轮的效率提高1%以上,且使叶片旋转到某些相位角时风轮输出功率波动减弱,减小了风切变对风能转换装置的影响。为今后对大型风力发电机组变桨距优化进一步研究提供参考。