风力发电机组理论与设计.pdf

风力发电机组理论与设计姚兴佳等著机 械 工 业 出 版 社本书主要介绍了风力发电机组的理论和设计。在理论方面包括风能捕获理论、能量传递理论和机电能量转换理论，统称为能量转换和传输理论。在设计方面包括风电机组设计基础、载荷、总体设计、风轮、风力发电机、主传动链、塔架与基础、控制系统、状态监测与故障诊断和强度分析。本书适合于从事风力发电机组设计和研究的科技人员应用，也可作为大学攻读硕士和博士研究生的教材或参考书。图书在版编目（）数据风力发电机组理论与设计 姚兴佳等著 北京：机械工业出版社，风 姚 风力发电机发电机组设计 中国版本图书馆 数据核字（）第 号机械工业出版社（北京市百万庄大街 号 邮政编码）策划编辑：林春泉 责任编辑：吕 潇 版式设计：霍永明责任校对：张晓蓉 责任印制：北京机工印刷厂印刷（三河市南杨庄国丰装订厂装订）年 月第 版第 次印刷 印张 千字3000册标准书号：定价：元凡购本书，如有缺页、倒页、脱页，由本社发行部调换电话服务社 服 务 中 心：（）销 售 一 部：（）销 售 二 部：（）读者购书热线：（）网络服务教材网：机工官网：机工官博：封面无防伪标均为盗版69.90乔宇前 言风力发电是风能利用的主要方式。自 世纪 年代开始，我国风力发电经历了长期的技术研究和项目开发的探索，特别是在 可再生能源法 的推动下，风力发电产业实现了跨越式发展，进入了国际先进行列，风力发电装机容量快速增长，风力发电设备制造能力明显提高，已成为世界上风力发电总装机最多和设备制造能力最强的国家。中国风力发电产业的惊人增长也付出了代价。经过两年的市场滑坡后，风电行业快速发展过程中的诸多问题和隐患暴露出来，譬如产品研发能力不足，机组运行性能不稳定，并网适应性较差，风电场等效满负荷运行小时数低等等。把种种现象联系起来分析，都关联着核心技术掌握程度这样一条主线。目前，我国正在经历着从“风力发电大国”到“风力发电强国”的转变，从“中国制造”到“中国创造”的转变，从“国内市场”到“国际市场”的转变。在这些转变中，需要大量的风力发电人才储备和风力发电核心技术储备。这就对风力发电理论和风力发电机组设计的研究和创新提出了更高层次的要求。本书围绕着风力发电机组理论和设计做了一些开创性的探索。风力发电理论是风力发电机组设计的基础。这些理论涉及气象学、流体力学、固体力学、材料力学、电子技术、机械工程、电气工程、海洋工程、环境工程等诸多领域。本书力图将相关的内容结合起来，归纳为风能捕获理论、能量传递理论和机电能量转换理论，统称为能量转换和传输理论。基本理论的研究除了掌握上述专业知识外，还需要概率论与数理统计、线性代数、场论、数值计算方法等方面的工程数学知识。由于篇幅的限制，本书略去了对基本理论繁琐的推证，只给出最后的结论。多数基本理论的原始形式是多维空间的、非线性的、时变的，只能用数值计算的方法求解。但是，在必要和可能的情况下，可以应用相应方法对基本理论进行简化，得出直观的解析形式，这对风力发电机组的设计是十分有益的。在风力发电机组的设计方面，本书较全面地介绍了目前国内外主导机型的整机和零部件的设计方法。包括风力发电机组设计要求、载荷、总体设计、风轮、风力发电机、主传动链、塔架与基础、控制系统、状态监测与故障诊断、强度分析等。重点是风力机、齿轮箱和发电机的设计。随着可靠性设计、优化设计、有限元设计等现代设计方法的不断完善和计算机辅助设计的应用，为风力发电机组的设计开拓了更加广泛的空间。国内外已经开发了多种风力发电机组的设计专用软件。本书对部分专用软件进行了介绍，并且在介绍整机和零部件的设计时，注重了一系列先进设计方法的应用。本书的特点是坚持了理论与实际相结合，突出了典型机型的重点结构，应用了现代设计技术和方法。本书适合于从事风力发电机组设计和研究的科技人员应用，也可作为高等学校相关专业的教学用书或大学攻读硕士和博士研究生的教材或参考书。