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风力发电机组设计导则（原书第 2 版）Ris 国家实验室 挪威船级社 著杨校生 何家兴 刘东远 张国珍 译机 械 工 业 出 版 社本书总结了风电相关研究项目的成果、实际设计经验和生产制造知识。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。本书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。本书也可作为高校、研究机构风力发电专业人员、工程师的参考读物。Ris 国家实验室和挪威船级社对本书的内容和译著的准确性、完整性不做任何承诺或保证。Ris 国家实验室和挪威船级社对本书的内容不做任何形式明确的或隐含的保证，包括但不限于不侵犯第三方权利。本书版权登记号：图字：01-2010-1718 号。Ris 国家实验室和挪威船级社对任何因使用或参照此译著信息而产生的损失不承担任何责任。Ris 国家实验室和挪威船级社拥有原著的版权。“Ris DTU and Det Norske Veritas make no claims，promises or guaranteesabout the accuracy，completeness or adequacy of the translation and the contentsof this book.No warranty of any kind，implied，expressed or statutory including but notlimited to the warranties of non-infringement of third party rights is given with re-spect to the contents of this book.RisDTU and Det Norske Veritas shall not be liable for any losses or dama-ges（including without limitation consequential loss or damage）whatsoever fromthe use of，or reliance on，the information in this book.Ris DTU and Det Norske Veritas claims copyright ownership of this book.”图书在版编目（CIP）数据 风力发电机组设计导则/Ris 国家实验室 挪威船级社著；杨校生等译.北京：机械工业出版社，2011.1 Guidelines for design of wind turbines ISBN 978-7-111-32397-6.风.Ris 挪 杨.风力发电机-机组-设计.TM315 中国版本图书馆 CIP 数据核字（2010）第 213292 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：林春泉 责任编辑：顾 谦 版式设计：霍永明责任校对：李秋荣 封面设计：鞠 杨 责任印制：乔 宇北京机工印刷厂印刷（兴文装订厂装订）2011 年 1 月第 1 版第 1 次印刷184mm 260mm17.25 印张427 千字0 0013 000 册标准书号：ISBN 978-7-111-32397-6定价：98.00 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门户网：http：/教材网：http：/读者服务部：（010）68993821封面无防伪标均为盗版译者序近几年，我国的风力发电事业发展十分迅速，装机容量连续几年翻番，2009 年我国风电总装机容量达到了2500 万 kW，超越德国，排名世界第二。巨大的市场需求催生了一大批风电机组整机设备及主要零部件生产商，目前我国风力机整机及零部件生产厂家已达七八十家，部分风电机组生产厂家已跻身世界十大设备供应商之列。但是，毋庸讳言，国产的兆瓦级风电机组几乎无一例外都是通过许可证转让、委托设计或购买设计图样的方式进行生产的，真正掌握核心技术的国内厂家可谓凤毛麟角。这种情况不发生根本性的改变，我国风电发展的潜在隐患难以消除，难以真正做强做大。从这个意义上讲，我国风电设备制造商、风电开发商、设计单位、科研机构院校都有必要回过头来，踏踏实实、认认真真学习钻研，以使我国的风电技术水平上一个台阶，发生一个质的飞跃。出于这个目的，作为多年从事风电工作的专业人员，译者在各自繁忙的工作之余，开始了本书的翻译工作。现代科学意义上风力发电机组的应用是在 20 世纪 70 80 年代，风力发电技术的大规模科学研究也始于这个时候，发展历史并不是很长。虽然其中不乏经典性的成果、论文、专著，但总体上技术文献资料还是十分有限，多数属于科研论文、高校专业教科书类专著，直接针对工程实际应用、能够指导工程师相关设计工作的手册类著作较少，据译者所知，目前由丹麦 Ris 国家实验室和挪威船级社合著的这本 风力发电机组设计导则 还是惟一的一本。众所周知，丹麦 Ris 国家实验室和挪威船级社是国际风电行业最为权威的科研技术服务机构，由他们组织编撰的这本 风力发电机组设计导则 可以说是权威之作。从原书的前言可以看到，本书的编写目的是总结过去的风力发电机组设计、制造知识，以期对风力发电机组设计和应用中经常遇到的设计问题提供建议和指导。书中的设计原则、方法、案例来自于设计实践，可进行实际参考，这是本书与其他经典文献、教科书最大的不同之处，也是其价值所在。风电技术现在仍然处在快速发展过程中，各种新技术、新方法也在不断的实践验证中，可谓百花齐放、百家争鸣，积淀下来权威定论性的东西并不多，因此原书成书以后未用设计手册，而仅以设计导则冠名。尽管如此，译者要强调的是，这丝毫不影响本书的价值，书中所论述的原理没有变，书中列举的设计计算方法。虽然不具有排他性，自身也在不断地改进和完善中，但仍然值得借鉴。我国风电机组的生产厂家在经过了照搬图样、依葫芦画瓢的阶段以后，下一步必然要掌握包括设计方法在内的“know-how（知其所以然）”技术。本书虽然无法提供针对某一具体产品的计算过程、方法，但是在具体案例基础上总结提炼的原理、方法、导则却是具体设计无法代替的，对于工程师进一步系统全面地提高设计理论水平、理解具体设计方案具有很好的帮助作用。倘使本书能多少起到这样的作用，译者不辞辛劳，利用业余时间翻译本书的目的也就达到了。原书是为指导欧洲风电机组设计应用工程师服务的。感谢德国 gtz 公司在版权方面提供的支持和资助，没有他们出面向原作者申请版权，要想得到翻译许可是十分困难，甚至是不可能的。gtz 公司风电项目主任杜博斯（DuBois Andreas）先生为翻译许可的取得付出了艰苦 风力发电机组设计导则的努力，陈振斌教授认真审阅了全书。再次向两位及德国 gtz 公司表示衷心的感谢！本书的翻译历时两年多，其中争取版权就花费了很长的时间。本书前言和第 1、8 章由张国珍翻译，第 3、6、7、9、10、11 章及附录 B、附录 C、附录 D、附录 E、附录 F、附录G 由何家兴翻译，第2、4、5 章及附录 A 由刘东远翻译，杨校生总工及贺德馨教授审阅了全书并进行了统稿。感谢机械工业出版社编辑在编辑本书时所做的大量工作，本书在翻译、出版过程中得到了很多人的支持、帮助，在此一并表示感谢。由于本书的专业性很强、译者的水平有限，其中难免有错误和不当之处，欢迎读者批评指正。译 者 2011 年 1 月 北京前言本书的编写目的是想把过去几年在风力发电机组设计及制造中获得的大量知识编辑在一本书中，以方便实际应用。这些知识来源于研究项目的成果以及实际设计经验。在风力发电机组工业主要市场以及风力发电机组型式认证过程中所要求的各种规范和方法，特别是由国际电工委员会（IEC）制定的风力发电机组国际标准，构成了本书的基础。本书的目的是为各种型式的风力发电机组设计提供一个导则，针对风力机发电机组设计和应用中的问题提供建议和指导。本书可供风力发电机组制造商、认证机构、风力发电机组用户使用，也可供新技术人员和有经验的工程师作为普及性读物阅读。本书是挪威船级社和 Ris 国家实验室共同努力的结果，整个编撰过程的描述可以在丹麦能源协会、挪威船级社以及 Ris 国家实验室的相关文献中找到。本书虽然经过许多内部及外部专家的审阅，但这并不表示 Ris 国家实验室和挪威船级社对本书的精确程度和功能提供了保证，也不承担任何责任。风力发电机组设计导则2002 Det Norske Veritas and RisNational Laboratory目录译者序前言第 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目 录 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