第一部分：设计要求
1 范围
为保证风力机的工程完整性，IEC61400的这个部分详细说明了基本设计要求。其目的是制定一个恰当的保护等级，以防止机组在计划寿命期内受到损坏。
本标准设计涉及到风力机的各子系统，如控制和保护机构，内部电气系统，机械系统及支撑结构。
本标准适用于各种大小的风力机。对于小型风力机IEC61400-2可能适用。 本标准应与第二部分提到的IEC和ISO标准结合使用。
2 引用标准
下列标准所包含的条文，通过在本标准中引用而成为本标准的条文。凡是注日期的引用文件，只有被引用的版本适合本标准。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括任何的修订）适用于本标准。
IEC 60204-1:1997, Safety of machinery – Electrical equipment of machines – Part 1: General requirements
IEC 60204-11:2000, Safety of machinery – Electrical equipment of machines – Part 11:Requirements for HV equipment for voltages above 1 000 V a.c. or 1 500 V d.c. and notexceeding 36 kV
IEC 60364 (all parts), Electrical installations of buildings
IEC 60721-2-1:1982, Classification of environmental conditions – Part 2: Environmental conditions appearing in nature. Temperature and humidity
IEC 61000-6-1:1997, Electromagnetic compatibility (EMC) – Part 6: Generic standards –Section 1: Immunity for residential, commercial and light-industrial environments
IEC 61000-6-2:1999, Electromagnetic compatibility (EMC) – Part 6: Generic standards –Section 2: Immunity for industrial environments 15
IEC 61000-6-4:1997, Electromagnetic compatibility (EMC) – Part 6: Generic standards –Section 4: Emission standard for industrial environments
IEC 61024-1:1990, Protection of structures against lightning – Part 1: General principles
IEC 61312-1:1995, Protection against lightning electromagnetic impulse – Part 1: General principle
IEC 61400-21:2001, Wind turbine generator systems – Part 21: Measurement and assessment of power quality characteristics of grid connected wind turbines
IEC 61400-24: 2002, Wind turbine generator systems – Part 24: Lightning protection
ISO 76:1987, Rolling bearings – Static load ratings
ISO 281:1990, Rolling bearings – Dynamic load ratings and rating life
1
ISO 2394:1998, General principles on reliability for structures ISO 2533:1975, Standard Atmosphere
ISO 4354:1997, Wind actions on structures
ISO 6336 (all parts), Calculation of load capacity of spur and helical gears ISO 9001:2000, Quality management systems – Requirements 3 术语和定义
本标准采用下列定义。 3.1 年平均
数量和持续时间足够充分的一组测量数据的平均值，供作估计期望值用。平均时间间隔应为整年，以便将不稳定因素如季节变化等平均在内。 3.2 年平均风速Vave
按照年平均的定义确定的平均风速。 3.3 自动重合周期
故障消除且电网重新接通后，断路器闭合需要的大约0.01s到数秒的一段时间。 3.4 锁定（风力机）
利用机械销或其他不会意外松动的装置，而不是通常的机械制动盘，防止风轮或偏航机构运动。
3.5 制动器（风力机）
能降低风轮转速或者停止风轮旋转的装置。
注：制动器可以靠空气动力、机械或者电动力工作。 3.6 特征值
不能达到的规定的概率值。(也就是 ) 3.7 复杂地形带
风电场场地周围属地形显著变化的地带或有能引起气流畸变的障碍物地带。 3.8 控制功能 (风力机)
基于风力机信息和/或环境信息，控制和保护系统的功能是，调节风力机，使其保持在工作要求范围内。 3.9 切入风速 vin
在风速稳定时，风力机开始发电时，轮毂高度处的的最低风速。 3.10 切出风速 vout
在风速稳定时, 风力达到设计功率时，轮毂高度处的的最高风速。 3.11 设计极限
设计中采用的最大值或最小值。 3.12 潜伏故障
正常工作中零部件或系统存在的未被发现的故障。 3.13 下风向 主风方向 3.14 电网
用于输送和分配电能的专用设备、变电所、电线电缆。
2
注：电网各组成部分之间的界限由适当的判别标准如地理位置，所有权归属，电压级别等来确定。
3.15 紧急关机（风力机）
保护装置系统触发或人工干预下，使风力机迅速关机。 3.16 环境条件
影响风力机性能的环境特征（风，海拔高度，温度，湿度等）。 3.17 外部条件（风力机）
影响风力机工作的诸因素，包括环境条件（温度，雪，冰等）和电网条件。 3.18 极端风速
T秒内平均最高风速，它可能是特定周期（重现周期：N年）N年一遇。
注：本标准的重现周期N=50年和N=1年，平均时间t=3s和t=10s。极端风速俗称“安全风速”。本标准中的极端风速是为了设计风力机的载荷状况。 3.19 失效—安全
设计特性中的一项，为避免由故障引发产品严重破坏。 3.20 阵风
风速的短暂变化。
注：阵风可用上升时间、幅度和持续时间表达。 3.21 水平轴风力机
风轮轴基本上平行于风向的风力机。 3.22轮毂（风力机）
将叶片或叶片组固定到转轴上的装置。 3.23 轮毂高度（风力机）zhub
从地面到风轮扫掠面中心的高度。（见3.51，扫掠面） 3.24空转（风力机）
风力机缓慢旋转但不发电的状态。 3.25 湍流惯性负区
风速湍流谱的频率区间，该区间内涡流达到均质后逐步破碎，其能量损失忽略不计。 注：在典型的10m/s风速，惯性负区大致在0.2Hz~2kHz间。 3.26 极限状态
载荷作用于结构上的一种状态，若超出此范围，结构就不再满足设计要求
注：设计计算（极限状态的设计要求）的目的是使达到极限状态的可能性保持在某一规定值（见ISO2394）范围之内。 3.27 对数风切变律
见3.62 3.28 平均风速
给定时间内瞬时风速的平均值，给定时间从几秒到数年不等。 3.29 机舱
设在水平轴风力机塔架顶部，内装有传动和其他装置的机壳。 3.30电网联接点（风力机）
对单台风力机是输出电缆的终端，而对风电场是与电力汇集系统总线的联接点 3.31 网损
不在风力机控制系统控制中的运转时间内的网络损失。 3.32 正常关机（风力机）
3
全过程都是在控制系统控制下进行的关机。 3.33工作范围
由风机设计者确定的支配控制系统和安全防护系统动作的诸多条件。 3.34风力机停机
根据风力机设计的不同，停机指的是风力机静止或是空转的状态。 3.35电力汇集系统（风力机）
汇集一台或多台风力机的电能的电力系统，包括所有的连接在风力机终端和电网联结点之间的所有电气设备。 3.36 风切变幂律
（见3.62） 3.37功率输出
以特殊的方式，为达到特定的目的通过一种装置输出的功率。 注：由风力发电机组输出的电功率。 3.38保护功能
控制和保护系统所具有的确保风力机在设计极限范围内运行的功能。 3.39 额定功率
部件、装置或设备在规定的运行条件下能达到的功率，通常由制造厂给出。 注：在正常运行条件下，风力机设计能达到的最大连续电力输出。 3.40 额定风速Vr
风速稳定时，风力机达到额定功率输出时，轮毂高度处的最小风速。 3.41 瑞利分布PR
概率分布函数，见3.63 3.42参考风速 Vref
用于确定风力机级别的基本风速参数。与气候有关的其他设计参数可以从参考风速和其他基本等级参数中的得到（参见第6部分）。
它在轮毂高度处承受的50年一遇10min注：对于参考风速为Vref的某一级别的风力机，的平均最大风速，应小于或等于参考风速Vref。
3.43旋转采样风矢量
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，流谱产生空间变化。最终的湍流谱包括相当大一部分转动频率下的流谱变化和由此产生的谐量。 3.44风轮转速（风力机）
风力机风轮绕其轴的旋转速度。 3.45粗糙长度 zo
在假定垂直风廓线随离地面高度按对数关系变化的情况下，平均风速为0时算出的高度。
3.46 定期维护
按预定的日期进行的预防性维护。
4
3.47 场地数据
风力机所在位置的环境、地震、土壤和电力网的数据。没有特殊规定的话，风数据都按10min的取样来统计。 3.48静止
风力机的停止状态。 3.49支撑结构（风力机）
由塔架和基础组成的风力机部分。 3.50安全风速
