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大跨度空间结构环境风场特性实测研究
? 大跨度空间结构环境风场特性实测研究 大跨度空间结构环境风场特性实测研究 周 峰* 崔理纲 刘 凯 (南昌工程学院土木与建筑工程学院,南昌 330099) 摘 要：近年来,围绕大跨度空间结构的风场特性研究、风振研究逐渐成为土木工程学科的热点研究方向,虽然获得了不少成果,但大多是建立在数值模拟分析基础上,少量学者进行了风洞试验研究。虽然风洞试验可以方便地模拟不同工况条件下的风环境和结构风振响应,但在真实建筑与模型相似比问题上又会使试验结果与真实数据之间存在一定误差。鉴于此,通过实测手段采集到了大跨度空间结构屋盖上方的风速、风向和风压数据,并基于实测数据,对其风荷载的风速、风向、湍流强度、积分尺度、脉动风压、风压相关性等指标进行了细致分析,分析结果真实可靠地说明了其屋盖上方的风场特征,对于大跨度空间结构的风振研究具有十分重要的意义。 关键词：大跨度空间结构, 风荷载, 风振 1 引 言 众所周知,风灾发生频率高、次生灾害大、影响范围广,给人类带来了巨大的生命和财产损失。大跨度空间结构因其跨度大、造型复杂,导致作用其上的风效应异常明显,历史上由大风、台风引起大跨度空间结构,尤其是膜结构屋盖撕裂、损毁的实例不胜枚举,虽然近年来国内外在该方面获得了不少的研究成果,但大多是建立在数值模拟分析基础上,少量学者进行了风洞试验研究。近年来湖南大学陈伏彬等人对广州国际会展中心进行了现场实测研究,而武汉大学梁枢果等人对武汉国际证券大厦进行了现场实测与风洞试验对比研究,重庆大学曹辉等人对尚信国际大厦也进行了风洞试验研究,以上研究均获得了重要研究成果。虽然风洞试验可以方便地模拟不同工况条件下的风环境和结构风振响应,但在真实建筑与模型相似比问题上又会使试验结果与真实数据之间存在较大误差,而基于现场实测数据的大跨度空间结构屋盖上方风环境的研究却相对较少。鉴于此,本文实测了国家游泳中心上方的风速和风压数据,下面将对其风环境指标和风压分布特性展开细致研究[1-4]。 2 基于现场监测的空间结构环境风场特性研究 湍流强度及积分尺度定义湍流强度反映了风的脉动强度,是确定结构脉动风荷载的关键参数。定义湍流强度为10 min时距的脉动风速标准方差与水平平均风速的比值:
式中,σi分别表示脉动风速u(t),v(t)和w(t)的均方根,相当于湍流脉动风速在i方向上的动能。 湍流积分尺度可以评价气流中湍流涡旋的平均尺寸,从而反映出脉动风速或风压的空间相关性,湍流积分尺度越大,脉动风的空间相关性就越强。目前,有关脉动风湍流积分尺度的计算已经获得了众多成果,其中,Shiotani[5]对开阔地形的脉动风湍流积分尺度进行了测量和计算,结果表明不同高度脉动风湍流积分尺度有显著差异。同时,Counihan[6]指出,湍流积分尺度是地面粗糙度的递减函数,并给出了高度0～240 m范围内的纵向湍流积分尺度的经验公式。庞加斌等人通过风洞试验模拟了风场的湍流积分尺度,并与大气湍流积分尺度实测结果进行了对比,指出自相关函数直接积分的计算方法较为合理。 大气边界层中湍流涡旋可以被看作频率为n的周期脉动,其中涡旋的波长λ=U/n,式中U为平均风速,而这个波长就是涡旋大小的量度,湍流积分尺度是气流中湍流涡旋平均尺寸的量度。纵向湍流积分尺度Lu定义为:
(2) 式中,Ru1u2(x)为两个纵向脉动风速分量,u1=u(x,t)和u2=u(x1-x,t)的互协方差函数为纵向风速的脉动方差。 湍流积分尺度是与湍流空间相关性有关的参数,如果结构上两点的距离超过湍流积分尺度,则这两点间的脉动风速的相关程度就会相应降低,其对结构的作用也会相互抵消,结构的响应也会减小。 湍流积分尺度计算精度主要取决于计算分析所采用数据长度及平稳程度。对于湍流积分尺度计算,可按照Von-karman谱计算公式并根据采集到的数据计算得到功率谱分布值,利用最小二成拟合其湍流积分尺度Lu值。 图1 建筑和风速仪的方向图Fig.1 Directions of the building and the anemoscope 图2 风速风向玫瑰图Fig.2 Wind rose diagram during the measured period 图3 脉动风湍流度随平均风向角的变化Fig.3 Turbulence intensity of fluctuant wind variation with mean wind direction 图4 脉动风湍流积分尺度随平均风向角的变化Fig.4 Turbulence integral scale of fluctuant wind variation with mean wind direction 图1为建筑方向图及风速仪的方向图,图2为十分钟时距平均风速和风向玫瑰图。从图中可知其风速主要集中在[60°～120°],即偏北风,平均风速约为2.06 m/s。由于受周围建筑群的影响,建筑物风场具有极强的脉动特性。图3为平均风速大于2.5 m/s脉动风湍流度随平均风向角的变化,从图中可以看到,脉动风具有十分剧烈的湍流特性,顺风向脉动风湍流度月平均值为48.35%,横风向脉动风湍流度月平均值为41.39%。 当风向分布在[60°～120°]时,脉动风湍流度尤为突出,其顺风向平均湍流度为74.12%,横风向为60.11%。 图4显示的脉动风湍流积分尺度的分布具有方向性:当风向分布在[60°～120°]时,顺风向平均湍流积分尺寸为35.5 m,横风向平均湍流积分尺寸为26.2m;当风向分布在[240°～270°]时,顺风向平均湍流积分尺寸为65.2m,横风向平均湍流积分尺寸为50.1m。 图5和图6分别为脉动风湍流度、湍流积分尺度与平均风速的关系,从图中可知,湍流度、湍流积分尺度与平均风速都没有明显关系。 图5 脉动风湍流强度与平均风速的关系Fig.5 The relationship of turbulence intensity and mean wind speed 图6 脉动风湍流积分尺度与平均风速的关系Fig.6 The relationship of turbulence integral scale and mean wind speed 3 基于现场监测的空间结构屋盖风压特性研究 风压系数可表示为
(3) 式中,Cp为风压系数;P为风压;P为参考压力;ρ为来流空气密度;U为来流平均风速。 在实测研究中,借鉴风洞试验的结果,风压传感器的布设优先布设在屋盖的边缘处,由于布点有限,同时考虑到屋盖角部风压波动较大,因此在屋盖西北角位置加密布设传感器,以获得局部重点部位及全局的风压分布图。 图7为测点1,3,5,7,9,11处的10 s风压时程,图8—图11分别为U=5.7 m/s、θ=108°和U=4.5 m/s、θ=93°两种风环境下,建筑屋盖上表面风压分布。从图中可知,屋盖表面平均风压基本是负压,这与平面屋盖平均风压值基本一致,但其分布特点却有较大差别。由于来流风极强的湍流特性及建筑表面水泡形状的膜结构影响,建筑上方屋盖表面风压整体分布较为平缓,并没有在迎风区达到最大负压值。在背风区,风压也没有明显减小。此外,如图8和图9所示,屋盖上表面各个区域脉动风压均方值十分接近。 图7 风压信号Fig.7 The time history of pressure signal
风压的相关性,是计算结构风致振动响应的重要因素。此外,风压的相关性也可以一定程度反映流场的结构。目前风压相关性的分析主要通过风洞试验获得,现场足尺条件下的风压相关性研究还相当缺乏[7-8]。本文通过现场实测的风压信号,研究了建筑上方屋盖表面的风压相关性。 图8 平均风压分布(U=5.7 m/s,θ=108°)Fig.8 The mean pressure distribution of roof whenU=5.7 m/s,θ=108° 图9 脉动风压分布(U=5.7 m/s,θ=108°)Fig.9 RMS pressure distribution of roof whenU=5.7 m/s,θ=108° 图10 平均风压分布(U=4.5 m/s,θ=93°)Fig.10 The mean pressure distribution of roof whenU=4.5 m/s,θ=93° 图11 脉动风压分布(U=4.5 m/s,θ=93°)Fig.11 RMS pressure distribution of roof whenU=4.5 m/s,θ=93° 图12为风压传感器的布设位置及其编号图,图13(a)—(d)分别为建筑屋盖四周各测点风压的相关系数,分别以测点4、15、10、19为基准点,分析周边测点与其的相关程度,横坐标表示测点在屋盖中的距离位置。从图中可知,此次测量的各测点风压的相关系数非常小,基本小于0.1。这主要是由两方面造成的:一方面是因为建筑物处于密集的城市建筑群中,周围风场脉动性极强,严重影响了建筑屋盖表面的风压特性;另一方面是由于建筑表面气枕的凹凸不平大大降低了各测点间风压的相关性。 上述分析结果显示,受周围建筑群的影响,该建筑风场湍流度极大,当风向为偏北方时,顺风向湍流度达到74.12%,横风向湍流度为60.11%,同时受来流强湍流度和ETFE膜结构的影响,屋盖表面风压分布较为平缓,并未在迎风边缘达到最大负压值，且背风区,风压也未减小。风压相关性分析显示,当两点间距离超过20 m时,其风压间的相关性大幅度衰减,其相关性几乎为零。 图12 风速仪和风压传感器布设位置及其编号Fig.12 Locations and numbers of anemoscope and wind pressure sensors 图13 各测点风压相关性Fig.13 Correlation of measured wind pressure 5 结 论 本文利用实测数据对新型大跨度空间结构的风场特性进行了细致研究,得出以下结论: (1) 受周围建筑群的影响,建筑风场湍流度极大,当风向为偏北方时,顺风向湍流度达到74.12%,横风向湍流度为60.11%,不同方向时,顺风向和横风向积分尺度差异较大,变化范围在26～65 m之间。 (2) 受来流风极强的湍流特性及建筑表面水泡形状的膜结构影响,建筑上方屋盖表面风压整体分布较为平缓,并没有在迎风区达到最大负压值,在背风区,风压也没有明显减小。 (3) 风压相关性分析显示,此次测量的各测点间风压相关性较小,当测点与基准点间的距离大于20 m,其风压间的相关性大幅度衰减,其相关性几乎为零。 参考文献： [1] 傅学怡,顾磊.国家游泳中心结构设计[J].建筑结构,2006,36(增刊):1-5. Fu Xueyi,Gu Lei.Design of national aquatis center[J].Building Structure,2006,36(Supplement):1-5.(in Chinese) [2] 李时,汪大绥.弦支骨架结构体系在上海某艺术中心的应用[J].结构工程师,):1-6. Li Shi,Wang Dasui.Application of the cable-stayed skeleton structures on the scheme design of an arts center in Shanghai[J].Structural Engineers,):1-6.(in Chinese) [3] 戴云景,钟铁毅.浅谈膜结构褶皱研究[J].