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风力发电机标准IEC中文版

IEC61400-1第三版本2005-08

风机-第一分项:设计要求

1.术语和定义

1.1声的基准风速acoustic reference wind speed

标准状态下(指在10m高处,粗糙长度等于0.05m时),8m/s的风速。它为计算风力发电机组视在声功率级提供统一的根据。注:测声参考风速以m/s表示。

1.2年平均annual average

数量和持续时间足够充分的一组测试数据的平均值,用来估计均值大小。用于估计年平均的测试时间跨度应是一整年,以便消除如季节性等非稳定因素对均值的影响。

V annual average wind speed

1.3年平均风速

ave

基于年平均定义的平均风速。

1.4年发电量annual energy production

利用功率曲线和在轮毂高度处不同风速频率分布估算得到的一台风力发电机组一年时间内生产的全部电能。假设利用率为100%。

1.5视在声功率级apparent sound power level

在测声参考风速下,被测风力机风轮中心向下风向传播的大小为1pW点辐射源的A—计权声级功率级。注:视在声功率级通常以分贝表示。

1.6自动重合闸周期auto-reclosing cycle

电路发生故障后,断路器跳闸,在自动控制的作用下,断路器自动合闸,线路重新连接到电路。这过程在约0.01秒到几秒钟内即可完成。

1.7可利用率(风机)availability

在某一期间内,除去风力发电机组因维修或故障未工作的时数后余下的小时数与这一期间内总小时数的比值,用百分比表示。

1.8锁定(风机)blocking

利用机械销或其它装置,而不是通常的机械制动盘,防止风轮轴或偏航机构运动,一旦锁定发生后,就不能被意外释放。

1.9制动器(风机)brake

指用于转轴的减速或者停止转轴运转的装置。注:刹车装置利用气动,机械或电动原理来控制。

1.10严重故障(风机)catastrophic failure

零件或部件严重损坏,导致主要功能丧失,安全受到威胁。

1.11特征值characteristic value

在给定概率下不能达到的值(如超越概率,超越概率指出现的值大于或等于给定值的概率)。

1.12复杂地形complex terrain

指地貌显著变化和充满障碍物的地形,往往会存在气流畸变现象。

1.13控制系统(风机)control system

接受风机信息或环境信息,调节风机,使其保持在工作要求范围内的系统。

V cut-in wind speed

1.14切入风速

in

没有湍流时,风力发电机组开始输出有用功率时,在轮毂高度处的最小风速。。

V cut-out wind speed

1.15切出风速

out

没有湍流时,设计时规定的风力发电机组输出有用功率时,在轮毂高度处的最大风速。

1.16数据组(用于功率特性测试)data set

在规定的连续时段内采集的数据的集合。

1.17设计极限design limits

在设计中用到的最大或者最小值。

1.18设计工况design situation

风力发电机组可能发生的运行模式,例如发电、停机等。

1.19指向性(风机)directivity

在风力机下风向与风轮中心等距离的各不同测量位置上测得的A—计权声压级间的不同。注:指向性以分贝表示;测量位置由相关标准确定。

1.20距离常数distance constant

风速仪的时间响应指标。在阶梯变化的风速中,当风速仪的指示值达到稳定值的63%时,通过风速仪的气流行程长度。

1.21日变化diurnal variations

以日为基数发生的变化。

1.22潜伏故障dormant failure

正常工作中零部件或系统存在的未被发现的故障。

1.23下风向downwind

与主要风向一致的方向。

1.24电网electrical power network

指由发电、输电系统形成的网络。

1.25应急关机(风机)emergency shutdown

在保护系统或者人工干预下,风机立即停止运转。

1.26环境条件environmental conditions

指会影响风机运行的环境特性,如风、高度、温度和湿度等。

1.27外部条件external conditions

