風(fēng)力發(fā)電機組設(shè)計

前言

　　經(jīng)濟、能源與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展是實現(xiàn)國家現(xiàn)代化目標(biāo)的必要條件。為了解決化石能源的不斷消耗對經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境的影響問題，我國和一些主要發(fā)達(dá)國家在未來能源規(guī)劃中，都明確提出了可再生能源發(fā)展的具體目標(biāo)。在《國家中長期（2006-2020年）科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》中，將可再生能源規(guī)模化利用列為能源可持續(xù)發(fā)展中的關(guān)鍵科學(xué)問題之一。2005年頒布的《中國可再生能源法》進(jìn)一步明確了包括風(fēng)能在內(nèi)的可再生能源的戰(zhàn)略地位，為可再生能源的發(fā)展提供了法律保證?！　★L(fēng)能是一種重要的清潔可再生能源，而風(fēng)力發(fā)電是目前發(fā)展最快，且最具規(guī)?；_發(fā)條件的風(fēng)能利用技術(shù)形式。截止到2008年底，全球風(fēng)電機組的總裝機容量超過了1億kW，我國經(jīng)過近幾年的快速發(fā)展，風(fēng)電機組總裝機容量也達(dá)到1200萬kw。根據(jù)國家發(fā)改委2005年的規(guī)劃，到2020年，全國風(fēng)電機組裝機容量將達(dá)到3000萬kw。我國的風(fēng)能資源豐富，2020年以后還將得到持續(xù)的發(fā)展。因此，風(fēng)能的規(guī)?；檬菄夷茉纯沙掷m(xù)發(fā)展的重大需求?！　?0世紀(jì)80年代并網(wǎng)風(fēng)電機組問世以來，國內(nèi)外在風(fēng)能技術(shù)的開發(fā)利用方面取得了很大的成就，并形成了相應(yīng)的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)。過去的10年，我國的風(fēng)電機組裝機容量年均增長速度達(dá)到45％以上。風(fēng)力發(fā)電已在節(jié)約能源、緩解電力供應(yīng)緊張的形勢、降低長期發(fā)電成本、減少大氣污染和溫室氣體排放等方面做出了貢獻(xiàn)，開始有所作為?！　∫话愣?，在風(fēng)力發(fā)電生產(chǎn)的成本構(gòu)成中，發(fā)電設(shè)備所占的比例最多，而運行成本很低。因此，設(shè)計研發(fā)先進(jìn)的風(fēng)電設(shè)備是發(fā)展風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵。近年來，隨著風(fēng)電市場需求的擴大，我國風(fēng)電設(shè)備產(chǎn)業(yè)得到了快速的發(fā)展。據(jù)截至2007年底的不完全統(tǒng)計，我國風(fēng)電設(shè)備制造及相關(guān)零部件企業(yè)已有70多家。然而，由于我國大型風(fēng)電設(shè)備設(shè)計研發(fā)工作開展較晚，而且相關(guān)產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)相對薄弱，尚難以滿足風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)超常規(guī)發(fā)展的市場需求。在此背景下，我們編寫了本書，謹(jǐn)供致力于風(fēng)電技術(shù)及設(shè)備開發(fā)研究的廣大讀者參考和使用，并期待能夠為風(fēng)能利用和風(fēng)電設(shè)備產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展作出應(yīng)有的貢獻(xiàn)?！　”緯饕槍Σ⒕W(wǎng)大型風(fēng)電機組的設(shè)計需求，重點闡述了相關(guān)的理論基礎(chǔ)與設(shè)計方法等。全書共分為7章：第1章為風(fēng)電機組設(shè)計概論，介紹有關(guān)風(fēng)電機組的技術(shù)構(gòu)成和基本設(shè)計概念。第2章為風(fēng)電機組的設(shè)計基礎(chǔ)，重點討論風(fēng)電機組相關(guān)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計所需的外部條件，以及風(fēng)電機組設(shè)計過程所需的空氣動力學(xué)、結(jié)構(gòu)分析與計算基礎(chǔ)等問題。第3-6章結(jié)合風(fēng)電機組的總體及主要部件設(shè)計問題，討論相關(guān)的設(shè)計方法或技術(shù)。在風(fēng)電機組總體設(shè)計中，重點論述風(fēng)電機組的總體參數(shù)和功能設(shè)計與風(fēng)況條件、風(fēng)電機組特性等方面的關(guān)系，并給出發(fā)電機系統(tǒng)選型和風(fēng)電機組總體布局設(shè)計的一般原則。在此基礎(chǔ)上，書中針對構(gòu)成風(fēng)電機組的主要部件，如風(fēng)輪葉片、傳動系統(tǒng)和塔架基礎(chǔ)等，通過對相關(guān)設(shè)計問題的基礎(chǔ)性分析，給出了比較系統(tǒng)和盡可能具體的設(shè)計方法。第7章對風(fēng)電機組的結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析一些基礎(chǔ)性問題進(jìn)行了介紹，內(nèi)容涉及葉片結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析、傳動系統(tǒng)動力學(xué)分析、塔架結(jié)構(gòu)動力特性和風(fēng)電機組整機動力學(xué)分析等。

