风力发电机组设计、制造及风电场设计、施工.pdf

?“?苏刚，男，1 9 7 4 年生。1 9 9 7 年毕业于黑龙江商学院电子工程系，2 0 0 2 年长春理工大学金属材料硕士研究生毕业。1 9 9 7 年至2 0 0 2 年在佛吉亚消声器有限公司任现场自动化设备维护工程师；2 0 0 2 年至2 0 1 0 年在奥托立夫汽车安全系统有限公司任自动化设备主管工程师；2 0 1 0 年至今在北京万源瀚德汽车密封系统有 限公司任设备部经理。风力发电机组设计、制造及风电场设计、施工苏绍禹 苏 刚 编著机 械 工 业 出 版 社本书给出了传统式、混合式和直驱式风力发电机组的结构，各部件的材料、制造及其强度、刚度的校核，也给出了风力发电的机理。总结国内外风力发电机组的结构特点，提出并实践了利用“价值工程”对风力发电机组独立的调速、调向功能的合并，利用调向系统实现调速和调向。同时，也创造性地提出了风力发电机组效率提高的途径以及额定风速的确定对风力发电机组经济效益的影响。本书阐述了发展风电的意义和风电及风力发电机组的发展趋势。在对各式风力发电机组比较的基础上，提出了混合式和直驱式风力发电机组是未来最有发展前景的结构形式。本书也给出了风速计算及风电场风速实测、风电场选址、可行性研究和风电场的设计。在总结风力发电机组倒塌原因的基础上，提出了风力发电机组塔架基础设计、计算及施工的新思路。本书是作者继 2003 年出版的著作 风力发电机设计与运行维护 十年之后关于风力发电机组设计、制造及风电场设计、施工等方面的一部新著，可为从事风力发电机组设计、研发、制造方面和在风电场从事风力发电机组运行、管理和维护的工程技术人员提供参考，也可作为高等院校机械设计、制造、机电一体化等专业的参考书。图书在版编目（CIP）数据风力发电机组设计、制造及风电场设计、施工/苏绍禹，苏刚编著.北京：机械工业出版社，2013.3ISBN 978-7-111-41423-0.风.苏苏.风力发电机-发电机组-设计风力发电机-发电机组-制造风力发电-发电厂-设计风力发电-发电厂-工程施工.TM315TM62中国版本图书馆 CIP 数据核字（2013）第 025343 号机械工业出版社（北京市百万庄大街 22 号 邮政编码 100037）策划编辑：江婧婧 责任编辑：江婧婧版式设计：张 薇 责任校对：刘怡丹封面设计：路恩中 责任印制：北京京丰印刷厂印刷2013 年 5 月第 1 版第 1 次印刷184mm 260mm21.25 印张524 千字0 0013 000册标准书号：ISBN 978-7-111-41423-0定价：59.80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网络服务社 服 务 中 心：（010）88361066销 售 一 部：（010）68326294销 售 二 部：（010）88379649 教 材 网：http：/ 机工官网：http：/ 机工官博：http：/ 封面无防伪标均为盗版前言风能，是无污染、可再生、不分国界、不用花钱就可以得到的并且取之不尽用之不竭的清洁能源。利用风能发电，始于第一次世界大战之后。一战之后，工业复苏，能源短缺，丹麦仿造飞机的螺旋桨制造了二叶、三叶的风力发电机组用来并网发电，虽然装机容量不足 5kW，但却开创了风能发电的先河。二战之后，百废待兴，能源短缺，工业发达国家开始重视风能发电。20 世纪的40 60 年代，诸如美国、德国、丹麦、荷兰等工业发达国家研发了很多形式的风力发电机组，并在实践的基础上不断总结、改进，使风力发电机组得到了快速发展。但由于风力发电机组的发电成本比廉价的煤炭、石油类能源发电的成本高，风力发电机组没有得到应有的发展。1973 年，世界范围内爆发了石油危机，世界上很多工业发达国家又开始重视风力发电并率先制造风力发电机组并网发电。经过几十年的研究、实践、改进和发展，一些工业发达国家的风力发电机组在 20 世纪 80 年代之后技术基本成熟，并且实现了水平轴风力发电机组的商品化生产。