结构工程师,):1-6. Dai Yunjing,Zhong Tieyi.Wrinkling investigations of membrane structures[J].Structural Engineers,):1-6.(in Chinese) [4] 江锡虎,谢步瀛,陈慧进.充气膜结构非线性分析的ANSYS实现[J].结构工程师,):1-6 Jiang Xihu,Xie Buying,Chen Huijin.Static and dynamic non-linear finite element analysis of air-supported membrane structures by ANSYS[J].Structural Engineers,):1-6.(in Chinese) [5] Xu Y L,Chen S W,Zhang R C.Modal identification of Di Wang building under typhoon York using the Hilbert-Huang transform method[J].The Structural Design of Tall and Special Building,-47. [6] Campbell S,Kwok K C S,Hitchcock P A.Full-scale measurements of two high-rise residential buildings in Hong Kong during a typhoon[C].Proceedings of Fifth International Colloquium on Bluff Body Aerodynamics and Applications,. [7] Li Q S,Xiao Y Q,Wong C K,et al.Field measurements of typhoon effects on a super tall building[J].Engineering Structures,):233-244. [8] Li Q S,Wu J R,Liang S G,et al.Full-scale measurements and numerical evaluation of wind-induced vibration of a 63-story reinforced concrete tall building[J].Engineering Structures,):. A Study on Wind Field Characteristics Around a Large Span Spatial Structure Based on Measured Data ZHOU Feng* CUI Ligang LIU Kai (Civil and Architectural Engineering School,Nanchang Institute of Technology,330099 Nanchang,China) Abstract：Recently, the study of wind field characteristics and wind induced vibration on large span spatial structures has become the hot spot of the civil engineering. Even a lot of achievements have been obtained, the most of which is based on numerical simulation analysis and a few of which is based on wind tunnel tests. The testing results are a little different from the real data due to the similitude law even though wind tunnel tests can simulate different wind load conditions and structural wind induced vibration response. Therefore, the wind speed, wind direction, turbulent intensity, integral scale, the fluctuating wind pressure and pressure correlation are analyzed in this article based on the measured data above the roof. The analysis results explain well the characteristics of wind field and have very important significance to the research on wind induced vibration. Keywords：large span spatial structure, wind load, wind induced vibration 收稿日期： 基金项目：江西省科技支撑(20133BBG70099);江西省青年基金(20144BAB2160014);江西省教改课题(JXJG-12-18-18) *联系作者， Email:zhoufeng_
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中 国 船 级 社风力发电机组规范2008日 生效北京
目第1章 第1节 第2节 第3节 第2章 第1节 第2节 第3节 第3章 第1节 第2节 第3节 第4章 第1节 第2节 第3节 第5章 第1节 第2节 第3节 第4节 第5节 第6节 第6章 第1节 第2节 第3节 第4节 第5节 总录则………………………………………………………………………………………… 1一般规定…………………………………………………………………………………… 1 认 证……………………………………………………………………………………… 1 操作运行和维护监控……………………………………………………………………… 2 载 荷………………………………………………………………………………………… 3一般规定…………………………………………………………………………………… 3 外部条件…………………………………………………………………………………… 4 设计载荷…………………………………………………………………………………… 10 设 计………………………………………………………………………………………… 21一般规定…………………………………………………………………………………… 21 总体设计…………………………………………………………………………………… 21 部件设计…………………………………………………………………………………… 23 材料与制造…………………………………………………………………………………… 25 一般规定…………………………………………………………………………………… 25 材 料……………………………………………………………………………………… 26 制造和试验………………………………………………………………………………… 32 强度分析……………………………………………………………………………………… 39 一般规定…………………………………………………………………………………… 39 应力确定…………………………………………………………………………………… 39 金属材料…………………………………………………………………………………… 40 混凝土……………………………………………………………………………………… 47 纤维增强塑料和粘接……………………………………………………………………… 49 木 材……………………………………………………………………………………… 55 结 构………………………………………………………………………………………… 56一般规定…………………………………………………………………………………… 56 风轮叶片…………………………………………………………………………………… 56 机械结构…………………………………………………………………………………… 59 机舱罩和整流罩…………………………………………………………………………… 60 螺栓连接…………………………………………………………………………………… 631第6节 第7节 第7章 第1节 第2节 第3节 第4节 第5节 第6节 第7节 第8节 第9节 第8章 第1节 第2节 第3节 第4节 第5节 第6节 第7节 第8节 第9节 第 10 节 第9章 第1节 第2节 第3节 第4节 第5节 第6节 第 10 章塔 架……………………………………………………………………………………… 63 基 础……………………………………………………………………………………… 71 机械部件……………………………………………………………………………………… 74 一般规定…………………………………………………………………………………… 74 变桨系统…………………………………………………………………………………… 74 轴 承……………………………………………………………………………………… 76 齿轮箱……………………………………………………………………………………… 78 机械制动和锁定装置……………………………………………………………………… 84 联轴器……………………………………………………………………………………… 85 弹性支撑…………………………………………………………………………………… 86 偏航系统…………………………………………………………………………………… 88 液压系统…………………………………………………………………………………… 89 电气系统……………………………………………………………………………………… 91 一般规定…………………………………………………………………………………… 91 电气系统、 设备及元器件设计的一般原则……………………………………………… 92 电 机……………………………………………………………………………………… 94 变压器……………………………………………………………………………………… 96 电力电子变流器…………………………………………………………………………… 96 中压设备…………………………………………………………………………………… 97 开关和保护装置…………………………………………………………………………… 98 电缆和电线………………………………………………………………………………… 99 并网和装置………………………………………………………………………………… 101 102 充电设备和储能蓄电池……………………………………………………………………控制和安全保护系统…………………………………………………………………………104 一般规定…………………………………………………………………………………… 