新疆农业大学
硕士学位论文
大型水平轴风力机载荷计算和强度分析的方法研究
姓名：曾杰
申请学位级别：硕士
专业：农业机械化工程
指导教师：崔新维;武钢
20010101
最新整理起重机械的水平载荷 1．运行水平惯性力PH 运行水平惯性力是起重机自身质量和起升质量在运行机构启动或制动时产生的沿水平方向的惯性力。惯性力作用在相应的质量上，按下式计算： PH＝1.5 ma 式中:m--产生水平运行惯性力的相应质量， kg或t； a--运行加（减）速度，m/s2； 1.5--考虑起重机驱动力对结构产生的动力效应的系数。 运行惯性力PH。计算的结果按不大于主动车轮与钢轨间的粘着力取值。 2．回转和变幅运动的水平力PH 臂架式起重机回转和变幅机构运动时，起升质量产生的水平力于受到诸如包括风力。变幅和回转启制动时产生的惯性力和回转运动时的离心力、司机操作方法与熟练程度等多种因素的影响，会发生悬挂物品的钢丝绳对铅垂线的偏斜，因而引起物品摆动，对金属结构有附加水平力的作用。一般综合考虑，按吊重绳索相对于铅垂线的偏摆角所引起的水平分力计算。偏摆角根据不同种类的起重机按表5-9选取： αⅠ--正常工作情况下吊重绳的偏摆角。计算电动机功率时，取αⅠ＝（0.25～ 0.3）αⅡ；计算机械零件的疲劳及磨损时，取αⅠ＝（0.3～0.4）αⅡ。 αⅡ--工作情况下吊重绳的最大偏摆角，（°）。 表5－9臂架起直机吊在相对于钻垂线的编撰角推荐值 起重机类型
装卸用门座起重机 安装用门座起重机 轮胎式 起重机 n≥2min-1 n＜2min-1 n≥0.33min-1 n＜0.33min-1 臂架平面内αⅡ
12° 10° 4° 2° 3°～6° 垂直臂架平面内αⅡ14° 12° 4°
北京鉴衡认证中心 风力发电机组载荷计算 北京鉴衡认证中心 发言人：韩炜 2008-4-14 w w w .s i m o s o l a r .c o m
北京鉴衡认证中心 内容概要 1. 风力发电机组载荷计算目的 2. 风力发电机组载荷特点 3. 风力发电机组载荷计算 w w w .s i m o s o l a r .c o m
北京鉴衡认证中心 风力发电机组载荷计算目的 ? 对于设计：提供强度分析载荷依据，确保各部 件承载在设计极限内；优化运行载荷，提高机 组可靠性。 ? 对于认证：确保载荷计算应用了适当的方法， 工况假定全面且符合标准要求，结果真实可靠。w w w .s i m o s o l a r .c o m
北京鉴衡认证中心 风力发电机组载荷特点 ? 风 ? 空气动力学 ? 叶片动力学 ? 控制 ? 传动系统动力学 ? 电力系统 ? 塔架动力学 ? 基础 w w w .s i m o s o l a r .c o m
风力发电机组载荷计算标准 ? 陆上风机：GB18451.1（2001）；IEC61400-1（1999， 2005）；GL Guideline2003；… ? 海上风机：IEC61400-3；GL Guideline (Offshore) 2005? DNV- OS-J101 … 风力发电机组载荷计算 w w w. s i m o s o l a r.c o m 北京鉴衡认证中心
北京鉴衡认证中心 风力发电机组设计等级 （IEC61400-1：1999） 级别 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ S V ref [m/s] 50 42.5 37.5 30 V ave [m/s] 10 8.5 7.5 6 A I 15 [-] 0.18 0.18 0.18 0.18 a [-] 2 2 2 2 B I 15 [-] 0.16 0.16 0.16 0.16 a [-] 3 3 3 3 由设计 者规定 各参数 注： V ref ：轮毂处参考风速 V ave ：轮毂处平均风速 I 15：风速15m/s时的湍流强度 a: 斜度参数 风力发电机组载荷计算 w w w .s i m o s o l a r .c o m
第6章 结构荷载 本项目分析内容包括结构的强度和屈曲分析、单工况动力分析和动力耦合分析。因此，结构分析荷载分为静荷载和动荷载。静荷载包括风机运转荷载、风、浪、流和冰荷载；动荷载包括风机运转荷载、风、浪、流、冰和地震荷载。 6.1 强度与屈曲分析荷载 6.1.1 风机运行荷载 风力发电机组运行时，其叶片上的风荷载和风机偏航引起的荷载通过结构和传动机构作用在塔架顶端，因此，DnV 规范规定，海上风电机组基础结构设计应考虑风电机组的荷载。这部分荷载包括：风轮上的静风压引起的荷载、湍流和尾流引起的荷载、风力发电机偏航引起的荷载和风力发电机组的重力荷载等。中华人民共和国机械工业部标准（JB/T10300-2001）对风力发电机组的荷载计算做出了具体的规定： 6.1.1.1 正常运行荷载 1、风轮上的气动荷载 (1) 作用在风轮上的平均压力 作用在风轮扫掠面积A 上的平均压力H p 由下式计算： 2H FB 1 2 r p C V ρ= （6.1.1） 式中：C FB =8/9； ρ——空气密度； V r ——额定风速。 代入系数值并经量纲转换后得： 2 H 1800 r V p =（kN/m 2） （6.1.2）