內(nèi)容概要

本書主要針對大型風(fēng)電機組的設(shè)計需求，闡述相關(guān)的理論基礎(chǔ)與設(shè)計方法。書中討論了風(fēng)電機組的設(shè)計依據(jù)和設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)等問題，介紹了風(fēng)電機組設(shè)計的相關(guān)理論，包括空氣動力學(xué)、載荷分析、結(jié)構(gòu)分析、疲勞強度設(shè)計等；在此基礎(chǔ)上，論述了風(fēng)電機組總體設(shè)計方法，并重點針對風(fēng)輪葉片、傳動系統(tǒng)和塔架基礎(chǔ)等主要部件設(shè)計中的基礎(chǔ)性問題進(jìn)行了分析，給出比較系統(tǒng)且盡可能具體的設(shè)計方法；同時，介紹了風(fēng)電機組動力學(xué)設(shè)計的基礎(chǔ)知識。　　本書可供從事大型風(fēng)電機組設(shè)計、運行、維護和管理等方面工作的專業(yè)技術(shù)人員閱讀，也可作為高等院校相關(guān)專業(yè)的本科高年級學(xué)生和研究生的參考書。

書籍目錄

前言 第1章　風(fēng)電機組設(shè)計概論 　1.1　風(fēng)電機組的基本功能構(gòu)成與分類 　　1.1.1　風(fēng)電機組的基本功能構(gòu)成 　　1.1.2　風(fēng)電機組的分類 　1.2　水平軸風(fēng)電機組的結(jié)構(gòu)特征 　　1.2.1　風(fēng)輪 　　1.2.2　機艙及其安裝部件 　　1.2.3　塔架與基礎(chǔ) 　1.3　風(fēng)電設(shè)備的技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 　　1.3.1　技術(shù)現(xiàn)狀 　　1.3.2　發(fā)展趨勢 　1.4　風(fēng)電機組設(shè)計的基本內(nèi)容與步驟 　　1.4.1　確定設(shè)計目標(biāo) 　　1.4.2　總體設(shè)計 　　1.4.3　風(fēng)電機組零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計 　　1.4.4　樣機測試與設(shè)計驗證 　1.5　風(fēng)電機組與風(fēng)電場設(shè)計軟件簡介 　　1.5.1　風(fēng)資源評估與風(fēng)電場設(shè)計管理類軟件 　　1.5.2　風(fēng)電機組性能的分析與仿真軟件 　　1.5.3　風(fēng)電機組結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計軟件 第2章　風(fēng)電機組的設(shè)計基礎(chǔ) 　2.1　風(fēng)電機組相關(guān)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn) 　　2.1.1　國外重要的風(fēng)電設(shè)計標(biāo)準(zhǔn) 　　2.1.2　我國主要風(fēng)電標(biāo)準(zhǔn) 　2.2　風(fēng)電機組設(shè)計的外部條件 　　2.2.1　風(fēng)電機組分級 　　2.2.2　正常風(fēng)況 　　2.2.3　極端外部條件 　2.3　空氣動力學(xué)基礎(chǔ)與數(shù)學(xué)模型 　　2.3.1　風(fēng)能的簡單分析 　　2.3.2　動量模型 　　2.3.3　葉素理論 　　2.3.4　動量?