结构所能承受的最大设计风速的俗称。
注：本标准不采用这一术语。设计时参考极端风速（见3.18） 3.51 扫掠面积
风轮叶尖旋转运动所作的圆在垂直于风速矢量平面的投影面积。
3.52 湍流强度I
风速的标准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。3.53 湍流尺寸参数 Λ1
无量纲的纵向功率谱密度等于0.05时的波长。 注：波长定义为Λ1=Vhubfo，其中f0S1(f0)σ21=0.05
3.54 湍流标准偏差
σ1
轮毂高度处湍流风矢量垂直分量的标准偏差。 3.55 最大极限状态
通常指风力机处于能承受最大载荷的极限状态。（ISO2394，修订） 3.56 不定期维修
不是根据确定的时间表，而是根据对某一状态的迹象而确定的临时性维护。 3.57 上风向
主风方向的相反方向。 3.58 垂直轴风力机
风力轴垂直的风力机。 3.59 威布尔分布 PW
概率分布函数，见3.63 3.60 风电场
见3.61 3.61风电场
由一批风力发电机组或风力发电机组群组成的电站。 3.62 风廓线—风切变律
风速随离地面高度的数学表达式
注：通常用（1）对数廓线（2）指数廓线
v(Z)=v(Z(ZZ0)r)×
lnln(Z
rZ0) 5
(1)
式中：
α⎛Z⎞
v(Z)=v(Zr)×⎜⎟
⎝Zr⎠
(2)
v(Z)
高度Z处的风速；
Z 离地面的高度； Zr 用于拟合风廓线的离地面标准高度； Z0 粗糙长度；
α 风切变指数（或幂） 3.63 风速分布
用于描述时限内风速概率分布的函数。
注：通常应用的函数是锐利分布函数PR(vo)和威布尔分布函数Pw(vo)
2
PR(vo)=1−exp⎡−π(Vo2Vave)⎤
⎣⎦
(3)
k
Pw(vo)=1-exp⎡-(v0C)⎤
⎣⎦
vave
⎧⎛1⎞⎫
CΓ1+⎪⎜k⎟⎪⎪⎝⎪⎠=⎨⎬
π⎪⎪，如果=Ck2⎪⎪⎩2⎭
(4)
式中：
P(v0) v0 vave
C
k
累积概率函数，也即v 威布尔分布函数的形状参数； Γ 伽马函数 C和k均由真值推算出。如果k=2，且C和vave满足(4)式k=2的条件，则瑞利分布函数和威布尔分布函数相同。 分布函数表达的是风速小于v0的累积概率函数。如果估算v1到v2之间的分布，则式 [P(v1)−P(v2)]给出了v1与v2间的各风速对时间的分布函数。对分布函数求导就能得出相 应的概率密度函数。 6 3.64 风切变 风速在垂直于风向平面内的变化。 3.65 风切变指数α 通常是幂定律指数，参见3.62 3.66 风速V 空间特定点的风速为该点周围气体微团的移动速度。 注：风速也是当地风矢量（见3.69）的幅值。 3.67 风力发电机组 将风的动能转换为电能的系统。 3.68 风机站点 单独的风力机或者风场中某一风机的位置 3.69 风矢量 标有被研究点周围气体微团运动的方向，幅值等于该气体微团运动速度（即该点风速）的矢量。 注：空间任意一点的风矢量是气体微团通过该点时位置对时间的导数。 3.70 风机电力系统 所有内部电气设备到风力机，一直到并包括风力机终端，包括接地、连接和通讯设备。由风力机到地线网络的一段导线也包括在内。 3.71 风力机终端 风力机供电器上的一点，通过它风机被接到电力汇集系统上。它还包括为输送电能和通讯目的的连接。 3.72 偏航 风轮轴绕垂直轴的旋转（仅适用于水平轴风力机） 3.73 偏航角误差 风轮轴线偏离风向的水平偏差。 4符号和缩写 4.1符号和单位 C 威布尔分布函数的尺度参数 湍流结构修正参数 CCT CT 推力系数 Coh 相干函数 风轮直径 频率 材料强度的设计值 材料强度的特征值 设计载荷 7 D f fd fk Fd Fk Iref Ieff k K L 载荷特征值 10分钟内平均风速为15m/s时，轮毂高度处湍流密度的期望值 有效湍流密度 威布尔分布函数的形状参数 修正的贝赛尔函数 均匀湍流整体尺度参数 相干尺度参数 速度分量的总体尺度参数 Wöhler曲线指数 Le Lk m ni 载荷柜i中疲劳循环次数 用S-N特性曲线来表示应力函数时的故障周期数 极限状况出现周期 幸存概率 瑞利概率分布，也即v 轮毂高度处年平均风速 风轮扫掠面上极端相干阵风值 N年一遇极大风速（平均3s）期望值，ve1，ve50分别表示一年一遇和50年一遇 N(.) N p PR(V0) Pw(V0) r si S1(f) Sk T t V V(z) Vave Vcg VeN Vgust 50年一遇极大阵风期望值 8 Vhub Vin V0 Vout Vr Vref V(y,z,t) V(z,t) x,y,z zhub zr z0 α β δ Γ γf γm γn (t) θcg θe Λ1 σ^ 轮毂高度处风速 切入风速 风速分布模型中极限风速 切出风速 额定风速 参考风速 用于描述瞬时水平风切变的纵向风速分量 用于描述极限阵风瞬时变化和风切变状况的纵向风速分量 用于描述风场的坐标系，分别为纵向风，横向风和垂向风 风力机轮毂高度 离地面的参考高度 对数风廓线的粗糙长度 风切变指数 最大风向变化模型参数 变化系数 伽马函数 载荷安全系数 材料安全系数 损伤安全系数 风向变化过渡过程 阵风方向与平均风速方向最大偏离 N年一遇最大风向变化 由波长确定的湍流尺度参数，无量纲，纵向能谱强度fS1(f) σ2 等于 10.05 湍流标准偏差估计值 9 θσeff σwake σT σσ σ1 σ2 σ3 EVar ^^ ^ 湍流标准偏差估计值的有效值 尾随湍流标准偏差 最大的中心尾流标准偏差 湍流标准偏差估计值有效值的标准偏差 轮毂高度处纵向风速标准偏差 轮毂高度处垂向风速标准偏差 轮毂高度处横向风速标准偏差 支架内部参数的期望值 支架内部参数的方差 4.2 缩写 A 异常（安全系数） a.c. 交流电 d.c. 直流电 DLC 设计载荷情况 ECD 风向变化的最大相干阵风 EDC 最大的风向变化 EOG 最大工作阵风 ETM 最大湍流模型 EWM 最大风速模型 EWS 最大风切变 F 疲劳 N 正常的或最大（安全系数） NWP 正常风速廓线模型 NTM 正常湍流模型 S IEC风机分类 T 运输和安装（安全系数） U 极限 5 基本要素 5.1 概述 为了保证风力机结构、机械、电气系统和控制系统的安全，在下面的条款中给出了技术要求。这些技术要求应用于风力机的设计、制造、安装、和维护以及相关的质量管理过程。此外，已有的风力机的安装、运输和维护要求中的各种安全规程也必须遵守。 5.2 设计方法 10 本标准要求采用结构动力学模型，以便预测设计载荷。这个模型应用第6章指出的湍流和其他极端风况以及第7章规定的设计状况来确定风力机工作风速范围内的载荷。应对规定的外部条件与设计工况和载荷情况的所有相关组合进行分析。 风力机的整体结构试验数据，能提高设计数据的可信度，并能验证结构动力模型设计的合理性。 应通过计算和试验来验证设计的合理性。如果用试验验证，则试验室的极限条件必须满足本标准规定的特性值和设计状况。试验条件的选择，包括试验载荷在内，必须考虑相关的安全因素。 5.3 安全等级 风机可按下面两种安全等级中的一种进行设计： ——一般安全等级，当失效的结果能导致人身伤害或造成经济损失和产生社会影响时，采用这一等级。 ——特殊安全等级，当安全取决于局部调整或制造厂与用户二者协商决定时，采用这一等级。 一般等级风机的安全系数，本标准7.6条详细说明。 特殊等级风机的安全系数必须由制造厂与用户协商同意。根据特殊安全等级设计的风机即为6.2条定义的S级风级。 5.4 质量保证 质量保证是风力机及其零部件设计、采购、制造、安装和维护的主要部分。 建议质量体系遵照ISO9001要求。 5.5 风力机铭牌 下列内容应突出明显地标示在永久性的产品铭牌上： 风机的制造厂和国家； 型式和产品编号； 生产日期； 额定功率； 参考风速，Vref； 轮毂高度处工作风速范围，Vin−Vout 工作环境的允许温度范围； IEC风力机等级（见表1）； 风力机输出端额定电压； 风力机输出端频率或频率范围，通常额定频率偏差大于2%时为频率允许变化范围。 6外部条件 6.1概述 风力机的设计应考虑本章阐述的外部条件。 风力机要承受环境和电气条件的影响，这些影响主要体现在载荷、使用寿命和正常工作等几个方面。为保证一定的安全性和可靠性水平，在设计中要考虑到环境、电力和土壤参数并在设计文件中予以明确规定。 环境条件可进一步划分为风况和其他外部条件。电气条件指的是电网条件。土壤特性关系到风机的基础设计。 11 各类外部条件可再细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的是周期性结构载荷状况。极端外部条件代表罕见的外部设计条件。潜在的临界外部设计条件与风力机运行模式和其他设计情况相结合构成了设计载荷情况。 对结构整体而言，风况是最基本的外部因素。其他环境条件对设计特性，诸如控制系统功能、耐久性、锈蚀等有影响。 根据风机安全等级的要求，设计中要考虑的正常和极端条件详见下列相关条款。 6.2 风机等级 设计中要考虑的外部条件由风力机安装场地或场地类型决定。风力机的等级取决于风速和湍流参数。分级是为了达到充分利用的目的，使风速和湍流参数在不同的场地大体再现，而不是与某一特定场地精确吻合，见11.3节。分级为分机提供了一个的由风速和湍流参数决定的明显的界定。表1规定了确定风机等级的基本参数。 设计人员和用户需要一个更高的风机等级，S级，用于特定风况或特定外部条件或一个特定的安全等级，见5.3。S级的设计值由设计者选取并在设计文件中详细说明。特定设计中，选取的设计值所反映的环境条件要比预期的用户使用环境更为恶劣。 详细的外部条件被分为等级Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ，既不包括近海的状况和热带风暴(象飓风、 龙卷风、台风) 的风况，这些情况要求风力机设计为S级。 表1 风力机等级的基本参数 风力机等级 Ⅰ Ⅱ Ⅲ S Vref (m/s) A Iref(−) B Iref(−) C Iref(−) 表中：各数值应用于轮毂高度。 50 42.5 37.5 0.16 0.14 0.12 由设计者规 定各参数 Vref表示参考风速10分钟的平均值， A 表示较高湍流特性级， B 表示中等湍流特性级， C 表示较低湍流的性级 Iref表示在15m/s时湍流密度的期望值。 除了基本参数以外，在风力机设计中还需要其他一些重要的参数规定外部条件。