指会影响风机工作的诸因素,包括风况、其它气候因素(雪,冰等),地震和电网条件。

1.28外推功率曲线extrapolated power curve

由于在实际测试中,切出风速很少有测得,故用预测的方法对测量功率曲线在测量到的最大风速到切出风速之间的延伸。

1.29极端风速extreme wind speed

t秒内平均最高风速。它往往是特定周期(重现期)T年一遇的。重现期T=50年和T=1年,相应的时间为t=3s和t=10min。

1.30故障安全fail-safe

当系统出现故障时,其后果不危及系统的安全或者后果不引起严重故障。

1.31气流畸变flow distortion

由障碍物、地形变化或其它风力机引起的气流改变,其结果是相对自由流产生了偏离,造成一定程度的风速测量误差。

1.32自由流风速free stream wind speed

常指轮毂高度处,未被扰动的自然空气流动速度。

1.33掠射角grazing angle

麦克风盘面与麦克风到风轮中心连线间的夹角。注:拒用“入射角”这一术语;掠射角以度表示。

1.34阵风gust

指风速的瞬间变化。可用形成时间,强弱和持续时间来表示其特性。

1.35水平轴风力机horizontal axis wind turbine

风轮轴基本上平行于风向的风力机。

1.36轮毂hub

将叶片或叶片组固定到转轴上的装置。

1.37轮毂高度hub height

从地面到风轮扫掠面中心的高度,对垂直轴风力机是赤道平面高处。

1.38空转idling

风力机缓慢旋转但不发电的状态。

1.39惯性负区inertial sub-range

风速湍流谱的频率区间,该区间内涡流经逐步破碎达到均质,能量损失乎略不计。注:在10m/s风速时,惯性负区的频率大致在0.02Hz ~2kHz之间。

1.40互联(风力发电机组)interconnection

风力发电机组与电网之间的电力联接,从而电能可从风机输送给电网。

1.41潜伏故障latent fault

正常工作未被发现的零部件或系统故障。

1.42极限状态limit state

构件的一种受力状态,如果作用其上的力超出这一状态,则构件不再满足设计要求。

1.43载荷情况load case

结合考虑设计工况和外界条件所产生的结构载荷。

1.44对数风切变律logarithmic wind shear law

1.45最大功率maximum power

正常工作条件下,风力发电机组输出的最高净电功率。

1.46平均风速mean wind speed

在一段时间内,测得的风速瞬间值的统计平均值。时间段从几秒到数年不等。

1.47测试周期measurement period

收集功率特性试验中具有统计意义的基本数据的时段。

1.48测量功率曲线measured power curve

用正确的方法测得并经修正或标准化处理后的风力发电机组净电功率输出的图和表。它是经测试获得的风速的函数。

1.49测量扇区measurement sector

测取测量功率曲线所需数据的风向扇区。

1.50分组方法method of bins

将实验数据按风速间隔分组的数据处理方法。

1.51机舱nacelle

位于水平轴风机的塔架顶部,包含传动链和其他部件的箱体。

1.52净电功率输出net electric power output

风力发电机组输送给电网的电功率值。

1.53电网联接点(风机)network connection point

对单台风力发电机组是输出电缆终端,而对风电场是与电力汇集系统总线的联接点。

1.54电网损失network loss

1.55正常关机normal shutdown

全过程都是在控制系统作用下的关机。

1.56障碍物obstacles

邻近风力发电机组的,并能引起气流畸变的固定物体,如建筑物、树林等。

1.57运行极限operating limits

1.58停机的风机parked wind turbine

指静止的风机或者空转的风机,这依据风机的具体设计而定。

1.59桨距角pitch angle

在指定的叶片径向位置(通常为100%叶片半径处,即叶尖)叶片弦线与风轮旋转面间的夹角。

1.60电力汇集系统(风机)power collection system

指从一个或多个风机中汇集电能的电力系统。它包括了在电网联接点和风机终端之间相连的所有的电力设备。用于汇集风力发电机组电能并输送给电网升压变压器或电负荷的电力联接系统。

