1、中华人民共和国国家标准小型风力发电机组结构安全要求发布实施国家技术监督局发布目次前言主题内容与适用范围引用标准术语与符号术语符号安全性设计原则安全性设计原则构件安全等级质量保证外部条件总则正常外部条件极限外部条件结构安全性设计一般要求设计方法载荷设计状态和载荷情况载荷计算安全系数材料选用控制与保护装置试验总则实验室试验外场试验试验方法附录标准的附录韦布尔分布规律计算式前言在研制和使用小型风力发电机组的过程中经常遇到结构安全性的问题通过确定我国小型风力发电机组结构的安全要求在技术上既保证与同类的国际导则同步又采用根据实践证明适合我国国情的内容以利于我国小型风力发电机组的发展本标准规定的各项规则涉
2、及小型风力发电机组结构的设计制造试验这些规则用来保证我国生产的小型风力发电机组结构件都有相同的安全要求本标准的附录是标准的附录本标准由中国航空工业总公司提出本标准由全国风力机械标准化技术委员会归口本标准由中国航空工业总公司第研究所负责起草本标准主要起草人熊华文颉连元姜学璞小型风力发电机组结构安全要求中华人民共和国国家标准小型风力发电机组结构安全要求主题内容与适用范围本标准规定了小型风力发电机组以下简称风力机组的结构安全性原则要求包括安全机理质量保证结构安全可靠性设计控制保护与实验等安全方面的要求本标准适用于独立运行风轮扫掠面积小于的风力发电机组包括机械支撑结构件控制与保护装置等引用标准风力机术
3、语风力机设计通用要求术语与符号术语运行极限阵风风力机组正常运行状态下所能承受的极限阵风持续极限阵风持续时间不小于的运行极限阵风本标准中所用其他术语应符合的规定符号来流速度切变风速离地高度处平均风速平均风速轮毂中心处离地高度平均风速极限风速极限风速持续极限阵风风速四周没有对气流产生干扰的建筑物或山丘等的参考地点离地高度平均风速持续极限阵风方向变化角国家技术监督局批准实施风速分布概率形状因子尺度因子风轮直径离地高度轮毂中心处离地高度风剪指数标准偏差安全性设计原则安全性设计原则设计风力机组结构应考虑各种正常的和极限的外部条件内部负载安全性可靠性风力机组结构的安全性取决于安全标准零部件安全系数构件安全
4、等级在保证地基安全的基础上风力机组构件安全等级按其构件特性分为两种关键构件指如有故障可能危及人身安全导致结构或主要系统失效损坏进而影响寿命或引起社会和经济后果一般构件指如有故障可能导致产品达不到性能要求如有其他特殊规定可由厂方和用户协商确定按失效结果部件又可分为失效安全结构部件失效后仍不导致风力机组的某一主要部件发生故障非失效安全结构部件失效后立即会引起风力机组的某一主要部件发生故障质量保证质量保证和质量检查应贯穿于小型风力机组结构及其零部件的设计制造试验运输安装和使用维护全过程中并应按设计单位或行业的质量管理手册的规定执行外部条件总则风力机组的结构安全性设计应考虑外部条件外部条件包括拟定的安
5、装地点地基类型风况和其他气候条件外部条件分为正常和极限外部条件正常外部条件正常外部条件指风轮在正常运行时所经受的长期载荷和经常存在的运行条件正常风况风速分布地基以上的风速分布表明了载荷情况的发生频率并用来预测风力机组的输出功率正常风速规律可以按测量数据给出亦可参照韦布尔分布规律计算见附录稳态风速函数稳态风速函数指以离地高度为变量的平均风速函数稳态风速可按式的指数规律估算小型风力发电机组结构安全要求式中离地高度处平均风速风剪指数无量纲一般不小于离地高度平均风向可假设为水平的并且不随高度变化紊流设计风力机组结构时应考虑紊流对其安全性的影响其他正常外部条件其他应考虑的正常外部条件包括系统正常运行环境