104 控制和安全保护系统的一般原则………………………………………………………… 106 控制系统…………………………………………………………………………………… 108 安全保护系统……………………………………………………………………………… 109 监控和安全处理…………………………………………………………………………… 111 检 验……………………………………………………………………………………… 115 防雷系统…………………………………………………………………………………… 1172第1节 第2节 第3节 第4节 第5节 第6节 第7节 第 11 章 第1节 第2节 第 12 章 第1节 第2节 第3节 第4节 第5节 第6节 第7节 附录 1 附录 2 附录 3 附录 4 附录 5 附录 6 附录 7 附录 8一般规定…………………………………………………………………………………… 117 保护等级和防雷区………………………………………………………………………… 118 防雷系统和装置设计的一般要求………………………………………………………… 120 风力发电机组的防雷措施………………………………………………………………… 122 其它设施的防雷措施……………………………………………………………………… 125 防雷区界面处电缆和电线的处理………………………………………………………… 125 防雷装置的设计、检查和维护…………………………………………………………… 126 运输、安装、运行和维护…………………………………………………………………… 127 一般规定…………………………………………………………………………………… 127 运输、安装、运行和维护………………………………………………………………… 127 测 试………………………………………………………………………………………… 130一般规定…………………………………………………………………………………… 130 安全及功能测试…………………………………………………………………………… 131 功率特性测试……………………………………………………………………………… 131 载荷测试…………………………………………………………………………………… 132 噪声测量…………………………………………………………………………………… 133 电能品质测试……………………………………………………………………………… 133 耐久性测试………………………………………………………………………………… 134坐标系………………………………………………………………………………………… 135 载荷评估……………………………………………………………………………………… 138 S 级风力发电机组的设计参数……………………………………………………………… 141 湍流模型……………………………………………………………………………………… 142 地震载荷评估………………………………………………………………………………… 146 极限强度分析的载荷统计外推法…………………………………………………………… 147 使用麦纳准则和载荷外推法的疲劳分析…………………………………………………… 149 塔架的简化屈曲应力计算…………………………………………………………………… 1523
第 1 章 总 则第1节 一 般 规 定1.1.1 适用范围 1.1.1.1 本规范适用于陆上使用的风力发电机组的认证。 1.1.1.2 本规范适用于风轮扫掠面积大于或等于 40m2 的水平轴风力发电机组。 1.1.1.3 对本章 1.1.1.2 规定以外的风力发电机组，可参照本规范进行认证。 1.1.2 规范制定 1.1.2.1 本规范制定的主要依据为： （1） 有关国际标准，如 IEC 61400 等； （2） 有关国际标准外的其它适用标准、有关理论和科研成果及使用经验。 1.1.2.2 本规范修改时,本社将及时换版或颁布修改通报。 1.1.2.3 本规范采用的标准/规范均为现行有效的版本，本规范的用户应注意使用这些标准/规范 的最新版本。 1.1.3 定义 本规范所涉及的名词定义和术语与 IEC 415 同。 本规范各章所涉及的定义，均在各章中规定。除另有规定外，本规范适用如下定义： 1.1.3.1 本社系指中国船级社。 1.1.3.2 CCS 系为 China Classification Society（中国船级社）的缩写。 1.1.3.3 规范系指中国船级社有关船舶、海上设施和集装箱以及风力发电机组等现行有效的规范。 1.1.3.4 风力发电机组系指将风能转换为电能的系统 （即 Wind Turbine Generator System―WTGS） 。 1.1.4 等效与免除 1.1.4.1 除另有规定外，凡等效于或替代本规范要求的内容，如计算方法、评定标准、制造程序、 材料、检验和试验方法等，只要能提供必需的试验、理论依据或使用经验、或有效公认的标准等，经本 社总部同意后，均可被接受。 1.1.4.2 除另有规定外，如能提供必需的试验、理论依据或使用经验，经本社总部特殊考虑后， 可免除本规范的相应要求。 1.1.5 规范解释 1.1.5.1 本规范的解释权属本社总部。第2节认证1.2.1 风力发电机组认证 1.2.1.1 需进行认证的风力发电机组及其零部件应满足本规范适用的技术要求。 1.2.1.2 风力发电机组认证的管理和操作程序应按本社有关的产品认证要求执行。 1.2.1.3 经本社认证的风力发电机组和风电场，需满足规定的操作运行和维护监控要求。1第3节操作运行和维护监控1.3.1 一般要求 1.3.1.1 操作和维护监控的目的是保证特定场地的一台或一组风力发电机组的操作和维护能满足 设计文件中相关操作手册的要求。 1.3.1.2 监控应包括对操作维护记录的检查及对风力发电机组的抽查。操作和维护监控应按商定 的规定定期进行。 1.3.2 操作和维护监控要求 1.3.2.1 应至少确认下列方面： （1） 风力发电机组的维护是由授权的且有资格的人员按照维护手册要求和规定的期限进行。 （2） 检查控制参数的设置是否满足设计文件中的限制值。2第2章 载第1节荷一般规定2.1.1 适用范围 2.1.1.1 本章适用于风力发电机组载荷的确定。 2.1.2 技术文件 2.1.2.1 应向本社提交下列技术文件： (1) 风力发电机组运行和控制系统的说明书； (2) 控制系统和安全系统限制值的说明（如功率曲线、风能利用系数、切入和切出风速、转速和 偏航系统的数据） ； (3) 对具有变桨距控制、变速或其它有关系统的控制流程和控制参数； (4) 标有基本尺寸的简图，及质量、惯性矩和重心数据的文件。对于风轮叶片，包括叶片几何数 据（扭角、弦长、相对厚度、翼型） 、质量和刚度分布资料等； (5) 不同雷诺数下不同相对厚度和迎角的翼型气动特性数据（升力系数，阻力系数和力矩系数） ； (6) 选用的坐标轴系（见本规范附录 1） ； (7) 载荷计算与评估报告（见本规范附录 2） ； (8) 制定载荷时，计算分析所采用的刚度、固有频率和阻尼系数等； (9) 叶片共振转速图（如 campbell 图） ，其中应考虑风轮叶片、传动链和塔架的固有频率和相应 的激励； (10) 机械刹车的转矩曲线； (11) 计算中所使用的风速表； (12) 运输、吊装和安装程序文件，包括安装和维护时最大允许的平均风速及制动要求。 2.1.3 载荷制定的原则 2.1.3.1 载荷制定是为了进行静强度和疲劳强度分析。 2.1.3.2 载荷制定应按本章第 2 节确定的外部条件和风力发电机组的运行状态相结合进行计算分 析。 2.1.3.3 疲劳强度分析应采用适用的方法，并考虑确定的影响因素（垂直风速梯度、塔影）和随 机的影响因素（局部阵风、风湍流）对风轮扫掠面积上风速不均匀分布的影响。 2.1.3.4 建立用于疲劳强度分析的载荷谱时，应包括适当的理论分析及计算，且应考虑所有外部 条件（尤其是风湍流）的影响。 2.1.3.5 应按外部条件和运行状态发生的概率对载荷情况予以细分。一般不考虑极端的外部条件 和极端的机组故障状态的组合。 2.1.4 安全等级 2.1.4.1 风力发电机组可按下列两种安全等级之一进行设计： （1）如结构失效，会导致人身伤害，或造成经济损失和产生社会影响时，采用正常安全等级； （2）如安全等级由当地规范和/或制造商与用户协商决定时，应采用特殊安全等级。 对正常安全等级风力发电机组的安全系数，本章 2.3.5 给出了详细说明。特殊安全等级风力发电 机组的安全系数应由制造商与用户协商。根据特殊安全等级设计的风力发电机组即为本章 2.2.2 定义的3S 级风力发电机组。第2节外部条件2.2.1 一般要求 2.2.1.1 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。 2.2.1.2 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。 2.2.1.3 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。 2.2.1.4 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。 2.2.1.5 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。 2.2.2 风力发电机组分级 2.2.2.1 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。 2.2.2.2 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。 ① 表 2.2.2.1 各等级风力发电机组的基本参数 风力发电机组等级 I 50 II 42.5 0.16 0.14 0.12参考风速 Vref 为 10min 平均风速；I 15 风速为 15m/s 时的湍流强度特性值。III 37.5S参考风速 Vref〔m/s〕A I 15 〔―〕 B C I 15 〔―〕 I 15 〔―〕由设计者确定各参数注：表中数据为轮毂高度处值，其中： A 表示较高湍流特性级； B 表示中等湍流特性级； C 表示较低湍流特性级；2.2.2.3 除表 2.2.2.1 的基本参数外，在风力发电机组设计中，还需要某些更重要的参数来规定外部 条件。对风力发电机组 IA～IIIC 级，统称为风力发电机组的标准等级，在本节 2.2.3、2.2.4、2.2.5 中规 定了这些等级的补充参数值。 2.2.2.4 一般风力发电机组的设计寿命应为 20 年。 2.2.2.5 对 S 级风力发电机组，制造商应在设计文件中阐述所采用的模型及主要设计参数值。采用 本章模型时， 对其参数值应作充分的说明。 级风力发电机组的设计文件应包含本规范附录 3 所列内容。 S① 年平均风速没有出现在表 2.2.2.1 中作为风力发电机组等级的基本参数。 对于按该表设计的标准等级的风力发电机组， 年平均风速 Vave = 0.2Vref。42.2.3 风况 2.2.3.1 风况的设计值须在设计文件中明确规定，风力发电机组应能承受所确定安全等级的风况。 2.2.3.2 从载荷和安全角度考虑， 风况可分为风力发电机组正常工作期间频繁出现的正常风况和 1 年或 50 年一遇的极端风况。 