1.61功率系数power coefficient

净电功率输出与风轮扫掠面上从自由流得到的功率之比。

1.62风切变幂定律power law for wind shear

表示风速随离地面高度以幂定律关系变化的数学式。

1.63输出功率power output

以特定的方式,为达到特定的目的通过一种装置输出的功率

1.64功率特性power performance

风力发电机组的发电能力的相关特性。

1.65风机保护系统protection system

确保风力发电机组运行在设计范围内的系统。注:在产生矛盾时,保护系统优先于控制系统。

1.66额定功率rated power

正常工作条件下,风力发电机组的设计要达到的最大连续输出电功率。

V rated wind speed

1.67额定风速

r

指在风场稳态下,风机达到额定功率时,位于轮毂处的最小风速。

1.68瑞利分布Rayleigh distribution

经常用于风速的概率分布函数。

1.69基准距离reference distance

从风力发电机组基础中心到指定的各麦克风位置中心的水平公称距离。注:基准距离以米表示。

1.70基准高度reference height

用于转换风速到标准状态的约定高度。注:参考高度定为10m。

1.71基准粗糙长度reference roughness length

用于转换风速到标准状态的粗糙长度。注:基准粗糙长度定为0.05m。

V reference wind speed

1.72参考风速

ref

它是用来定义风机等级的基本参数。从参考风速可推得与气候有关的设计参数和其他的基本风机等级参数,详细见条例6。注:在设计风机中,我们选定某个风机等级后,就会有相应的参考风速与之对应。则设计的风机必须能抵抗在轮毂处小于或等于的参考风速。该参考风速一般指50年一遇的极端风速,该极端风速是在10min内的统计上的平均风速。

1.73旋转采用风矢量rotationally sampled wind velocity

旋转风轮上某固定点经受的风矢量。注:旋转采样风矢量湍流谱与正常湍流谱明显不同。风轮旋转时,叶片切入气流,湍流谱产生空间变化。最终的湍流谱包括转动频率下的湍流谱变化和由此产生的谐量。

1.74风轮转速rotor speed

风力机风轮绕其轴的旋转速度。

z roughness length

1.75粗糙长度

在假定垂直风廓线随离地面高度按对数关系变化情况下,平均风速变为0时算出的高度。

1.76定期保养scheduled maintenance

依据制定的时间表的预防性保养。

1.77使用极限状态serviceability limit states

正常使用要求的边界条件。

1.78现场数据site data

风力机现场的环境,地震,土壤和电气网络数据。现场数据必须是10分钟的统计样本,除非另有说明。

1.79风场电气设备site electrical facilities

风力发电机组电网联接点与电网间所有相关电气设备。

1.80声压级sound pressure level

声压与基准声压之比的以10为底的对数乘以20,以分贝计。注:对风力发电机组,基准声压为20μPa。

1.81标准风速standardized wind speed

利用对数风廓线转换到标准状态(处于10m高,粗糙长度为0.05m的情况)的风速。1.82静止standstill

风力发电机组的停止状态

1.83支撑结构support structure

由塔架和基础组成的风力机部件。

1.84安全风速(该名称不能被使用)survival wind speed

结构所能承受的最大设计风速的俗称。注:IEC 61400系列标准中不采用这一术语。设计时可参考极端风速。

1.85扫掠面积swept area

垂直于风矢量平面上的,风轮旋转时叶尖运动所生成圆的投影面积。

1.86试验场地test site

风力发电机组试验地点及周围环境。

1.87音值tonality

音值与靠近该音值临界波段的遮蔽噪音级间的区别。注:音值以分贝表示。

1.88 湍流强度I turbulence intensity

标准风速偏差与平均风速的比率。用同一组测量数据和规定的周期进行计算。 1.89 湍流尺度参数1Λ turbulence scale parameter

纵向功率谱密度等于0.05时的波长。注:纵向功率谱密度是个无量纲的数。

01/f V hub =Λ,其中()05.0/21010=σf S f 。

1.90 湍流标准差1σ turbulence standard deviation

在轮毂高度处,湍流风速纵向分量的标准差。 1.91 最大极限状态 ultimate limit state

与损坏危险和可能造成损坏的误差或变形对应的极限状态。 1.92 测量误差 uncertainty in measurement

测量所得的值与被测事物的真实值之间的差异。 1.93 不定期保养 unscheduled maintenance

收到有关一个项目状态的指示后,对其进行保养,该保养不是依据制定的时间表进行的。 1.94 上风向 upwind

与主风向相反的方向。

1.95 垂直轴风力机 vertical axis wind turbine

风轮轴垂直的风力机。

1.96 威布尔分布W P Weibull distribution

经常用于风速的概率分布函数,分布函数取决于两个参数,控制分布宽度的形状参数和控制平均风速分布的尺度参数。瑞利分布是威布尔分布的一种特殊形式,当形状参数为2时,威布尔分布即为瑞利分布。 1.97 声级 sound level