作为本书撰写基础的科研工作，得到了中国科学院院士严陆光、徐建中、胡文瑞，中国工程院院士黄其励、顾国彪、唐任远、朱英浩等的热情关怀和帮助，得到国家科技部、辽宁省科技厅、沈阳市科技局、中国可再生能源学会、中国风能协会、中国农业机械工业协会风能设备分会、中国资源综合利用协会新能源专委会、中国动力工程学会新能源专委会、国家海上风力发电技术与检测重点实验室等单位的大力支持，得到上海玻璃钢研究院、连云港中复联众复合材料集团有限公司、南京高精传动设备制造集团有限公司、重庆齿轮箱有限责任公司、兰州电机股份有限公司、阳光电源股份有限公司、北京科诺伟业有限公司、国网电力科学研究院、中国船级社、北京鉴衡认证中心有限公司、全国风力机械标准化技术委员会、沈阳华创风能有限公司、沈阳华人风电科技有限公司等单位的积极配合。在此一并表示衷心感谢。本书的创作由姚兴佳主持，主要内容由姚兴佳、宋俊撰写。参加撰写的还有王益全、王海军、赵文辉、单光坤、孙传宗、张明远、刘颖明、王晓东、李科、郭成良。另外，王士荣、刘玥、董丽萍也参与了本书组稿。全书由姚兴佳教授审阅并定稿。本书在编写过程中，参考了国内外有关文献资料，在此谨向相关文献资料的作者表示诚挚的谢意。由于风力发电技术涉及知识面广，发展速度很快，作者水平有限，书中难免疏漏与错误之处，恳请读者批评指正。著者 年 月风力发电机组理论与设计目录前言主要物理量符号表第一章 绪论 第一节 风力发电机组理论与设计概述 一、风力发电机组的能量转换和传输 二、风力发电机组基本理论 三、主导机型的设计模式 第二节 风力发电机组设计工作规范 一、设计依据 二、设计内容 三、设计原则 四、设计步骤 第三节 风力发电机组的可靠性和安全性设计 一、整机的可靠性 二、零部件的可靠性 三、劳动安全 第四节 风力发电机组设计软件简介 一、结构分析与设计软件 二、性能分析与仿真软件第二章 能量转换和传输理论 第一节 风能捕获理论 一、流体力学的基本方程 二、风力机的稳态数学模型 第二节 能量传递理论 一、弹性力学的基本方程 二、传动链数学模型 第三节 机电能量转换理论 一、发电机中的机电能量转换关系 二、感应电动势和电磁转矩 三、基本方程式第三章 风力发电机组设计要求 第一节 风力发电机组的外部条件 一、风力发电机组等级 二、风况 三、其他环境条件 四、电网条件 第二节 结构设计 一、载荷 二、设计工况和载荷状态 三、载荷计算 四、最大极限状态分析 第三节 海上风力发电机组外部条件 一、海上风力发电机组外部条件的特点 二、海上风力发电机组等级 三、风况 四、海洋状况 五、其他环境条件 六、电网条件 七、载荷计算第四章 载荷 第一节 载荷概述 一、载荷及其坐标系 二、坐标系的转换 三、载荷分类 四、载荷源 第二节 载荷分析 一、疲劳载荷 二、极限载荷 三、载荷叠加 第三节 载荷的计算 一、建立机组模型 二、工况设定 三、仿真计算 四、后处理第五章 总体设计 第一节 总体参数设计 一、设计风速 二、风轮转速 三、发电机额定转速和转速范围 四、重要几何尺寸 五、总质量、质心与转动惯量 六、年发电量 第二节 总体功能设计 一、基于风力机实现的功率调节 二、基于发电机实现的功率调节 第三节 总体布局设计 一、总体布置原则 二、风力发电机组的典型布局 三、部件的集成化 第四节 模型试验 一、相似条件 二、相似结果 三、模型机试验中的问题 第五节 设计成本模型第六章 风轮 第一节 风轮设计概述 第二节 翼型介绍 一、翼型系列 二、风轮叶片专用翼型系列 三、翼型的选择 四、翼型的修正 第三节 叶片气动设计 一、图解法 二、简化叶素动量定理设计法 三、葛劳渥方法 四、维尔森方法 第四节 叶片的结构设计 一、叶片的结构设计要求 二、叶片的常用材料 三、叶片的剖面结构 四、叶片的铺层设计 五、叶片的校核 六、定桨距叶片叶柄结构设计 第五节 叶片优化设计 一、设计变量 二、目标函数 三、约束条件 四、寻优算法 第六节 轮毂 一、轮毂的结构设计 二、轮毂的载荷分析第七章 风力发电机 第一节 