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第1章　风电机组设计概论 1

1.1 风电机组的基本功能构成与分类 1

1.1.1　风电机组的基本功能构成 1

1.1.2　风电机组的分类 2

1.2　水平轴风电机组的结构特征 4

1.2.1　风轮 5

1.2.2　机舱及其安装部件 6

1.2.3　塔架与基础 7

1.3　风电设备的技术现状与发展趋势 7

1.3.1　技术现状 7

1.3.2　发展趋势 8

1.4　风电机组设计的基本内容与步骤 10

1.4.1　确定设计目标 10

1.4.2　总体设计 10

1.4.3　风电机组零部件结构设计 12

1.4.4　样机测试与设计验证 13

1.5　风电机组与风电场设计软件简介 13

1.5.1　风资源评估与风电场设计管理类软件 13

1.5.2　风电机组性能的分析与仿真软件 14

1.5.3　风电机组结构的分析与设计软件 16

第2章　风电机组的设计基础 18

2.1　风电机组相关设计标准 18

2.1.1 国外重要的风电设计标准 18

2.1.2　我国主要风电标准 20

2.2　风电机组设计的外部条件 22

2.2.1　风电机组分级 22

2.2.2　正常风况 22

2.2.3　极端外部条件 24

2.3　空气动力学基础与数学模型 28

2.3.1　风能的简单分析 28

2.3.2　动量模型 29

2.3.3　叶素理论 31

2.3.4　动量-叶素理论 34

2.3.5　其他理论模型简介 36

2.4　风电机组载荷分析基础 37

2.4.1　载荷的类型 37

2.4.2　设计工况与载荷状况 39

2.4.3　载荷分析的基本要求 41

2.5　极限状态分析 42

2.5.1　设计要求 42

2.5.2　极限强度分析的安全系数 44

2.5.3　疲劳失效分析的安全系数 44

2.5.4　稳定性与临界挠度分析的安全系数 45

2.6　疲劳强度分析基础 45

2.6.1　疲劳强度设计概述 45

2.6.2　疲劳设计的基本方法 46

2.6.3　设计风电机组疲劳强度时需考虑的问题 50

第3章　风电机组总体设计 52

3.1　风电机组总体参数设计 52

3.1.1　风电机组设计风速与功率 53

3.1.2　风轮特性参数及其分析 58

3.2　风电机组的功能设计 61

3.2.1　风轮功率的调节方式 61

3.2.2　影响风电机组功率特性的其他因素 63

3.2.3　风轮的力学特性 64

3.3 风电机组发电机系统选型设计 66

3.3.1　恒速恒频发电系统 67

3.3.2　变速恒频发电系统 67

3.4　风电机组总体布局设计 71

3.4.1　主传动链布局 71

3.4.2　变桨距系统布局 73

3.4.3　机舱与偏航系统布局 75

3.4.4　风电机组制动系统布局 77

第4章　风轮叶片设计 80

4.1　设计概述 80

4.1.1　基本设计过程与内容 80

4.1.2　设计要求 82

4.1.3　叶片相关术语 84

4.1.4　翼型介绍 86

4.2　叶片气动外形设计 90

4.2.1　简化设计方法 90

4.2.2　葛劳渥方法 91

4.2.3　维尔森方法 92

4.2.4　气动外形的优化设计 92

4.2.5　气动外形的逆向设计方法 93

4.2.6　气动外形设计方法的综合应用算例 94

4.3　叶片载荷分析 97

4.3.1　计算坐标系 97

4.3.2　几种类型的载荷 98

4.3.3　叶片载荷分析算例 103

4.4　叶片结构设计 109

4.4.1　叶片材料选择 109

4.4.2　叶片剖面结构 110

4.4.3　铺层设计 112

4.4.4　叶片总体结构 115

4.4.5　叶根设计 117

第5章　风电机组传动系统设计 119

5.1　主传动链设计概述 119

5.1.1　主传动链的方案设计 119

5.1.2　主传动链的主要部件 121

5.2　齿轮传动设计基础 129

5.2.1　轮系的概念 129

5.2.2　齿轮传动的设计步骤 131

5.3　风电机组齿轮箱设计 132

5.3.1　设计标准 132

5.3.2　设计载荷 133

5.3.3　结构设计 136

5.3.4　传动效率与噪声 137

5.3.5　润滑与冷却 138

5.4　变桨距传动设计 139

5.4.1　变桨距操作装置概述 139

5.4.2　变桨距轴承 139

5.4.3　变桨距驱动部件 140

5.4.4　变桨距装置的一般设计原则 141

5.5　偏航传动系统设计 141

5.5.1　偏航操作装置概述 141

5.5.2　偏航驱动部件 143

5.5.3　偏航滚动轴承 144

第6章　塔架与基础 150

6.1　设计概述 150

6.1.1　塔架的设计要素 150

6.1.2　塔架的基本结构形式 152

6.2　塔架载荷分析 153

6.2.1　基本要求 153

6.2.2　极端条件下风轮推力的其他计算方法 154

6.2.3　载荷的简化 155

6.3　塔架的结构设计 155

6.3.1　基本设计内容与要求 155

6.3.2　钢筒塔架的结构方案设计 157

6.3.3　塔架的强度分析 158

6.3.4　塔架的固有频率分析 160

6.3.5　塔筒制造的技术要求 161

6.4　塔架基础 162

6.4.1　塔架基本的设计要求 162

6.4.2　塔架基础的形式设计 163

6.4.3　塔架基础的设计计算 165

第7章　风电机组结构动力学分析 168

7.1 风电机组动力学问题概述 168

7.1.1　机械动力学研究的作用 168

7.1.2　机械动力学的基本概念 169

7.1.3　风电机组结构动力学分析基础 175

7.2　机械振动分析基础 178

7.2.1　单自由度系统振动 178

7.2.2　多自由度系统自由振动 180

7.2.3　分布参数系统自由振动 184

7.3　叶片结构动力学分析 185

7.3.1　叶片的振动特性分析 185

7.3.2　叶片的气动弹性稳定性 187

7.4　传动系统动力学分析 189

7.4.1　齿轮传动系统的动态激励 191

7.4.2　直齿圆柱齿轮的扭转振动模型 192

7.4.3　直齿圆柱齿轮传动耦合振动模型 194

7.4.4　行星齿轮传动轮系的纯扭转动力学模型 195

7.5　塔架结构动特性分析 197

7.5.1　采用集中质量模型的塔架振动分析 198

7.5.2　塔架振动的有限元分析 199

7.5.3　塔架振动的控制 199

附录 201

附录A　齿轮传动设计的一些相关问题 201

A.1 行星轮系传动比的设计与计算 201

A.2　轮系构件的配齿设计条件 204

A.3　齿轮传动参数计算 207

A.4　行星传动轮系的载荷 209

附录B　叶片结构设计例 212

附录C　本书中使用的部分变量与符号解释 217

参考文献 220