后面称之为风力机ⅠA~ⅢC中增加的参数在6.3，6.4和6.5条中加以说明。 Ⅰ到Ⅲ级的风力机设计寿命至少为20年。 对S级风力机，制造厂应在设计文件中阐述所采用的模型及主要设计参数值。采用第6章的模型，对其参数值应作充分的说明。S级风力机的设计文件包含附录A所列内容。 加在本章后面的小标题后括号中的缩略语是用来描述7.4章定义的设计载荷所需要的风况。 6.3 风况 风力机应设计成能承受由其等级决定的风况。 风况的设计值须在设计文件中明确规定。 12 从载荷和安全角度出发风况风力机正常工作期间频繁出现的标准风况和一年或50年一遇的极端风况两种。 大部分情况下，风况包括一个恒定的平均气流，这个平均气流结合了一个变化的确定性阵风廓线或者湍流。在所有情况下，应考虑平均气流与水平面夹角达8°的影响。假定此角的大小不随高度的改变而变化。 “风湍流”一词表示的是10分钟平均风速的随机变化。湍流模型使用时应包括风速、风切变和风向的变化效应并允许通过风切变的变化旋转取样。湍流的这三个分矢量定义为： ——纵向：平均风速方向 ——横向：水平且垂直纵向的方向 ——上向：垂直于纵向和横向，也就是从垂线方向倾斜一个平均气流倾斜角的方向 标准的风力机等级，湍流模型的风矢量应满足下列要求。 (a) 湍流标准偏差，σ1，其值在后面小节中给出，应假设其不随离地面高度变化。垂直于平均风速方向的两个分量有如下的最小标准偏差： ——横向分量：σ2≥0.7σ1 ——上向分量：σ3≥0.5σ1 （b）纵向湍流尺寸参数，Λ1，在轮毂高度z处由下式确定 ⎧0.7z z≤60m Λ1＝⎨ ⎩42m z≥60m (5) 随频率在惯性负区的增加，三个互相垂直的分量的能量谱密度，S1(f)、S2(f)和 S3(f)，逐渐接近下列形式： −2−5 S1(f)=0.05σ(Λ1Vhub)21 3f 3 (6) S2(f)=S3(f)= 4 S1(f) 3 (7) （c）将使用一个公认的相干模型，这个模型定义为联合光谱数与纵向速率分量的自动谱在纵向方向的法线面上的空间离散点处的比值。 满足上述要求的Mann均匀切变湍流模型由附录B给出。其他满足上述要求的常用模型也在附录B给出。其余的模型应慎用，因为模型的选择会严重影响载荷。 6.3.1 正常风况 6.3.1.1 风速分布 风速分布对于风机的设计至关重要，，因为它决定正常设计情况下各级载荷出现的频率。 13 10分钟平均风速按瑞利分布计算，此时轮毂高度概率分布为： 2⎤−PR(Vhub)=1−exp⎡π(V2V)hubave⎣⎦ (8) 其中，对标准的风机等级，Vave应按照式(9)选取。 6.3.1.2 正常风廓线模型（NWP） Vave=0.2Vref (9) 风廓线V(z)表所示的是平均风速随离地面高度z变化的函数。对风机的标准级， 正常的风廓线由幂函数给出： V(z)=Vhub(zzhub)α (10) 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切变。 6.3.1.3 正常湍流模型（NTM） 对正常湍流模型，湍流标准偏差的代表值σ1，90%情况下由轮毂高度处的风速给出。对标准风机等级，这个值由下式给出： σ1=0.2Iref(0.75Vhub+b); 5.6m/sb= (11) 湍流标准偏差σ1和湍流密度σ1Vhub如图1a和1b所示。Iref的值由表1给出。 图1 a 正常湍流模型的标准偏差 14 图1b 正常湍流模型的湍流密度 图1 正常湍流模型 6.3.2 极端风况 极端风况包括风切边及由暴风造成的风速峰值及风向和风速的迅速变化。 6.3.2.1 极端风速模型（EWM） EWM可以是稳定风模型或者湍流风模型。这些风模型由参考风速Vref和固定的湍流标准偏差σ1的来定义。 对于稳定的极端风速模型，50年一遇和1年一遇极端风速Ve50和Ve1作为高度z的函数用下式计算： 和 Ve50(z)=1.4Vref(zzhub)0.11 (12) Ve1(z)=0.8Ve50(z) (13) 在稳定的极端风速模型中，与平均风向的短期偏离允许值可以通过假定固定的偏航角误差在±15°来确定。 对于湍流极端风速模型，50年一遇和1年一遇的10分钟内平均风速作为高度z的函数用下式计算： V50(z)=Vref(zzhub)0.11 (14) 15 V1(z)=0.8V50(z) 纵向湍流标准偏差为： σ1=0.11Vhub 6.3.2.2 极端工作阵风 标准等级风机轮毂高度处阵风幅值Vgust由下面关系是给出： ⎧⎪⎛⎞⎫ V=Min⎪⎜⎨1.35(Vσ1⎟⎪gust ⎪ e1−Vhub);3.3⎜⎜⎟⎪⎬⎪1+0.1(D ⎩ ⎜⎝Λ)⎟⎪1⎟⎠⎪⎭式中： σ1 由公式（11）给出； Λ1 湍流尺寸参数，由公式（5）选取； D 风轮直径。 风速由下式确定： V(z,t)=⎧⎨ V(z)−0.37Vgustsin(3πtT)(1−cos(2πtT) 0≤t≤T ⎩ V(z) 其他 式中： V(z) 由公式（10）确定 T= 10.5s 当Vhub=25m/s，等级为ⅠA，D=42m时的极端工作阵风如图2所示： 16 (15) (16) (17) (18) 图2 极端工作阵风范例 6.3.2.3 极端湍流模型（ETM） 极端湍流模型要用到6.3.1.2的正常风廓线模型，有纵向分量的湍流的标准偏差由下式给出。 σ1=cIref⎜0.072⎜ave+3⎟⎜hub−4⎟+10⎟;c=2 m/s ⎝c⎠⎝c⎠⎝⎠ ⎛⎛V⎞⎛V⎞⎞ (19) 6.3.2.4 极端风向变化（EDC） 极端风向变化值，θe，由下列关系式计算： ⎛⎞ ⎜⎟ σ1⎜⎟ θe=±arctan⎜⎟⎛D⎞⎞⎟⎜V⎜1+0.1⎛⎜⎟⎟⎟⎟⎜hub⎜Λ⎝⎠1⎝⎠⎠⎝ (20) 式中： σ1 由NTM公式（11）给出； θe 限制在±180°之间 Λ1 湍流尺寸参数，由公式（5）选取； D 风轮直径。 极端风向变化的瞬时值，θ(t)，由下式给出： 17 ⎧ 0° t<0 ⎪ θ(t)=⎨±0.5θe(1-cos(πtT)) 0≤t≤T ⎪ ⎩ θe t>T (21) 此处，风向极端变化持续时间T=6s。最大瞬时载荷发生时，应有信号发生。风向瞬时变化结束后，认为风向保持不变。 风速遵从6.3.1.2正常风廓线模型。 比如，湍流类型为A，风轮直径D=42m，轮毂高度zhub=30m时的极端风向变化随Vhub 的变化如图3所示。对应Vhub=25m/s时的瞬时值如图4所示。 图3 极端风向幅值变化范例 图4 极端风向变化范例 6.3.2.5 风向变化的极端相干阵风（ECD） 风向变化的极端相干阵风幅值为： 风速由下式确定： Vcg=15m/s (22) ⎧ V(z) t≤0 ⎪ V(z,t)=⎨V(z)+0.5Vcg(1-cos(πtT)) 0≤t≤T ⎪ ⎩ V(z)+Vcg t≥T (23) 式中T=10s是上升时间，风速 V(z)由6.3.1.2的正常风廓线给出。Vhub=25m/s时极端相干风速中风速的上升如图5所示。 18 图5 方向变化的极端相干阵风幅值范例 假定风速的上升与风向变化θ从0°到θcg是同步的，θcg由下面的关系式确定： ⎧ 180° Vhub<4m/s ⎪ θcg(Vhub)=⎨720°m/s < 4m/s (24) 同步的风向变化由下面的关系式给出： ⎧ 0° t<0 ⎪ θ(t)=⎨±0.5θcg(1-cos(πtT)) 0≤t≤T ⎪ ⎩ ±θcg t>T (25) 式中T=10s是上升时间。 风向的变化θ(t)与时间的关系（Vhub=25m/s时），风向的变化θcg与风速Vhub的关系，分别见图6和图7。 图6 ECD风向变化 图7 风向变化历程范例 19 6.3.2.6 极端风速切变 极端分速切别应用下列瞬时风速来计算。 瞬时（正负）垂直切变： ⎧⎪⎛z⎞α⎛z−zhub⎞⎛⎛D⎞14⎞V(z,t)=⎪V⎪ hub⎜⎨ ⎝z⎟±⎜⎟⎜2.5+0.2βσ1⎜⎟(1-cos(πtT)) 0≤t≤Thub⎠⎝D⎠⎜⎟⎝⎝Λ1⎠⎟⎠⎪⎪⎪ V⎛z⎞α⎩ hub⎜⎝z⎟⎠ 其它 hub瞬时水平切变： ⎧⎪V⎛z⎞α⎛y⎞⎛⎛D⎞14⎞ hub⎜2.5+0.2βσ1⎜⎟(1-cos(πtT)) 0≤t≤TV(y,z,t)=⎪⎪⎨ ⎝z⎟±⎜⎟⎠⎜hub⎠⎝D⎜⎝⎝Λ⎟ 1⎠⎟⎠ ⎪α⎪⎪ V⎛z⎞⎩ hub⎜⎝z⎟ 其它hub⎠两式中：α=0.2; 6.4;β= T=12s； σ1 由NTM公式（11）给出； Λ1 湍流尺寸参数，由公式（5）选取； D 风轮直径。 要挑选水平风速切变的瞬时信号，以使最严重的瞬时载荷出现。两种极端风切变是分别考虑的，所以不能同时应用。 图8 极端正负垂直风切变范例，开始前风廓线 图9以瞬时正的风切变为例， （t=0，虚线）和最大切变（t=6s，实线）。 风轮上部和下部的风速 作为一例，极端垂直风速（湍流类型为A，zhub=30m，Vhub=25m/s，D=42m）如 20 (26) (27) 图8所示。图9 表示风轮上部和下部风速切变的时间历程（假定以图8存在为前提）。 6.4 其他环境条件 除了风速外，其他环境（气候）条件通过热、光化学、腐蚀、机械、电的或者其他物理作用都会影响风机的完整性和安全性。而且综合的气候因素更会加剧这种影响。 至少应考虑下列其他环境条件，并将它们的作用在设计文件中阐明： ——温度； ——湿度： ——空气密度； ——太阳辐射； ——雨、冰雹、冰雪； ——化学作用物质； ——机械作用颗粒； ——盐雾； ——雷电； ——地震。 近海环境，需要考虑附加条件。 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，诸多气象条件同时出现的可能性也应予以考虑。 对应一年周期里正常范围内气候变化不应影响风机的正常运行。 除了相关存在因素外，6.4.2中的极端环境条件应和6.3.1中正常风况结合起来考虑。 6.4.1 其他正常环境条件 应考虑的其他正常环境条件： ——环境温度范围-10℃~40℃； ——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（见IEC60721-2-1）； ——太阳辐射强度1000W/m2； ——空气密度1.225kg/m3。 当设计者规定附加外部环境条件参数时，这些参数及其值应在设计文件中说明，并应符合IEC60721-2-1的要求。 6.4.2其他极端环境条件 风机设计中应考虑的其他极端环境条件是温度、雷电、冰和地震。 6.4.2.1 温度 标准级风机极端温度范围至少应是-20℃~+50℃。 