风力发电机组设计导则

译者序

前言

第1章 风力机的概念1

1.1 引言1

1.2 概念1

1.2.1 垂直轴风力机2

1.2.2 水平轴风力机2

1.2.3 风轮叶片的数目3

1.2.4 功率控制3

1.3 经济性4

1.4 出力5

1.4.1 功率曲线5

1.4.2 年发电量6

1.5 结构与尺寸7

1.6 未来概念8

参考文献8

第2章 安全性与可靠性9

2.1 安全理念9

2.2 系统安全性与运行可靠性10

2.2.1 控制系统10

2.2.2 保护系统12

2.2.3 制动系统13

2.2.4 失效模式和效果分析13

2.2.5 失效树分析14

2.3 结构安全性16

2.3.1 极限状态16

2.3.2 失效概率与结构可靠性的其他度量措施17

2.3.3 结构可靠性方法18

2.3.4 标准格式、特征值与部分安全因子18

2.3.5 标准校验19

2.3.6 轴向加载钢塔实例20

2.3.7 FRP叶根的弯曲疲劳实例21

2.3.8 用于验证的试验与计算23

2.3.9 检查与检查间隔23

2.4 机械系统的安全性24

2.5 劳动安全24

2.5.1 运输、安装与调试25

2.5.2 正常运行25

2.5.3 服务、维护与修理25

2.6 规程与标准26

参考文献26

第3章 外部条件28

3.1 风条件28

3.1.1 10min平均风速28

3.1.2 风速的标准偏差30

3.1.3 湍流强度31

3.1.4 横向和垂直方向的湍流33

3.1.5 随机湍流模型33

3.1.6 风切变35

3.1.7 风向38

3.1.8 瞬时风条件39

3.1.9 极端风——阵风39

3.1.10 场址评估42

3.2 其他外部条件44

3.2.1 温度44

3.2.2 空气密度45

3.2.3 湿度45

3.2.4 辐射和紫外线46

3.2.5 冰46

3.2.6 雨、雪和冰雹46

3.2.7 大气侵蚀和磨损46

3.2.8 地震47

3.2.9 雷电47

参考文献49

第4章 载荷51

4.1 载荷工况51

4.1.1 设计条件51

4.1.2 风况51

4.1.3 设计载荷工况52

4.2 载荷类型53

4.2.1 惯性载荷及引力载荷54

4.2.2 气动载荷55

4.2.3 功能性载荷56

4.2.4 其他载荷56

4.3 气弹载荷计算56

4.3.1 模型元素57

4.3.2 载荷预测的气弹模型65

4.3.3 气动数据的评估65

4.3.4 特殊考虑66

4.4 载荷分析与合成72

4.4.1 疲劳载荷72

4.4.2 极限载荷76

4.5 简化载荷计算80

4.5.1 参数化经验模型80

4.5.2 简化载荷的基础80

4.5.3 准静态法81

4.5.4 极端载荷的峰值系数方法83

4.5.5 参数化载荷谱83

4.6 特定场址的设计载荷86

4.7 除风外其他原因引起的载荷86

4.7.1 波浪载荷87

4.7.2 潮汐载荷91

4.7.3 覆冰载荷92

4.7.4 地震载荷94

4.8 载荷叠加94

参考文献95

风力发电机组设计导则目录

第5章 风轮98

5.1 叶片98

5.1.1 叶片的几何形状98

5.1.2 设计载荷99

5.1.3 叶片材料99

5.1.4 制造技术101

5.1.5 叶片设计和制造的质量保证102

5.1.6 强度分析103

5.1.7 叶尖挠度105

5.1.8 雷电保护106

5.1.9 叶片试验106

5.1.10 维护108

5.2 轮毂108

5.2.1 设计载荷的确定109

5.2.2 强度分析109

5.2.3 螺栓连接分析110

5.2.4 轮毂罩110

5.2.5 材料110

5.2.6 标准111

参考文献111

第6章 机舱112

6.1 主轴112

6.1.1 设计载荷的确定112

6.1.2 强度分析112

6.1.3 疲劳强度113

6.1.4 极限强度117

6.1.5 主轴与齿轮的连接118

6.1.6 材料118

6.1.7 标准119

6.2 主轴承119

6.2.1 设计载荷的确定121

6.2.2 轴承型式的选择121

6.2.3 运行及环境条件121

6.2.4 密封、润滑及温度122

6.2.5 额定寿命计算123