葉素理論 　　2.3.5　其他理論模型簡介 　2.4　風(fēng)電機組載荷分析基礎(chǔ) 　　2.4.1　載荷的類型 　　2.4.2　設(shè)計工況與載荷狀況 　　2.4.3　載荷分析的基本要求 　2.5　極限狀態(tài)分析 　　2.5.1　設(shè)計要求 　　2.5.2　極限強度分析的安全系數(shù) 　　2.5.3　疲勞失效分析的安全系數(shù) 　　2.5.4　穩(wěn)定性與臨界撓度分析的安全系數(shù) 　2.6　疲勞強度分析基礎(chǔ) 　　2.6.1　疲勞強度設(shè)計概述 　　2.6.2　疲勞設(shè)計的基本方法 　　2.6.3　設(shè)計風(fēng)電機組疲勞強度時需考慮的問題 第3章　風(fēng)電機組總體設(shè)計 　3.1　風(fēng)電機組總體參數(shù)設(shè)計 　　3.1.1　風(fēng)電機組設(shè)計風(fēng)速與功率 　　3.1.2　風(fēng)輪特性參數(shù)及其分析 　3.2　風(fēng)電機組的功能設(shè)計 　　3.2.1　風(fēng)輪功率的調(diào)節(jié)方式 　　3.2.2　影響風(fēng)電機組功率特性的其他因素 　　3.2.3　風(fēng)輪的力學(xué)特性 　3.3　風(fēng)電機組發(fā)電機系統(tǒng)選型設(shè)計 　　3.3.1　恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng) 　　3.3.2　變速恒頻發(fā)電系統(tǒng) 　3.4　風(fēng)電機組總體布局設(shè)計 　　3.4.1　主傳動鏈布局 　　3.4.2　變槳距系統(tǒng)布局 　　3.4.3　機艙與偏航系統(tǒng)布局 　　3.4.4　風(fēng)電機組制動系統(tǒng)布局 第4章　風(fēng)輪葉片設(shè)計 　4.1　設(shè)計概述 　　4.1.1　基本設(shè)計過程與內(nèi)容 　　4.1.2　設(shè)計要求 　　4.1.3　葉片相關(guān)術(shù)語 　　4.1.4　翼型介紹 　4.2　葉片氣動外形設(shè)計 　　4.2.1　簡化設(shè)計方法 　　4.2.2　葛勞渥方法 　　4.2.3　維爾森方法 　　4.2.4　氣動外形的優(yōu)化設(shè)計 　　4.2.5　氣動外形的逆向設(shè)計方法 　　4.2.6　氣動外形設(shè)計方法的綜合應(yīng)用算例 　4.3　葉片載荷分析 　　4.3.1　計算坐標(biāo)系 　　4.3.2　幾種類型的載荷 　　4.3.3　葉片載荷分析算例 　4.4　葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計 　　4.4.1　葉片材料選擇 　　4.4.2　葉片剖面結(jié)構(gòu) 　　4.4.3　鋪層設(shè)計 　　4.4.4　葉片總體結(jié)構(gòu) 　　4.4.5　葉根設(shè)計 第5章　風(fēng)電機組傳動系統(tǒng)設(shè)計 第6章　塔架與基礎(chǔ) 第7章　風(fēng)電機組結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析 附錄 參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　此階段是需要從風(fēng)電機組的總體功能角度出發(fā)，分析各部件、子系統(tǒng)、附件和設(shè)備的布置形式與技術(shù)要求，開展對各部件和子系統(tǒng)的技術(shù)組成、原理分析、結(jié)構(gòu)形式和功能參數(shù)選擇等工作。