IEC61400-1第三版本 2005-08 风机-第一分项：设计要求
1. 术语和定义
1.1 声的基准风速 acoustic reference wind speed
标准状态下（指在10m 高处，粗糙长度等于0.05m 时），8m/s的风速。它为计算风力发电机组视在声功率级提供统一的根据。注：测声参考风速以m/s表示。 1.2 年平均 annual average
数量和持续时间足够充分的一组测试数据的平均值，用来估计均值大小。用于估计年平均的测试时间跨度应是一整年，以便消除如季节性等非稳定因素对均值的影响。 1.3 年平均风速V ave annual average wind speed
基于年平均定义的平均风速。 1.4 年发电量 annual energy production
利用功率曲线和在轮毂高度处不同风速频率分布估算得到的一台风力发电机组一年时间内生产的全部电能。假设利用率为100%。 1.5 视在声功率级 apparent sound power level
在测声参考风速下，被测风力机风轮中心向下风向传播的大小为1pW 点辐射源的A —计权声级功率级。注：视在声功率级通常以分贝表示。 1.6 自动重合闸周期auto-reclosing cycle
电路发生故障后，断路器跳闸，在自动控制的作用下，断路器自动合闸，线路重新连接到电路。这过程在约0.01秒到几秒钟内即可完成。 1.7 可利用率 （风机） availability
在某一期间内，除去风力发电机组因维修或故障未工作的时数后余下的小时数与这一期间内总小时数的比值，用百分比表示。 1.8 锁定（风机）blocking
利用机械销或其它装置，而不是通常的机械制动盘，防止风轮轴或偏航机构运动，一旦锁定发生后，就不能被意外释放。 1.9 制动器（风机）brake
指用于转轴的减速或者停止转轴运转的装置。注：刹车装置利用气动，机械或电动原理来控制。
1.10 严重故障（风机）catastrophic failure
零件或部件严重损坏，导致主要功能丧失，安全受到威胁。 1.11 特征值 characteristic value
在给定概率下不能达到的值（如超越概率，超越概率指出现的值大于或等于给定值的概率）。
1.12 复杂地形 complex terrain
指地貌显著变化和充满障碍物的地形，往往会存在气流畸变现象。 1.13 控制系统（风机） control system
接受风机信息或环境信息，调节风机，使其保持在工作要求范围内的系统。 1.14 切入风速V in cut-in wind speed
没有湍流时，风力发电机组开始输出有用功率时，在轮毂高度处的最小风速。。 1.15 切出风速V out cut-out wind speed
没有湍流时，设计时规定的风力发电机组输出有用功率时，在轮毂高度处的最大风速。 1.16 数据组（用于功率特性测试） data set
在规定的连续时段内采集的数据的集合。 1.17 设计极限 design limits
在设计中用到的最大或者最小值。 1.18 设计工况 design situation
风力发电机组可能发生的运行模式，例如发电、停机等。 1.19 指向性（风机） directivity
在风力机下风向与风轮中心等距离的各不同测量位置上测得的A —计权声压级间的不同。注：指向性以分贝表示；测量位置由相关标准确定。 1.20 距离常数 distance constant
风速仪的时间响应指标。在阶梯变化的风速中，当风速仪的指示值达到稳定值的 63%时，通过风速仪的气流行程长度。 1.21 日变化 diurnal variations
以日为基数发生的变化。 1.22 潜伏故障 dormant failure
正常工作中零部件或系统存在的未被发现的故障。 1.23 下风向 downwind
与主要风向一致的方向。 1.24 电网 electrical power network
指由发电、输电系统形成的网络。 1.25 应急关机（风机） emergency shutdown
在保护系统或者人工干预下，风机立即停止运转。 1.26 环境条件 environmental conditions
指会影响风机运行的环境特性，如风、高度、温度和湿度等。 1.27 外部条件 external conditions
指会影响风机工作的诸因素，包括风况、其它气候因素（雪，冰等），地震和电网条件。
1.28 外推功率曲线 extrapolated power curve