6、温度相对湿度大气污染情况太阳辐射情况标准海平面大气参数压力温度密度当设计指定外部条件时应符合有关国标的要求并在设计文件中说明极限外部条件极限外部条件是指较少出现但更恶劣的外部条件极限风况极限风况是风力机组结构安全性设计中确定极限气动载荷的依据在风力机组设计时应考虑极限风速极限风向变化角速度运行极限阵风持续极限阵风持续极限阵风方向变化角和极限切变风对结构安全性的影响极限风速极限风速和极限风速应根据极限参考风速确定和可分别按式式确定式中参考风速离地高度持续极限阵风假设持续极限阵风风速为阵风的起动时间离地高度处时风速可按式计算当当当式中离地高度离地高度处平均风速起动时间持续极限阵风方向变化角小型风力
7、发电机组结构安全要求风向变化角可按式计算当当当式中持续极限阵风方向变化角离地高度平均风速参考风速极限切变风水平极限切变风速可按式计算式中轮毂中心处高度平均风速轮毂中心处高度风剪指数无量纲一般不小于其他极限外部条件应考虑的其他极限外部设计条件包括极限运行环境温度或冰冻风力机组结构件在冰冻情况下不至于损坏腐蚀沿海使用的风力机组应考虑腐蚀对结构安全的影响砂尘在风砂较大的地区使用的风力机组风轮叶片应有一定的抗砂石能力结构安全性设计一般要求风力机组的结构设计应保证承载部件的结构安全通过对结构元件的静力和疲劳强度的试验或计算确定风力机组结构的安全标准试验载荷应反映相关的设计中所要求的安全系数风力机组应具有
8、结构安全性检查和维护的方便条件设计方法风力机组的设计值必须大于风力机组的极限状态同时应考虑动应力和疲劳极限等对结构安全性的影响包括结构不平衡大变形失效结构件破坏和失稳等载荷本条所规定的载荷是风力机组在运行中预计可能产生的危及构件安全的各种载荷惯性力和重力载荷惯性力和重力载荷是指由质量振动等因素所决定的作用在风力机组上的动力和静力载荷空气动力载荷空气动力载荷既包括气流对风力机组的静动部件单独作用产生的气动力载荷也包括静动部件对气流的干扰和它们的耦合作用而产生的载荷操作载荷风力机组的操作载荷包括风轮的启动固定制动转速控制负载连接与断开偏航等引起的小型风力发电机组结构安全要求瞬时载荷其他载荷如波动载
9、荷冲击载荷等设计状态和载荷情况风力机组结构安全性载荷及设计中必须考虑的各种载荷状态是决定风力机组使用安全性的基础为此可按风力机组经常使用状态作为风力机组设计状态而确定风机寿命载荷情况应综合考虑下列因素即装配安装维护操作方式及外部条件设计状态此外还应考虑风力机组和控制与保护系统的运行的相互影响综上所述决定风力机组结构安全性的设计载荷可由下列综合情况来计算正常外部条件和正常设计状态极限外部条件和极限设计状态相关外部条件和运输安装维护设计状态如果有极限外部条件和故障设计状态之间的情况存在应综合考虑这两种情况作为一种设计状态对于每一种设计状态应考虑多种载荷情况来确定风力机零部件的结构安全性设计载荷情况
10、见表各种载荷下零件安全系数见表表载荷情况表设计状态来流情况其他条件分析载荷设计载荷运行正常紊流模型极限持续阵风伴随方向变化正常稳态风模型运行极限阵风极限持续阵风极限切变风极限风向变化运行出现故障正常稳态风模型控制或保护系统故障正常稳态风模型内部电气故障正常紊流模型控制或保护系统故障起动正常紊流模型运行极限阵风正常关机正常紊流模型运行极限阵风应急关机正常稳态风模型停放静止或非工作状态极限切变风极了切变风停放出现故障极限切变风运输装配维护厂方注明注极限载荷突然情况运输与安装疲劳载荷最大载荷表各载荷作用下零件安全系数载荷来源不利载荷安全系数极限载荷突然情况运输与安装额定载荷安全系数空气动力功能重力其
