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1.4 风电机组设计的基本内容与步骤(1.4.1确定设计目标 1.4.2总体设计)

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书 名: 风力发电机组设计作　者：芮晓明

出版社： 机械工业出版社

出版时间： 2010-3-1

ISBN: 9787111295938

开本： 16开

定价: 35.00元

内容简介

本书主要针对大型风电机组的设计需求，阐述相关的理论基础与设计方法。书中讨论了风电机组的设计依据和设计标准等问题，介绍了风电机组设计的相关理论，包括空气动力学、载荷分析、结构分析、疲劳强度设计等；在此基础上，论述了风电机组总体设计方法，并重点针对风轮叶片、传动系统和塔架基础等主要部件设计中的基础性问题进行了分析，给出比较系统且尽可能具体的设计方法；同时，介绍了风电机组动力学设计的基础知识。

本书可供从事大型风电机组设计、运行、维护和管理等方面工作的专业技术人员阅读，也可作为高等院校相关专业的本科高年级学生和研究生的参考书。

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前言

第1章风电机组设计概论1

1?1风电机组的基本功能构成

与分类1

1?1?1风电机组的基本功能构成1

1?1?2风电机组的分类2

1?2水平轴风电机组的结构特征4

1?2?1风轮5

1?2?2机舱及其安装部件6

1?2?3塔架与基础7

1?3风电设备的技术现状与

发展趋势7

1?3?1技术现状7

1?3?2发展趋势8

1?4风电机组设计的基本内容

与步骤10

1?4?1确定设计目标10

1?4?2总体设计10

1?4?3风电机组零部件结构设计12

1?4?4样机测试与设计验证13

1?5风电机组与风电场设计软

件简介13

1?5?1风资源评估与风电场设计管

理类软件13

1?5?2风电机组性能的分析与仿真

软件14

1?5?3风电机组结构的分析与设计

软件16

第2章风电机组的设计基础18

2?1风电机组相关设计标准18

2?1?1国外重要的风电设计标准18

2?1?2我国主要风电标准20

2?2风电机组设计的外部条件22

2?2?1风电机组分级22

2?2?2正常风况22

2?2?3极端外部条件24

2?3空气动力学基础与数学模型28

2?3?1风能的简单分析28

2?3?2动量模型29

2?3?3叶素理论31

2?3?4动量?叶素理论34

2?3?5其他理论模型简介36

2?4风电机组载荷分析基础37

2?4?1载荷的类型37

2?4?2设计工况与载荷状况39

2?4?3载荷分析的基本要求41

2?5极限状态分析42

2?5?1设计要求42

2?5?2极限强度分析的安全系数44

2?5?3疲劳失效分析的安全系数44

2?5?4稳定性与临界挠度分析的

安全系数45

2?6疲劳强度分析基础45

2?6?1疲劳强度设计概述45

2?6?2疲劳设计的基本方法46

2?6?3设计风电机组疲劳强度时需

考虑的问题50

第3章风电机组总体设计52

3?1风电机组总体参数设计52

3?1?1风电机组设计风速与功率53

3?1?2风轮特性参数及其分析58

3?2风电机组的功能设计61

3?2?1风轮功率的调节方式61

3?2?2影响风电机组功率特性的

其他因素63

3?2?3风轮的力学特性64

3?3风电机组发电机系统选型设计66

3?3?1恒速恒频发电系统67

3?3?2变速恒频发电系统67

3?4风电机组总体布局设计71

3?4?1主传动链布局71

3?4?2变桨距系统布局73

3?4?3机舱与偏航系统布局75

3?4?4风电机组制动系统布局77

第4章风轮叶片设计80

4?1设计概述80

4?1?1基本设计过程与内容80

4?1?2设计要求82

4?1?3叶片相关术语84

4?1?4翼型介绍86

4?2叶片气动外形设计90

4?2?1简化设计方法90

4?2?2葛劳渥方法91

4?2?3维尔森方法92

目录风力发电机组设计4?2?4气动外形的优化设计92

4?2?5气动外形的逆向设计方法93

4?2?6气动外形设计方法的综合

应用算例94

4?3叶片载荷分析97

4?3?1计算坐标系97

4?3?2几种类型的载荷98

4?3?3叶片载荷分析算例103

4?4叶片结构设计109

4?4?1叶片材料选择109

4?4?2叶片剖面结构110

4?4?3铺层设计112

4?4?4叶片总体结构115

4?4?5叶根设计117

第5章风电机组传动系统设计119

5?1主传动链设计概述119

5?1?1主传动链的方案设计119

5?1?2主传动链的主要部件121

5?2齿轮传动设计基础129

5?2?1轮系的概念129