同時需要對整機的結(jié)構(gòu)承力構(gòu)件布置、承載形式和傳力路線進(jìn)行分析，選擇合理的設(shè)計分離面和接口形式，以便明確劃分各部件設(shè)計界面，保證總體設(shè)計的質(zhì)量。此階段的設(shè)計要求是盡可能地詳盡分析風(fēng)電機組各子系統(tǒng)構(gòu)成方案的可行性，使之布置合理、協(xié)調(diào)、緊湊，便于安裝，且能可靠保證正常運行和維護需要。提供風(fēng)電機組的總體布置圖（包括部件和基礎(chǔ)），最好建立總體的三維數(shù)字模型，并編寫有關(guān)報告和設(shè)計說明文件?！　?）載荷分析與風(fēng)電機組基本性能的預(yù)評估　　在設(shè)計初期，必須對載荷作預(yù)評估，以準(zhǔn)確確定風(fēng)電機組的結(jié)構(gòu)設(shè)計依據(jù)。風(fēng)電機組應(yīng)能夠承受正常運行中的任何載荷，同時也具備一定的承受極端載荷的能力。最重要的載荷產(chǎn)生于風(fēng)輪及其葉片，且風(fēng)輪上的任何載荷都會對其他子系統(tǒng)產(chǎn)生影響。該階段要注意查閱并依據(jù)相關(guān)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合具體的風(fēng)電機組運行工況要求，對所有載荷都應(yīng)予以仔細(xì)分析評估?！　?）發(fā)電成本估算　　設(shè)計階段估計發(fā)電成本是非常重要的一個步驟，因為風(fēng)電機組總體性能與總體成本是影響發(fā)電成本的關(guān)鍵因素。在設(shè)計早期，可以通過功率曲線來預(yù)測風(fēng)電機組性能，這既是風(fēng)輪總體設(shè)計的重要功能目標(biāo)之一，同時也受到發(fā)電機類型、傳動系統(tǒng)效率、運行方式（恒速或變速）以及控制方式的影響。　　6）各部件和子系統(tǒng)的設(shè)計方案　　根據(jù)整機總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計，開展包括對各部件和系統(tǒng)的要求、組成、原理分析、結(jié)構(gòu)形式、參數(shù)及附件的選擇等設(shè)計工作。設(shè)計有關(guān)部件的結(jié)構(gòu)方案模型圖和有關(guān)系統(tǒng)的原理圖，并編寫有關(guān)的報告和技術(shù)說明?！　?）配套附件　　選擇和確定整機配套附件和備件等設(shè)備，對新研制的部件要確定技術(shù)要求和協(xié)作關(guān)系。提交協(xié)作及采購清單等有關(guān)文件?！　】傮w設(shè)計階段將解決全局性的重大問題，必須精心和慎重地進(jìn)行，要盡可能充分利用已有的經(jīng)驗，以求總體設(shè)計階段中的重大決策建立在可靠的理論分析和試驗基礎(chǔ)上，避免以后出現(xiàn)不應(yīng)有的重大反復(fù)，導(dǎo)致設(shè)計的失誤和延期?！　∩鲜隹傮w設(shè)計的各階段屬于靜態(tài)設(shè)計，設(shè)計結(jié)果是：風(fēng)電機組總體設(shè)計方案圖、總體布置圖和設(shè)計計算報告、風(fēng)電機組性能分析與載荷初步分析報告、各部件和子系統(tǒng)的初步技術(shù)要求與設(shè)計示意圖、系統(tǒng)原理圖、對制造方面的協(xié)作和采購要求清單等，以及對其他有關(guān)經(jīng)濟性和使用性能等均應(yīng)有明確的技術(shù)文件。

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