6.2.6 主轴的连接124

6.2.7 轴承箱124

6.2.8 与底座的连接124

6.2.9 标准124

6.3 主齿轮箱124

6.3.1 齿轮类型124

6.3.2 载荷及承载能力128

6.3.3 规程及标准131

6.3.4 润滑132

6.3.5 材料和试验133

6.4 联轴器136

6.4.1 法兰联轴器136

6.4.2 收缩过盈联轴器136

6.4.3 键连接136

6.4.4 扭转弹性联轴器136

6.4.5 齿形联轴器136

6.5 机械制动137

6.5.1 制动的形式137

6.5.2 制动盘与制动片137

6.5.3 制动力矩次序137

6.6 液压系统138

6.6.1 布置139

6.6.2 蓄能器139

6.6.3 阀139

6.6.4 保护系统中的应用139

6.6.5 其他规定140

6.6.6 规程与标准140

6.7 发电机141

6.7.1 发电机的形式141

6.7.2 气候要素142

6.7.3 安全要素142

6.7.4 冷却与密封等级143

6.7.5 振动143

6.7.6 超速144

6.7.7 过载144

6.7.8 材料144

6.7.9 发电机的制动145

6.7.10 寿命145

6.7.11 发电机试验145

6.8 机架146

6.9 机舱罩146

6.10偏航系统146

6.10.1 设计载荷的确定147

6.10.2 偏航驱动149

6.10.3 偏航齿圈149

6.10.4 偏航制动149

6.10.5 偏航轴承150

6.10.6 偏航误差及控制153

6.10.7 扭缆153

6.10.8 特殊的设计考虑153

参考文献153

第7章 塔架155

7.1 载荷工况156

7.2 设计载荷156

7.3 塔架的一般性确认156

7.3.1 动力学响应和共振156

7.3.2 关键的叶片挠度分析157

7.4 管式塔架158

7.4.1 载荷及响应158

7.4.2 极限载荷159

7.4.3 疲劳载荷159

7.4.4 涡诱导的振动160

7.4.5 焊接接头160

7.4.6 门和机舱口附近的应力集中161

7.4.7 稳定性分析162

7.4.8 法兰连接163

7.4.9 腐蚀防护164

7.4.10 误差及规定164

7.5 进入口及工作环境164

7.6 塔架载荷计算的例子165

7.6.1 载荷及响应165

7.6.2 正常输出功率情况下极限载荷的

出现166

7.6.3 极限载荷——停机167

7.6.4 疲劳载荷168

参考文献170

第8章 基础172

8.1 土壤研究172

8.1.1 概述172

8.1.2 对基于重力基础的建议174

8.1.3 对桩基础的建议174

8.2 重力基础174

8.2.1 承载力公式175

8.3 桩支撑基础178

8.3.1 群桩179

8.3.2 轴向桩阻力180

8.3.3 横向加载的桩182

8.3.4 嵌入式桩帽的土壤阻力185

8.4 基础刚度186

8.5 加强混凝土的性能191

8.5.1 疲劳191

8.5.2 裂缝192

8.5.3 实施193

8.6 海上应用基础结构概念的选择193

8.6.1 概念介绍193

8.6.2 单桩基础194

8.6.3 三角桩基础199

参考文献204

第9章 电气系统206

9.1 电气部件206

9.1.1 发电机206

9.1.2 软起动器208

9.1.3 电容器组208

9.1.4 变频器209

9.2 风力发电机组构造210

9.3 电能质量与并网212

9.4 电气安全213

9.5 风电场并网213

参考文献214

第10章 手册216

10.1 用户手册216

10.2 服务和维护手册216

10.3 安装手册216

参考文献217

第11章 试验与测量218

11.1 功率特性测量218

11.2 载荷测量220

11.3 控制和保护系统的试验220

11.4 电能品质的测量220

11.5 叶片试验220

11.6 噪声测量220

参考文献221

附录222

附录A螺栓连接222

A.1 螺栓标准化222

A.2 强度222

A.3 冲击强度223

A.4 表面处理223