2.2.3.3 在许多情况下，风况可视为定常流与变化的阵风廓线或湍流的结合，在所有情况下，应 考虑平均气流相对水平面成 8о 角时的影响。假定此倾斜角不随高度改变而变化。 2.2.3.4 正常风况 (1) 风速分布 场地的风速分布对风力发电机组的设计至关重要。 对于正常设计状态， 其决定各载荷情况出现的频 率。应采用 10min 时间周期内的平均风速，来得到轮毂高度处平均风速 Vhub 的瑞利分布 PR(Vhub)，并由 下式给出： P R（Vhub）＝1― exp〔―π（VhubM2Vave）2 〕 式中： Vave＝0.2 Vref ，对标准等级的风力发电机组。 (2) 正常风廓线模型（NWP） 风廓线 V（z）可表示成平均风速随离地高度 z 的变化函数，对标准等级的风力发电机组，正常风 廓线由下列幂定律公式给出： V（z）＝V hub（zMz hub）a 式中： zhub――轮毂高度， 幂指数α假定为 0.2。 风廓线用于确定穿过风轮扫掠面的平均垂直风切变。 (3) 正常湍流模型（NTM） 风湍流是指 10min 内平均风速的随机变化。风湍流模型应包括风速变化，风向变化和旋转采样的 影响。湍流风速的三个矢量分量分别定义如下： ――纵向分量：沿着平均风速方向； ――横向分量：在水平面内，垂直于纵向分量： ――竖向分量：垂直于纵向分量和横向分量。 在给定轮毂高度的风速应按概率分布为 90%①分位点 对于正常湍流模型，湍流标准偏差特性值б1， 值给出。对标准等级的风力发电机组, 随机风湍流模型速度场应满足下列要求： a）纵向风速分量的标准偏差特性值б1 由下式给出： б1＝I 15（0.75Vhub + b） 式中：b=5.6 m/s； I15 由表 2.2.2.1 给出。假定标准偏差不随离地面高度变化。 平均风速方向的垂直分量应具有以下最小标准偏差②： ――横向分量：б2≥0.7б1 ――竖向分量：б3≥0.5б1 ，S ，作为频率 f 的函数应逼 b）在惯性子区间，三个正交分量的功率谱密度 S1（f） 2（f）和 S3（f） 近下列渐近线形式： S1（f）＝0.05（б1）2（∧1 / Vhub）-2/3 f -5/3 S2（f）= S3（f）= 4/3 S1（f） 在轮毂高度，纵向湍流尺度参数 Λ 1 由下式确定：① 如希望其它分为点的风速用于附加的可选载荷计算，对于标准等级的风力发电机组可采用对数正态分布和下列公式近似：E σ 1 Vhub Var σ 1 Vhub= I ref( 0.75Vhub+ c ) ; c = 3.8 m / s= I ref (1.4 m / s )()2② 实际值可取决于湍流模型的选择和 2.2.3.4（3）b）中的要求。5?0.7 zhub 当 zhub & 60m Λ1 = ? 当 zhub ≥ 60m ?42mc）应使用公认的模型，且模型的相关性定义为互谱的大小除以与纵向垂直的平面内空间离散点的 纵向速度分量的自谱。 建议使用满足上述要求的湍流模型：曼恩均匀剪切模型，见本规范附录 4。在附录 4 中，也给出了 另一个满足上述要求的经常使用的模型。 其它模型应慎重使用， 因为模型的选择会对载荷产生重大影响。 2.2.3.5 极端风况 极端风况用于确定风力发电机组的极端风载荷。极端风况包括由暴风造成的风速峰值、风向和风 速的迅速变化。 (1) 极端风速模型（EWM） EWM 可以是稳态风速模型或湍流风速模型。这个风模型基于参考风速 Vref 和一个确定的湍流 标准偏差б1。 ① 对于稳态极端风速模型，50 年一遇（N=50）和 1 年一遇(N=1)极端风速（3s 的平均值）Ve50 和 Vel 应作为高度 z 的函数用下式计算： Ve50 （z）＝1.4Vref （z／zhub）0.11 Vel （z）＝0.8 Ve50 （z） 式中：zhub―― 轮毂高，假定与平均风向短期偏离为±15°。 参考风速 Vref 按表 2.2.2.1 选取。 ② 对于湍流极端风速模型，50 年一遇（N=50）和 1 年一遇(N=1)的风速 10min 的平均值作为高 度 z 的函数用下式给出： Ve50 （z）＝Vref （z／zhub）0.11 Vel （z）＝0.8 Ve50 （z） ① 纵向湍流标准偏差б1 至少等于 0.11 Vhub。 (2) 极端运行阵风（EOG） ② 对标准等级的风力发电机组，轮毂高度处的阵风幅值 Vgust 由下列关系式给出：Vgust? ? ? ? σ1 ? = Min ?1.35 (Ve1 ? Vhub ) ;3.3 ? ? 1 + 0.1 D ? ? Λ1 ? ? ??? ?? ? ?? ?? ?? ??式中：б1―― 标准偏差，按本节 2.2.3.4（3）a)中的公式计算； ∧1―― 湍流尺度参数，按本节 2.2.3.4（3）b)中的公式选取； D ―― 风轮直径； 风速由下列方程式确定：?V ( z ) ? 0.37Vgust sin ( 3πt / T ) (1 ? cos ( 2πt / T ) ) ? V ( z.t ) = ? ?V ( z) ?式中：V（z）按本节 2.2.3.4（2）中的公式计算； T＝10.5 s。 (3) 极端风向变化（EDC）0≤t ≤T t & 0或t & T① 湍流极端风速模型的湍流标准偏差与正常湍流模型（NTM）或极端湍流模型（ETM）均无关。稳态极端风速模型与湍流极端风速模型 大约有 3.5 的峰值因子关系。 ② 阵风幅值被运行事件如起动和停止的概率校准来给出 50 年的重现周期。6极端风向变化幅值θeN 按下列关系式计算：? ? ? ? σ1 ? ? θ eN (t ) = ±4 arctan ? ? ? ?? ? ? Vhub ?1 + 0.1? D ? ? ? ? ? Λ1 ? ? ? ? ? ?式中：б1―― 标准偏差，按本节 2.2.3.4（3）a)中的计算； θeN―― 限定在±180°范围内； ∧1―― 湍流尺度参数，按本节 2.2.3.4（3）b)中的公式选取； D ―― 风轮直径； 极端风向瞬间变化θN（t）,由下式给出：?0 t&0 ? θ N (t ) = ?±0.5θ eN (1 ? cos (πt / T ) ) 0≤t ≤T ? t &T ?θ eN其中：T＝6s 为极端风向瞬时变化的持续时间。通过选择θN(t)的取值情况来确定产生最严重瞬时 加载。在风向瞬时变化结束时，假定风向保持不变，并按本节 2.2.3.4（2）中的公式确定风速。 (4) 极端湍流模型（ETM） 极端湍流模型应使用本节 2.2.3.4 （2） 的正常风廓线模型。 湍流纵向分量标准偏差按下式计算： б1＝c I ref [0.072（Vave / c + 3） hub / c - 4）+10] （V 式中： c=2 m/s (5) 方向变化的极端持续阵风（ECD） 方向变化的极端持续阵风的幅值为： Vcg＝15m/s 风速由下式确定：?V ( z ) t&0 ? V ( z , t ) = ?V ( z ) + 0.5Vcg [1 ? cos(πt / T )] 0 ≤ t ≤ T ?V ( z ) + V t &T cg ?式中 T=10s 是上升时间，风速 V（z）按本节 2.2.3.4（2）的正常风廓线模型给出。 假定风速的上升与风向的变化θcg(0 到θcg )同时发生。θcg 由下面的关系式确定：? ?180° ? θ cg (Vhub ) =? 720° m / s ? ? Vhub ?同步的方向变化角由下列关系式给出：Vhub & 4m s 4m s≤ Vhub ≤ Vref?0° t&0 ? 0≤t ≤T θ (t ) = ?±0.5θ cg (1 ? cos (πt / T ) ) ? t &T ?±θ cg7此处上升时间 T＝10 s。 (6) 极端风切变（EWS） 应用下列两个瞬时风速来计算极端风切变： 瞬时垂直风切变（有正负号） ：? α ? Z ? ? ? ? ?Vhub ? Z ? ? ? hub ? V ( z.t ) = ? ? α ? ? ? ?V ? Z ? ? hub ? Z ? ? hub ? ? ?1/4 ? ? ? ? ? ? ? Z ? Z ?? hub ? 2.5 + 0.2 βσ ? D ? ? ?1? cos ? 2π t ? ? ±? ? ? 1 ? Λ ? ?? ? ? T ?? ? D ?? ? ?? ? ? ? 1 ? ?? ? ?0 ≤ t ≤T t &0 t &T或瞬时水平风切变（有正负号） ：? α ? z ? ? ? ? ?Vhub ? z ? ? ? hub ? ? =? α ? ? ? ?V ? z ? ? hub ? z ? ? hub ? ? ?1/4 ? ? ? D ? ?? ? 2π t ? ? ? y ?? ± ? ? ? 2.5 + 0.2 βσ1 ? ? ? ?1? cos ? ? ?? ?? ?Λ ? ? ? D ?? ? T ?? ? 1 ? ?? ? ?0≤t ≤T t &0 或 t &TV ( y.z.t )式中：α＝0.2；β＝ 6.4；T＝12 s； ∧1―― 湍流尺度参数，按本节 2.2.3.4（3）正常湍流模型计算； D ―― 风轮直径。 应选择水平风切变正负号， 以求得最严重的瞬时载荷。 两种极端风切变应分别考虑， 不能同时应用。 2.2.4 其它环境条件 2.2.4.1 除风速外，其它环境（气候）条件如热、光、化学、腐蚀、机械、电或其它物理作用都 会影响风力发电机组的完整性和安全性，且气候因素共同作用会更加剧这种影响。 至少应考虑下列其它环境条件，并应将其影响在设计文件中说明： ― 温度； ― 湿度； ― 空气密度； ― 太阳辐射； ― 降雨、冰雹、覆冰和积雪； ― 化学活性物质； ― 机械活动颗粒； ― 雷电； ― 地震； ― 盐雾； ― 沙尘。 近海环境，需要考虑附加特殊条件。 设计中的气候条件可依照惯用值或气候条件变化范围来确定。选择设计值时，诸多气候条件同时 出现的可能性也应予以考虑。 对应 1 年周期里正常范围内气候变化不应影响风力发电机组设计的正常运 行工况。 除相关因素外， 本节 2.2.4.3 中的极端环境条件应和本节 2.2.3.4 中正常风况同时考虑。 2.2.4.2 其它正常环境条件 应考虑的其它正常环境条件包括： －设备正常工作环境温度范围-20℃～40℃；8－最高相对湿度小于或等于 95％； －大气成分相当于无污染的内陆大气； －太阳辐射强度 1000W/m2； －空气密度 1.225kg/m3。 由设计者规定附加外部环境条件参数时，这些参数值应在设计文件中说明，并应符合本社接受的 有关标准的要求。 2.2.4.3 其它极端环境条件 风力发电机组设计中应考虑的其它极端环境条件包括温度、雷电、 覆冰和地震。 (1) 温度 标准安全等级风力发电机组极端设计温度范围值至少应为-20℃～50℃ ① 如果安装场地的温度多年来平均每年低于-20℃或高于 50℃的全年天数超过 9 天，则温度的上 下限就得相应改变， 且应验证风力发电机组的运行和结构噪声在所选温度范围内。 如场地在多年内的平 均温度与本节 2.2.4.2 中的设计温度有超过 15℃的偏差，则应予以考虑。 ② 应考虑极端温度的以下影响： ―空气密度； ―材料的力学性能； ―热膨胀系数及其导致的应力； ―降温或升温设备的周围温度； ―电子设备及电子元件对温度的要求； ―安全控制系统中的元器件失效温度。 ―结冰对空气动力系数的影响。 (2) 雷电 本规范第 10 章防雷电措施适于标准等级的风力发电机组。 (3) 覆冰 标准等级的风力发电机组（安装在结冰地区）应按以下情况考虑覆冰影响： ① 风轮不旋转时，所有表面（包括风轮叶片）覆冰厚度达到 30mm，冰的密度 ρ E =700kg/m 。3② 风轮旋转时，要考虑所有风轮叶片上的覆冰和除一个叶片以外其它风轮叶片上的覆冰两种工 况。 其质量分布 （质量/单位长度） 假定在叶片前缘， 从风轮轴心为零到 0.5R 处线性增加到 μ E ， 0.5R 从 到叶片外端 R 处保持为常量， μ E 值计算如下：μ E = ρ E ? k ? cmin (cmax + cmin )式中： μ E ＝覆冰质量分布[kg/m]；ρ E =冰的密度（700kg/m3） ；cmax = 叶片最大弦长； cmin = 叶梢处弦长，从叶片轮廓线线性外推；k＝0.exp(-0.32R/R1)。 式中：R=风轮半径； R1=1m。9(4) 地震 标准等级的风力发电机组未提出抗震要求， 因为地震仅发生在世界上的少数区域。 在有可能发生地 震的地区，应对风力发电机组的场地条件验证工程的完整性。地震载荷评估可基于本规范附录 5。载荷 评估应考虑地震载荷和其它重要的、经常发生的运行负荷的组合。 地震载荷应由当地规范所规定的地面加速度和响应谱的要求来确定。 如当地规范不适用或没有提供 地面加速度和响应谱，则应对其进行适当的评估。 地面加速度应按 475 年的重现期评估。 地震载荷应和运行负荷叠加，其中运行负荷应取下述两种情况中的较大值： ① 风力发电机组寿命期内正常发电期间载荷的平均值； ② 在选定的风速下紧急关机期间的载荷，因关机前的载荷等于上述①所获得的载荷。 所有载荷分量的局部安全系数应取为 1.0。 地震载荷评估可用频域方法进行。该方法中，运行负荷直接加上地震载荷。 地震载荷评估也可用时域方法进行。 该方法中， 应采取充分的模拟以保证运行负荷代表上述①或② 的时间平均值。 上述任一种评估中所使用的塔架固有振动模态的阶数应按通用的地震规范来选取。如无这样的规 范，应使用总质量的 85％的总模态质量的连续模态。 结构抗力的评估可仅假设为弹性响应或韧性能量损耗。 但对所使用的特殊类型的结构 （如晶格结构 和螺栓连接件）应进行后期评估修正。 塔架的载荷计算和组合见本规范附录 5 的保守方法。 如除了塔架外， 地震还可能引起结构产生重要 载荷，则不应使用本规范附录 5 的方法。 2.2.5 电网条件 2.2.5.1 以下列出设计中要考虑的风力发电机组输出端正常条件。当相关参数在下述范围内时， 应采用正常电网条件： ――电压：额定值±10％； ――频率：额定值±2％； ――三相电压不稳定度：电压的负序分量与正序分量的比值不超过 2％； ――自动并网的时间间隔：应考虑第一次合闸后的重合时间间隔为 0.1s～5s 和第二次合闸后的重 合时间间隔为 10s～90s。 ――断电：假定一年内电网断电 20 次，断电持续时间不超过 6h①可认为是正常工况。风力发电机 组设计的最长断电持续时间为 1 周。第3节设计载荷2.3.1 一般要求 2.3.1.1 风力发电机组结构设计，应以承载零部件结构完整性验证为基础。零部件的极限强度和疲 劳强度应通过计算或试验验证，以证明相应安全等级的风力发电机组结构的完整性。① 假定运行 6h 对应于暴风最恶劣阶段的持续时间。102.3.1.2 结构分析应以 ISO 2394①或其它适用标准或手册为依据。 2.3.1.3 通过计算或试验验证以确定一个能够接受的安全等级，并证实载荷未超过设计值。 2.3.1.4 采用适当的方法计算时，设计文件中应有计算方法说明。这些说明应包括计算方法有效性 的证据或相应研究验证的参考文献。任何试验中的载荷水平应能反映相应计算中的安全系数。 2.3.1.5 所验证的极限状态应不超过风力发电机组设计状态。 ISO 2394 所指， 如 模拟试验和原理试 验可代替结构设计验证计算。 2.3.2 载荷 设计计算中应考虑本节 2.3.2.1～2.3.2.4 规定的载荷。 2.3.2.1 惯性力和重力载荷 惯性力和重力载荷是由于振动、 转动、 地球引力和地震引起的作用在风力发电机组上的静态和动态 载荷。 2.3.2.2 空气动力载荷 空气动力载荷是由气流与风力发电机组的不动和运动部件相互作用引起的静态和动态载荷。 气流取 决于风轮转速、通过风轮平面的平均风速、湍流强度、空气密度和风力发电机组零部件气动外形及其相 互影响（包括气动弹性效应） 。 2.3.2.3 冲击载荷 冲击载荷是由风力发电机组的运行和控制产生的。冲击载荷包括由风轮起动和停转、发电机/变流 器接通和脱开、 偏航和变距机构的激励及机械刹车等引起的瞬态载荷。 在各种情况的响应和载荷计算中， 应考虑有效的冲击力的范围，特别是机械刹车摩擦力、弹性力或压力,还应考虑温度和老化的影响。 2.3.2.4 其它载荷 风能产生的其它载荷，如可能产生的波浪载荷、尾流载荷等均应考虑。 2.3.3 设计工况和载荷情况 2.3.3.1 本条规定了风力发电机组的设计载荷情况，并规定了设计中应考虑的载荷情况的最低数 量。 2.3.3.2 可用一组包含风力发电机组可能经历的最重要状态的设计工况来给出风力发电机组的寿 命。 2.3.3.3 确定载荷情况应以具体的装配、吊装、维修、运行状态或设计工况同外部条件的组合为 依据，必须考虑具有合理出现概率的所有相关载荷情况，以及控制和保护系统的特性。 2.3.3.4 通常用于确定风力发电机组结构完整性的设计载荷情况，可由下列组合进行计算： ――正常设计工况和相应的正常外部条件； ――正常设计工况和相应的极端外部条件； ――故障设计工况和相应的外部条件； ――运输、安装和维修设计工况和相应外部条件。 2.3.3.5 如极端外部条件和故障工况之间存在某种联系，则应将两者的实际组合作为一种设计载 荷情况。① ISO 2394 定义极限状态和使用状态如下：结构和作用于其上的力的一种状态，一旦超过这种状态，结构不再满足设计要求。设计计算 的目的是要使所研究的结构处在规定极限值以下。例如：最大极限状态相当于： 视为刚体的结构或其一部分失去平衡（如倾覆） ； 由于超过极限强度（或由于交变载荷强度减少）或材料最大变形，造成结构危险剖面的断裂； 机构机理破坏，失去稳定（弯曲等） 。例如，使用效能和影响结构件或非结构件外表的变形； 造成不舒适，影响非结构件或设备的超标振动（尤其是发生共振） ； 减少结构耐久性和影响使用功能或影响结构件或非结构件外表的局部损伤。 为了在设计中控制使用极限状态，通常使用一个或多个约束，如规定最大变形、最大加速度、最大裂纹等。112.3.3.6 在各种设计工况中，应考虑用几种设计载荷情况以验证风力发电机组零部件的结构完整 性。至少应考虑表 2.3.3.6 规定的设计载荷情况。 2.3.3.7 在特殊风力发电机组设计中，如需要，应考虑与安全有关的其它设计载荷情况。 2.3.3.8 对每种设计工况，在表 2.3.3.6 中用 F 和 U 规定了分析用的类型。F 表示疲劳载荷分析,用 于疲劳强度评定；U 表示极限载荷分析，如超过材料最大强度分析、叶尖变形分析和稳定性分析。 2.3.3.9 标有“U”的设计工况，又分为正常（N） ，非正常（A） ，运输和安装（T）等类别。在风 力发电机组寿命期内， 正常设计工况是要频繁出现的， 风力发电机组经常处于正常状态或仅出现短时的 异常或轻微的故障。非正常设计工况出现的可能性较小，它的出现往往将产生严重故障，并激活安全系 统功能。设计工况的形式 N、A 或 T 决定极限载荷使用的局部安全系数γf ，见表 2.3.5.2。 2.3.3.10 表 2.3.3.6 给出了风速范围， 且考虑到导致风力发电机组设计最不利状态的风速。 可将风 ① 速范围分为若干段，每一段用离散值表示，且离散的精度 应能充分保证计算的准确性。在设计载荷情 况定义中，应使用本章所确定的风况。 载荷情况设计工况 DLC 1.1 风况①表 2.3.3.6其它情况 极端事件外推 分析类型 U 局部安全系数 NNTM Vin & Vhub & Vout NTM Vin & Vhub & Vout ETM Vin & Vhub & Vout ECD Vhub = Vr-2m/s ,Vr,Vr+2m/s EWS Vin & Vhub & Vout NWP Vin & Vhub & Vout NWP Vhub = Vr 或Vout NWP Vhub = Vr 或Vout NTM Vin & Vhub & Vout NTM Vin & Vhub & Vout EOG Vhub = Vr±2m/s 和 Vout NTM Vin & Vhub & Vout NWP Vin & Vhub1.2F*1.3 1.4 1.发电 1.5U U U②N N N1.6覆冰F/U②*/N1.7温度作用②UN1.8地震U**2.1控制系统故障或电网 失效 保护系统或内部电气 故障 外部或内部电气故障， 包括电网失效 控制、 安全或电气系统 故障，包括电网失效UN2.2 2.发电和有故障 2.3UAUA2.4F*3.1 3.起动 3.2 3.3& VoutF U U* N NEOG Vhub =Vin ，Vr±2m/s 和 Vout EDC Vhub =Vin ，Vr±2m/s 和 Vout① 一般 2m/s 的精度认为是足够的。124.正常关机4.1 4.2NWP Vin & Vhub& VoutF U U U 电网失效 极端偏航角误差 U U F②* N N N A N *EOG Vhub =Vr±2m/s 和 Vout NTM Vhub = Vr±2m/s 和 Vout EWM 50 年重现周期 EWM 50 年重现周期 EWM 1 年重现周期 NTM Vhub & 0.7Vref EDC50 Vhub = Vref NWP Vhub = 0.8Vref NWP Vhub & 0.8Vref EWM 1 年重现周期 EOG1 Vhub = VT EWM 1 年重现周期 漩涡诱导横向振动 覆冰5.紧急关机5.1 6.1 6.2 6.3 6.46.停机（静止 或空转）6.5U②N6.6温度作用UN6.7 7.停机和有故障 7.1 8.1 8.2 8.3 缩写见注。 * **可能地震②U U U U FN/** A T A *8.运输、安装、维 护、修理疲劳局部安全系数（见 2.3.5.3） ； 地震局部安全系数（见 2.2.4.3） ；① 如果未确定切出风速 Vout ，则用 Vref 代替。 ② 三种载荷情况――覆冰、温度作用、地震（可能地震） ，由设计者根据安装场地的气象条件选用。注：DLC 设计载荷状态 ECD 方向变化的极端持续阵风（见 2.2.3.5(5)） EDC 极端风向变化（见 2.2.3.5(3)） EOG 极端运行阵风（见 2.2.3.5(2)） EWM 极端风速模型（见 2.2.3.5(1)） EWS 极端风切变（见 2.2.3.5.(6)） NTM 正常湍流模型（见 2.2.3.4(3)） ETM 极端湍流模型（见 2.2.3.4(4)） NWP 正常风廓线模型（见 2.2.3.4(2)）Vr±2m/s 在所分析的范围中对所有风速的灵敏度F U N A T 疲劳 极限 正常的 非正常的 运输和安装2.3.3.11 发电（DLC1.1～1.8） 在此设计工况，风力发电机组处于运行状态，并有电负载。风力发电机组总布局应考虑风轮不平衡 的影响。 