11、他惯性如果设计有特别要求其他与安全有关的设计载荷亦应予以考虑在表中对于每一种来流小型风力发电机组结构安全要求情况都给出了相关的分析运行状态在运行设计状态下应考虑运行情况与理论上最佳运行状态的偏差包括风轮不平衡质量不平衡和气动不平衡和偏航调整不当故障状态当在运行过程中发生任何控制和保护装置的故障电气系统的内部故障重大的风力机组载荷故障如发电机短路等而且该故障能引起重大的疲劳破坏但不引起直接关机时设计时应考虑这种状态起动在起动设计状态应考虑静止或非工作状态到运行的短暂时间引起的作用在风力机组上的载荷正常关机在正常关机设计状态应考虑从运行到静止或非工作状态的短暂时间里引起的作用在风力机组上的载荷应急
12、关机考虑应急关机时发生的载荷静止状态静止的风力机组风轮应按极限风速设计状态考虑载荷计算一般要求应通过可靠的分析采用经过考验和认可的计算方法对风力机组结构载荷进行计算应考虑的情况在计算设计载荷时应考虑下列情况塔架及其他结构对来流的干扰空气动力影响下洗流不稳定气动力等重力其他惯性力离心力哥氏力等动力激振力和耦合振动模态气动弹性稳定性影响安全系数失效安全结构部件安全系数不小于非失效安全结构部件应适当增大安全系数材料选用所用材料应根据材料标准或试验数据数据来选用控制与保护装置风力机组应设计有控制与保护装置该装置应具有下列功能保护装置应能使任意工作状态中的风轮停止转动控制与保护装置均具有失效安全性应急刹
13、车不受自动控制约束应能无条件地使风力机组停止工作小型风力发电机组结构安全要求保护装置应能独立发挥作用必要时可取代控制装置行使保护功能人工干扰不影响保护装置的功能当发生危及风轮安全的机构失效而关机时自动启动系统不再发挥作用保护装置必须能够使风轮转速保持在设计的极限范围以内设计极限值应包括因保护装置动作所形成的负荷设计配置风轮和校正机舱方向用的制动装置时应按极限负荷和极限位置设计风力机组在运输过程中闭锁装置必须确保锁定试验总则风力机组结构件试验包括实验室试验及外场试验有条件的还可进行风洞试验实验室试验至少应进行下列试验风力机组主要结构部件的静动强度试验风轮塔架尾舵及整个机组的动态特性测量控制与保护
14、装置的功能试验外场试验风力发电机组结构件应进行必要的外场试验试验场地选择的试验场地应满足对试验场地的一般要求试验条件应尽可能模拟预计安装地的外部条件包括风能资源交通条件建筑设施条件仪器设备技术人员等一般应选择经认可的风力试验站场作为试验场地试验内容应进行气动载荷试验和性能试验试验方法试验方法包括试验要求试验内容试验步骤试验仪器测试方法数据检查试验结果和试验报告等具体的试验方法由产品标准规定小型风力发电机组结构安全要求附录标准的附录韦布尔分布规律计算式累积分布函数表示风速小于或等于给定风速的持续时间或概率即式中风速分布概率无量纲累积分布函数无量纲概率密度函数来流速度形状因子无量纲尺度因子概率密度函数在此用风速频率曲线表示即式中概率密度函数来流速度形状因子无量纲尺度因子平均风速式中概率密度函数来流速度标准偏差式中来流速度平均风速伽玛函数设得则式式式可由伽玛函数表示为小型风力发电机组结构安全要求式中来流速度平均风速形状因子无量纲尺度因子瑞利分布当式式中的时即可得韦布尔分布的一个特例瑞利分布式中来流速度平均风速韦布尔因子和的估算可由已知数据按下列的三种方法之一进行韦布尔坐标纸法标准偏差分析法能量曲线因素分析法小型风力发电机组结构安全要求