风力发电机的基本工作原理及分类 一、基本工作原理 二、分类 第二节 发电机的设计基础 一、设计的技术要求 二、主要尺寸 三、电机绕组 四、磁场与磁路 五、参数计算 六、发电机的性能 第三节 笼型感应发电机的设计 一、风力发电中应用的笼型感应发电机 二、笼型感应发电机的电磁设计 第四节 双馈感应发电机的设计 一、风力发电中应用的双馈感应发电机 二、电磁设计 第五节 永磁同步发电机的设计特点 一、风力发电中应用的同步发电机 二、电磁设计特点 第六节 计算机辅助电磁设计 一、计算机辅助电磁设计源程序编制中的几个问题 二、计算机辅助电磁设计源程序第八章 主传动链 第一节 主轴 一、主轴支撑方式 二、主轴材料 三、主轴力学模型及设计载荷 四、主轴强度分析 第二节 主轴承 一、设计载荷 二、额定寿命 三、润滑及密封 第三节 主齿轮箱 一、基本传动形式 二、风电齿轮传动设计标准 三、载荷及齿轮承载能力 四、齿轮传动主要参数的选择及设计实例 五、主要部件的设计与选型 六、传动效率与噪声 七、齿轮箱的润滑、冷却和加热 第四节 联轴器 一、刚性胀套式联轴器 二、膜片联轴器风力发电机组理论与设计 第五节 机舱 一、底盘 二、机舱罩第九章 塔架与基础 第一节 塔架的构造设计 一、塔架的结构型式 二、塔架的细部构造 三、塔架的材料 四、塔架的防腐 五、塔架的制造工艺过程 第二节 锥筒式塔架的设计计算 一、塔架的设计内容与要求 二、塔筒设计 三、塔筒屈曲稳定性分析 四、法兰的设计 五、塔架的固有频率计算 六、塔架的计算实例 七、塔架的有限元分析 第三节 基础设计 一、风力发电机组基础的设计内容与要求 二、基础设计载荷 三、扩展基础设计 四、海上风力发电机组的基础第十章 控制系统 第一节 控制系统概述 一、控制系统的组成 二、控制系统基本功能 三、控制系统设计要求 第二节 制动系统 一、风力发电机组关机过程的规划 二、风力发电机组关机过程的运动方程 三、空气动力制动的设计 四、机械制动的设计 第三节 变桨距系统 一、变桨距系统功能与构成 二、变桨距系统驱动力矩计算 三、变桨距轴承的设计与计算 四、电动变桨距驱动机构设计 五、电动变桨距位置控制 六、后备电源设计 七、液压变桨距系统设计 第四节 偏航系统 一、偏航系统的结构设计 二、偏航设计载荷的确定 三、偏航执行机构设计 四、轴承齿轮副 五、偏航制动 六、偏航系统的控制 第五节 主控系统 一、主控系统设计概述 二、主控系统硬件结构设计 三、主控系统信号采集及处理设计 四、主控系统功能设计 五、主控系统控制策略设计 第六节 安全系统 一、安全系统设计原则 二、安全系统控制功能设计 三、软件的安全保护设计 四、安全链设计 五、防雷功能设计第十一章 状态监测及故障诊断 第一节 常见故障及诊断方法 一、常见故障 二、状态监测及故障诊断的方法 第二节 在线监测及故障诊断系统设计 一、在线监测系统的功能 二、在线监测系统结构设计 第三节 在线监测系统的工作过程及案例分析 一、故障信息的分析与处理 二、故障诊断规则 三、故障诊断案例分析第十二章 强度分析 第一节 强度分析概述 一、强度分析的任务和对象 二、强度分析的一般流程 三、强度规范 第二节 静强度分析 一、静强度分析方法 二、实例：机组轮毂静强度分析 第三节 模态分析 一、模态分析基础理论 二、模态分析方法目 录 三、实例：机组塔筒模态分析 第四节 疲劳强度分析 一、疲劳强度基础理论 二、疲劳强度分析方法 三、实例：机组底盘疲劳强度分析 第五节 屈曲稳定性分析 一、屈曲稳定性分析方法 二、实例：机组屈曲稳定性分析附录 附录 笼型感应发电机计算机辅助电磁设计源程序 附录 双馈感应发电机计算机辅助电磁设计源程序参考文献风力发电机组理论与设计主要物理量符号表 轴向气流诱导因子；并联支路数 切向气流诱导因子 应力集中因子 （风轮扫掠、叶素、翼型剖面、塔架根部、机舱迎风面）面积；线负荷；电负荷 制动活塞有效作用面积 液压缸的有效