风力发电机组理论与设计

前言

主要物理量符号表

第一章绪论1

第一节风力发电机组理论与设计概述1

一、风力发电机组的能量转换和传输1

二、风力发电机组基本理论2

三、主导机型的设计模式3

第二节风力发电机组设计工作规范5

一、设计依据5

二、设计内容5

三、设计原则7

四、设计步骤10

第三节风力发电机组的可靠性和安全性

设计10

一、整机的可靠性10

二、零部件的可靠性11

三、劳动安全13

第四节风力发电机组设计软件简介14

一、结构分析与设计软件14

二、性能分析与仿真软件15

第二章能量转换和传输理论17

第一节风能捕获理论17

一、流体力学的基本方程17

二、风力机的稳态数学模型20

第二节能量传递理论27

一、弹性力学的基本方程27

二、传动链数学模型29

第三节机电能量转换理论32

一、发电机中的机电能量转换关系32

二、感应电动势和电磁转矩35

三、基本方程式38

第三章风力发电机组设计要求41

第一节风力发电机组的外部条件41

一、风力发电机组等级41

二、风况42

三、其他环境条件47

四、电网条件48

第二节结构设计48

一、载荷49

二、设计工况和载荷状态49

三、载荷计算53

四、最大极限状态分析53

第三节海上风力发电机组外部条件57

一、海上风力发电机组外部条件的特点57

二、海上风力发电机组等级58

三、风况58

四、海洋状况59

五、其他环境条件60

六、电网条件61

七、载荷计算61

第四章载荷62

第一节载荷概述62

一、载荷及其坐标系62

二、坐标系的转换63

三、载荷分类65

四、载荷源65

第二节载荷分析70

一、疲劳载荷70

二、极限载荷75

三、载荷叠加78

第三节载荷的计算80

一、建立机组模型80

二、工况设定82

三、仿真计算82

四、后处理82

第五章总体设计84

第一节总体参数设计84

一、设计风速84

二、风轮转速85

三、发电机额定转速和转速范围87

四、重要几何尺寸88

五、总质量、质心与转动惯量89

六、年发电量90

第二节总体功能设计91

一、基于风力机实现的功率调节91

二、基于发电机实现的功率调节92

第三节总体布局设计93

一、总体布置原则93

二、风力发电机组的典型布局93

三、部件的集成化94

第四节模型试验96

一、相似条件96

二、相似结果98

三、模型机试验中的问题99

第五节设计成本模型100

第六章风轮103

第一节风轮设计概述103

第二节翼型介绍104

一、NACA翼型系列105

二、风轮叶片专用翼型系列106

三、翼型的选择108

四、翼型的修正109

第三节叶片气动设计111

一、图解法111

二、简化叶素?动量定理设计法113

三、葛劳渥方法114

四、维尔森方法117

第四节叶片的结构设计119

一、叶片的结构设计要求119

二、叶片的常用材料120

三、叶片的剖面结构121

四、叶片的铺层设计124

五、叶片的校核126

六、定桨距叶片叶柄结构设计129

第五节叶片优化设计130

一、设计变量130

二、目标函数130

三、约束条件131

四、寻优算法132

第六节轮毂133

一、轮毂的结构设计133

二、轮毂的载荷分析134

第七章风力发电机136

第一节风力发电机的基本工作原理及

分类136

一、基本工作原理136

二、分类137

第二节发电机的设计基础138

一、设计的技术要求138

二、主要尺寸140

三、电机绕组141

四、磁场与磁路145

五、参数计算148

六、发电机的性能151

第三节笼型感应发电机的设计154

一、风力发电中应用的笼型感应

发电机154

二、笼型感应发电机的电磁设计158

第四节双馈感应发电机的设计167

一、风力发电中应用的双馈感应

发电机167

二、电磁设计171

第五节永磁同步发电机的设计特点183

一、风力发电中应用的同步发电机183

二、电磁设计特点188

第六节计算机辅助电磁设计191

一、计算机辅助电磁设计源程序编制中

的几个问题191

二、计算机辅助电磁设计源程序193