6.4.2.2雷电 第10.6条防雷保护措施适用于标准级风机。 6.4.2.3 冰 无标准级风机结冰最低要求。 6.4.2.4 地震 标准级风机无地震时最低要求。考虑地震情况及其影响参见11.6和附录C。 6.5 电网条件 下列的情况要考虑风机终端的正常情况。 当下列参数在下述范围内时，采用正常电网条件。 ——电压，额定值±10% ——频率，额定值±2% 21 ——电压不稳定，电压的负量和正量的比值不超过2% ——重合闸周期，第一次重合闸在0.1到5s之间，第二次重合闸在10s-90s之间 ——断电，假定一年内断电20次，6小时以内为正常情况。风力机设计的最长持续时间为一星期以上来设计。 7 结构设计 7.1 概述 应验证风力机结构中承载件的完整性，并确定一个能够接受的安全等级。零部件的极限强度和疲劳强度须通过计算或试验来验证，以表明相应安全等级的风力机结构的完整性。 应以ISO2394为基础进行结构分析。 采用适当的方法进行计算。设计文件中须提供计算方法的说明。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。任何强度验证试验中的载荷等级应与7.6中特征载荷相应的安全系数一致。 7.2 设计方法 应验证风力机极端状态未超出设计范围。模型试验和样机试验可以替代计算来验证结构设计的合理性，如ISO2394的规定。 7.3 载荷 设计计算中应考虑7.3.1~7.3.4阐述的载荷。 7.3.1 重力和惯性力载荷 重力和惯性力载荷是作用于风机的静态和动态载荷，它们是由地球引力、振动、旋转以及地震的作用产生的。 7.3.2 空气动力载荷 空气动力载荷也是静态的和动态的载荷，它们是由气流与风机的固定件或运动件相互作用引起的。 空气动力视穿过风轮平面的平均风速、湍流，风轮转速，空气密度和风力机零部件气动类型和它们之间相互作用（包括气动弹性）而定。 7.3.3 运行载荷 运行载荷由风机的操作和控制而产生。这种载荷有多种，包括通过发电机和换流器的扭矩控制、偏航和变桨执行结构引起的载荷及机械制动载荷。在每一种情况下，在计算应力和载荷时，考虑有效的执行结构作用力的范围很重要。特别是对机械制动，在任何制动事件中校验应力和载荷时，受温度和老化影响的摩擦力、弹性力或压力的变化范围予以考虑。 7.3.4 其他载荷 其他载荷，如尾流载荷，冲击载荷，冰载荷都可能发生。这些载荷可适当计入总载荷考虑 ，见11.4。 7.4 设计工况和载荷状态 本条阐明了风机设计载荷状态，并规定了需考虑的最低数量。 为了达到设计目的，风机的寿命以机组将要承受的，包含各重要条件的设计工况来体现。 载荷状态取决于运行状态、其它设计工况如装配、吊装、维护等、与外部条件的组合。具有合理发生概率的各相关载荷状态应与控制和保护系统动作，放在一起考虑。通常用于确定风机结构完整性的载荷状态，用下面的组合形式进行计算： ——正常设计工况和相应的正常或极端外部条件； ——故障设计工况和相应的外部条件； ——运输、安装和维护设计工况与相应的外部条件。 22 如果极端外部条件和故障工况二者相关存在，可以考虑将它们合在一起 ，作为一种载荷状态。 在每种设计工况中，要考虑几种载荷状态。表2 所列是考虑的最少载荷情况。表中，每种设计工况通过对风、电和其他外部条件的说明都规定了设计载荷状态。 如果风机控制器，在设计载荷的时候有确定的风速模型，能使风机在达到最大偏航角或最大风速之前关机，则风机必须能在那个确定的风况变化时的湍流条件下可靠关机。 在特殊的风机设计中，如需要，也可以考虑其他有关特定风机设计结构完整性的载荷状态。 表2中，对各设计工况用“F”和“U”注明相应的分析方法。F表示疲劳载荷分析，用于评定疲劳强度。U表示极限载荷分析，如材料强度基准的分析、叶尖挠度分析、结构稳定分析等。 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。在风力机正常寿命期内，正常设计工况是要频繁出现的。此时风力机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比较小，它的出现往往对应产生严重故障，例如保护系统的故障。设计工况的形式N，A或T决定极限载荷使用的安全系数γf。这些系数在表3中给出。 表2 载荷情况 设计工况 DLC 1.1 1.2 1.3 NTM NTM ETM 风况 其他情况 极端状况归纳 分析 方法 局部安全系数 Vin U N F * U N 1）发电 1.4 Vhub=Vr-2m/s,Vr,Vr+2m/s EWS NTM NTM U N 1.5 2.1 2.2 2）发电兼有故障 2.3 Vin 控制系统故障或者电网 亏损 保护系统或者前期内部 电气故障 内部或外部电气故障包 括电网亏损 控制、保护或者电气故障 包括电网亏损 U N U A U A Vhub=Vr±2m/s和Vout NTM NWP U A 2.4 3）起动 3.1 Vin F * F * U N 3.2 23 Vhub=Vin,Vr±2m/s和Vout EDC 3.3 Vhub=Vin,Vr±2m/s和Vout NWP U N 4.1 4）正常关机 4.2 Vin F * Vhub=Vr±2m/s和Vout NTM U N 5）紧急关机 6）停机（静止或 空转） 5.1 Vhub=Vr±2m/s和Vout EWM 50年的循环周期 U N 6.1 电网亏损 极端偏航角误差 U N U A U N F * U A U T U A 6.2 EWM 50年的循环周期 6.3 EWM 1年的循环周期 NTM 6.4 7）停机兼故障 8 ）运输、组装、维护、修理 7.1 8.1 Vhub<0.7Vref EWM 1年的循环周期 NTM Vmaint由厂家说明 8.2 EWM 1年的循环周期 表2 中用到的缩略语： DLC 设计载荷状态 ECD 方向变化的极端相干阵风（见6.3.2.5） EDC 极端风向变化（见6.3.2.4） EOG 极端工作阵风（见6.3.2.2） EWM 极端风速模型（见6.3.2.1） EWS 极端风速切变（见6.3.2.6） NTM 正常湍流模型（见6.3.1.3） ETM 极端湍流模型（见6.3.2.3） NWP 正常风廓线模型（见6.3.1.2） 应对这个范围内风速的敏感度进行分析 F 疲劳（见7.6.3） U 最大（见7.6.2） N 正常的和极端的 A 非正常的 T 运输和安装 * 疲劳安全系数（见7.6.3） 表2 列出了风速范围，应考虑到风速对风机产生的最严重影响。将风速范围分成若干个区段，并对每一段给出风机适当的寿命百分比。确定载荷状态时，应参考第6章阐述的风况。 24 Vr±2m/s 7.4.1 发电（DLC1.1~1.5） 这种设计工况，风机处在运行状态，并接有电力负载。风机总布局应考虑风轮不平衡的影响。设计计算中应考虑制造中规定的最大不平衡重量的气动不平衡（如叶片浆距和扭曲偏差）。 另外，理论最佳运行状态偏差，如偏航角误差，控制系统轨迹误差等，在分析运行载荷时应予考虑。 设计载荷情况（DLC）1.1和1.2 包含了在风机使用寿命期间，在正常的运行条件下，由大气湍流造成的载荷要求。DLC1.3包含了由极端湍流造成的最大载荷要求。DLC1.4和1.5规定了风机使用寿命期间可能出现的临界事件的瞬态情况。 对DLC1.1仿真数据的统计分析至少应包括叶片根部在平面和不在平面时刻的极限值以及叶尖挠度的计算。如果源自DLC1.3的极限设计值超过这些参数的极端设计值，可以忽略对DLC1.1的进一步分析。 如果源自DLC1.3的极端设计值未超过这些参数的极端设计值，则极端湍流模型公式中的因数c会增加，直至DLC1.3计算的极端设计值等于或大于DLC1.1计算的这些参数。 7.4.2 发电兼有故障或失去电网（DLC2.1~2.4） 设计工况包括发电过程中因故障或者电网亏损而发生的瞬态事件。任何控制系统和保护系统故障或电气系统内部故障对风机载荷（如发电机短路）很重要，应予以考虑。对DLC2.1发生的与控制系统相关的故障或失去电网连接应认为是正常现象。对DLC2.2，罕见现象包括保护系统或内部电气系统故障认为是异常现象。对DLC2.3，可能出现的重要的风事件，EOG，与内部或外部电气故障（包括电网亏损）结合起来，被认为是异常现象 。这种情况下，两个事件的同步被选择为最坏的载荷。如果发生故障或者电网亏损后未能引起马上关机，由此产生的载荷可导致严重的疲劳破坏，这种情况连同所造成的疲劳损坏，在正常湍流情况下的可能持续时间，应在DLC2.4种估计到。 7.4.3 起动（DLC3.1~3.3） 这种设计工况包括风机从静止或空转状态到发电状态的瞬间作用于其上的所有载荷。发生的次数应该可以根据控制系统的特性预测。 7.4.4 正常关机（DLC4.1~4.2） 这种设计工况包括风机从正常发电到静止或空转状态的瞬间作用于其上的所有载荷。发生的次数应该可以根据控制系统的特性预测。 7.4.5 紧急关机（DLC5.1） 由紧急关机造成的载荷增长应予考虑。 7.4.6 停机（静止或空转）（DLC6.1~6.4） 这种工况下，风机停机时，风轮停止不动或空转。DLC6.1、6.2和6.3 应和极端风速模型一起考虑。对DLC6.4，应考虑正常湍流模型。 风况由极端风速模型（EWM）来定义的情况下，设计载荷可能用到稳定的极端风模型或者湍流极端风模型。若用湍流极端风模型，应力可以用全动态仿真或对阵风适当修正的拟稳定分析估算，动态应力用ISO4354公式估算。若用稳定的极端风模型，共振应力的影响通过上述的拟稳定分析来估算。若共振和背景应力的比率小于5%，要用稳定极端风模型做静态分析。若风机偏航系统在特征载荷时发生偏移，最大的可能偏移要加在平均偏航角误差上。若风机具有在极端风况下发生偏航的偏航系统（如自由偏航、被动偏航或半自由偏航），则应用湍流风模型，且偏航角误差由湍流风向变化和风机偏航动态应力来控制。同样地，若风机经历了大的偏航或者在风速从正常运行状态增加到极端状况过程中的平衡变化，这些行为在分析时也要包括。 对DLC6.1，有自动偏航系统的风机，考虑到可靠地限制偏航系统的偏差，用稳定的极 25 端风模型时，偏航误差应控制在±15°之间，用湍流极端风模型时，平均偏航误差在±8°之间。 对DLC6.2，应考虑在包含极端风况的暴雨的早期失去电源的情况。应分析风向在±180°变化的影响，除非有备用电源供给控制和偏航系统，且具有至少6小时的容量，这是校正偏航所需的时间。 对DLC6.3，一年一遇的极端风速应与极端偏航误差结合起来。