在设计计算中应考虑风轮制造所规定的最大质量和气动不平衡限制 （如叶片的变距角和扭转角13偏差） 。 在运行载荷分析中，应考虑实际运行同理论上最佳运行工况的偏差，例如偏航和控制系统误差。 DLC1.1 和 DLC1.2 应包括在风力发电机组正常运行中，由大气湍流（NTM）引起的载荷要求，在所研究 的风速范围内，风速间隔的离散精度应不大于 2 m/s 。 DLC1.1：模拟数据的统计分析，至少应包括叶片根部摆振力矩和挥舞力矩及叶梢变形的极值计算。 如这些参数的极端设计值小于 DLC1.3 的极端设计值，则可省略 DLC1.1 的进一步分析。如这些参数的 极端设计值大于 DLC1.3 的极端设计值，则对于 DLC1.3 中所使用的极端湍流模型，本节 2.2.3.5（4）的 公式中系数 c 可一直增大，直至 DLC1.3 计算的极端设计值等于或大于 DLC1.1 计算的参数的极端设计 值。 DLC1.2：在疲劳载荷计算中，如可能，应包括每年 700 次的发电机开关操作（高速/低速和低速/ 高速） 。此外，在水平轴风力发电机组主动偏航控制的情况下，如偏航速度超过 15/R（单位?/s，其中 R 2 2 ，在整个使用寿命期内应考虑偏航系统的运 是风轮半径，单位 m）或偏航加速度超过 450/R （单位?/s ） 行。在使用寿命期的 10％期间内应考虑偏航系统的运行。且还应考虑平均风速从 Vin 到 Vr 和从 Vr 到 Vin 的 每年 300 次的变化，及平均风速从 Vr 到 Vout 和从 Vout 到 Vr 的每年 50 次的变化。 DLC1.3：包含了极端湍流引起的极端载荷要求。 DLC1.4～DLC 1.5：规定了瞬态情况作为风力发电机组寿命期内的潜在危险事件，在 DLC 1.5 中应 考虑导致风力发电机组最不利工况的风轮起动位置，且风轮起动位置的间距应不超过 30?。 DLC1.6：考虑潮湿的天气条件和覆冰，应按本节 2.2.4.3（3）模拟覆冰作用。在疲劳载荷分析中， 制造商应设定覆冰作用下风力发电机组运行的持续时间。 DLC1.7：应根据本规范第 6、7、8 章的部件分析考虑本节 2.2.4.3（1）的温度影响。 DLC1.8：在发生地震的风险区域应考虑地震引起的载荷。本设计载荷情况包括地震和地震可能触 发的关闭程序的重叠。 2.3.3.12 发电和有故障（DLC2.1～2.4） 此设计工况包括在风力发电机组运行过程中由故障或电网失效触发的瞬时事件。 控制系统和安全保护系统的任何故障，或电气系统的内部故障（如发电机短路） ，对风力发电机组 负载有明显影响。 DLC2.1：与控制系统相关的故障或电网失效属正常事件。 DLC2.2：保护系统或内部电气系统出现的故障为罕见事件。 DLC2.3：潜在的重要风况 EOG 与内部或外部电气系统故障（包括电网失效）相结合属罕见事件， 在此载荷情况，应适时选择这两种事件以产生最不利的载荷。 DLC2.4：如故障或电网失效不能引起立即停机且随后产生的载荷可导致重大疲劳损伤，应在正常 湍流工况中评估此工况的可能持续时间和导致的疲劳损伤。 2.3.3.13 起动（DLC3.1～3.3） 此设计工况包括从任一静止位置或空转状态，到发电过渡期间对风力发电机组产生载荷的所有事 件。 DLC3.1：应考虑每年至少以 Vin 起动 1000 次，以 Vr 起动 50 次，以 Vout 起动 50 次。如可行，应根据 场地要求考虑更多的起动程序。 2.3.3.14 正常关机（DLC4.1～4.2） 此设计工况包括从发电到静止或空转状态的正常过渡期间对风力发电机组产生载荷的所有事件。 DLC4.1：应考虑每年至少以 Vin 关机 1000 次，以 Vr 关机 50 次，以 Vout 关机 50 次。如可行，应根据 场地要求考虑更多的关机程序。142.3.3.15 紧急关机（DLC5.1） 此设计工况应考虑由于应急关机引起的载荷增量。 2.3.3.16 停机（静止或空转） （DLC6.1～6.7） 此设计工况，风力发电机组处于停机状态，风轮可能静止或空转。 在 DLC6.1、 和 6.3 中， 6.2 应使用极端风速模型 （EWM）在 DLC6.4 中， 。 应使用正常湍流模型 （NTM） 。 。在 DLC6.7 中，应使用正常风廓线 在 DLC6.5 中，应使用重现周期为 50 年的极端风向变化（EDC50） 模型（NWP） 。 如设计载荷情况的风况为极端风速模型（EWM） ，可用稳态极端风速模型或湍流极端风速模型。如 用湍流极端风速模型，应使用完全的动态仿真或准定常分析对响应进行评估，并用 ISO4354 中的公式 对阵风和动态响应进行适当修正。如用稳态极端风速模型，应评估准定常分析对共振响应的影响。如共 振响应与背景响应之比（R/B）小于 5%，可使用稳态极端风速模型进行静态分析。如风力发电机组偏航 系统在特征载荷下产生滑移， 平均偏航误差应加上最大的可能不利滑移。 如风力发电机组的偏航系统在 极端风况下的运动可预计（如自动偏航、被动偏航或半自动偏航） ，可使用湍流极端风速模型，并由湍 流方向变化和风力发电机组的偏航动力响应控制偏航误差。 而且， 如果在风速从正常运行到极端工况的 增长期间，风力发电机组产生大的偏航运动或平衡变化，其也应在分析中考虑到。 DLC6.1：在本载荷情况中，如保证平均偏航角误差不会变大和偏航系统不会滑移（无需考虑额外 的偏航误差） ，对于稳态极端风速模型，应假设瞬态倾斜角为±15?，或对于湍流极端风速模型，平均倾 斜角为±8?。否则，应使用偏航角误差为±180?。 DLC6.2：在本载荷情况中，在极端风况暴风的初期应假设电网失效。如无独立的电力系统来保证 控制系统至少运行 7 天和偏航系统工作 6 小时，应假设偏航角误差为±180?。 DLC6.3：在本载荷情况中，应采用 1 年重现周期的极端风和极端倾斜流或平均极端倾斜流。对于 稳态的极端风速模型假设极端倾斜角为±30?，对于湍流极端风速模型假定平均倾斜角为±20?，在 DLC6.3 中不必考虑额外的偏航误差。 DLC6.4： 如在疲劳载荷作用下， 零部件会产生较大的损伤 （如空转时叶片重量引起的） 在 DLC6.4 ， 中应考虑相应风速下所预期的不发电小时数。 DLC6.5：本设计载荷情况包括天气条件和覆冰。覆冰应根据本节 2.2.4.3（3）模拟。不必考虑额 外的偏航误差。 DLC6.6：应根据本规范第 6、7、8 章的部件分析考虑本节 2.2.4.3（1）的温度影响。 DLC6.7：在基础设计中，地面出现裂口的分析中应考虑本载荷情况。 2.3.3.17 停机和有故障（DLC7.1） 此载荷情况考虑由故障所引起的静止或空转状态。应对电网或风力发电机组故障引起停机后的风 力发电机组正常特性变化进行分析。 在停机工况中， 如风力发电机组正常特性变化是由任一非电网失效 故障引起时，则各种可能的后果应进行分析。故障状态应同极端风速模型（EWM）及一年一遇的外部 条件结合起来进行分析。本载荷情况中，对于稳态极端风速模型应假设瞬时倾斜角为±15?，或对于湍 流极端风速模型平均倾斜角为±8?。 且不必考虑额外的偏航误差， 除非偏航系统本身有故障， 此情况下， 应采用偏航误差为±180?。如不能排除偏航系统有滑移，则应采用偏航误差为±180?。 2.3.3.18 运输、安装、维护和修理（DLC8.1~8.3） DLC8.1：制造商应规定风力发电机组运输、安装、维护和修理所假定的所有风况和设计工况。如 果它们对风力发电机系统产生大的载荷， 则在设计中应考虑最大允许风况。 制造商应允许在规定工况和 设计中所考虑的风况之间有足够的储备，以给出可接受的安全水平。足够的储备可在规定风况上增加 5m/s 来获得。 DLC8.2：包括风力发电机组的运输、安装、维护和修理状态，且这些状态可持续一周以上。相应 的状态应包括部分完成的塔体、塔体竖立（不含机舱罩） 、风轮（不含叶片） 。可假定所有叶片同时安装。 应假定所有状态中电网未连接。 只要采取的措施不需电网连接， 在所有状态期间可采取措施来减少载荷。 锁定装置能够承受 DLC8.1 相应状态的的载荷，特别应考虑最大设计激励力的影响。15DLC8.3：由于漩涡脱落引起的横向振动在塔架的验证中应按本规范 6.6.5.4 和 6.6.6.1（5）进行研 究。 2.3.4 载荷计算 2.3.4.1 对每种设计载荷情况，应考虑本节 2.3.2.1～2.3.2.4 所规定的载荷。若与下列因素有关， 也应予以考虑： （1）由风力发电机组自身（尾流诱导速度、塔影效应等）引起的空气流场扰动； （2）三维气流对叶片气动特性的影响（如三维失速和叶尖气动损失） ； （3）非定常空气气动力学效应； （4）结构动力学和振动模态的耦合； （5）气动弹性效应； （6）风力发电机组控制系统和保护系统的影响。 2.3.4.2 风力发电机组应避免与塔架共振（见本规范 6.6.5.1） ，如在塔架共振频率附近运行，应采 用适当的振动监控系统。对载荷计算的评估，应规定和考虑允许振动的合适的极限值。 2.3.5 极限限制状态分析 2.3.5.1 方法 局部安全系数分析方法取决于载荷和材料的不确定性和易变性、 分析方法的不确定性以及失效零件 的重要性。 （1）局部安全系数 为保证载荷与材料的安全设计值，载荷与材料的不确定性和易变性可用下列两个公式确定的载荷 局部安全系数与材料局部安全系数进行补偿。 F d ＝ γ f Fk 式中：Fd ―― 载荷的设计值；γ f ―― 载荷局部安全系数；Fk ―― 载荷的特征值。f d=式中：fd ―― 材料特性设计值；1γmfkγ m ―― 材料局部安全系数；fk ―― 材料性能特征值。 载荷局部安全系数还应考虑下列因素： ――载荷特征值出现不利偏差的可能性； ――载荷模型的不确定性。 材料局部安全系数还应考虑下列因素： ――材料强度的特征值出现不利偏差的可能性； ――零件截面抗力或结构承载能力计算不准确的可能性； ――几何参数的不确定性； ――结构材料性能与试样上所测性能之间的不确定性； ――换算因子的不确定性。 这些不确定性仅在个别局部安全系数中存在。本规范与大多数其它标准一样，载荷的相关因素并16入系数 γ f ；材料的相关因素并入系数 γ m 。 （2）重要失效局部安全系数 γn 与构件分类 引入重要失效系数 γn，以便进行区分： 一类构件安全系数： 用于失效-安全结构件， 结构件的失效不会引起风力发电机组重要零件的失效， 如被监测的可替换轴承。 二类构件安全系数：用于非失效-安全结构件。结构件的失效会迅速引起风力发电机组重要零件的 失效。 三类构件安全系数： 用于非失效-安全机械结构件。 连接驱动和刹车到主要结构部件的机械结构件， 用于实现风力发电机组非冗余保护功能。 风力发电机组极限限制状态的分析，应按下列四种相应的分析类型进行： ――极限强度分析（见本节 2.3.5.2） ； ――疲劳损伤分析（见本节 2.3.5.3） ； ――稳定性分析 (见本节 2.3.5.4） ； ――临界挠度分析（叶片与塔架机械干扰等） （见本节 2.3.5.5） 每种分析都要求用不同的极限状态函数表示，并用局部安全系数来考虑各种不确定性。 （3）材料标准的应用 确定风力发电机组结构完整性，可采用国家或国际的相应材料设计标准。当国家或国际标准中的 安全系数与本规范安全系数同时使用时， 应保证最终的安全水平不低于本规范的安全水平。 考虑各种类 型的不确定性，如材料强度的固有可变性、加工控制范围或加工方法等，不同的标准将材料局部安全系 ， 数 γ m 又细分为若干局部安全系数。