5?2?2齿轮传动的设计步骤131

5?3风电机组齿轮箱设计132

5?3?1设计标准132

5?3?2设计载荷133

5?3?3结构设计136

5?3?4传动效率与噪声137

5?3?5润滑与冷却138

5?4变桨距传动设计139

5?4?1变桨距操作装置概述139

5?4?2变桨距轴承139

5?4?3变桨距驱动部件140

5?4?4变桨距装置的一般设计原则141

5?5偏航传动系统设计141

5?5?1偏航操作装置概述141

5?5?2偏航驱动部件143

5?5?3偏航滚动轴承144

第6章塔架与基础150

6?1设计概述150

6?1?1塔架的设计要素150

6?1?2塔架的基本结构形式152

6?2塔架载荷分析153

6?2?1基本要求153

6?2?2极端条件下风轮推力的其他

计算方法154

6?2?3载荷的简化155

6?3塔架的结构设计155

6?3?1基本设计内容与要求155

6?3?2钢筒塔架的结构方案设计157

6?3?3塔架的强度分析158

6?3?4塔架的固有频率分析160

6?3?5塔筒制造的技术要求161

6?4塔架基础162

6?4?1塔架基本的设计要求162

6?4?2塔架基础的形式设计163

6?4?3塔架基础的设计计算165

第7章风电机组结构动力学分析168

7?1风电机组动力学问题概述168

7?1?1机械动力学研究的作用168

7?1?2机械动力学的基本概念169

7?1?3风电机组结构动力学分析基础175

7?2机械振动分析基础178

7?2?1单自由度系统振动178

7?2?2多自由度系统自由振动180

7?2?3分布参数系统自由振动184

7?3叶片结构动力学分析185

7?3?1叶片的振动特性分析185

7?3?2叶片的气动弹性稳定性187

7?4传动系统动力学分析189

7?4?1齿轮传动系统的动态激励191

7?4?2直齿圆柱齿轮的扭转振动

模型192

7?4?3直齿圆柱齿轮传动耦合振动

模型194

7?4?4行星齿轮传动轮系的纯扭转

动力学模型195

7?5塔架结构动特性分析197

7?5?1采用集中质量模型的塔架

振动分析198

7?5?2塔架振动的有限元分析199

7?5?3塔架振动的控制199

附录201

附录A齿轮传动设计的一些相关

问题201

A?1行星轮系传动比的设计与计算201

A?2轮系构件的配齿设计条件204

A?3齿轮传动参数计算207

A?4行星传动轮系的载荷209

附录B叶片结构设计例212

附录C本书中使用的部分变量与

符号解释217

参考文献220

1.4 风电机组设计的基本内容与步骤

风电机组设计所涉及的学科领域和专业知识较多，而系统的工程设计技术积累和丰富的设计实践经验是保证大型风电机组设计质量的必备条件。本节对相关设计方法与步骤做简单归纳，以便稍后内容的讨论。

1.4.1确定设计目标

与所有大型装备的设计相似，首先需要明确所设计风电机组的设计目标。比如，并网大功率机组与偏僻地区的小型单机设计需求明显不同。因此，针对设计需求，应考虑合理的机组功能构成、电机类型、控制方式、运输和安装方式等影响机组性能指标的主要因素。例如，陆上风电场所需的大型机组通常额定功率范围为500-2MW，便于运输、安装、运行和维修。近海风力发电机组的运行环境（如风况、波浪和盐雾等）、安装条件等与陆上有很大差别，基础和运输方式需要重点考虑。此外，检修、维护不便，对可靠性有更高的要求。

1.4.2总体设计

风电机组是比较复杂的机电装备，且要求较好的性价比。总体设计是平衡这些关系的重要设计过程，在某种意义上来说，总体设计可以决定整个设计过程的成败。由于风电机组由多个功能子系统组成，机组总体设计与各部件或子系统的功能设计密切相关，以针对风轮部件的总体设计为例，就包括了叶片参数、气动性能、结构强度、制造工艺与成本等多方面的设计内容，而这些设计目标很难同时达到，需要权衡各方的比重，选择优化的方案。

有鉴于低成本与高可靠性是现代风电机组发展的主要动力和研究热点，如何根据设计目标并结合工程经验，在这些复杂因素之间取得平衡关系，满足尽可能高的设备性价比要求，是风电机组总体设计的关键所在。

以下简要介绍风电机组总体设计的主要任务与大致步骤，具体的设计问题将在本书第3章讨论。

（1）机组总体设计方案

1）总体气动布局方案设计

随着风电机组单机功率的增大，系统气动布局设计逐渐成为风电机组设计重要方面。此阶段的任务主要包括对风场的风况分析，有针对性地对各类可行的功能构成形式和气动布局方案进行比较和选择，并结合机组性能和气动特性的分析和仿真技术，初步确定整机的和各主要部件（子系统）的基本形式，并提交有关的分析计算报告。

2）机组总体参数设计

风电机组气动设计前须首先确定总体参数，如风轮运行参数、叶片参数、设计风速、尖速比、翼型分布及其气动性能等，总体参数设计的基本要求是发电成本最低、机组载荷最小，发电量多且满足电源品质要求。

3）机组的总体结构布局设计