用稳定的极端风模型时，极端偏航误差应设定在±30°之间，用湍流极端风模型时，平均偏航误差在±20°之间。 对DLC6.4，不发电期间，对应各种风速的载荷变动对某些零部件产生严重的疲劳破坏（如来自空转叶片重量的），不发电时数应加以考虑。 7.4.7 停机兼有故障（DLC7.1） 风机停机中，由于电网或风机自身故障造成的不正常现象，要进行分析。除电网亏损外的任何故障，致使停机中的风机正常特性变化，这个变化可能造成的结果，都应成为分析对象。故障情况应与一年一遇的极端风速模型（EWM）结合起来。这些情况会是湍流或者对阵风适当修正的拟稳定和动态应力。 对偏航系统故障，应考虑±180°的偏航误差。对其他故障，偏航误差与DLC6.1一致。 如果偏航系统的偏差在DLC7.1的特征载荷情况下发生，要考虑最大的可能偏差。 7.4.8 运输、组装、维护和修理（DLC8.1~8.2） 对DLC8.1，制造厂应指定风机的运输、组装、维护和修理中的风况和设计工况。如果在风机上有大的载荷产生，那么就应考虑规定一个最大允许风况。制造厂应在指定的风况和设计时考虑的风况之间留充分的裕量，以达到可接受的安全等级。充分的裕量是在指定的风况上加5m/s。 另外，DLC8.2应包括超过一周以上的风机运输、组装、维护和修理。这个应包括相关的部分的完整塔架，无机舱的塔架支架和缺一个或多个叶片的风机。假设所有的叶片都同时安装。假设这些状态都没有跟电网连接。在这些状态下都可以采取措施减小载荷，只要这些措施不要求与电网连接。 7.5 载荷计算 对每种设计载荷情况都要考虑7.3.1~7.3.4中叙述的载荷。也要考虑下列相关问题： z 由风机自身引起的流场的扰动（尾流诱导速度、塔影效应等）； z 三维流对叶片气动特性的影响（例如三维失速和叶尖气动损失）； z 不稳定空气动力影响； z 结构动力与振动的振动耦合模型； z 气动弹性影响； z 风机控制系统和保护系统动作的影响。 用结构动力模型的动态仿真来计算风机载荷。某些载荷情况有湍流输入。这种情况下，所取的载荷数据的时间跨度要足够长，以保证对特征符合估计的可靠性。仿真中，对每个轮毂高度处的平均风速至少需要6个10分钟（或者连续60分钟）的随机现数。然而，对DLC2.1,2.2和5.1，在给定的风速下，对每个事件至少做12次仿真。因为在仿真的开始阶段， 用来做动态仿真的起始状况对载荷统计有典型影响，所以在每个分析间隔，第一个5s（需要的话要更长）内的数据不予考虑，包括湍流输入的情况。 很多情况下，对特定风机部件关键位置的应变和应力受同步的多轴载荷控制。这种情况下，从仿真中得到的垂直载荷的时间系列有时用来规定设计载荷。当这些时间系列的垂直分量用来计算疲劳和最大载荷时，它们将结合起来以保存相位和幅值。所以，直接的方法是基于对重要的随时间变化的应力的推导。极端的疲劳的预计法适用于这种单一信号，要避免用于复合载荷。 26 考虑到最大载荷分量发生的同时性，应采用保守的方式，将最大负荷分量组合起来考虑。 7.6 最大极限状态分析 7.6.1 方法 安全系数说明了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。 7.6.1.1 安全系数 为确保安全设计，载荷与材料的不确定性和易变性用公式(28)与（29）定义的安全系数进行补偿。 式中： Fd=γfFk (28) Fd——在给定的设计载荷情况下，内部载荷及各种来源的多种同步载荷结合后的载荷 的设计值； γf——载荷安全系数 Fk——载荷的特征值。 fd= 1 γm fk (29) 式中： fd——材料的设计值； γm——材料安全系数； fk——材料性能特征值。 本标准中应用的载荷安全系数还要考虑下列因素： ——载荷特征值可能出现的不理想偏差； ——载荷模型的不确定性。 本标准中应用的材料安全系数还要考虑下列因素，如ISO2394： ——材料性能值出现不理想偏差的可能性； ——零件截面阻抗或结构承载能力计算不准确的可能性； ——几何参数的误差； ——零件材料性能与试验样品所测性能之间的差别； ——转换系数的误差。 这些误差仅在个别安全系数中存在，本标准与大多数其他标准一样，载荷的相关因素并入系数γf，而材料的相关因素并入系数γm。 27 7.6.1.2 失效系数及零件等级 引入重要失效系数γn，以便进行区分： 一类零件等级：用于“失效—保险”结构件，结构件的失效不会引起风机重要零件的失效，例如监控件的可替换轴承。 二类零件等级：用于“非失效—保险”结构件。结构件的失效会迅速引起风机重要零件的失效。 三类零件等级：用于“非失效—保险”机械部件。这些部件把执行元件和制动器与主要结构件连接起来，以实现8.3描述的非冗余的风机保护功能。 风机最大极限状态分析，执行下列四种分析形式： ——极限强度分析（见7.6.2）； ——疲劳损伤分析（见7.6.3）； ——稳定性分析（弯曲等）见（7.6.4）； ——临界挠度分析（叶片与塔架机械干扰等）（见7.6.5） 每种分析都要求不同的极限状态函数公式，安全系数的使用要涉及不同的公差源。 7.6.1.3 通用材料规范的应用 确定风机零件的结构完整性时，可能会用到相关材料的国家或国际规范。当国家或国际规范的安全系数和本标准的安全系数一起使用时要特别注意，要确保最终的安全等级不低于本标准指定的安全等级。 当考虑各种类型的不确定性时，如材料强度的固有可变性，加工控制范围或者加工方法，不同的规范将材料局部安全系数γM细分成若干局部安全系数。本标准给出的材料局部安全系数即所谓的“通用材料安全系数”，是仅由强度参数固有变化决定。按照材料标准是给出安全系数还是给出不确定因素的影响简化后的安全系数，要认真考虑。 一个规范可选择不同的载荷和材料安全系数。这里的安全系数是ISO2394确定的安全系数。如果这里选出的安全系数偏离了ISO2394，应根据本标准的要求进行必要的调整。 7.6.2 极限强度分析 极限状态函数可分为载荷和阻抗函数，S和R，条件就变成 γnS(Fd)≤R(fd) （30） 一般来讲，R就是材料抗载能力允许设计值，因此R(fd)=fd，而极限强度函数S通常认为是结构应力最大值，因此S(Fd)=Fd。公式变为 γfFk≤ 1 γmγn fk （31） 对估计的每个风机部件以及适当的要进行最大强度分析的表2中的各种载荷情况，公式（31）的极限状态条件应用最临界的极限状态来验证，用最少的容限来标识。 在有湍流流入的载荷情况下，给定一定范围的风速，载荷超过特征载荷的可能性应依据 28 6.3.1.1给出的风速分布来计算。许多载荷计算包括极限持续时间的随机仿真，因此由要求的再现周期决定的特征载荷要大于仿真计算出来的。有湍流流入的特征载荷的计算导则见附录F。 DLC1.1的特征载荷由统计载荷来决定，并兼顾超出的可能性，这个可能性，对任一10分钟内的最大值，在正常设计条件下小于或等于3.8×10-7（也就是50年的重现周期）。导则见附录F。 对特定的确定风场的载荷，载荷特征值应是计算瞬态值的最差情况。当有湍流流入时，除DLC2.1，2.2和5.1外都采用计算载荷的最差情况在不同10分钟内随机数的平均值， DLC2.1，2.2和5.1的载荷特征值是最大载荷一半的平均值。 7.6.2.1 载荷安全系数 载荷安全系数应由表3规定的最小值。 表3 载荷安全系数γf 非良性载荷 设计工况类型（见表2 ） 正常（N） 异常（A） 运输安装（T） 良性载荷 所有设计工况 1.35 1.1 1.5 0.9 对DLC1.1，风速在Vin和Vout之间时，假设特征载荷由统计载荷来决定，则正常设计条件下局部载荷系数为γf=1.25。 如果正常设计情况下，由重力产生的载荷应力特征值为讨论的设计情况计算，且重力为非良性载荷，则重力与其他来源结合的复合载荷的局部载荷系数有如下值： γf=1.1+ϕς2 ⎧0.15 DLC1.1 ϕ=⎨ 其它0.25 ⎩⎧Fgravity⎪⎪1−F; Fgravity≤Fkς=⎨ k⎪⎪⎩ 1; Fgravity>Fk表3 指定的正常和不正常设计情况的载荷局部安全系数的应用要求载荷的计算模型是经过测量验证的。这些测量要在于设计风机相似的风机上进行，并考虑空气动力、控制及动态应力。 7.6.2.2 无通用设计规范的材料安全系数 材料的安全系数应根据充分有效的材料性能试验数据确定。当使用95%幸存率及95%置信度的典型材料性能时，考虑到强度参数的固有可变性，材料一般局部安全系数，γm，应为： 29 γm≥1.1 （32） 这个值用于可延性零件，这些零件的失效会导致风机重要部分的失效，例如焊接的管状塔架，塔架边缘的连接，焊接的机械框架或叶片连接。失效模式包括： z 可延性材料的收缩 z 螺栓连接处的螺栓断裂，因某一螺栓的失效使有效螺栓提供1γm强度 对无可延性的“非失效-保险”的结构件，这些结构件的失效会迅速引起风机重要零件的失效，材料的通用安全系数不小于： z 1.2，对曲线外形件的综合弯曲，如管状塔架和叶片 z 1.3，对超过应变或应力强度的断裂 为了从通用系数导出综合材料系数，需要考虑尺寸效应以及外部环境如紫外线辐射、湿度以及通常探测不到的损伤造成材料强度容限减小的影响。 重大失效安全系数 一类零件：γn=0.9 二类零件：γn=1.0 三类零件：γn=1.3 7.6.2.3 有通用设计规范的材料安全系数 载荷、材料的安全系数和重大失效安全系数 γf，γm和γn应大于或等于7.6.2.1和7.6.2.2 的规定。 7.6.3 疲劳损伤 疲劳损伤可通过适当疲劳损伤计算来估计。例如，根据梅纳准则，累计损伤超过1时，达到极限状态。所以，在风机寿命内，累积损伤应小于或等于1。疲劳损伤计算应考虑公式的表达，包括循环范围和平均应变（或应力）水平。所有的安全系数（载荷、材料和重大失效）应用于循环应变（或应力）范围来估计每个疲劳周期损伤的增加。根据梅纳准则的计算公式例子在附录G给出。 7.6.3.1 载荷安全系数 正常和非正常设计工况载荷安全系数γf均为1.0。 7.6.3.2 设计规范不适用时的材料安全系数 当幸存率为50%和变异系数小于15%时，由S-N曲线提供的材料安全系数 γm应不小于 1.5。对于疲劳强度有大的变异系数（15%~20%）的部件，如由诸如混凝土或纤维等合成物制成的部件，局部安全系数 γm必须相应的增长，至少为1.7。 疲劳强度应从统计性的大量试验中获取，而特性值的推导须考虑尺寸效应和由于诸如紫外线辐射和通常探测不到的外部影响造成的容限下降。 对于焊接的结构钢，S-N曲线通常用97.7%的幸存率3002这种情况下， 30 γm取1.1。当 可能通过引入周期性的检查程序检测到裂缝的发展时， γm可取一个小值，应大于0.9。 