式中：V r 的量纲为m/s 。 (2) 作用在塔架顶部的力为： XH H F p A = （6.1.3） (3) 湍流、风斜流和塔尾流的影响 利用气动力距风轮中心的偏心距e w 来考虑湍流以及风斜流和塔尾流的影响： 2 2w r wR e V = （6.1.4） 式中：R ——风轮半径； w ——任一方向风的极端风梯度，取w =0.25 m s m 或风速梯度的1.5 倍（二值中取较小值）。由于此偏心距而产生最大附加力矩为： YH H w M p Ae = （6.1.5） 或 ZH H w M p Ae = （6.1.6） (4) 扭矩XH M 由最大输出功率P e1 确定： e1 XH P M ωη = （6.1.7） 式中：ω——风轮转动角速度； η——发电机和增速器的总效率系数。 若无输出功率或总效率系数实际值时，则可假定单位风轮扫掠面积的输出功率为500W/m 2及总效率系数η=0.7。 将η=0.7 及P e1（kW ）代入得： e1 XH 14 P M n = （6.1.8） 式中：n ——风轮转速，r/min 。 6.1.1.2 风机偏航载荷 风机偏航运动时，由于陀螺效应，偏航运转将引起作用在塔架顶部的陀螺力，这就是偏航荷载，对于偏航运动的不同阶段，该荷载分为启动荷载和匀速转动荷载。
风机常识-风机知识 风机是一种用于压缩和输送气体的机械，从能量观点来看，它是把原动机的机械能量转变为气体能量的一种机械。风机分类及用途： 透平式风机--通过旋转叶片压缩输送气体的风机。 容积式风机—用改变气体容积的方法压缩及输送气体机械。 离心式风机—气流轴向驶入风机叶轮后，在离心力作用下被压缩，主要沿径向流动。 轴流式风机—气流轴向驶入旋转叶片通道，由于叶片与气体相互作用，气体被压缩后近似在园柱型表面上沿轴线方向流动。 混流式风机—气体与主轴成某一角度的方向进入旋转叶道，近似沿锥面流动。 横流式风机—气体横贯旋转叶道，而受到叶片作用升高压力。 (以绝对压力计 通风机—排气压力低于112700Pa ； 鼓风机—排气压力在112700Pa~343000Pa之间；压缩机—排气压力高于343000Pa 以上； (在标准状
低压离心通风机：全压P ≤1000Pa 中压离心通风机：全压P=1000~5000Pa 高压离心通风机：全压P=5000~30000Pa 低压轴流通风机：全压P ≤500Pa 高压轴流通风机：全压P=500~5000Pa 一般通风机全称表示方法 型式和品种组成表示方法 压力:离心通风机的压力指升压（相对于大气的压力）, 即气体在风机内压力的升高值或者该风机进出口处气体压力之差。它有静压、动压、全压之分。性能参数指全压（等于风机出口与进口总压之差）, 其单位常用Pa 、KPa 、mH2O 、 mmH2O 等。 流量:单位时间内流过风机的气体容积, 又称风量。常用Q 来表示, 常用单位是;m3/s、m3/min、m3/h（秒、分、小时）。(有时候也用到“质量流量”即单位时间内流过风机的气体质量, 这个时候需要考虑风机进口的气体密度, 与气体成份, 当地大气压, 气体温度, 进口压力有密切影响, 需经换算才能得到习惯的“气体流量”。 转速：风机转子旋转速度。常以n 来表示、其单位用r/min(r表示转速，min 表示分钟。
风机选型常用计算 风机是一种用于压缩和输送气体的机械，从能量观点来看，它是把原动机的机械能量转变为气体能量的一种机械。 风管截面积的计算： 截面积=机器总风量÷3600÷风速 风机分类及用途： 按作用原理分类 透平式风机--通过旋转叶片压缩输送气体的风机。容积式风机—用改变气体容积的方法压缩及输送气体机械。 按气流运动方向分类 离心式风机—气流轴向驶入风机叶轮后，在离心力作用下被压缩，主要沿径向流动。轴流式风机—气流轴向驶入旋转叶片通道，由于叶片与气体相互作用，气体被压缩后近似在园柱型表面上沿轴线方向流动。 混流式风机—气体与主轴成某一角度的方向进入旋转叶道，近似沿锥面流动。横流式风机—气体横贯旋转叶道，而受到叶片作用升高压力。
按生产压力的高低分类(以绝对压力计算) 通风机—排气压力低于112700Pa； 鼓风机—排气压力在112700Pa~343000Pa之间； 压缩机—排气压力高于343000Pa以上； 通风机高低压相应分类如下(在标准状态下) 低压离心通风机：全压P≤1000Pa 中压离心通风机：全压P=1000~5000Pa 高压离心通风机：全压P=5000~30000Pa 低压轴流通风机：全压P≤500Pa 高压轴流通风机：全压P=500~5000Pa 一般通风机全称表示方法 型式和品种组成表示方法 压力:离心通风机的压力指升压（相对于大气的压力）,即气体在风机内压力的升高值或者该风机进出口处气体压力之差。它有静压、动压、全压之分。性能参数指全压（等于风机出口与进口总压之差）,其单位常用Pa、KPa、mH2O、mmH2O等。
流量:单位时间内流过风机的气体容积,又称风量。常用Q来表示,常用单位是;m3/s、m3/min、m3/h（秒、分、小时）。(有时候也用到“质量流量”即单位时间内流过风机的气体质量,这个时候需要考虑风机进口的气体密度,与气体成份,当地大气压,气体温度,进口压力有密切影响,需经换算才能得到习惯的“气体流量”。 转速：风机转子旋转速度。常以n来表示、其单位用r/min(r表示转速，min表示分钟)。 功率：驱动风机所需要的功率。常以N来表示、其单位用Kw。 传动方式及机械效率： A型直联传动D型联轴器联接转动F型联轴器联接转动B型皮带传动
