风力发电机组设计与制造 教学课件 作者 姚兴佳 第2章.ppt

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1、第2章风电机组机械设计基础《风力发电机组设计与制造》设计中要考虑的外部条件由风电机组安装场地类型决定。风电机组等级是根据风速和湍流参数来划分的。划分等级的目的在于最大限度的利用风能。风速和湍流参数代表了相应风电机组安装场地的类型，而不是代表特定风场的详细参数。风电机组分级是指根据风速和湍流参数的不同，对风电机组安全等级进行一系列的明确定义。IEC61400-1：2005《风力发电机组-第1部分：设计要求》规定了风电机组安全等级的基本参数见表2-1所示。2.1风力发电机组的外部条件2.1.1风力发电机组等级vref——10min平均参考风速；A——表示高湍流特性等级；B

2、——表示中湍流特性等级；C——表示低湍流特性等级；Iref——风速为15m/s时湍流强度的期望值。所设计的风电机组应能安全承受对应安全等级的风况。设计文件应对设计风况进行详细规定。从载荷和安全方面考虑，风况可分为正常风况和极端风况，正常风况指在风力机正常运行期间频繁出现的风况条件，而极端风况是指1年一遇或50年一遇的风况条件。在多数情况下，风况条件是由稳定的平均气流与变化的可确定的阵风或湍流结合而成。在所有情况下，应考虑平均气流与水平面夹角达8°时的影响。假定这个气流倾斜角不随高度变化。2.1.2风况（1）风速分布：对风电机组影响较大，决定常规设计工况每种载荷状态的出

3、现频率。（2）正常风轮廓模型(NWP)：风廓线是地表以上平均风速对垂直高度的函数（3）正常湍流模型（NTM）：对正常湍流模型，纵向湍流标准差的典型值σ1应以给定轮毂高度处风速的90%概率的标准差确定1.正常风况极端风况：用于确定风力发电机组的极端风载荷。（1）极端风速廓模型(EWM)：极端风速模型含稳态或湍流的风速模型稳态极端风速模型湍流极端风速模型2.极端风况（2）极端运行阵风(EOG)：1：湍流尺度参数D：是风轮直径，单位为m。轮毂高度处阵风风速T阵风持续时间极端运行阵风实例（T=10.5s）(3)极端湍流模型(ETM)：采用正常风廓线模型（NWP）和下式给出的

4、纵向分量标准差来确定(4)极端风向变化(EDC)：极端风向变化的幅值θe，由下式计算得到幅值瞬时值极端风向变化幅值极端风向变化瞬时值湍流类型：A；D=42m,zhub=30m；轮毂风速为vhub=25m/s（5）方向改变的极端相关阵风(ECD)：幅值风速瞬时值方向改变的极端相关阵风实例T=10s为上升时间，风速v(z)由正常风廓线模型（NWP）给出.轮毂风速vhub=25m/s时，极端相关阵风期间风速的上升曲线如下风速的上升与风向的变化是同时发生的，则风向变化幅值的计算公式为风向的变化量与轮毂高度风速的关系，风向的变化瞬时值与时间的关系：ECD风向变化幅值风向随时间变

5、化的瞬时值（Vhub=25m/s）（6）极端风切变(EWS)瞬时竖直方向切变（正向或负向）瞬时水平方向切变α=0.2，β=6.4，T=12sα=0.2，β=6.4，T=12s极端正负竖直风切变实例，在开始前（t=0，虚线）和最大切变（t=6s，实线）时的风廓线风轮顶部和底部风切变随时间的变化（瞬时正风切变）湍流种类A；Zhub=30m；Yhub=25m/s；D=42m2.1.3其他环境条件1.其他正常环境条件应考虑下列其他正常环境条件参数：机组正常运行环境温度范围–10~+40℃（位于北方的机组，低温为–20℃）；相对湿度不大于95%；大气成分相当于无污染的内陆大气（

6、见IEC60721–2–1）；阳光辐射强度1000W/m2；空气密度1.225kg/m3。当由设计者规定附加外部条件参数时，应在设计文件中说明。2.其他极端环境条件风力发电机组设计应考虑的其他极端环境条件有温度、雷电、结冰和地震。（1）温度（2）雷电（3）结冰（4）地震2.1.4电网条件风力发电机组适用的正常电网条件如下：1）电压，标称值±10%；2）频率，标称值±2%；3）三相电压不平衡度，电压负序分量的比率不超过2%；4）自动重合周期，应考虑的自动重和周期为第一次重合时间0.1～5秒，第二次重合时间10～90秒，自动重合周期是指电网发生故障后，断路器断开到自动重合

7、且线路重新接入电网的周期。5）断电，假定电网一年内断电20次，一次断电6小时为正常条件，断电一周为极端条件。2.2风力发电机组结构设计2.2.1载荷1.重力和惯性载荷2.空气动力载荷3.驱动载荷；4.其他载荷2.2.1设计工况在风力发电机组的设计中，分析计算与设计工况有关，又与载荷状态有关，可以分为若干设计载荷状态。设计工况可以分为两类，一类是运行工况，如起动、发电和关机等；另一类是临时性工况，如运输、吊装和维护等。风力发电机组的载荷主要是空气动力载荷，此外还有重力和惯性力等。空气动力载荷取决于风况，而风况有正常和极端两种情况。不同的设计工况与不同外