已知声压与20μPa 基准声压比值的对数。声压是在标准计权频率和标准计权指数时获得。注:声级单位为分贝,它等于上述比值以10为底对数的20倍。 1.98 风障 wind break

相互距离小于3倍高度的一些高低不平的自然环境。 1.99 风电场 wind farm

由一批风力发电机组或风力发电机群组成的电站。 1.100

风电场 wind power station

由一批风力发电机组或风力发电机群组成的电站。 1.101

风廓线-风切变律 wind profile-wind shear law

风速随地面高度变化的曲线称为风廓线,变化规律称为风切变律。注:常用的风廓线数学表达式为对数形式(式1)或者指数形式(式2)。

()()??

? ???

?? ??=00ln ln z z z z z V z V r r

(1)

()()α

?

???

??=r r z z z V z V

(2)

其中:

()z V

在高度z 处的风速; z 距离地面的高度;

z r 距离地面的参考高度,用于拟合风廓线; z 0

粗糙长度; α

风切变指数。 1.102

风速 wind speed

空间某点的风速是指改点周围气体微团的移动速度的数值。注:风速是风矢量的数值。 1.103

风速分布 wind speed distribution

用于描述连续时间内风速概率分布的分布函数。注:常用瑞利分布()0V P R 和威布尔分

布(

)0V P W 。 ()()[]

2

002exp 1ave R V V V P π--=

(3)

()()[]

k

R C V V P 00exp 1--=

(4)

瑞利分布()0V P R 和威布尔分布(

)0V P W 的ave V 的表达式各自为: ??

? ??+Γ=k C V ave 11

(5) 2/πC V ave =

(6)

其中:

()

0V P 累计概率函数,即0

V V ≤的概率为()

0V P ;

0V 风速;

V

该分布的平均风速,即均值; C 威布尔分布的尺度参数; K 威布尔分布的形状参数; Γ

伽马函数。 1.104

风切变 wind shear

风速在垂直于风向平面内的变化。

1.105风切变指数 wind shear exponent

通常用于描述风速剖面线形状的幂定律指数。见1.101。

1.106风力机发电系统wind turbine generator system

1.107风机地址wind turbine site

1.108风矢量wind velocity

标有被研究点周围气体微团运动方向,其值等于该气体微团运动速度大小。

1.109风机电力系统wind turbine electrical system

1.110风机终端wind turbine terminals

用于传输电能,风机与电力汇集系统相连的点。同时,也包括信息的传输点。

1.111偏航yawing

风轮轴绕绕垂直轴的旋转(仅适用于水平轴风力机)。

1.112偏航误差yaw misalignment

水平轴风机转轴与风速方向的水平偏差。

2外部条件

2.1概述

在风机设计过程中,本条例给出的外部条件必须被考虑。环境和电力条件都会对风机的载荷、耐久性和运行产生影响。为了保证合适的安全和可靠性,在风机设计中必须考虑环境、电力和土壤条件,并在设计文件中详细描述。环境条件被分成风况和其他的环境条件两部分。电力条件是指电网条件,而土壤条件在风机的基体设计中才涉及到。同时,外部条件被分成正常和极端部分。正常的外部条件一般只要考虑常见的结构载荷条件,而极端外部条件是指不常见的外部设计条件。设计载荷情况必须包括这些潜在的,严重的极端外部条件和正常外部设计条件。风况是影响风机结构完好性的主要外部条件。当然,其他的外部条件也会对其产生影响,如:腐蚀等。在以下的子条例中,给出了在风机设计应考虑的正常和极端条件。