对纤维合成物，它的强度分布通过对实际材料测试来确定。S-N曲线应用95%置信度及95% 幸存率。 γm取1.2。同样的方法适用于其他材料。 重大失效安全系数 一类零件：γn=1.0 二类零件：γn=1.15 三类零件：γn=1.3 7.6.3.3 设计规范适用时的材料安全系数 载荷和材料安全系数，重大实效安全系数应小于7.6.3.1和7.6.3.2中的规定，要考虑到规范中指定的分位数。 7.6.4 稳定性 设计载荷下，仅“非失效－保险”承载件不许弯和扭，而其他零件允许产生弹性变形。在特征载荷作用下，所有的零件不应弯曲和扭曲。 载荷安全系数 γf的最小值应根据7.6.2.1得到设计值。材料的安全系数不小于7.6.2.2的 规定值。 7.6.5 临界挠度分析 应验证表2 详列的设计工况有没有产生影响风机安全的变形。最重要的一条是要验证叶片与塔架之间无机械干扰。 应确定表2详列载荷情况采用特征载荷时，不利方向上的最大弹性变形，并乘以载荷安全系数，材料安全系数和重大失效安全系数。 载荷安全系数 载荷安全系数γf从表3 选取 弹性材料安全系数 γm应取1.1，除了当弹性性能经过实物实验确定时，γm应减小为1.0。应特别注意几何 形状不确定性和挠度计算方法的准确性。 重大失效安全系数 一类零件：γn=1.0 二类零件：γn=1.0 三类零件：γn=1.3 在不利方向，须将弹性变形的影响叠加到不变形的部位，将其最终位置与无干扰条件进行比较。 还要用到直接的动力挠度分析。在这种情况下，特征挠度的确定要和表2中每种载荷状况的特征载荷的确定相一致。在不利的方向上超出的可能性和与特征载荷有关的特征挠度相 31 同。特征挠度要乘以上述的载荷安全系数、材料安全系数和重大失效安全系数，并叠加到不变形部位。 7.6.6 特殊安全系数 由测量或在测量基础上的分析得出的载荷值，如果把握性较正常情况高，可以用较低的载荷安全系数。使用的安全系数值，在设计文件中应加以说明。 8 控制和保护系统 风机工作和安全性受控于控制系统和保护系统。控制和保护系统应满足本条款的要求。 手动或自动的介入，应不损害保护系统功能。允许手动介入的装置在必要处要有清晰可辨的相应标记。 控制和保护系统的设置应受到保护，不能有未经授权的干扰。 8.2 控制功能 风机的控制系统通过主动的或被动的方式控制风机的运行，并使运行参数保持在它们的正常范围内。控制方式的选择要认真考虑。例如对维修而言，除了紧急停机按钮外，它的每种控制方式都应超越其他控制。控制方式的选择有选择器操纵，它可以被锁定在相应单独控制方式的每个位置上。当某些控制是数字控制时，要提供选择相应功能的数字码。 控制系统可控制或限制的功能或参数如下： ——功率范围； ——风轮转速； ——接通电负荷； ——起动或关机过程； ——电缆线缠绕； ——风力机对风调准。 8.3 保护功能 由于控制系统失效或内部及外部损伤或当发生危险时，保护系统应起作用。保护功能维持风机在安全状态下运行。保护功能的起动水平不应超出设计极限。 保护功能的优先级应高于控制功能，但不能高于紧急停机按钮，接近于制动系统和受触发与电网断开的装置。 保护系统在下列情况下应起作用： ——超速； ——发电机超载或出现故障； ——过分振动； ——电缆线非正常缠绕（由于偏航机舱旋转造成）。 保护系统应按具有失效—保险功能来设计。保护系统通常能够在系统内电源或无安全寿命零件单独失效或故障情况下对风机进行保护。控制系统在探测中或其无安全寿命结构件的单独失效不应导致保护系统故障。 如果两个或多个失效相互关联或共同作用，可将它们按单一失效处理。 应采取措施减小潜在失效的风险。保护系统无安全寿命零件不能在安全状态下或他们自身的状态应自动监测，这两种情况的任一失效都应引起机器关机。按安全寿命设计的零件应定期检查。 所有的具有非冗余保护功能的无安全寿命零件被认为是7.6中规定的具有适当失效系数安全系数的第三等级类零件。保护系统的关键零件必须分析最大强度、疲劳破坏、弯曲度和临界偏差。 32 保护功能和控制功能冲突时，应优先考虑保护功能。 由于内部故障，或因达到风机安全极限发生跳闸时，风力机不应自动或者远程重起。如果这种故障或者跳闸伴随着电网中断或失去负荷，在电网和负荷恢复后，应不能自动重起。 7.4.8中定义了维护和修理的极限风速，也是从正常运行到空转模式的最小风速，当风速低于这个极限风速时，能超越控制系统的紧急停机按钮应能使风轮处于完全停止状态。另外，紧急停机按钮的起动应能切断中高压系统。在每个重要的工作地点（如机舱和塔架底部）都应有紧急停机按钮。按紧急停机按钮后，解除要求有适当的动作。解除紧急停机按钮后，只有手动才能自动重合（手动清除故障？还是手动重合？）。 8.4 制动系统 制动系统应能使风轮由任何工作状态转入空转或完全停止状态。须提供使风轮在小于7.4.8中定义的维护和修理的极限风速的任意风速下由危险的空转状态转为完全静止状态的方法。 推荐至少一个制动系统是气动的，直接作用于风轮上。如果推荐条件不能满足，则至少有一个制动装置作用在风轮轴上或风机的风轮上。 制动系统应设计为，即使外部电源失效的情况下，仍能发挥作用。制动系统投入后，应能保证风轮因达到规定风速而完全停止的状态至少一个小时。如电网亏损的时间更长，可通过辅助电源供电或手动操作时投入制动器。 9 机械系统 9.1 概述 本标准的机械系统是指不单独由静态的结构件或电气零件组成的，而是通过轴、联接件、轴承、滑块、齿轮或其他装置使用或传送相对运动的任何系统。在一个风机中，机械系统包括传动系统，如齿轮箱、轴和连接器，及附属装置，如制动器、叶片桨距控制器、偏航驱动器。附属装置可由电的、液压的或气压的驱动方式驱动。 在传动系统、控制系统和保护系统的所有机械系统应根据可利用的ISEC/ISO标准设计。否则，就使用通用的标准。局部安全系数应和7.6.1.2中的二类零件一致，除非这个系统属于三类零件。 特定检修后，应特别注意冷却和过滤系统以保证其在整个工作温度范围内维持在相应的运行环境。 制动系统中经过磨损的任何零件在剩余的寿命期内应被自动监测并定期检查。当没有足够的材料保证更多的紧急停机时，风机应被停机。所有的制动装置应设计并维护以保证反应时间在可接受的水平。 载荷计算应建立在对包括平均制动水平和最小制动水平的仿真基础上，最小制动水平是为设计而预估的摩擦力和应用压力的最小允许值。，运用制动器时，其设计应避免过热、制动器性能损伤和火灾风险。 9.2 错误装配 零件装配或改装时可能出现的错误是危险源，可以通过零件设计或，失效的话，通过在这些零件上或其保护壳上做出标记来避免。对运动件也要做出标记，并在其保护罩上标出运动方向，以避免产生危害，其他必要的信息应在操作者手册或维护手册中给出。 错误的连接也可能成为危险源，避免错误连接不可能在设计中做到。为克服这种危险，采取一定的预防措施，在护管和软管上、接头上做出标记。 9.3 液压或气动系统 在装有液压或气动力的附件的地方，装置的设计和施工安装应避免受其潜在的危害。设 33 计中应有隔绝和卸荷方法。输送压力油和压缩空气的管和软管及联接件的设计，应能承受已知的内外压力。应采取预防措施，使有破裂造成的危害减到最小。 9.4 主齿轮箱 主齿轮箱按二类零件考虑。 齿轮箱应按照ISO6336-1—ISO6336-3中描述的相应的计算方法进行设计。材料强度值可由ISO6336-5推导出来且至少符合MQ质量。根据ISO6336-1，所有相关的制造公差和偏移要结合进表面载荷分布系数的计算中。 孔蚀安全系数SH根据ISO6336-2中的A或B方法计算。疲劳计算采用梅纳准则。计算出的安全系数SH为1.2。这个安全系数SH包括重大失效安全系数、材料安全系数和载荷安全系数。 齿轮挠度安全系数SF根据ISO6336-3中的A或B方法计算。会用到梅纳准则。计算出的安全系数SF至少为1.45。这个安全系数SF包括重大失效安全系数、材料安全系数和载荷安全系数。 因刮伤带来的疲劳载荷并不重要，但少数大的瞬时载也会导致失效，尤其在起始表面光洁度不足和在高的润滑温度下。对抗刮伤的安全系数应该用相应的方法计算，如ISO/TR13989-1描述的。计算出的安全系数SS至少为1.3。 特定检修后，应特别注意，以保证冷却和过滤系统在整个工作温度范围内可以维持相应的润滑状态。 9.5 偏航系统 偏航系统包括维持固定偏航方向的工具（如液压制动器）、改变方向的工具（如马达、齿轮箱和小齿轮）以及引导旋转的工具（如轴承）。 任何马达应和第10章的相关部分一致。对具有多个偏航驱动器以保证足够冗余的偏航齿轮系统应考虑为一类零件，安全系数SH和SF减小至1.1和1.25。否则就用二类零件。 9.6 桨距系统 桨距系统包括调整叶片桨距角的工具（如液压执行机构，电动马达、齿轮箱、制动器和小齿轮）以及引导旋转的工具（如轴承）。 任何马达应和第10章的相关部分一致。对具有单个桨距驱动器/执行机构以保证足够冗余的桨距系统应考虑为二类零件。 9.7 保护功能的机械制动器 用于保护功能的机械制动器，通常是指应用液压或者机械弹力的摩擦装置。任何磨损部件，如摩擦衬垫，在其剩余寿命期内应受到控制和保护系统的监测，当没有充足的材料保证更多的紧急停机时，风机应置为停机模式。 载荷计算应建立在包括一个合适制动水平的仿真基础之上。如果制动器能在最小制动水平滑动至静止状态，则当制动器要维持风机在一个固定状态，制动器在湍流风时的滑动时间必须足够短，以避免过热、制动器性能损伤和火灾风险。 9.8 滚动轴承 对滚动轴承的评定分析基础是ISO76和ISO281。对轴的轴承，如主轴、齿轮箱，轴承寿命（幸存率为90%）应至少20年。计算方法应该考虑到工作环境。依据ISO281的任何 34 调节系数应慎用。 特定检修后，应特别注意，以保证冷却和过滤系统在整个工作温度范围内可以维持相应的工作环境。 对轴承，设计载荷应反映7.4中确定的各种载荷状况及7.6中合适的安全系数。轴承设计应考虑其在寿命期内的转动数以及是否要持续转动，象处于主要轴的轴承或桨距的振荡或偏航轴承时那样。 对回转轴承，根据ISO76静态额定值和设计载荷的比率应至少为1.0。由于连接部分的弹性，载荷分析应认真考虑。 10 电气系统 10.1 概述 风机的电气系统由安装于单个风机到并包括风机终端上的所有的电气设备组成。下面称作“风机电气系统”。 电力汇集系统不在本标准范围内。 10.2 电气系统的一般要求 风机电气系统的设计，应保证对人畜最小的伤害，也须保证在第6章确定的正常和极限外部条件下，风机运行和维护中对风机及其外部电气系统的最小潜在伤害。 风机的电气系统，包括所有电气设备和电气元件，必须遵从IEC相关标准。