由于在实际测试中，切出风速很少有测得，故用预测的方法对测量功率曲线在测量到的最大风速到切出风速之间的延伸。 1.29 极端风速 extreme wind speed
t 秒内平均最高风速。它往往是特定周期（重现期）T 年一遇的。重现期T=50年和T=1年，相应的时间为t=3s和t=10min。 1.30 故障安全 fail-safe
当系统出现故障时，其后果不危及系统的安全或者后果不引起严重故障。 1.31 气流畸变 flow distortion
由障碍物、地形变化或其它风力机引起的气流改变，其结果是相对自由流产生了偏离，造成一定程度的风速测量误差。 1.32 自由流风速 free stream wind speed
常指轮毂高度处，未被扰动的自然空气流动速度。 1.33 掠射角 grazing angle
麦克风盘面与麦克风到风轮中心连线间的夹角。注：拒用“入射角”这一术语；掠射角以度表示。 1.34 阵风 gust
指风速的瞬间变化。可用形成时间，强弱和持续时间来表示其特性。 1.35 水平轴风力机 horizontal axis wind turbine
风轮轴基本上平行于风向的风力机。 1.36 轮毂 hub
将叶片或叶片组固定到转轴上的装置。 1.37 轮毂高度 hub height
从地面到风轮扫掠面中心的高度，对垂直轴风力机是赤道平面高处。 1.38 空转 idling
风力机缓慢旋转但不发电的状态。 1.39 惯性负区 inertial sub-range
风速湍流谱的频率区间，该区间内涡流经逐步破碎达到均质，能量损失乎略不计。注：在10m/s风速时，惯性负区的频率大致在0.02Hz ~2kHz之间。 1.40 互联（风力发电机组） interconnection
风力发电机组与电网之间的电力联接，从而电能可从风机输送给电网。 1.41 潜伏故障 latent fault
正常工作未被发现的零部件或系统故障。 1.42 极限状态 limit state
构件的一种受力状态，如果作用其上的力超出这一状态，则构件不再满足设计要求。 1.43 载荷情况 load case
结合考虑设计工况和外界条件所产生的结构载荷。 1.44 对数风切变律 logarithmic wind shear law 1.45 最大功率 maximum power
正常工作条件下，风力发电机组输出的最高净电功率。 1.46 平均风速 mean wind speed
在一段时间内，测得的风速瞬间值的统计平均值。时间段从几秒到数年不等。 1.47 测试周期 measurement period
收集功率特性试验中具有统计意义的基本数据的时段。 1.48 测量功率曲线 measured power curve
用正确的方法测得并经修正或标准化处理后的风力发电机组净电功率输出的图和表。它是经测试获得的风速的函数。 1.49 测量扇区 measurement sector
测取测量功率曲线所需数据的风向扇区。 1.50 分组方法 method of bins
将实验数据按风速间隔分组的数据处理方法。 1.51 机舱 nacelle
位于水平轴风机的塔架顶部，包含传动链和其他部件的箱体。 1.52 净电功率输出 net electric power output
风力发电机组输送给电网的电功率值。 1.53 电网联接点（风机） network connection point
对单台风力发电机组是输出电缆终端，而对风电场是与电力汇集系统总线的联接点。 1.54 电网损失 network loss 1.55 正常关机 normal shutdown
全过程都是在控制系统作用下的关机。 1.56 障碍物 obstacles
邻近风力发电机组的，并能引起气流畸变的固定物体，如建筑物、树林等。 1.57 运行极限 operating limits 1.58 停机的风机 parked wind turbine
指静止的风机或者空转的风机，这依据风机的具体设计而定。 1.59 桨距角 pitch angle
在指定的叶片径向位置（通常为100%叶片半径处，即叶尖）叶片弦线与风轮旋转面间的夹角。
1.60 电力汇集系统（风机） power collection system
指从一个或多个风机中汇集电能的电力系统。它包括了在电网联接点和风机终端之间相连的所有的电力设备。用于汇集风力发电机组电能并输送给电网升压变压器或电负荷的电力联接系统。