由于煤炭、石油等化石类能源不可再生，储量有限，不可能无限制地开采利用，同时煤炭、石油等化石类能源在近百年里支持着人类的发展和进步，它们在燃烧的过程中放出了大量的 CO2和 SO2。CO2的温室效应在不断地改变地球的局部气候，催生了一年甚似一年的洪涝、干旱、飓风、冰川消融等重大自然灾害；SO2形成酸雨，摧毁了很多森林，危害了很多农作物，腐蚀掉很多的钢铁材料和建筑物。为此，全世界都在开发可再生、无污染的新能源并提倡节能减排。进入 21 世纪，风电每年以 20%以上的增容速度发展着，风电成为诸能源中发展最快的能源。20 世纪 90 年代，中国开始购入世界工业发达国家的风力发电机组，建风电场并网发电。经过十几年的引进、消化、吸收，也逐渐可以自行制造风力发电机组。中国是发展中的大国，人口超过13 亿。GDP 每年以9%以上的速度快速增长着，需要强大的电力支持。中国电力每年以12%的增长速度支持9%的 GDP 的增长和人民日益提高的生活质量对电力的需求。至 2011 年，中国石油对外的依存度达到 57%，仍需大量进口煤炭和天然气以支持火电的发展。中国电力供应 75%是火电，减少 CO2、SO2排放，改变以煤炭为主的能源消耗结构，开发无污染、可再生能源 风电和太阳能发电已是势在必行。十年前，作者写了 风力发电机设计与运行维护 一书由中国电力出版社出版，当时很多人认为，风电是可有可无的补充能源。但作者认为，风电是非常有发展前景的清洁能源。开发风电不仅会减少 CO2、SO2的排放，对改变中国以煤炭为主的不合理能源结构起到积极促进作用，而且风力发电机组的制造将会造就新兴的机械制造业，将会为数以万计的人提供就业岗位。开发风电是造福子孙后代的伟大事业。斗转星移，十年过去了。中国风电由 2000 年装机容量 2970MW 发展到 2011 年的52800MW；风力发电机组的制造成本由 2000 年的 1 万元/kW 以上下降到 2011 年（0.5 0.6）万元/kW；风电成本由 2000 年的 1.2 元/kWh 降到 2011 年的（0.4 0.6）元/kWh，接近中国长江以南的火电水平。中国的风电得到了长足的发展。风电已不再是可有可无的补充能源，它已成为具有巨大商业价值和潜在发展前途并具有光明发展前景的能源。十年间，中国风电的长足发展催生了一大批诸如新疆“金风”、四川“东方汽轮”、上海“上电”、浙江“运达”、沈阳“华创”、保定“惠腾”等 600 余家新兴机械制造、发电机制造及风力发电机组零部件制造企业，为数以万计的人提供了就业岗位，为中国国民经济发展做出了贡献。中国地域辽阔、风能资源丰富，不计南海的风能资源已达到 25 亿 MW 之多，具有极其可贵的发展潜力。虽然风力发电机组还存在着这样或那样的不足之处，但作者相信，未来的风力发电机组不仅是中国制造，更是中国创造，今后十年、二十年，中国风电达到供电能力的 12%，甚至达到供电能力的 20%的时候，每年不仅会减少大量的CO2、SO2的排放，更会为中国国民经济的可持续发展提供清洁地可持续支持国民经济发展的电力。作者每到风电场去，看到巍然耸立在风电场上的风力发电机组时，真是心旷神怡，由衷地感到欣慰。清风徐徐风轮转，风能变成电能源，省煤节油不排碳，山青水绿天更蓝。日月星辰，光阴如梭，十年过去了。时代在前进，技术在进步，为了适应风力发电机组的发展，机械工业出版社电工电子分社的牛新国社长、江婧婧编辑鼓励作者写了风力发电机组设计、制造及风电场设计、施工 这本书，在此表示衷心的感谢！由于作者水平有限，书中难免挂一漏万，有这样或那样的错误，贻笑大方，敬请读者批评指正，作者不胜感谢。