风力发电机组气动特性分析与载荷计算 目录 1前言 (2) 2风轮气动载荷 (2) 2.1 动量理论 (2) 2.1.1 不考虑风轮后尾流旋转 (2) 2.1.2 考虑风轮后尾流旋转 (3) 2.2 叶素理论 (4) 2.3 动量──叶素理论 (4) 2.4 叶片梢部损失和根部损失修正 (6) 2.5 塔影效果 (6) 2.6 偏斜气流修正 (6) 2.7 风剪切 (6) 3风轮气动载荷分析 (7) 3.1周期性气动负载................................................................................... 错误！未定义书签。 4.1载荷情况DLC1.3 (10) 4.2载荷情况DLC1.5 (10) 4.3载荷情况DLC1.6 (10) 4.4载荷情况DLC1.7 (11) 4.5载荷情况DLC1.8 (11) 4.6载荷情况DLC6.1 (11)
1 前言 风力发电机是靠风轮吸取风能的，将气流动能转为机械能，再转化为电能输送电网，风力机气动力学计算是风力机设计中的一项重要工作。特别是对于大、中型风机，其意义更为重大。风力机处于自然大气环境中，大气紊流、风剪切、风向的变化（侧偏风）和塔影效应等，这些现象使叶片受到非常复杂气动载荷的作用，对风力机的气动性能和结构疲劳寿命产生很大的影响。对一台大型风力发电机组来说，除风轮叶片产生机组的气动载荷外，机舱和支撑风轮和机舱的塔筒也产生气动载荷，这些都对机组的载荷产生影响。 2 风轮气动载荷 目前计算风力发电机的气动载荷有动量—叶素理论、CFD 等方法。动量—叶素理论是将风轮叶片沿展向分成许多微段，称这些微段为叶素，在每个叶素上的流动相互之间没有干扰，叶素可以认为是二元翼型，在这些微段上运用动量理论求出作用在每个叶素上的力和力矩，然后沿叶片展向积分，进而求得作用在整个风轮上的力和力矩，算得旋翼的拉力和功率。动量—叶素理论形式比较简单，计算量小，便于工程应用，估算机组初始设计时整机的气动性能，被广泛用于风力机的设计和性能计算，而且还用来确定风力机的动态载荷，不断地被进一步改进和完善。CFD 数值计算不需要对数学模型作近似处理，直接对流体运动进行数值模拟，从物理意义上说，数值求解N-S 方程的CFD 方法应该是最全面准确计算风力机气动特性的方法。但是，由于极大的计算工作量，数值计算的稳定性等原因，目前CFD 求解N-S 方程方法还远不能作为风力机气动设计和研究的日常工具。作为解决工程问题的工具还不太实际。为此在计算中应用动量—叶素理论方法来计算机组的气动载荷。 2.1 动量理论 动量理论是经典的风力机空气动力学理论。风轮的作用是将风的动能转换成机械能，但是它究竟能够吸收多大的风的动能就是动量理论回答的问题。下面分不考虑风轮后尾流旋转和考虑风轮后尾流旋转两种情况应用动量理论。 2.1.1 不考虑风轮后尾流旋转 首先，假设一种简单的理想情况： （1）风轮没有偏航角、倾斜角和锥度角，可简化成一个平面桨盘； （2）风轮叶片旋转时不受到摩擦阻力； （3）风轮流动模型可简化成一个单元流管； （4）风轮前未受扰动的气流静压和风轮后的气流静压相等，即p 1 = p 2； （5）作用在风轮上的推力是均匀的； （6）不考虑风轮后的尾流旋转。 将一维动量方程用于风轮流管，可得到作用在风轮上的轴向力为 ()21V V m T -= （1） 式中 m 为流过风轮的空气流量 T AV m ρ= （2） 于是 ()21V V AV T T -=ρ （3） 而作用在风轮上的轴向力又可写成 () -+-=p p A T （4） 由伯努利方程可得 ++=+p V p V T 222121ρρ （5） -+=+p V p V T 22222ρρ （6） 根据假设，p 1 = p 2，（5）式和（6）式相减可得
第三章工程起重机计算载荷与计算方法 第一节作用在起重机上的载荷 主要的有：起升载荷、起重机自重栽荷、风载荷、重物偏摆引起的载荷、惯性和离心力载荷以及振动、冲击引起的动力载荷等 一、自重载荷 或用 表示 自重载荷指除起升载荷外起重机各部分的总重量 不是质量，在此以 计 ，它包括结构、机构、电气设备以及附设在起重机上的存仓等的重力 二、起升载荷 最大额定起重量 吊钩自重 起升载荷是指起升质量的重力 以 计 。起升质量包括允许起升的最大有效物品、 取物装置 下滑轮组、吊钩、吊梁，抓斗、容器、起重电磁铁等 、悬挂挠性件及其它在升降中的设备的质量。 起升载荷动载系数 2=1?+ ——结构质量影响系数 201200=1()() Y m m Y δλ+ + 三、水平载荷 运行惯性力 起重机自身质量和起升质量在运行机构起动或制动时产生的惯性力按质量 与运行加速度 乘积的 倍计算，但不大于主动车轮与钢轨间的粘着力 回转和变幅运动时的水平力 臂架式起重机回转和变幅机构运动时，起升质量产生的水平力 包括风力、变幅和回转起、制动时产生的惯性力和回转运动时的离心力 按吊重绳索相对于铅垂线的偏摆角所引起的水平分力计算 四、安装载荷 在设计起重机时，必须考虑起重机安装过程中产生的载荷。特别是塔式起重机，有的类型其安装给局部结构产生的应力大大地大干工作应力。露天工作的起重机安装时风压应加以考虑。 五、坡度载荷 起重机坡度载荷按下列规定计算： ．流动式起重机需要时按具体情况考虑。 ．轨道式起重机轨道坡度不超过 时不计算坡度载荷，否则按实际坡度计算坡度载荷。