2.2风机等级

在风机设计中,必需要考虑安装地点的风速情况。对于不同的安装地点,风机尺寸等参数是不同的。考虑到风速特性的地区差异性,IEC国际标准给出了四个风机等级,这四个风机等级是依据风速和湍流密度来划分的。这里给出的风速和湍流强度的参数可代表多数地区的风况,当然,它并不能很精确的反映任何安装地点的风况。表1给出了用于划分风机等级的基本参数。其中,S等级在特殊的风况下(如暴风带,海上区域等)或特殊安全等级下使用。

表1 风机等级

风力发电机标准IEC中文版

在表1中,所以的参数都是基于轮毂高度处而言的,其中: ref V

指10min 参考平均风速; A 表征高的湍流特性范畴; B 表征适中的湍流特性范畴; C 表征低的湍流特性范畴;

ref I

s m /15平均风速时,湍流密度均值。

在风机设计过程中,除了以上这些基本参数外,还需要其他重要的参数才能完整定义外

部风况,其他的参数将在2.3、2.4和2.6中给出。我们将处于从A I 到C III 等级的风机称之为标准风机等级。

对于从A I 到C III 等级的风机,规定其设计寿命至少达20年。

对于S 等级的风机,制造商必须给出用于设计风机的详细设计参数的文件,文件需要的信息在附件A 中给出。 2.3 风况

设计的风机应能安全承受与选定的风机等级相对应的风况。 在设计文档中应详细给出风况的设计值。

出于载荷计算和风机安全的考虑,将风域划分为正常风况和极端风况,正常风况在风机运行期间是时常发生的,极端风况是指50一遇或一年一遇的情况。

在多数情况中,风况包含带有阵风的风廓线或湍流的恒定平均风速。在所有情况中,当平均风速方向与水平面的夹角出?8时,必须要考虑该影响。该夹角沿高度方向是变化的。

“湍流”用于表征10min 内平均风速的随机变动。湍流模型必须考虑到风速变化、风切变和允许的旋转采样的影响。湍流风速的三个分量为:纵向,与平均风矢量方向一致;横向,位于水平面并与纵向垂直;上向,与纵向和横向都各自垂直的方向。

对于标准风机等级,湍流模型的随机风速场必须满足以下条件:

a) 湍流标准差,1σ,其值有以下子条例给出,认为是不随高度而变化的,而横向和上向

湍流标准差的最小值应满足以下关系式,实际取值由所有的湍流模型和下面b )规定的条件共同决定。 横向

127.0σσ≥

上向

135.0σσ≥

b) 位于轮毂高度z 处的纵向湍流尺度参数1Λ为:

?

?

?≤≤=Λm z m m

z z 6042607.01 (7)

由于惯性负区的频率变大了,三个正交的功率谱密度()()()f S f S f S 321,,应渐进地满足以下等式: ()()

3/53

/2121105.0--Λ=f V f S hub σ

(8)

()()()f S f S f S 1323

4

=

= (9)

c) 为了一致性,应使用公认的模型。该模型利用自动频谱对位于与纵向方向垂直平面内的

空间离散点处的纵向风速的协谱幅值进行划分而得到的。

我们推荐采用满足以上要求的曼恩均匀切变湍流模型,具体在附件B 中给出。在附件B 中也给出了另一个常用的模型。对于其他的湍流模型必须谨慎使用,因它会对载荷产生重大影响。 2.3.1正常风况 2.3.1.1 风速分布函数

在风机设计中,风速分布起着重要影响。它决定了在正常设计工况时单个载荷情况发生的频率。位于轮毂高度处,以10min 为周期的平均风速被认为是服从瑞利分布的。瑞利分布为

()()[]

2

2exp 1ave hub hub R V V V P π--=

(10)

其中,对于标准风机等级,ave V 应为

ref ave V V 2.0=

(11)

2.3.1.2 正常风廓线模型(NWP )

风速随地方高度变化的曲线称为风廓线,风廓线模型()z V ,用于表示平均风速随距离地面高度z 变化的函数。对应标准风机等级,正常的风廓线可由幂函数给出

()()α

hub hub z z V z V /=

(12)