A.5 S"para" label-module="para">

A.5.1 结构钢规范中的S"para" label-module="para">

A.5.2 允许表面压力226

A.6 预拉伸227

A.6.1 防松安全性229

A.7 螺纹孔的最小深度230

A.8 螺栓力的分析230

A.8.1 螺栓的刚度231

A.8.2 配合零件的刚度231

A.8.3 力三角形232

A.9 承受剪切的连接233

A.1 0承受拉伸载荷的螺栓236

A.1 1承受拉伸和剪切载荷的

螺栓236

A.1 2螺栓连接的实施236

A.1 3规程与标准236

参考文献237

附录B经验方法238

B.1 载荷238

B.1.1 风轮载荷238

B.1.2 疲劳载荷238

B.2 风轮238

B.3 机舱239

B.3.1 主轴239

B.4 噪声239

参考文献239

附录C疲劳计算240

C.1 应力范围240

C.2 断裂力学240

C.3 S"para" label-module="para">

C.4 Palmgren"para" label-module="para">

C.5 焊接结构的疲劳243

C.6 结构钢的特征S"para" label-module="para">

C.7 锻造和轧制钢材的特征S"para" label-module="para">

曲线244

C.8 复合材料S"para" label-module="para">

C.9 其他形式的疲劳评估246

参考文献246

附录D有限元方法（FEM）计算248

D.1 分析形式248

D.2 模化249

D.2.1 模型249

D.2.2 元素249

D.2.3 边界条件252

D.2.4 载荷252

D.3 记录253

D.3.1 模型253

D.3.2 结果254

附录E材料特性255

E.1 钢255

E.1.1 结构钢255

E.1.2 合金钢256

E.2 铸铁256

E.3 强化玻璃纤维256

E.3.1 玻璃钢合成塑料256

E.4 混凝土257

E.4.1 力学性能257

参考文献258

附录F名词与定义259

参考文献264

附录G换算及表格265

G.1 英制/米制换算265

G.2 空气密度与温度265

G.3 空气密度与高度265

G.4 瑞利风速分布266

《风力发电机组设计导则(原书第2版)》对风力发电机组及其主要零部件，叶片、轮毂、主轴、主轴承、齿轮箱、机架、机舱、发电机、控制保护系统、运行监控系统、偏航系统、塔架、基础等的设计方法、理论、设计规范、设计参数进行了全面、系统、详细的介绍和阐述，给出了若干计算实例，目的是为风力发电机组的设计提供一个导则，对风力发电机组设计和应用中经常遇到的问题提出建议和指导，方便实际应用。书中给出的准则、数据、曲线等设计资料都来源于真实的设计实践，可以直接参考引用，对风力发电机组的设计和应用具有较高的参考价值。《风力发电机组设计导则(原书第2版)》可供风力发电机组制造商、认证机构、风电场运行管理技术人员（风力发电机组用户）使用。《风力发电机组设计导则(原书第2版)》也可作为高校、研究机构风力发电专业人员、工程师的参考读物。 {zzjj}

海上风力发电机组设计标准，亦称“海上风力发电机组设计要求”。海上风力发电机组设计的规范、要求。包括国际标准和国家标准。中国采用国际电工委员会制定的《海上风力发电机组设计标准》。主要包括海上风力发电机组的外部条件、结构设计、控制和保护系统、机械系统、电气系统、基础设计、海上风电场址外部条件评估、风电机组组装和安装、风电机组调试、运行和维护等要求。

《海上风力发电机组设计》介绍了海上风力发电机组设计的基本知识和技术，对比分析了开发海上风电的优劣势，重点剖析了海上风电开发的六大制约因素。在此基础上，提出了海上风力机的设计原则和系统解决方案、详细阐述了海上风力机的技术路线对比、风力机基础设计与施工、防腐蚀与密封设计、防台风设计、可靠性设计、发电能力优化设计及可维护性设计的解决思路和设计方法。此外，简要介绍了海上风力机的相关标准和认证，最后对未来海上风电开发与风力机设计技术的发展趋势加以展望。

《海上风力发电机组设计》适合从事海上风电领域，尤其是海上风力机设计与开发的工程师和技术人员阅读参考，也适合作为高等学校相关专业通用教材，对想要了解海上风力发电的读者也是一本很好的科普读物。