六、风载荷 在露天工作的起重机应考虑风载荷并认为风载荷是一种沿任意方向的水平力。 起重机风载荷分为工作状态风载荷和非工作状态风载两类。工作状态风载荷 起重机在正常工作情况下所能承受的最大计算风力 P CK qA 风载荷按下式计算： = W h 计算风压 风压髙度变化系数 风力系数 查表得 七、试验载荷 起重机投入使用前，必须进行超载动态试验及超载静态试验 第二节载荷分类与载荷组合 、载荷分类 作用在起重机结构上的载荷分为三类，即基本载荷，附加栽荷与特殊载荷。 ．基本载荷 基本载荷是始终和经常作用在起重机上的栽荷。它们是：自重载荷、起升载荷，以及由于机构的起 制 动所引起的水平载荷。 ．附加载荷 附加载荷是起重机在正常工作状态下所受到的非经常性作用的载荷。它们是：作用在起重机结构上的最大工作风载荷，起重机悬吊物品在受载荷作用时对结构产生的水平载荷，起重机偏斜运行引起的側向力以及根据实际情况决定而考虑的温度载荷等。 ．特殊载荷 特殊载荷是起重机处于非工作状态时可能受到的最大载荷或者在工作状态下偶然受到的不利载荷。前者包括结构受的非工作状态的风载荷、试验载荷以及根据实际情況决定而考虑的安装载荷等。 二、载荷组合 考虑基本载荷组合者为组合 考虑基本载荷与附加载荷组合者为组合 考虑基本载荷与特殊载荷组合者、或三类载荷都组合者为组合 第三节工程起重机设计计算方法 、按许用应力计算方法
风机常用计算公式 风机是一种用于压缩和输送气体的机械，从能量观点来看，它是把原动机的机械能量转变为气体能量的一种机械。 风机分类及用途： 按作用原理分类 透平式风机--通过旋转叶片压缩输送气体的风机。 容积式风机—用改变气体容积的方法压缩及输送气体机械。 按气流运动方向分类 离心式风机—气流轴向驶入风机叶轮后，在离心力作用下被压缩，主要沿径向流动。 轴流式风机—气流轴向驶入旋转叶片通道，由于叶片与气体相互作用，气体被压缩后近似在园柱型表面上沿轴线方向流动。 混流式风机—气体与主轴成某一角度的方向进入旋转叶道，近似沿锥面流动。 横流式风机—气体横贯旋转叶道，而受到叶片作用升高压力。 按生产压力的高低分类(以绝对压力计算) 通风机—排气压力低于112700Pa； 鼓风机—排气压力在112700Pa~343000Pa之间； 压缩机—排气压力高于343000Pa以上； 通风机高低压相应分类如下(在标准状态下) 低压离心通风机：全压P≤1000Pa 中压离心通风机：全压P=1000~5000Pa 高压离心通风机：全压P=5000~30000Pa 低压轴流通风机：全压P≤500Pa 高压轴流通风机：全压P=500~5000Pa 一般通风机全称表示方法
型式和品种组成表示方法 压力:离心通风机的压力指升压（相对于大气的压力）,即气体在风机内压力的升高值或者该风机进出口处气体压力之差。它有静压、动压、全压之分。性能参数指全压（等于风机出口与进口总压之差）,其单位常用Pa、KPa、mH2O、mmH2O等。 流量:单位时间内流过风机的气体容积,又称风量。常用Q来表示,常用单位是;m3/s、m3/min、m3/h（秒、分、小时）。(有时候也用到“质量流量”即单位时间内流过风机的气体质量,这个时候需要考虑风机进口的气体密度,与气体成份,当地大气压,气体温度,进口压力有密切 影响,需经换算才能得到习惯的“气体流量”。 转速：风机转子旋转速度。常以n来表示、其单位用r/min(r表示转速，min表示分钟)。功率：驱动风机所需要的功率。常以N来表示、其单位用Kw。 常用风机用途代号
第 章 滚动轴承 第1节 概述 一． 构造 二． 特点 1. 摩擦力矩小且稳定，易启动。 2. 轴向宽度小，结构紧凑。 3. 能同时承受轴向力和径向力。 4. 易润滑。 5. 可消除径向间隙。 6. 批量生产成本低。 7. 对轴的材料和热处理要求低。 8. 承受冲击载荷能力差。 9. 寿命短。 10. 振动、噪声大。 11. 径向尺寸大。 12. 不能剖分。 第2节 滚动轴承的主要类型及代号 一．滚动轴承的类型 1. 按轴承构成分 2. 按轴承受力分 3. 按接触情况分 二．滚动轴承的代号 直径系列代号 1. 内圈 2. 外圈 3. 4. 混合 ηn/p 滑动摩擦特性曲线 边界 前置代号 表示轴承分部件 后置代号 表示轴承结构公差精度等 直径系列的对比
选择轴承类型时考虑的因素： 一．轴承的载荷 载荷大小、方向是决定轴承类型的重要依据 二．轴承的转速 三．安装方便性 四．轴承的调心性能 第4节滚动轴承的工作情况 一．轴承元件上的载荷分布 1 .推力轴承 设轴承受到轴向力S，则每个滚动体受力： F i=S/Z 2 向心轴承 1)力分布 2) 3.失效形式：疲劳点蚀 4.设计计算准则：保证一定的接触疲劳强度 二．向心推力轴承的派生轴向 力（附加轴向力） 1. 派生轴向力的产生 R→N i→S i→S←A 2. 轴向力对接触情况的影响 注：1)Y对应A/R>e的Y 2)e由轴承样本查取 i 固定套圈应力变化情况 接 触 应 力 接 触 应 力 N i S i A/R=tanα A/R=1.25tan A/R>1.7tanα