其中,幂指数2.0=α。 2.3.1.3 正常湍流模型(NTW )

对于正常的湍流模型,位于轮毂高度处,湍流标准差值应取90%的分位数。湍流标准差为:

()s m b b V I hub ref /6.5 75.01=+=σ

(13)

图1a 和1b 给出了,不同标准风机等级下,正常湍流模型的湍流标准差1σ和湍流强度hub

V /1σ

随轮毂风速的曲线图。

风力发电机标准IEC中文版

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2.3.2极端风况

极端风况指风切变和由于暴风引起的峰值风速,风速及风向的快速变化等事件。

2.3.2.1极端风速模型(EWM)

极端风速模型可以是稳态模型或湍流模型。极端风速模型应基于参考风速

ref

V和给定的

湍流标准差

1

σ进行选择。

当为稳态极端风速模型时,50年一遇的,10min内的极端平均风速

50

e

V和一年一遇的,

10min内的极端平均风速

1e

V随高度z的函数形式为:

()11.0

50

/

4.1

hub

ref

e

z

z

V

V=(14)

()z

V

V

e

e50

1

8.0

=(15)

对于稳态的极端风模型,允许风速在短期内和平均风向发生偏离,但在此期间内偏航误差角度必须保证在?

±15以内,而且是恒定的。

当为湍流的极端风速模型时,50年一遇的,10min内的极端平均风速

50

e

V和一年一遇的,

10min内的极端平均风速

1e

V随高度z的函数形式为:

()()11.0

50hub

ref

z

z

V

z

V=(16)

()

50

1

8.0V

z

V=(17)

纵向的湍流标准差为:

hub

V

11

.0

1

=

σ(18)2.3.2.2运行过程中的极端阵风(EOG)

对于标准等级风机,在轮毂处的阵风的幅值由下式给出

()

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

Λ

+

-

=

1

1

11.0

1

3.3

;

35

.1

D

V

V

Min

V

hub

e

gust

σ

(19)

其中

1

σ由等式13给出;

同等式7,即为湍流尺度参数; D

风轮直径

风速由以下定义式给出:

()()()()()()其他T

t z V T t T t V z V t z V gust ≤≤??

?--=0/2cos 1/3sin 37.0,ππ(20)

其中,()z V 参见式12;s T 5.10=。

图2给出了,当s m V hub /25=,风机等级为A I ,D=42m 时,运行过程中的极端阵风。

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2.3.2.3 极端湍流模型(ETM )

极端湍流模型应使用2.3.1.2条例给出的正常风廓线模型,并且极端湍流模型在纵向方向上的湍流标准差为

s m c c V c V cI hub ave ref /2;1043072.01=???

? ?

?

+???

??-???

??+=σ (21)

2.3.2.4 极端风向变化(EDC )

极端风向变化的幅度e θ可由以下关系式求得:

?

???

??

?

???? ????? ??Λ+±=111.01arctan 4D V hub e σθ (22)

其中

由等式13给出;

同等式7,即为湍流尺度参数; D

风轮直径;

e θ

必须在?±180区间内。

极端风向随时间的函数()t θ为

()()()T t T t T t t e

e >≤≤???-±=0/cos 15.0θπθθ

(23)

其中T=6s ,是风向改变的持续时间;正负号应按最坏风载选取。风向改变结束后,风向就被认为保持不变了。风速仍使用2.3.1.2条例中的正常风廓线模型。

图3和4给出了D=42m ,m z hub 30=,湍流范畴为A 时的风向变化幅值随风速的曲线图和风向变化随时间的曲线图。

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2.3.2.5 伴随风向改变的极端连续阵风(ECD )

伴随风向改变的极端连续阵风的幅值cg V 为

s m V cg /15=

(24)

风速为

()()()()()()T t T t t V z V T t V z V z V t z V cg

cg ≥≤≤≤???