特别是风机电气系统的设计必须符合IEC60204-1的要求。对于含有标称电压大于交流1000V或直流1500V的电路的风机，风机电气系统的设计应符合IEC60204-11的要求。固定安装，不是机器安装，应符合IEC60364的要求。制造厂应指明使用的设计标准。电气系统的设计还应考虑风力发电的波动特性。 10.3 保护装置 除了IEC60364要求外，风机电气系统还应有适当的防止风机和外部电气系统误动作的装置，因为误动作会导致不安全。 10.4 分离装置 当有维修和试验要求时，风机的电气系统应能与电源分离。 半导体器件不能单独用分离装置。 维修工作中为安全起见使用的照明或其他电气设备的附属电路，应有自己的分离装置。这样，当其他电路断电时，不受影响。 10.5 接地系统 风机的设计应包括局部接地电极系统，以满足IEC60363（电气安装的正确操作）和IEC61024-1(防雷)的要求。设计文件中应指出适合接地电极的土壤条件。推荐土壤条件的同时，还需指出可能遇到的其他一些土壤。 接地设备（接地电极、接地导线、主接地端点和接地棒）的选择和安装应按IEC 60364-5-5进行。任何工作在交流1000V或直流1500V以上的电气设备，都能为维护而接地。 10.6 防雷 按照IEC61024-1进行风机的防雷设计。在安全不会受损的前提下，不需将保护范围扩大到所有风机的零件。导则由IEC61400-24给出。 10.7 电缆 有啮齿运动或其他动物损害电缆可能性的地方，应使用铠装电缆或管道。地下埋线要埋到合适的深度，以免遭车辆或农机的损坏。如果没有护管，地下电缆用护套或胶带作出标记。 10.8 自励 35 能自励的风机的任何电气系统，在电网失电时都应能脱离电网，而且保持安全脱离状态。 如果一组电容器与感应式发电机并接（即功率因数补偿），应当设置一个适当的开关，以便电网功率亏损时，切除电容器组，以避免风机发电机自励。换句话说，如果电容器处于连接状态，必须充分证明它没有引起自励。 10.9 雷电电磁脉冲保护 过压保护的设计，按照IEC61312-1的要求进行。 应规定过压保护极限，以使任何雷电电磁脉冲输送向电气设备的电压不会超过设备的绝缘水平。 10.10 电能质量 风机电能质量特性根据IEC61400-21评估。 IEC61400-21的规范是和输配电系统操作员要求相一致的。 10.11 电磁兼容 传导干扰包含在10.9中。 辐射干扰应满足IEC61000-6-4的要求。 传导干扰的抗扰度要求在10.6中。 辐射干扰的抗扰度应满足IEC61000-6-1 和IEC61000-6-2的要求，风机制造者应说明风机设计用了这两个标准的中的哪个。 11 风机安装场地状况评估 11.1 概述 风机受环境和电气条件支配，包括附近风机的影响，影响其负载能力、寿命和工作。除了环境状况外，还须考虑风机安装场地地震、地形和土壤状况。应证明安装场地状况不危及风机结构完整性。证明需要一个对场地复杂性的评估（见11.2）和对安装位置的风况的评估（见11.3）。对结构完整性的评估，两种方法可用： 证明所有的条件都不比为设计风机而估计的条件恶劣； 证明各种条件下的结构完整性，每种条件都要与安装位置的条件对等或者更恶劣。 如果任一条件比设计中估计的条件更恶劣，则结构和电气的兼容性应该用第二种方法证明。 7.6.2.1中各种载荷的局部安全系数假定对安装位置的正常和极端风况的评估满足本章的最小要求。 11.2 安装位置地形复杂性的评估 安装位置的复杂性由对平面的地形变化来体现。超出表4的限制的安装位置是复杂的。表4用到的装配平面坡度，表示一个平面的坡度，这个平面在距离风机一定的距离内最适合地形的变化且通过塔架基座。因而，对装配平面地形的变化表示从表面任意一点到装配平面的垂直距离。zhub表示轮毂高度。 表4 地形复杂性指示器 离风机的距离 装配平面最大坡度 配合地形在1.3 zhub为半径的区域内最大地形变化 <5 zhub <10° <0.3 zhub 36 <10 zhub <20 zhub 用作地形复杂性评估的表面栅格的分辨率绝不能超过zhub。 11.3 风况评估 风机位置的下列参数值应予以评估： z 50年一遇10分钟内极端平均风速； z 风速在Vin和Vout之间的概率密度函数p（Vhub）； <0.6 zhub <1.2 zhub z 当Vhub介于Vin和之间Vout及Vhub等于Vref时，环境湍流标准偏差σ（用纵向分量标 准偏差的平均值来评估）及σ的标准偏差σσ； z 气流倾斜； z 风切变； z 空气密度。 没有安装场地空气密度数据的地方，应假定空气密度符合ISO2533：1975，适当修正每年的平均温度。 上面用到的风速柜的间隔约2m/s，风向扇面约30°。除空气密度外所有的所有参数都象分向函数一样是有效的，给出10分钟的平均值。 风机位置的参数可以由风速在0.2 Vref和0.4 Vref之间时测量或推断出，也可以根据在风机位置设置的监测手段或者当地气象站、当地规范或标准的长期记录计算出。 如果运用场地监测，则得到的场地风况应和当地气象站长期记录数据有关联，否则就要证明气象站的数据是保守的。监测周期应足够长，最少需要得到6个月的可靠数据。在季节的变化对风况有较大影响的地方，监测周期应将这种影响包括进去。 对测量和低趋势的数据，用适当的统计方法分析，由此来确定纵向分量的标准偏差值。在地形或其他局部因素可能干扰湍流强度的地区，数据应反映出它们的影响。评估湍流强度时，应考虑获得测量数据的风速仪特性，取样速率和平均时间。 11.4 邻近风机尾流影响的评估 应考虑发电过程中临近风机的尾流影响。风场中某位置风机的适宜性的评估应考虑确定性的湍流气流特性，这个特性和来自上风向机器的单个或多个尾流有关，包括机器之间的间距对于发电相关的所有环境中风速和风向的影响。 用有效湍流强度来考虑尾流影响导致的载荷增加，它充分反映了对环境湍流载荷影响和分散的湍流尾流影响。 对疲劳载荷计算，有效湍流强度Ieff可以根据附录D推导。 对极端载荷，Ieff可认为是来自邻近风机尾流湍流强度的最大值，如附录D中定义的一样。 ^ ^ ^ 37 Ieff ^⎧⎫1⎪⎪max⎨σ⎬ =Vhub⎪T⎭⎪⎩ （33） 应注意对风机方圆小于3m的空间，这些模型的有效性还不确定，要慎用。 11.5 其他环境条件的评估 为了与风机设计中假定的条件进行比较，对下列环境应进行评估： ——正常的和极限的温度范围； ——结冰，冰雹和下雪； ——湿度； ——雷电； ——太阳辐射； ——化学活性物质； ——盐雾。 11.6 地震条件评估 标准等级风机没有对抗地震的要求，因为这只是世界一些地区的设计需要。有些地方因有弱地震活动而有可用的地方地震规范，除这些地方外的其他地方无地震评估分析要求。对对临界地震载荷的地方，应该为风机安装位置的状况证明工程的完整性。评估依据附录C。对载荷的评估应该考虑地震载荷以及其他重要的频繁发生的作业载荷。 地震载荷依赖于当地规范中规定的地面加速度和反应谱要求。如果当地规范不可用或者没有给出地面加速度和反应谱，应该对这些参数进行必要的评估。 地面加速度按475年的重现周期来评估。 地震载荷应该叠加于作业载荷，作业载荷等于下面两种载荷的较大值 a）平均寿命内正常发电期间的载荷 b）在一个挑选的风速下紧急关机时的载荷，挑选的这个风速使关机前的载荷等于a)中的载荷。 所有载荷分量的载荷安全系数取1.0。 地震载荷的评估可采用频域法，这种情况下，作业载荷可以直接加在地震载荷上。 地震载荷的评估也可采用时域法 ，这种情况下，要进行充分的仿真，确保作业载荷能代表上面所提到的载荷在时间的平均值。 用于上面两种评估任一评估中的塔架固有振动的模式数量都应根据一个通用的地震规范来选择。如果没有这样的规范，可采用总模态质量占总质量85%的连续模式。 对结构抵抗力的评估应只考虑弹性反应或可延展性能量损耗。然而，重要的是，对用到的特定的结构类型，尤其是格子结构和螺钉连接处，用后者评估比较准确。 附录C提供了对作用于塔架的载荷的计算及合并的保守算法。如果地震活动对结构而不是对塔架造成重大载荷，就不用这个算法。 11.7 电网条件评估 对计划实施场地的风机终端的外部电气条件进行评估，确保其和电气设计条件的兼容性。外部电气条件应包括： z 正常电压及变化范围（包括在一定的电压范围和时间内，保持电网连接还是断开电 网的要求） z 正常频率，变化范围及变化率（包括在一定的频率范围和时间内，保持电网连接还 是断开电网的要求） 38 z 电压不平衡，规定为对称故障和不对称故障下的一个负序百分比电压。 z 中性点接地方式 z 接地故障监测和保护方法 z 一年电网断电次数 z 自动重合周期 z 无功补偿 z 故障电流及时间 z 风机终端的相与相之间以及相对地之间的短路阻抗。 z 电网谐波电压畸变 z 电力载波信号 z 励磁 z 功率因数控制要求 z 调节速率要求 z 其他电网兼容性要求 11.8 土壤条件评估 计划实施场地的土壤性质，通过当地有职业资格的工程技术人员依据可用的建筑规范来进行评估。 11.9 参考风数据对结构完整性的评估 可以通过对比场地风的参数值和设计时用的参数值来完成对结构完整性的评估。当下列条件满足时，一个风机是适合这个场地的： z 轮毂高度处50年一遇10分钟内极端平均风速的场地估计值小于Vref z 对Vhub介于0.2 Vref和0.4 Vref之间的所有值，Vhub的概率密度函数的场地值应小于 设计值（见6.3.1.1）； z 对Vhub介于0.2 Vref和0.4 Vref之间的所有值，湍流标准偏差的代表值σ1（见公式 （11）），应大于或等于湍流标准偏差90%分位数估计值的场地值，也就是 ^ ^ σ1≥σ+1.28σσ （34） 地形复杂时，为了考虑湍流气流的畸变，湍流纵向分量标准偏差的估计值应该增大。场地的气流倾斜，取所有方向的最大值，应小于6.3中指定的值。对没有气流倾斜场地值或计算值且地形复杂的地方，应该认为在距离风机小于5 zhub的范围内，气流平行于装配平面，见11.2 。 场地的平均垂直风切变指数α应大于0小于6.3.1.2中指定值。如果没有风切变的场地数据，应计算，且须考虑地形粗糙度。 当风速大于或等于 Vr时，场地空气密度的平均值应小于6.4.1中规定值。 对尾流影响进行充分评估要核实，风速在0.2 Vref和0.4 Vref之间时，（风机性能已知时，在 Vr和 Vout之间）正常湍流模型推出的湍流标准偏差σ1大于或等于湍流标准偏差（包括 39 环境和尾流湍流）90%分位数估计值。