第八章主传动链195

第一节主轴195

一、主轴支撑方式195

二、主轴材料196

三、主轴力学模型及设计载荷196

四、主轴强度分析197

第二节主轴承202

一、设计载荷202

二、额定寿命202

三、润滑及密封203

第三节主齿轮箱204

一、基本传动形式204

二、风电齿轮传动设计标准207

三、载荷及齿轮承载能力207

四、齿轮传动主要参数的选择及设计

实例210

五、主要部件的设计与选型221

六、传动效率与噪声225

七、齿轮箱的润滑、冷却和加热226

第四节联轴器228

一、刚性胀套式联轴器228

二、膜片联轴器230

第五节机舱231

一、底盘231

二、机舱罩233

第九章塔架与基础234

第一节塔架的构造设计234

一、塔架的结构型式234

二、塔架的细部构造235

三、塔架的材料237

四、塔架的防腐238

五、塔架的制造工艺过程241

第二节锥筒式塔架的设计计算244

一、塔架的设计内容与要求244

二、塔筒设计245

三、塔筒屈曲稳定性分析253

四、法兰的设计257

五、塔架的固有频率计算263

六、塔架的计算实例265

七、塔架的有限元分析267

第三节基础设计270

一、风力发电机组基础的设计内容与

要求271

二、基础设计载荷272

三、扩展基础设计274

四、海上风力发电机组的基础282

第十章控制系统288

第一节控制系统概述288

一、控制系统的组成288

二、控制系统基本功能288

三、控制系统设计要求289

第二节制动系统289

一、风力发电机组关机过程的规划289

二、风力发电机组关机过程的运动

方程290

三、空气动力制动的设计292

四、机械制动的设计292

第三节变桨距系统293

一、变桨距系统功能与构成293

二、变桨距系统驱动力矩计算295

三、变桨距轴承的设计与计算296

四、电动变桨距驱动机构设计298

五、电动变桨距位置控制299

六、后备电源设计303

七、液压变桨距系统设计304

第四节偏航系统307

一、偏航系统的结构设计307

二、偏航设计载荷的确定308

三、偏航执行机构设计310

四、轴承齿轮副311

五、偏航制动312

六、偏航系统的控制314

第五节主控系统318

一、主控系统设计概述318

二、主控系统硬件结构设计318

三、主控系统信号采集及处理设计319

四、主控系统功能设计321

五、主控系统控制策略设计325

第六节安全系统327

一、安全系统设计原则327

二、安全系统控制功能设计328

三、软件的安全保护设计328

四、安全链设计329

五、防雷功能设计330

第十一章状态监测及故障诊断334

第一节常见故障及诊断方法334

一、常见故障334

二、状态监测及故障诊断的方法335

第二节在线监测及故障诊断系统设计343

一、在线监测系统的功能343

二、在线监测系统结构设计344

第三节在线监测系统的工作过程及案例

分析351

一、故障信息的分析与处理351

二、故障诊断规则352

三、故障诊断案例分析353

第十二章强度分析359

第一节强度分析概述359

一、强度分析的任务和对象359

二、强度分析的一般流程361

三、强度规范362

第二节静强度分析363

一、静强度分析方法363

二、实例：1?5MW机组轮毂静强度

分析364

第三节模态分析367

一、模态分析基础理论367

二、模态分析方法368

三、实例：1?5MW机组塔筒模态分析369

第四节疲劳强度分析372

一、疲劳强度基础理论372

二、疲劳强度分析方法375

三、实例：1?5MW机组底盘疲劳强度

分析376

第五节屈曲稳定性分析378

一、屈曲稳定性分析方法378二、实例：1?5MW机组屈曲稳定性分析379

附录381

附录A笼型感应发电机计算机辅助电磁

设计源程序381

附录B双馈感应发电机计算机辅助电磁

设计源程序387

参考文献399主要物理量符号表

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。