(N) 10 60 6 ' εh nL P C= 一．滚动轴承的失效形式及基本额定寿命 1.失效形式 滚动体或内外圈滚道上的疲劳点蚀。 2.单个轴承滚动轴承的寿命： 套圈或滚动体发生疲劳扩展之前，一套圈相 对于另一套圈的转数。 3.滚动轴承的基本额定寿命 1)滚动轴承的寿命分布 2)基本额定寿命 一定条件下，一组轴承中10%的轴承发生疲 劳点蚀失效，而90%的轴承不发生疲劳点蚀失效 前的内外圈相对转数（106）或工作时数 二．滚动轴承的基本额定动载荷 1.载荷和额定寿命的关系 2.基本额定动载荷 轴承的基本额定寿命恰好为106转时， 轴承所能承受的载荷值C。 3.额定动载荷的修正 轴承工作温度与试验温度不同时应修正 额定动载荷。 C t=f t C 三．滚动轴承寿命的计算公式 1.载荷和额定寿命的关系 2.寿命计算公式 1)用转数表示的寿命公式： 2)用小时表示的寿命公式： 3)设计式： 未失效轴承数量% 轴 承 的 寿 命 （ 1 6 转 ） 100 70 50 30 10 0 12 10 8 6 4 2 载荷 额定寿命 C 10 012345678910L10(106) 额定寿命 4 3 2 C ) (106 10 转 ε ? ? ? ? ? = P C L (h) 60 106ε ? ? ? ? ? = P C n L h
风力发电机组载荷计算 北京鉴衡认证中心 发言人：韩炜 2008-4-14 北京鉴衡认证中心
内容概要 1. 风力发电机组载荷计算目的 2. 风力发电机组载荷特点 3. 风力发电机组载荷计算 北京鉴衡认证中心
风力发电机组载荷计算目的 ? 对于设计：提供强度分析载荷依据，确保各部 件承载在设计极限内；优化运行载荷，提高机 组可靠性。 ? 对于认证：确保载荷计算应用了适当的方法， 工况假定全面且符合标准要求，结果真实可靠。北京鉴衡认证中心
风力发电机组载荷特点 ? 风 ? 空气动力学 ? 叶片动力学 ? 控制 ? 传动系统动力学 ? 电力系统 ? 塔架动力学 ? 基础 北京鉴衡认证中心
风力发电机组载荷计算 风力发电机组载荷计算标准 ? 陆上风机：GB18451.1（2001）；IEC61400-1（1999， 2005）；GL Guideline2003；… ? 海上风机：IEC61400-3；GL Guideline (Offshore) 2005? DNV- OS-J101 … 北京鉴衡认证中心
北京鉴衡认证中心 风力发电机组设计等级 （IEC61400-1：1999） 级别 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ S V ref [m/s] 50 42.5 37.5 30 V ave [m/s] 10 8.5 7.5 6 A I 15 [-] 0.18 0.18 0.18 0.18 a [-] 2 2 2 2 B I 15 [-] 0.16 0.16 0.16 0.16 a [-] 3 3 3 3 由设计 者规定 各参数 注： V ref ：轮毂处参考风速 V ave ：轮毂处平均风速 I 15：风速15m/s时的湍流强度 a: 斜度参数 风力发电机组载荷计算
风机离心风机的常识与选型（各种压效率概念计算等） 风机类型 离心风机分类与结构离心风机（后简称风机）是依靠输入的机械能，提高气体压力并排送气体的机械，它是一种从动的流体机械。离心风机广泛用于工厂、矿井、隧道、冷却塔、车辆、船舶和建筑物的通风、排尘和冷却；锅炉和工业炉窑的通风和引风；空气调节设备和家用电器设备中的冷却和通风；风洞风源和气垫船的充气和推进等。 离心风机分类 主要结构部件 一些常识1、压力：离心通风机的压力指升压（相对于大气的压力）,即气体在风机内压力的升高值或者该风机进出口处气体压力之差。它有全压、动压、静压之分。性能参数指全压（等于风机出口与进口总压之差）,其单位常用Pa、kPa、mH2O、mmH2O等。2、流量：单位时间内流过风机的气体容积的量,又称风量。常用Q来表示，常用单位是；m3/s、m3/min、m3/h。3、转速：风机转子旋转速度。常以n来表示，其单位用r/min。4、功率：驱动风机所需要的功率。常以N来表示，其单位用KW。关于全压、动压、静压1、气流在某一点或某一截面上的总压等于该点截面上的静压与动压之和。而风机的全压，则定义为风机出口截面上的全压
与进口截面上的全压之差，即： Pt =（Pst2 +ρ2 V2 2/ 2）-( Pst1 +ρ1 V12/2) Pst2 为风机出口静压，ρ2为风机出口密度，V2为风机出口速度 Pst1 为风机进口静压，ρ1为风机进口密度，V1为风机进口速度2、气体的动能所表征的压力称为动压，即：Pd=ρV2/23、气体的压力能所表征的压力称为静压，静压定义为全压与动压之差，即：Pst = Pt–Pd注：我们常说的机外余压指的是机组出风口处的静压和动压之和。如下图所表示管道内全压、静压和动压： 静压(Pj)由于流体分子不规则运动而撞击于器壁，垂直作用在器壁上的压力叫静压，用Pj表示，单位用毫米水柱。计算时，以绝对真空为计算零点的静压称为绝对静压。以大气压力为零点的静压称为相对静压。空调中的空气静压均指相对静压。大于周围大气压的静压为正值，小于周围大气压时静压为负值。例如：风道上的静压力测点是从烟风道壁面上引出的，因此，仪表盘上的风压压力计指示的仅是静压。动压（Pd）流体在管道内或风道内流动时，由于速度所产生的压力称为动压或速度压头。动压值总是正的，用Pd表示，单位用毫米水柱。全压（Pq）是指某点上静压力和动压力的代数和，即：Pq=Pd+Pj；单位也是毫米水柱。全压=静压+动压