本规范给出材料局部安全系数，即所谓 “一般材料局部安全系数” 仅由强度参数固有变化决定。如果材料标准给出其它不确定局部安全系数，则也应加以考虑。 2.3.5.2 极限强度分析 极限状态函数可分成载荷函数 S 和抗力函数 R，不超出最大极限状态的公式为：γ n ? S Fd ≤ R f d( )( )极限强度分析用的载荷函数 S 为结构响应的最大值。结构抗力函数 R 是材料抗力允许的最大设计 值，故 R（fd）＝fd。当同时作用多个载荷时，公式变为：S( γ f 1 F r 1 , ... , γ fn F rn ) ≤1γ mγ nfk为了对风力发电机组的每个构件进行评定，应用表 2.3.3.6 的各种载荷情况进行极限强度分析。用 本节 2.3.5.2 的作用多个载荷时的极限状态方程校核最临界极限状态，以有最小裕度为基础进行确定。 在载荷情况包括给定风速范围的湍流时，特征载荷超越概率的计算应考虑本章 2.2.3.4（1）给出的 风速分布。因为许多载荷计算包括限定时段的随机模拟，由要求的重现期而确定的特征载荷，可能会大 于任何模拟的计算值。使用湍流计算特征载荷可参见本规范附录 6。 ，对于 如正常设计工况下任意 10min 周期的最大值小于或等于 3.8×10-7 （即重现期 50 年一遇） DLC1.1，载荷的特征值应由统计载荷外推法确定，且符合超越概率，见本规范附录 6。 对于指定确定风场的载荷情况，载荷特征值的最差情况是由瞬时值计算。当用湍流时，对于不同 10min 周期的随机模拟，应采用最差情况计算的载荷的均值。除 DLC2.1，2.2 和 5.1 之外，载荷的特征 值应为最大载荷的最大一半的均值。 (1) 载荷局部安全系数 载荷局部安全系数至少应取表 2.3.5.2 中的规定值。17对于表 2.3.5.2 中规定的正常和非正常设计工况的载荷，其局部安全系数的使用，要求载荷计算模 型由载荷测量验证过。 这些测量应在空气动力学、 控制和动力响应与设计条件相似的风力发电机组上进 行。 载荷局部安全系数 γ 非良性载荷 设计工况类型（见表 2.3.3.6） 所有设计工况 正常（N） 1.35 非正常 （A） 1.1 运输、安装（T） 1.5 0.9f表 2.3.5.2 良性载荷对于设计载荷情况 DLC1.1，载荷是在规定的风速 Vin 和 Vout 之间，用统计载荷外推法确定的，对 于正常设计工况，应取载荷局部安全系数 γ f =1.25。 如对于正常设计工况，载荷响应的特征值 Fgravity 由于重力对于所考虑的设计工况是可计算出来的， 且重力是非良性载荷，则由重力和其它来源的载荷组合，载荷的局部安全系数可取下列值：γ f =1.1+φ??=?2?0.15 ? 0.25对于DLC1.1 其它情况? Fgravity ?1 ? Fk ? =? ?1 ?Fgravity ≤ Fk Fgravity & Fk(2) 无通用设计规范的材料局部安全系数 材料局部安全系数应根据充分有效的材料性能试验数据确定。考虑到材料强度的固有可变性。当 所用材料的一般局部安全系数 γ m 应不小于 1.1。 该 使用 95％存活率及 95％置信度①的典型材料性能时， 系数用于有延性②的构件，且这些构件的失效会导致风力发电机组主要构件失效。如：焊接的管状塔架、 塔架法兰连接、焊接的机械结构或叶片连接。失效模式包括： ――延性材料屈服； ――在单个螺栓失效后，足够多数量的螺栓提供强度 1/ γ m 的螺栓连接中的螺栓断裂。 对非失效－安全的无延性的机械/结构部件，它们的失效会迅速导致风力发电机组主要构件的失 效。材料的一般局部安全系数应不小于： ――1.2，对于整体屈服的曲壳，如管状塔架和叶片； ――1.3，对于超过拉伸或压缩强度而产生的破裂。 为了从一般系数导出综合材料系数，必须考虑尺寸效应、公差，以及由于外部环境如紫外线辐射、 湿度和不能正常发现的缺陷造成的材料容限的降低。 (3) 重要失效局部安全系数① 特征强度参数应选择 95％的分位数（由 95％置信度确定）或按制定的常规对代表性样品进行检验的材料的证明值。 ② 延性不仅包括延性材料，而且包括特性像延性材料的构件（如由于内部冗余） 。18一类构件： γ n ＝0.9 二类构件： γ n ＝1.0 三类构件： γ n ＝1.3 (4) 有通用设计规范的材料局部安全系数γ （ 、 载荷、 材料的局部安全系数和重要失效局部安全系数 γ f 、 m 和 γ n 应不小于本节 2.3.5.2 1）2.3.5.2（2）和 2.3.5.2（3）的规定。 2.3.5.3 疲劳损伤 疲劳损伤可通过适当疲劳损伤容限计算来估计。根据麦纳（Miner）准则，累积损伤超过 1 时，达 到极限状态。在风力发电机组的寿命期内，累积损伤应小于或等于 1。∑ N (γim nγ γ f Si )ni≤ 1.0式中：ni――载荷特性谱 i 区段中疲劳循环次数，包括所有载荷情况； Si――i 区段中与循环次数相对应的应力（或应变）水平，包括平均应力和应力幅的影响； ； N（.）――至零件失效的循环次数，它是应力（或应变）函数的变量（即 S－N 特性曲线）γ m , γ n , γ f ―分别为材料局部安全系数、重要失效局部安全系数、载荷局部安全系数。使用麦纳准则的范例公式可见本规范附录 7。 (1) 载荷局部安全系数 正常和非正常设计工况载荷局部安全系数 γ f 均为 1.0。 (2) 无通用设计规范的材料局部安全系数 如 S―N 曲线存活率为 50％，而变异系数小于 15％，则材料局部安全系数 γ m 应至少为 1.5。对于 大变异系数构件的疲劳强度①，即变异系数为 15％～20％（如合成物制成的构件，例如钢筋混凝土或合 成纤维） ，局部安全系数 γ m 必须相应地增大，至少到 1.7。 疲劳强度应从统计的大量试验中确定，要获得特征值时应考虑尺寸效应、公差，以及由于外部环 境如紫外线辐射影响和不能正常发现的缺陷造成的材料损伤容限的降低。 对于焊接和结构钢，传统上使用存活率为 97.7%的 S―N 曲线，可取 γ m =1.1。在进行定期检查可 能发现临界裂纹扩展的情况下，可使用 γ m 的较低值。在所有情况下， γ m 应大于 0.9。 对于合成纤维，实际材料的强度分布应由试验数据确定。S―N 曲线应基于 95%存活率和 95%的 置信度，这种情况下 γ m 可取 1.2。对于其它材料也可使用同样的方法。 (3) 重要失效局部安全系数 一类构件： γ n ＝1.0；① 这里的疲劳强度是以给定循环次数的应力范围来定义。19二类构件： γ n ＝1.15； 三类构件： γ n ＝1.3。 (4) 有通用设计规范的材料局部安全系数 载荷、材料局部安全系数和重要失效局部安全系数应不小于本节 2.3.5.3(1)、2.3.5.3(2)和 2.3.5.3(3) 的规定。 2.3.5.4 稳定性 在设计载荷下，非失效-安全承载零部件不允许屈曲，而其它零部件允许产生弹性变形。在特征载 荷作用下，任何构件不允许屈曲。 载荷局部安全系数 γ f 的最小值应根据表 2.3.5.2 中选取来得到设计值。材料局部安全系数应不小 于本节 2.3.5.2（2）中的规定值。 2.3.5.5 临界挠度分析 应验证表 2.3.3.6 所列的设计工况没有产生影响结构完整性的变形。 特别需要验证叶片与塔架之间 无机械干扰。 对于表 2.3.3.6 所列的载荷情况，应使用特征载荷确定不利方向上的最大弹性变形，并将计算结果 乘以载荷局部安全系数、材料局部安全系数和重要失效局部安全系数。 载荷局部安全系数 γ f 由表 2.3.5.2 选取；弹性材料局部安全系数 γ m =1.1，但当弹性材料特性是由 实尺寸试验确定时， γ m 可减少到 1.0。应特别注意几何形状的不确定性和挠度计算方法的准确性。 重要失效局部安全系数： 一类构件： γ n ＝1.0； 二类构件： γ n ＝1.0； 三类构件： γ n ＝1.3； 在最不利方向上，应将弹性变形叠加到不变形的部位，并将其最终位置与无干扰的必要条件进行 比较。 也可使用动力学方法分析变形。用这种方法确定的特征变形，与用表 2.3.3.6 中的各种载荷情况确 定的特征载荷相对应的特征变形在某种意义上是一致的。两者在最不利方向的超越概率也应是相同的。 应将特征变形乘以载荷局部安全系数、 材料局部安全系数和重要失效局部安全系数， 并叠加到上述不变 形部位。 2.3.5.6 特殊局部安全系数 由测量或在测量基础上的分析得出的载荷值，如果比正常置信度高，可采用较低的载荷局部安全 系数。所有使用的局部安全系数值应在设计文件中加以说明。20第3章 设第1节3.1.1 适用范围 3.1.1.1 本章适用于风力发电机组的设计。计一般规定3.1.2 定义 3.1.2.1 风力发电机组设计系是指风力发电机组的风轮子系统、传动子系统、电气子系统、控制 子系统和结构子系统等的计算分析和设计工作。 3.1.3 技术文件 3.1.3.1 对风力发电机组进行设计评估，应提供设计报告、计算报告、试验报告、设计图纸、使 用手册、安装手册和维护手册等技术文件。 3.1.3.2 风力发电机组的设计报告主要应包括下列内容： （1） 总体设计； （2） 风轮设计； （3） 传动系统设计； （4） 偏航系统设计； （5） 电气系统设计； （6） 控制和安全系统设计； （7） 防雷设计； （8） 塔架和基础设计。 3.1.3.3 除风力发电机组各部件设计技术文件中相关的计算内容外，还应分别提供整个风力发电 机组载荷计算报告、结构动力特性分析计算报告和传动系统的振动特性计算报告。第2节总体设计3.2.1 设计原则 3.2.1.1 在规定的外部条件、设计工况和载荷情况下，应保证风力发电机组在设计使用寿命内能 安全正常运行。 3.2.1.2 风力发电机组重要部件应能承受所有可预见的外部的作用力，并应保证其局部的故障不 会导致整体的破坏。 3.2.1.3 应考虑有关部件检查和维护的可行性，对无法进行检查和维护的零部件，设计时应保证 其在设计使用寿命内的可靠性和耐久性。 3.2.1.4 应根据不同外部条件和设计工况确定载荷情况并编制载荷谱。 3.2.1.5 应根据安全等级确定载荷局部安全系数和材料局部安全系数。本规范规定了正常安全等 级风力发电机组的局部安全系数。对特殊安全等级风力发电机组的局部安全系数可由制造商与用户商 定，并经本社同意。 3.2.1.6 应根据外部条件、设计工况和载荷情况选用本社认可的材料，其质量要求和试验条件应 符合本社接受的标准的有关规定。213.2.1.7 应考虑风力发电机组零部件制造的工艺性和运输吊装的可行性。 3.2.1.8 应考虑风力发电机组噪声对环境的影响，采取措施降低气动噪声和机械噪声。 3.2.1.9 除考虑风况外，还应考虑风力发电机组的其它外部条件(温度、湿度、空气密度、太阳辐 射、雨雪、冰雹、覆冰、沙尘、雷电、地震、盐雾等)。通过零部件设计、材料选择和防护措施减少其 外部条件对风力发电机组安全性和完整性的影响。 3.2.1.10 应按本规范 2.2.5.1 考虑风力发电机组输出端的电网条件。 3.2.1.11 风力发电机组应进行综合优化设计，并应考虑其技术经济性。 3.2.2 设计方法 3.2.2.1 风力发电机组设计时，应对风力发电机组及其零部件的极限限制状态和使用限制状态进 行下列分析： （1） 极限强度； （2） 疲劳； （3） 稳定性； （4） 变形限制； （5） 动力学。 3.2.2.2 风力发电机组零部件的强度分析可以采用应力法。