??+-+=00/cos 15.0,π

(25)

其中:T=10s 是形成时间,风速仍使用2.3.1.2条例中的正常风廓线模型。图5给出了,当

s m V hub /25=时,极端连续阵风的风速形成示意图。

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在风速形成的同时,风向角度θ在0°到cg θ之间变化,其中cg θ定义式为

ref

hub hub hub cg V V s m V

s

m <

?

??=/4/720θ (26)

同时,风向与时间的函数为

()()()T t T t t T t t cg

cg >≤≤

??±-±?=00/cos 15.00θπθθ

(27)

其中形成时间T=10s 。

图6和7给出了风向变化幅值cg θ随hub V 的曲线和s m V hub /25=时,风向变形幅值随时间的曲线。

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2.3.2.6 极端风切变(EWS )

极端风切变的风速瞬态值由以下等式给出。瞬态垂直切变:

()()()其他T t z z V T t D D z z z z V t z V hub hub hub hub hub ≤≤????????????

? ??-???? ?????? ??Λ+??? ??-±???? ??=0/2cos 12.05.2,4/111ααπβσ(28)

瞬态水平切变:

()()()其他T t z z V T t D D y z z V t z y V hub hub hub hub ≤≤????????????

? ??-???? ?

????? ??Λ+??? ??±???? ??=0/2cos 12.05.2,,4/111ααπβσ(29)

其中(对以上两式都适用)

s m T /12;4.6;2.0===βα; 1σ

由等式13给出;

同等式7,即为湍流尺度参数;

D 风轮直径;

正负号按最坏瞬态载荷选取。以上两式不能同时使用。

图8给出了,当湍流范畴为A ,m z hub 30=,m V hub 25=,m D 42=时,初始时刻和

最大切变发生时()s t 6=的风廓线。图9给出了,如图8条件下,风轮上下端处的风速分布,用于说明风切变的时间过程。

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3

结构设计

3.1 概述

必须风机的承载组件的完整性进行验证,同时,必须保证一个可接受的安全水平。结构组件的强度极限和疲劳强度可利用计算或者实验来证明,证明其在适合的安全水平下具有结构完整性。结构分析应基于ISO2394标准。

计算必须是采用合适的方法。在设计文件中必须对计算方法进行描述。同时,包括计算方法是有效的相关证明。任何用于强度验证的载荷水平应符合安全系数,该安全系数由3.6条例中的载荷特征值决定。 3.2 设计方法学

必须对极限状态有没有超出风机设计给定的进行验证。在对结构设计验证过程中,模型测试和样机测试可作为计算的替代品,如同ISO2394给出的。

3.3 载荷

从3.3.1到3.3.4中给出的各种载荷在结构设计时必须被考虑。 3.3.1 重力和惯性载荷

重力和惯性载荷是静态和动载荷,是由自重、振动、旋转和地震活动引起的。 3.3.2 气动载荷

重力和惯性载荷是静态和动载荷,是由气流与风机可动部件和静止部件的相互作用引起的。 3.3.3 驱动载荷

驱动载荷是由运行和控制引起的。 3.3.4 其他载荷

其他载荷指尾流载荷、冲击载荷、冰载荷等。

3.4设计工况和载荷情况

该条例描述了风机的设计载荷情况,给出的载荷情况条例数量是风机设计中应该考虑的最少量。

风机的整个寿命可认为是被包括风机可能经受的最重要情况的一系列设计情况所反映。

载荷情况可由风机的运行模型或其他设计工况,如特定的装配、安装或保养,及其外部条件决定。任何有关的载荷情况,只要存在合理的发生率都应该被考虑,风机的控制和保护系统的行为也应该被考虑。用于验证风机的结构完整性的设计载荷情况应基于以下组合进行计算:

●正常设计情况和适合的正常或者极端外部条件组合;

●故障设计情况和适合的外部条件组合;

●运输,安装和保养的设计条件和适合的外部条件组合。

当极端外部条件和故障情况存在联系时,实际应用中,应将这2个情况合并为一个情况进行考虑。

对于任何一种设计情况,必须考虑多个设计载荷情况。表2给出了至少应考虑的载荷情况。在表2中,对于每个设计情况的设计载荷情况分类是由风速,电力和其他外部条件决定的。

对于采用确定性风模型的设计载荷情况,如果风机的控制系统可以让风机在达到最大偏航角度或者最大风速时停止运转,那么,必须被验证在同样的确定性风模型的湍流条件下,风机的控制系统能使风机可靠地停止运转。