风力发电机组标准(外部条件) 作者：中国船级…内容来源：中国船级社点击数：167 更新时 间：2009/4/16 风力发电机组标准(外部条件) 、 中国船级社 一般要求 在风力发电机组的设计中，至少应考虑本节所述的外部条件。 风力发电机组承受环境和电网的影响，其主要体现在载荷、使用寿命和正常运行等方面。为保证安全和可靠性，在设计中应考虑到环境、电网和土壤参数，并在设计文件中明确规定。环境条件可划分为风况和其它外部条件。土壤特性关系到风力发电机组的基础设计。 各类外部条件可分为正常外部条件和极端外部条件。正常外部条件通常涉及结构长期承载和运行状态。极端外部条件是潜在的临界外部设计条件。设计载荷系由这些外部条件和风力发电机组的运行状态组合而成。 对结构整体而言，风况是最基本的外部条件。其它环境条件对设计特性，诸如控制系统功能、耐久性、锈蚀等均有影响。 根据风力发电机组安全等级的要求，设计中要考虑本节所述的正常外部条件和极端外部条件。
风力发电机组分级 风力发电机组的设计中，外部条件应由其安装场地和场地类型决定。风力发电机组的安全等级及相应的风速和风湍流参数应符合表2.2.2.1 的规定。 对需要特殊设计（如特殊风况或其它特殊外部条件）的风力发电机组，规定了特殊安全等级——S 级。S 级风力发电机组的设计值由设计者确定，并应在设计文件中详细说明。对这样的特殊设计，选取的设计值所反映的外部条件比预期使用的外部条件更为恶劣。近海安装为特殊外部条件，要求风力发电机组按S 级设计。 各等级风力发电机组的基本参数①表2.2.2.1 注：表中数据为轮毂高度处值，其中： A 表示较高湍流特性级；参考风速Vref 为10min 平均风速； B 表示中等湍流特性级；I 15 风速为15m/s 时的湍流强度
滚动轴承所承受的载荷取决于 所支承的轴系部件承担的载荷。右图 为一对角接触球轴承反装支承一个 轴和一个斜齿圆柱齿轮的受力情况。 图中的F re、F te、F ae分别为所支承零 件（齿轮）承受的径向、切向和轴向 载荷，F d1和F d2为两个轴承在径向 载荷F r1和F r2（图中未画出）作用下 所产生的派生轴向力。这里，轴承所 承受的径向载荷F r1和F r2可以依据 两个角接触球轴承反装的受力分析 （径向反力） F re、F te、F ae经静力分析后确定，而轴向载荷F a1和F a2则不完全取决于外载荷F re、F te、F ae，还与轴上所受的派生轴向力F d1和F d2有关。 对于向心推力轴承，由径向载荷F r1和F r2所派生的轴向力F d1和F d2的大小可按下表所列的公式计算。 注：表中Y和e由载荷系数表中查取，Y是对应表中F a／F r＞e的Y 值 下图中把派生轴向力的方向与外加轴向载荷F ae的方向一致的轴承标为2，另一端则为1。取轴和与其相配合的轴承内圈为分离体，当达到轴向平衡时，应满足：F ae＋F d2＝F d1 由于F d1和F d2是按公式计算的，不一定恰好满足上述关系式，这时会出现下列两种情况： 当F ae＋F d2＞F d1时,则轴有向左窜动的趋势,相当于轴承1被“压紧”,轴承2被“放松”,但实际上轴必须处于平衡位置，所以被“压紧”的轴承1所受的总轴向力F a1必须与F ae＋F d2平衡，即 F a1＝F ae＋F d2 而被“放松”的轴承2只受其本身派生的轴向力F d2，即F a2＝F d2。 当F ae＋F d2＜F d1时,同前理，被“放松”的轴承1只受其本身派生的轴向力F a1， 即F a1＝F d1 而被“压紧”的轴承2所受的总轴向力为: F a2＝F d1－F ae
论不同风况对风电机组疲劳载荷的影响 发表时间：2018-04-11T15:37:41.073Z 来源：《电力设备》2017年第32期作者：王青磊[导读] 摘要：风力发电机组总体载荷计算评估是风力机设计以及风电场风机选型中的一项重要工作，特别是对于大型MW级风机，其意义更为重大。 (国家电投集团湖北绿动新能源有限公司湖北武汉 430071) 摘要：风力发电机组总体载荷计算评估是风力机设计以及风电场风机选型中的一项重要工作，特别是对于大型MW级风机，其意义更为重大。风机载荷计算评估包括极限载荷评估和疲劳载荷评估。从计算角度分析，影响风机疲劳载荷的主要因素包括风电场的湍流强度，空气密度以及年平均风速等相关风况气象参数。本文通过总体载荷计算，对影响风机疲劳载荷的主要工况进行载荷计算以及疲劳分析，给 出规律性的结论，为以后的风机设计，风机选型等相关问题提供理论基础以及经验总结。关键词：不同风况，疲劳载荷，动量-叶素理论风电场的开发是一个资金庞大，周期较长的项目，而整个风电场的主要设备是风力发电机组。所以，我们必须对风力发电机组的安全性和可靠性做一个科学规范的计算校核。需要对特殊地形造成的特殊风况进行疲劳载荷分析和总结，做成自己的数据库，对不同风电场进行载荷评估。 