应力计算一般采用传统的方法，如不 能正确确定应力时，可采用有限元等数值计算方法计算。 3.2.2.3 风力发电机组零部件的疲劳分析可采用简化疲劳验证法和循环载荷谱的损伤累积法。 3.2.2.4 风力发电机组的变形限制分析一般采用传统的方法，如不能正确确定变形时，可采用有 限元等数值计算方法计算。 3.2.2.5 风力发电机组的稳定性分析和动力学分析可采用本社认可的方法。 3.2.3 数学模型 3.2.3.1 通常风力发电机组设计时借助数学模型来确定载荷和应力，对风力发电机组及其零部件 的结构特性和流场特性要做简化处理。 3.2.3.2 空气动力计算一般采用定常或准定常的计算模型。当需要考虑尾流、塔影、气动弹性、 动态失速和三维流动等效应时，则必须考虑非定常空气动力的影响。 3.2.3.3 结构应力计算选择的数学模型应与所研究的限制状态相一致，尺寸的确定应尽可能建立 在试验结果的基础上。 3.2.4 质量保证 3.2.4.1 质量保证是风力发电机组设计的一个组成部分，质量保证体系应遵循 ISO9001 或 GB/T19000 系列的要求。 3.2.5 标牌 3.2.5.1 设计时应在风力发电机组标牌上清楚地标识下列资料： （1） 制造商和国家； （2） 型号或系列号； （3） 生产年份； （4） 额定功率； （5） 额定风速； （6） 运行风速范围； （7） 运行温度范围； （8） 风力发电机组等级；22（9） 输出端额定电压； （10） 输出端频率。第3节部件设计3.3.1 风轮设计 3.3.1.1 叶片初步设计，应在给定的安全等级下确定叶片的气动外形和风轮的总体参数，并计算 风轮性能和载荷，必要时可在风洞中进行风轮模型试验，以验证风轮叶片气动设计的准确性。 3.3.1.2 叶片结构设计，应在规定的设计工况和载荷情况下通过计算分析和/或试验，使其满足静 强度、动强度和疲劳强度的要求，以保证风轮在设计使用寿命内安全正常运行。 3.3.1.3 为使风轮叶片和其它部件之间保持最小的间隙，应进行风轮运行时变形限制分析。 3.3.1.4 叶片动力学设计，应通过计算分析和/或试验，确定叶片的固有特性、振动特性和阻尼特 性，使其在规定的设计工况下满足结构稳定性和气动弹性稳定性的要求。 3.3.1.5 应通过计算分析和/或试验使桨毂在规定的设计工况和载荷情况下满足强度和刚度的要 求。 3.3.1.6 风轮各零部件之间的连接件应在规定的设计工况和载荷情况下满足强度和刚度的要求。 3.3.2 机械部件设计 3.3.2.1 应在规定的设计工况和载荷情况下通过计算分析和/或试验对机械零部件及连接件进行强 度分析。 3.3.2.2 应对机械部件中的传动系统进行振动特性的计算分析，使其在规定的设计工况下满足稳 定性的要求。 3.3.2.3 风力发电机组主要承受动载荷的机械零部件及连接件应进行疲劳分析，疲劳分析一般采 用计算方法，也可采用在模拟运行条件下进行零部件试验的方法。 3.3.2.4 液压系统的设计使其在压力丧失或发生故障时能处于安全状态。 3.3.3 电气系统设计 3.3.3.1 应保证风力发电机组在正常和极端的外部条件下运行和维修时不对人员和设备造成损 害。 3.3.3.2 电气设备及元器件必须保证风力发电机组在其设计使用寿命内正常运行。 3.3.3.3 电气系统的设计应考虑风力发电机组独立运行方式和并网运行方式。 3.3.4 控制和安全系统设计 3.3.4.1 控制系统应保证风力发电机组在规定的外部条件、运行工况和载荷情况下能安全正常地 运行。 3.3.4.2 安全系统应保证风力发电机组在发生故障时仍能保持安全状态。 3.3.4.3 控制和安全系统按失效―安全原则设计，即当系统中个别部件发生故障仍能可靠工作， 保持功能不变。 3.3.4.4 控制和安全系统应相互独立，当控制功能和安全功能发生冲突时，控制系统的功能应服 从安全系统的功能。 3.3.5 塔架和基础设计 3.3.5.1 塔架和基础应在规定的外部条件、设计工况和载荷情况下稳定地支撑风轮和机舱(包括发 电机和传动系统)，以保证风力发电机组安全正常运行。233.3.5.2 塔架和基础应具有足够的强度、承受作用在风轮和塔架上的静载荷和动载荷。 3.3.5.3 应通过计算分析和/或试验确定塔架和基础系统(有机舱和无机舱)的固有特性和阻尼特 性，并对塔架(有机舱和无机舱)进行风轮旋转引起的振动、风引起的顺风向振动和横风向振动进行计算 分析，使其在规定的设计工况下满足稳定性和变形限制的要求。24第4章 材料与制造第1节 一般规定4.1.1 适用范围 4.1.1.1 本章适用于风力发电机组使用的所有材料。 4.1.2 材料的选择 4.1.2.1 风力发电机组中承受较高静载荷或动载荷的重要零部件以及受力较小但对设备运行特别 重要的其它零部件所使用的材料, 应由本社认可的制造商制造并具有质量合格证书或经本社批准使用 的材料。 4.1.2.2 材料应与所处的环境条件、零部件的承载类型、零部件的设计相适应。所用材料应在送 审资料中标明。 4.1.2.3 如选用本章未涉及的材料，则应符合本社接受的相关标准的要求，并应考虑风力发电机 组的环境条件和工作状况。 4.1.3 材料试验 4.1.3.1 材料试验应根据部件的重要性、应力大小和制造后试验的类型和范围确定。 4.1.3.2 风力发电机组中承受较高静载荷或动载荷的重要零部件以及受力较小但对于设备的运行 特别重要的其它零部件所使用的材料，应由材料制造商提供试验报告，且须经本社复验合格。 4.1.3.3 一般零部件使用的材料根据材料制造商出具的试验报告予以鉴定。 4.1.3.4 材料试验报告应符合本社接受的有关标准要求。报告应包括材料数据、标记，以便能可 靠地跟踪零部件。 4.1.3.5 如需要，本社可要求重新进行材料试验。试验的类型和范围应经本社同意。 4.1.4 防腐蚀 4.1.4.1 防腐蚀一般应充分考虑陆地（沙尘）和近海（盐雾等）气候条件的影响。 4.1.4.2 防腐蚀设计应满足如下要求： （1） 结构设计应符合 ISO12944.3 和 ISO12944.5 或本社接受标准的要求，并应考虑腐蚀裕度和 腐蚀防护。 （2） 易腐蚀的表面应设计得尽可能光滑。任何必要的加强件、接头和管子等,应尽可能地布置在 腐蚀风险低的部位。难以进行维护的空心零部件应焊接牢固。 （3） 应采用斜面、排水管或排水孔等相应的措施，以避免积水或积聚其它腐蚀性物质。还应采 用通风等措施减少冷凝作用。 （4） 焊接留下的焊渣、焊珠和松散的飞溅等残余物应予以清除。当对涂层和腐蚀应力有要求时， 熔入材料表面的飞溅和焊珠也应清除。 （5） 清除毛刺并修圆锐边。 4.1.4.3 涂层应满足如下要求： （1） 不能用涂层和保护层保护的部位，应使用合适的材料。海洋性气候中使用的材料，应符合 相关标准要求。 （2） 涂层的选用应符合 ISO12944.3 和 ISO12944.5 的要求。 （3） 对需用涂层保护的表面，其设计应保证表面预加工、操作、检查和维护工作能顺利进行。25第2节材料4.2.1 钢材 4.2.1.1 结构钢 （1） 用于塔架、基础结构等的结构钢，可按 GB/T700 和 GB/T1591 选用 Q235B、Q235C、Q235D、 Q275B、Q275C、Q275D、Q345B、Q345C、Q345D、Q345E 等材料；经本社同意，也可选用其它结构钢。 （2） 钢管可按表 4.2.1.1 所列标准选用，经本社同意，也可使用其它等效标准。 结构钢管 无缝钢管 焊接钢管 GB/T8162 GB/T13793 承受内压的钢管 GB/T8162 或 GB/T3078 GB/T13793（3） 一般非承载部件使用的结构钢应具有足够的强度， 如有特殊要求还应具有特殊的性能(如冷 加工特性，可焊性等)，与重要部件或承载部件连接处的焊接不应对零部件产生不利影响。 4.2.1.2 铸钢 （1） 本章 4.1.2.1 规定的零部件，可按 GB/T11352 选用 ZG200-400，ZG230-450，ZG270-500 等 材料。经本社同意，也可选用其它具有等效机械性能和焊接性能的铸钢。 （2） 铸钢材料的缺口冲击试验应在最低设计温度下进行。 （3） 当铸钢件用于焊接时，本节 4.2.1.2(1)中所列牌号钢的含碳量应不大于 0.23%，铬和钼的 总含量应达到 0.3%。各合金元素的含量应由制造商出具证明。 （4） 铸钢件应根据铸造类型进行回火或调质热处理。 （5） 铸钢件表面和内部应无气孔、裂缝、缩孔、冷隔、结疤，以及影响铸钢件使用的其它缺陷。 （6） 凡拟采用焊补方法对铸钢件的缺陷进行修补时，应将所探明缺陷的数量、大小和部位的草 图以及焊补工艺规程，提交本社认可。 4.2.1.3 不锈钢 （1） 不锈钢材料应按 GB/T1220、GB/T6967 选用，并应考虑材料的抗腐蚀能力和加工性能(如焊 接等)。经本社同意，也可选用其它不锈钢材料。 （2） 焊接结构只能使用适合焊接并保证具有抗晶间腐蚀能力的不锈钢， 一般是钛或铌/钽含量稳 定或含碳量不超过 0.03%的牌号。 4.2.1.4 锻钢 （1） 本章 4.1.2.1 规定的零部件使用的锻件和棒材应按 GB/T 699、GB/T3077 选用，或选用性能 不低于上述标准的其它锻件和棒材。不锈钢锻件可按 GB/T 1220 选用。 （2） 生产工艺 ① 锻钢治炼工艺由生产厂自定，但应镇静脱氧。其化学成分和机械性能应符合有关标准的规定。 ② 钢锭的顶部和底部应切去足够的弃料，以保证成品锻钢件中不致有缩孔或偏析等有害缺陷。 ③ 尽可能将锻钢件制成接近成品大小和形状， 且有合理的加工余量。 不允许有露出锻件芯部的超 量（如锻件直径或厚度等特征尺寸的 1/3）机械加工，以免影响产品的品质。所选变形程度应使锻件的 中心部位充分地锻到。对主要呈纵向纤维的锻钢件，其锻造比应不小于表 4.2.1.4 的规定。 ④ 盘形锻钢件(如齿轮)应采用镦粗法锻制， 如钢坯经过锻造比不低于 1.5:1 的初锻， 则该盘形锻 钢件的任何部位的厚度应不大于该钢坯长度的 1/2。 如所用的胚料系直接切自钢锭或者钢坯经过锻造比 低于 1.5:1 的初锻，则该盘形锻钢件任何部分的厚度应不大于原坯料长度的 1/3。26锻钢件的锻造比锻 制 方 法 直接由钢锭锻制或由钢锭锻成的钢坯锻制 由轧制产品锻制③ 总 锻 造 比表 4.2.1.4①②L＞D 时，3:1 L≤D 时，1.5:1 L＞D 时，4:1 L≤D 时，2:1注：① 锻造比系指钢锭平均横截面积与锻钢件截面积(毛坯)之比，如果钢锭经过初锻，则可取初锻后的平均横截面面积作为计算锻造比的 基准。 ② L 和 D 系指成品锻钢件的长度和直径。 ③ 作为代替锻钢件的轧制钢棒，其总锻造比应不小于 6:1。⑤ 环形锻钢件和其它类型的空心锻钢件应由切自钢锭或钢坯的料段锻制。 而这些坯料在扩孔或滚 锻之前，应先经充分锻打，例如锻造比不低于 2：1 的纵向加工或镦粗，然后再钻孔或冲孔。该类锻钢 件的壁厚应不大于该空心坯料壁厚的 1/2。 ⑥ 对要求具有一定纤维方向的锻钢件，例如曲轴，其制造工艺应提交本社认可。 ⑦ 如采用焊接连接两件或多件锻件， 焊接工艺应提交本社认可。 对此， 本社可要求焊接工艺试验。 （3） 热处理 ① 所有锻件应以与材料相适应的方式进行热处理。 热处理应在有效期内的炉内进行。 不同材料的 热处理使用的炉子尺寸、 等级必须符合相应标准的规定。 当锻件大到不能在现有的炉内进行正火处理时， 可采用等效的热处理方法，其热处理工艺应提交本社认可。 ② 所有热锻