若涉及到特定风机的结构完整性时,还应考虑其他的设计载荷情况。

表2中F代表疲劳载荷分析和疲劳强度的评估,U代表强度载荷分析,主要指材料强度,叶尖变形和结构稳定性。

标有U的设计工况被分成正常(N),非正常(A)或者运输安装(T)。正常的载荷工况是指在风机整个寿命中经常发生的事件,非正常的载荷工况是少有的事件,如引起保护系统运行的严重故障。

γ。表3给出了这些系数。设计情况的种类,N, A或者T决定了适用于极端载荷的各分项安全系数

f

表2 设计载荷工况(DLC)

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DLC 设计载荷工况

ECD 伴随方向改变的连续极端阵风(见2.2.2.5)EDC 极端风向改变(见2.2.2.4)

EOG 极端运行阵风(见2.2.2.2)

EWM 极端风速模型(见2.2.2.1)

EWS 极端风切变(见2.2.2.6)

NTM 正常湍流模型(见2.2.1.3)

ETM 极端湍流模型(见2.2.2.3) NWP

正常风廓线模型(见2.2.1.2)

s m V r /2±

在所有应分析的风速下的敏感度

F 疲劳 U 强度极限 N 正常 A 非正常 T 运转和安装

*

疲劳采用的分项安全系数(见3.6.3)

在风机设计时应按产生最坏结果对位于表2中给出的风速范围内的风速进行选取。当风速范围是通过一系列离散值提供时,为了保证计算的精确性应具有足够的分辨率,一般取2m/s 。 3.4.1电力生产(DLC 1.1-1.5)

该设计情况是指风机在正常运转并与电网相连的情况。必须考虑风轮结构的不平衡性。在设计时计算中应使用由风轮制造条件决定的质量和气动的最大不平衡性。

而且,在对运行载荷分析时,必须考虑到理论上理想的运行情况和实际的运行情况之间的偏差,如偏航误差和控制系统误差引起的偏差。

1.1和1.2的设计载荷情况需要包括由湍流引起的载荷,湍流是指在风机正常运转的整个寿命期间发生的事件。1.3的设计载荷情况需要包括由极端湍流引起的极端载荷部分。1.4和1.5的设计载荷情况规定了瞬间载荷,只考虑会引起潜在的风机严重损坏事件的瞬间载荷。

DLC1.1的静态模拟数据至少包含风轮旋转平面内和平面外的极端力矩和叶尖变形。假如这些参数的极端值超出了由DLC1.3给出的极端设计值,则不用对DLC1.1进行进一步的分析。假如这些参数的极端值没有超出由DLC1.3给出的极端设计值,则增加DLC1.3中使用的极端湍流模型的参数c 值(21式),直到这些参数超出或等于由DLC1.3给出的极端设计值。

3.4.2电力生产伴随故障或者脱网(DLC2.1-2.4)

该设计情况是指风机在发电时发生突然性故障或脱网引起的瞬态事件。无论是控制系统、保护系统或内部电力系统故障,只要对风机载荷产生重大影响的故障,在该设计情况中都应该被考虑。DLC2.1指由控制系统或脱网引起的故障情况,该类故障是常有发生的。DLC2.2指一些少有且非正常的故障事件,如保护系统或内部电力系统故障。DLC2.3指潜在的但影响重大的故障(EOG ),如内部或外部电力系统故障(脱网),该类故障也是非正常的。这2类事件的时序按以产生最坏载荷进行选取。假如故障或者脱网没有导致立即停机,这后续的载荷会对疲劳损伤产生较大影响,在正常湍流模型下,伴随疲劳损伤的该情况的持续时间应通过DLC2.4计算获得。 3.4.3启动(DLC 3.1-3.3)

该设计情况是指风机从停机或空转向发电情况转变的过渡时期内产生的相关载荷的所

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