一、风机总体载荷计算理论基础 1.1、风机气动载荷 目前计算风力发电机的气动载荷有动量-叶素理论、CFD等方法。动量-叶素理论是将风轮叶片沿展向分成许多微段，称这些微段为叶素，在每个叶素上的流动相互之间没有干扰，叶素可以认为是二元翼型，在这些微段上运用动量理论求出作用在每个叶素上的力和力矩，然后沿叶片展向积分，进而求得作用在整个风轮上的力和力矩，算得旋翼的升力和功率。动量-叶素理论形式比较简单，计算量小，便于工程应用，估算机组初始设计时整机的气动性能，被广泛用于风力机的设计和性能计算，而且还用来确定风力机的动态载荷，不断地被进一步改进和完善。为此在计算中应用动量-叶素理论方法来计算风机的气动载荷。 1.2、动量理论 动量理论是经典的风力机空气动力学理论。风轮的作用是将风的动能转换成机械能，分不考虑风轮后尾流旋转和考虑风轮后尾流旋转两种情况应用动量理论。 1.3、叶素理论 叶素理论的基本出发点是将风轮叶片沿展向分成许多微段，称这些微段为叶素，在每个叶素上的流动相互之间没有干扰，叶素可以认为是二元翼型，将作用在每个叶素上的力和力矩沿展向积分，求得作用在风轮上的力和力矩。 1.4、动量─叶素理论 为了计算风力机性能，必须计算风轮旋转面中的轴向诱导因子和周向诱导因子，这就需要用到动量─叶素理论。由动量理论和叶素理论通过迭代方法可以求出轴向诱导因子和周向诱导因子。 1.5、雨流技术基本计数规则 1）雨流依次从载荷时间历程的峰值位置的内侧沿着斜坡往下流；（2）雨流从某一个峰值点开始流动，当遇到比其起始峰值更大的峰值时要停止流动；（3）雨流遇到上面流下的雨流时，必须停止流动；（4）取出所有的全循环，记下每个循环的幅度；（5）将第一阶段计数后剩下的发散收敛载荷时间历程等效为一个收敛发散型的载荷时间历程，进行第二阶段的雨流计数。计数循环的总数等于两个计数阶段的计数循环之和。 二、疲劳载荷评估 风机的疲劳载荷主要是由于外部风电场的气象风况条件决定的，主要由湍流强度，风场的空气密度，以及风电场的年平均风速决定的。我们通过叶素动量理论进行工程分析以及和模拟软件相结合，对疲劳工况进行分析。我们模拟所使用的模拟软件为GH Bladed软件，主要是用于水平轴风机载荷计算以及风机性能分析。主要包括风机的初步设计，风机的详细设计以及零部件设计，风机型式认证。在风机输入参数中，有风机的气动和结构参数，传动链和电气系统，传感器系统和制动系统，控制和安全系统等；外部条件输入包括风况输入，波浪和洋流，地震，风机故障，电气和电网扰动等；风机的稳态特性，主要包括气动信息，系数性能，稳态功率曲线，稳态运行载荷以及稳态停机载荷等；动态模拟风机的特性，包括正常运行，启动，紧急停机，正常停机，空转，静止等。 GH Bladed软件的主要通过水平轴空气动力学动量理论，叶素理论，叶素-动量理论等基本理论，结合风机的气动特性，以及叶尖轮毂损失，塔影模型，动态失速，尾流等修正，迭代计算出风轮的轴向和周向的入流因子，从而计算出风机的各位置载荷。通过测试，GH Bladed软件计算结果和在风电场实际运行的数据相当吻合。选用某公司117-2000-85型的风机为研究对象,风机模型不变,控制系统不更改的情况下,分别从风电场不同的湍流强度,不同的空气密度以及不同的年平均风速的情况下,分别对风机关键截面的等效疲劳载荷进行对比分析,试图找到规律,为以后设计风机以及风机的快速选型打好良好的理论基础. 2.1不同湍流强度下疲劳载荷分析 选用某公司117-2000-85型的风机,空气密度为标准的空气密度1.225kg/m3，年平均风为6.5m/s，湍流强度选取位0.1，0.14，，0.18的情况进行载荷计算以及雨流技术统计，选取叶根处载荷（m=10）以及塔筒底部载荷(m=4)进行比较。计算结果详见下图表：表2.1 叶根不同湍流强度的疲劳载荷以及对比
起重机械计算的基本原则及安全系数(图文) 1.计算的基本原则 为保证起重机安全、正常地工作，其金属结构和机构的零部件应满足强度、稳定性和刚度的要求。强度和稳定性要求是指结构构件在载荷作用下产生的内力不应超过许用的承载能力(指强度、疲劳强度和稳定性方面的许用承载能力);刚度要求是指结构在载荷作用下产生的变形量不应超过许用的变形值，以及结构的自振周期不应超过许用的振动周期。 (最专业的安全生产管理-风险世界网) 起重机的零部件和金属结构应进行以下计算：①疲劳、磨损或发热的计算;②强度计算;③强度验算。与这三类计算相适应，起重机的计算载荷有下列三种组合： (1)寿命(耐久性)计算载荷--第Ⅰ类载荷。该载荷是用来计算零部件或金属结构的耐久性、磨损或发热的。按正常工作时的等效载荷进行计算，不仅计算载荷大小，还要考虑它们的作用时间。 对于受变载荷作用的机构零件和金属结构，当应力变化循环次数足够多时，应进行疲劳计算;当应力变化循环次数较少或很少时，就不必进行疲劳计算。工作级别是A6,A7,A8级起重机的金属结构构件和机构零件应验算疲劳。 (2)强度计算载荷--第Ⅱ类载荷。该类载荷是用来计算零部件或金属结构的强度、受压和平面弯曲构件的稳定性、结构件的刚度、起重机的整体稳定性与轮压的，按工作状态最大载荷进行强度计算。确定强度计算载荷时，应选取可能出现的最不利的载荷组合。