也就是 ^ σ1≥IeffVhub+1.28σσ （35） 其中用于疲劳载荷和极端载荷计算的Ieff依据11.4。 11.10 依据安装位置具体条件的载荷计算对结构完整性的评估 说明应包括根据风机场地条件计算出的载荷和偏差与设计时计算的载荷和偏差的对比。要考虑保留裕量以及环境对结构抵抗性的影响。计算应考虑包括风向及风速的风况的变化、尾流影响等。 对湍流分量没有场地数据及地形复杂的地方，可假定湍流标准偏差纵向、横向和垂向分量相等。 在DLC1.1和1.2中，正常湍流模型被真实的湍流尾流所代替。有尾流的情况下，应核实对DLC1.1和1.2情况下的结构完整性不被损害。这个可依据下式评估 ^ σwake≥IeffVhub+1.28σσ （36） 其中用于疲劳载荷和极端载荷计算的Ieff依据11.4。 因为对疲劳载荷计算，附录D定义的 Ieff依赖于需要考虑的零件材料的Wöhler曲线指 数m，所以有其他材料性能的结构零件的载荷要重新计算或者依据合适m值估计。 对极端载荷计算，考虑尾流状况的频率并修正DLC1.1对应的载荷归纳是允许的。 12 组装、安装和竖立 12.1 概述 风机制造厂应提供安装手册，清楚说明风机结构和设备的安装要求。风机的安装工作应由经专门培训或经此业务指导过的人员进行。 风机场地应便于准备、维护、操作和管理，以使工作安全有效地进行。必要时，应制定程序组织未经授权接近场地。安装人员应能分辨出存在的和潜在的危险，并加以消除。 列出工作计划清单，保存已完成工作及其结果的日志。 必要的时候，安装人员应使用眼、脚、耳和头部防护用具。攀塔人员，地面、水面以上工作人员应进行专业训练，并使用安全带，安全攀登辅助设施或其他安全装置。必要时，水域周围要设置救生装置。 所有设备都必须保持完好状态，并适合其工作性质。起重机，卷扬机和提升设备，包括所有钩索，吊环和其他器具，都必须符合安全提升的要求。 风机在非正常情况下，如冰雹、闪电、大风、地震、结冰条件下的安装，应特别注意。 如果塔架站台上无舱，应采取适当措施，以避开由于横向振动产生的涡旋危险风速。这个危险风速及预防办法应在安装手册中说明。 12.2 计划 风机以及相关设备的组装、树立和安装工作应根据地区的或国家的章程计划好，以使工 40 作能安全地进行。除质量保证规程外，计划必要时应包括下面相关内容： ——挖掘施工安全规范； ——施工详图和详细说明及检验计划； ——预埋件，如基础、螺栓、地锚和加强钢筋等的处理规范； ——混凝土成分，运输、取样、浇注、加工和管道敷设规范； ——爆破安全规程； ——塔架及地锚的安装规程。 12.3 安装条件 风机安装过程中，安装场地不允许有危害安全的隐患。 12.4 场地通道 进出场地必须安全。应考虑下列事项： ——行走通道和栅栏； ——交通； ——路面； ——路宽； ——清洁； ——通道承重能力； ——场内设施和移动。 12.5 环境条件 安装中，应遵守制造厂规定的环境限制。下列事项应予考虑： ——风速； ——雪和冰； ——环境温度； ——扬沙； ——闪电； ——能见度； ——降雨。 12.6 文件 风机制造厂应提供风机组装、安装、竖立用图纸，详细说明和技术指导。制造厂还应提供载荷详情、重量、起吊点、专用工具和风机装卸及安装工作的必要的说明。 12.7 接受、装卸和存放 安装工作中，风力发电设备的装卸和运输应用适合完成此项任务的设备进行，并应与制造厂推荐的方法相一致。 风机通常装在丘陵地带，因而重型设备卸下后，不再移动。选一块大小合适的平地，在其上作卸货和组装工作。如果找不到这样的地方，重型设备应固定在一个稳定的地点。 在风能造成移动并使设备受伤害的地方，叶片、机舱和其他气动零部件和较轻的箱子，应该用绳子、木条凳固定。 12.8 基础/地锚系统 为安装或组装的安全，在制造厂规定的地方使用专用工具、夹子、固定器和其他器具。 12.9 风机的组装 风机的组装工作按照制造厂的说明书进行。应进行检查，以确信润滑合适，零件完好。 12.10 风机的竖立 风机的竖立应由经过培训和指导的人员用合适和安全的方法进行。 竖立的过程中，风机的电气系统，除非安装流程需要，不要接通电源。电气设备的供电 41 工作应遵守制造厂的说明。 零件的运动（转动或传动）可能致使潜在危险。在整个竖立过程中，要避免这些零件无意的运动。 12.11 紧固件和联接件 螺纹紧固件和其他联接件应根据风机制造厂推荐的扭矩和其他说明书拧紧。应查看紧固件标记，以确定拧紧时的扭矩和其他要求。 特别是要进行检查，以便确定： ——拉索、电缆、转动接头、起重把杆和其他器具的联接和组装是否合适； ——提升装置的联接是否符合安全竖立要求。 12.12 吊装安全 起重机、卷扬机和起吊设备以及所有的吊钩、吊环和安全树立要求的其他器具，应满足安全提升及全部载荷的放置要求。制造厂的说明书和有关竖立或装卸的文件应提供零部件重要和安全起吊点。验证所有的起吊设备、吊环、吊钩等能安全起吊。 13 试运行、运行和维护 13.1 概述 考虑到人员安全，制在风机手册中定试运转、运行、检查和维护程序计划，并在风机手册中说明。 设计应体现零部件检查和维护用安全通道的防护措施。 第10章的的要求也同样适用于为测量的目的而暂时安装于风机上的电测量设备。必要时，工作人员和维修人员应使用允许使用的眼、脚、耳和头部防护装置。攀塔人员，地面、水面以上工作人员应进行专业训练，并使用安全带，安全攀登辅助设施或其他安全装置。必要时，水域周围要设置救生装置。 13.2 安全运行、检查和维修的设计要求 需要操作人员完成的风机的正常操作应能在地面上执行。自动/遥控系统中应设置带标记的就地手动装置。 未造成临界安全损伤的外部故障，如电网无电后又恢复的情况，在完成关机程序后，允许其自动恢复到正常工作状态。 为防止工作人员意外触到运动件，除了频繁出入的通道外，应设置防护装置。 防护装置应该： z 结构坚固； z 不能轻易穿越； z 在不拆除的情况下，使主要维修工作能够进行。 设计中应规定使用故障检测诊断设备。 为了保证检查人员和维修人员的安全，设计应考虑： z 检查和日常维修用的安全通道和工作场地； z 防止工作人员意外碰撞旋转件或运动件的合适方法； z 当攀登或在地面以上工作时，提供牢固的安全绳、安全带或其他防护器材； z 在依据风况和DLC8.1规定的设计工况的维修中，对风轮和偏航机构和其他机械运 动件进行锁紧，例如叶片变桨，工作完成后应能重新安全起动； z 带电体的警示信号； z 合适的放电设施； z 合适的人身火灾保护； 42 z 机舱安全门 维护程序要求对进入封闭室如轮毂和叶片内部人员有安全规定，确保危险情况发生时，能让备用人员知道，以立即启动必要的救援程序。 13.3 试运行说明书 制造厂应提供试运行说明书。 13.3.1 接通电源 制造厂的说明书应包含有风机电气系统初次接通电源程序的内容。 13.3.2 试运行试验 制造厂的说明书应包括风机安装完成后进行试验的程序，以确保所有装置、控制系统和设备合适、安全和性能正常。应包括且不限于以下内容： z 安全起动； z 安全关机； z 安全紧急关机； z 超速状态下紧急关机或进行关于它的典型模拟； z 保护系统性能试验。 13.3.3 记录 制造的说明书应包括指示，对试验情况，试运行情况和控制参数及其结果应进行适当记录。 13.3.4 试运行开始后的工作 安装工作完成后，接下来进入制造厂建议的试运行期间，依照制造厂要求，还要进行一些特殊工作。 这些工作包括但不限于螺栓预紧，更换润滑油，检查零件装配情况和工作情况，适当调节控制参数。 风机场地应重新整修，消除危险和防止腐蚀。 13.4 操作者指导手册 13.4.1 概述 风机制造厂应提供操作者指导手册。手册的内容在风机试运行中根据地区特殊条件，应适当进行扩充。手册应包括但不限于 z 要求操作应由经专门培训或经此业务指导过的人员进行 z 系统安全运行范围及说明； z 起动和关机程序； z 报警表； z 应急程序计划 z 规定的要求： —必要时，应使用眼、脚、耳和头部防护用具， —必要时，攀塔人员，地面、水面以上工作人员应进行专业训练，并使用安全带，安全攀登辅助设施或其他安全装置， —必要时，水域周围要设置救生装置， —操作人员和维护人员都应持有操作手册。操作手册应使用操作者能阅读并理解的语言编写。 13.4.2 操作和维护记录 手册应说明，对运行和维护应及时记录，记录的主要内容： z 风机型号； z 发电量； 43 z 工作时数； z 关机时数； z 发生故障日期和故障持续时间； z 修理日期和所用时间； z 故障和修理性质； z 采取的措施； z 更换的零件。 13.4.3 事故自动关机 手册应要求，对由故障或误动作引起的事故自动关机，即操作者手册规定外的关机，在操作者重新起动风机以前，应检查引起关机的原因。所有的故障关机都应记录。 13.4.4可靠性降低 手册应要求采取措施，消除异常暗示或警告及可靠性降低的根源。 13.4.5 工作计划 手册要求风机应根据安全工作程序运行，考虑下列内容： z 电气系统的操作； z 运行与维护的协调； z 有效的清洁方法； z 攀塔规程； z 设备处理程序； z 恶劣天气应采取的措施； z 通讯程序和应急计划。 13.4.6 应急计划 应意识到意外事故发生的可能性，且应由指定工作人员采取处理措施。 当发生火灾或出现风机或其零件结构损坏危险时，对在危险未准确判定之前，任何人不得接近风机。 在制定应急措施计划中，应考虑到由于下列情况结构损坏的危险会增大； z 超速； z 覆冰状态； z 雷电、暴风雨； z 地震； z 拉索松弛或断裂； z 制动失效； z 风轮不平衡； z 紧固件松脱； z 润滑不畅； z 沙暴； z 火灾、水灾； z 其他零部件失效。 13.5 维护手册 每台风机应配备维护手册，手册至少应包括风机制造厂规定的维护要求和应急程序。维护手册也应有不定期维修的内容。 维护手册应识别磨损零件并提出更换标准。 手册还应包括下列内容： z 风机的检查和维修工作应由经专门培训或经此业务指导过的人员按风纪维护手册 44 z z z z z z z z 中规定的时间间隔进行； 对风机分系统及操作的描述； 规定润滑周期的润滑油列表、润滑液种类及其他特殊液体； 返修程序； 维护检查周期和程序； 预定的维修时间间隔； 保护系统功能检查程序； 完整的布线图和内部接线图； 拉索检查预紧周期表，螺栓检查预紧周期表。预紧力包括张力和扭矩； z 诊断程序和故障排除说明； z 备件表； z 现场组装图，安装图； z 工具清单。 45 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容