作 者2012 年 4 月于长春风力发电机组设计、制造及风电场设计、施工目录前言主要符号第一章 绪论1第一节 风能利用的历史及发展1第二节 风力发电的意义和风电的未来2第三节 风电及风力发电机组尚存在的一些有待解决的问题4第二章 风力发电机组及其应用6第一节 现代风力发电机组6第二节 风力发电机组的应用17第三章 风力发电机机理21第一节 风力机的理论21第二节 叶片形式与叶片方面概念24第三节 叶片翼型29第四节 叶片的空气动力学37第五节 风力发电机的效率及与效率相关的参数40第四章 风力发电机组的分类及结构44第一节 风力发电机组的分类44第二节 微、小型风力发电机组结构47第三节 国内外中、大型水平轴传统式风力发电机组结构49第四节 水平轴直驱式和混合式风力发电机组结构59第五节 垂直轴风力发电机组结构62第六节 风力发电机组的防雷、计算机控制、塔架基础和并网63第五章 风力发电机组设计程序及主要参数68第一节 风力发电机组的设计程序68第二节 风力发电机组设计用到的参数71第六章 风力发电机组的总体设计和结构布局76第一节 风力发电机组的综合性能和技术参数的设计、计算76第二节 离网微、小型风力发电机组的总体结构布局80第三节 传统式和混合式并网风力发电机组的总体结构布局84第四节 直驱式水平轴并网风力发电机组的总体结构布局86第五节 用“价值工程”设计实现用调向系统达到调向和调速两个功能88第七章 风力发电机组叶片设计、制造和受力分析及强度计算92第一节 关于风力发电机组叶片的概念或术语92第二节 风力发电机组叶片设计的总体要求93第三节 风力发电机组叶片参数和尺寸的计算、确定96第四节 垂直轴达里厄风力发电机组叶片参数102第五节 水平轴风力发电机组叶片结构、材料和制造104第六节 风力发电机组叶片受力109第七节 风力发电机组叶片的强度、刚度113第八节 叶片尺寸设计举例122第八章 风力发电机组风轮轴、增速器及联轴器的设计、制造及选择127第一节 离网直驱式风力发电机组风轮轴的受力分析及危险轴径的确定127第二节 离网直驱式风力发电机组风轮轴的材料、制造和强度校核130第三节 并网直驱式风力发电机组风轮轴的结构、材料及制造133第四节 并网直驱式风力发电机组风轮轴的强度校核138第五节 传统式并网风力发电机组风轮轴的材料与制造及受力分析140第六节 传统式并网风力发电机组风轮轴最危险轴径的确定和强度校核143第七节 传统式并网风力发电机组的增速器和轴承的选择146第八节 传统式和混合式并网风力发电机组联轴器的选择150第九章 风力发电机组轮毂和机舱底座梁的设计156第一节 风力发电机组轮毂的形式、材料和制造156第二节 轮毂的受力分析和强度校核158第三节 机舱底座梁的设计161第十章 风力发电机组用发电机的设计168第一节 感应异步发电机与并网168第二节 风力发电机组用永磁发电机结构及并网171第三节 风力发电机组用永磁发电机设计给定数据和参数计算174第四节 永磁发电机主要尺寸的确定176第五节 永磁发电机的气隙磁密、线负荷和利用系数及发热系数180第六节 永磁发电机的功率183第七节 永磁发电机的效率185第八节 永磁发电机转子的平衡189第九节 永磁发电机设计举例191第十一章 风力发电机组调速、调向和制动机构设计202第一节 离网风力发电机组调向、调速机构的设计202第二节 传统式水平轴叶尖扰流调速、调向和制动210第三节 变桨距水平轴风力发电机组的调速、调向和制动213第四节 风力发电机组的调向力矩、制动力矩和主制动力矩215第五节 调向齿轮的接触强度与弯曲强度219第十二章 风力发电机组塔架和塔架基础的设计及制造224第一节 塔架的结构形式和受力分析224第二节 塔架的强度和刚度的校核228第三节 塔架塔筒壁厚的初估与塔架的制造233风力发电机组设计、制造及风电场设计、施工第四节 塔架的振动、防雷击及防腐处理235第五节 风力发电机组塔架基础的重要性236第六节 塔架基础的倾覆力矩及平衡238第七节 塔架与基础的连接及基础配筋的估算243第十三章 提高风力发电机组经济效益的途径247第一节 风力发电机组的功率及效率对风力发电机组经济效益的影响247第二节 提高风力发电机组的利用率是提高其经济效益的有效途径252第三节 风力发电机组运行的安