(3)验算载荷--第Ⅲ类载荷。该类载荷是用来验算起重机的某些装置(如夹轨器)、变幅机构、支承旋转装置的某些零件和金属结构的强度和构件的稳定性，以及起重机的整体稳定性的，按非工作状态最大载荷及特殊载荷(安装载荷、运输载荷及冲击载荷等)进行强度验算。 在起重机事故处理时，由金属结构和机构的零部件破坏导致的事故，应进行必要的验算。验算时，按实际工况的实际载荷进行。 2.计算方法 目前起重机的计算采用许用应力法，即在强度计算中以材料的屈服极限，在稳定性计算中以稳定临界应力，在疲劳强度计算中以疲劳强度极限除以一定的安全系数，分另得到强度、稳定性和疲劳强度的许用应力。结构构件的计算应力不得超过其相应的许用值。 许用应力法计算的步骤是：根据相应的计算载荷确定计算应力、根据所用材料的机械特性确定强度极限，然后进行比较，使强度极限与计算应力的比等于或大于安全系数。强度验算应满足不等式： 3.安全系 强度计算与疲劳计算的基本条件是零件危险截面的计算应力不得大于许用应力，即比材料极限应力小一个倍数，这个倍数即为安全系数。
风力发电机设计与制造 课程设计 Document serial number【UU89WT-UU98YT-UU8CB-UUUT-UUT108】
一．总体参数设计总体参数是设计风力发电机组总体结构和功能的基本参数，主要包括额定功率、发电机额定转速、风轮转速、设计寿命等。 1.额定功率、设计寿命 =；一般风力机组设计寿命至少为20根据《设计任务书》选定额定功率P r 年，这里选20年设计寿命。 2.切出风速、切入风速、额定风速 = 3m/s 切入风速取 V in 切出风速取 V = 25m/s out = 12m/s（对于一般变桨距风力发电机组（选）的额定风速与平额定风速 V r ==×≈12m/s） 均风速之比为左右,V r 3.重要几何尺寸 (1) 风轮直径和扫掠面积 由风力发电机组输出功率得叶片直径： 其中： ——风力发电机组额定输出功率，取； P r ——空气密度（一般取标准大气状态），取m3； ——额定风速，取12m/s； V r D——风轮直径； η——传动系统效率，取； 1 η——发电机效率，取； 2 η——变流器效率，取； 3
C p ——额定功率下风能利用系数,取。 由直径计算可得扫掠面积： 综上可得风轮直径D=104m ，扫掠面积A=84822 m 4. 功率曲线 自然界风速的变化是随机的, 符合马尔可夫过程的特征, 下一时刻的风速和上一时刻的结果没什么可预测的规律。由于风速的这种特性, 可以把风力发电机组的功率随风速的变化用如下的模型来表示： )(t P ——在真实湍流风作用下每一时刻产生的功率, 它由t 时刻的V(t)决定; )(t P stat ——在给定时间段内V(t)的平均值所对应的功率； )(△t P ——表示t 时刻由于风湍流引起的功率波动。 对功率曲线的绘制, 主要在于对风速模型的处理。若假定上式表示的风模型中P stat (t)的始终为零, 即视风速为不随时间变化的稳定值, 在切入风速到切出风速的范围内按照设定的风速步长, 得到对应风速下的最佳叶尖速比和功率系数,带入式： 1η——传动系统效率，取； 2η——发电机效率，取； 3η——变流器效率，取； ——空气密度（一般取标准大气状态），取m 3； V r ——额定风速，取12m/s ； D ——风轮直径； C p ——额定功率下风能利用系数,取。 由以上公式，使用excel 计算出不同风速对应的功率值,见表1
一、通用桥式起重机箱形主梁强度计算(双梁小车型) 1、受力分析 作为室内用通用桥式起重机钢结构将承受常规载荷G P 、Q P 和H P 三种基本载荷和偶然载荷S P ，因此为载荷组合Ⅱ。 其主梁上将作用有G P 、Q P 、H P 载荷。 主梁跨中截面承受弯曲应力最大，为受弯危险截面；主梁跨端承受剪力最大，为剪切危险截面。 当主梁为偏轨箱形梁时，主梁跨中截面除了要计算整体垂直与水平弯曲强度计算、局部弯曲强度计算外，还要计算扭转剪切强度，弯曲强度与剪切强度需进行折算。 2、主梁断面几何特性计算 上下翼缘板不等厚,采用平行轴原理计算组合截面的几何特性。
图2-4 注：此箱形截面垂直形心轴为y-y 形心线，为对称形心线。因上下翼缘板厚不等，应以x ’— x ’为参考形心线,利用平行轴原理求水平形心线x —x 位置c y 。 ① 断面形状如图2-4所示,尺寸如图所示的H 、1h 、2h 、B 、b 、0b 等。 ② 3212F F F F ++=∑ [11Bh F =，02bh F =，23Bh F =] ③ Fr q ∑= (m kg /) ④ 3 21232021122 . )2 1 ( 2)2 (F F F h F h h F h H F F y F y i i c +++++-= ∑?∑= (cm ) ⑤ 2 2 33 22 323 212 113 112 212 ) (2 12 y F Bh y F h h H b y F Bh J x ?++ ?+--+?+= (4cm ) ⑥ 2 0203 2 23 1) 2 2 ( 212 2 12 12 b b F h b B h B h J y + +++ = (4cm ) ⑦ c X X y J W /=和c X y H J -/(3 cm ) ⑧ 2 B J W y y = (3cm ) 3、许用应力为 ][σ和 ][τ。