1.61 功率系数 power coefficient
净电功率输出与风轮扫掠面上从自由流得到的功率之比。 1.62 风切变幂定律 power law for wind shear
表示风速随离地面高度以幂定律关系变化的数学式。 1.63 输出功率 power output
以特定的方式，为达到特定的目的通过一种装置输出的功率 1.64 功率特性 power performance
风力发电机组的发电能力的相关特性。 1.65 风机保护系统 protection system
确保风力发电机组运行在设计范围内的系统。注：在产生矛盾时，保护系统优先于控制系统。
1.66 额定功率 rated power
正常工作条件下，风力发电机组的设计要达到的最大连续输出电功率。 1.67 额定风速V r rated wind speed
指在风场稳态下，风机达到额定功率时，位于轮毂处的最小风速。 1.68 瑞利分布 Rayleigh distribution
经常用于风速的概率分布函数。 1.69 基准距离 reference distance
从风力发电机组基础中心到指定的各麦克风位置中心的水平公称距离。注：基准距离以米表示。
1.70 基准高度 reference height
用于转换风速到标准状态的约定高度。注:参考高度定为10m 。 1.71 基准粗糙长度 reference roughness length
用于转换风速到标准状态的粗糙长度。注：基准粗糙长度定为0.05m 。 1.72 参考风速V ref reference wind speed
它是用来定义风机等级的基本参数。从参考风速可推得与气候有关的设计参数和其他的基本风机等级参数，详细见条例6。注：在设计风机中，我们选定某个风机等级后，就会有相应的参考风速与之对应。则设计的风机必须能抵抗在轮毂处小于或等于的参考风速。该参考风速一般指50年一遇的极端风速，该极端风速是在10min 内的统计上的平均风速。 1.73 旋转采用风矢量 rotationally sampled wind velocity
旋转风轮上某固定点经受的风矢量。注 :旋转采样风矢量湍流谱与正常湍流谱明显不同。风轮旋转时，叶片切入气流，湍流谱产生空间变化。最终的湍流谱包括转动频率下的湍流谱变化和由此产生的谐量。 1.74 风轮转速 rotor speed
风力机风轮绕其轴的旋转速度。 1.75 粗糙长度z 0 roughness length
在假定垂直风廓线随离地面高度按对数关系变化情况下，平均风速变为0时算出的高度。 1.76 定期保养 scheduled maintenance
依据制定的时间表的预防性保养。 1.77 使用极限状态 serviceability limit states
正常使用要求的边界条件。 1.78 现场数据 site data
风力机现场的环境，地震，土壤和电气网络数据。现场数据必须是10分钟的统计样本，除非另有说明。
1.79 风场电气设备 site electrical facilities
风力发电机组电网联接点与电网间所有相关电气设备。 1.80 声压级 sound pressure level
声压与基准声压之比的以10为底的对数乘以20，以分贝计。注:对风力发电机组，基准声压为20μPa 。
1.81 标准风速 standardized wind speed
利用对数风廓线转换到标准状态（处于10m 高，粗糙长度为0.05m 的情况）的风速。 1.82 静止 standstill
风力发电机组的停止状态 1.83 支撑结构 support structure
由塔架和基础组成的风力机部件。
1.84 安全风速（该名称不能被使用） survival wind speed
结构所能承受的最大设计风速的俗称。注:IEC 61400系列标准中不采用这一术语。设计时可参考极端风速。 1.85 扫掠面积 swept area
垂直于风矢量平面上的，风轮旋转时叶尖运动所生成圆的投影面积。 1.86 试验场地 test site
风力发电机组试验地点及周围环境。 1.87 音值 tonality
音值与靠近该音值临界波段的遮蔽噪音级间的区别。注：音值以分贝表示。
1.88 湍流强度I turbulence intensity
标准风速偏差与平均风速的比率。用同一组测量数据和规定的周期进行计算。 1.89 湍流尺度参数Λ1 turbulence scale parameter
纵向功率谱密度等于0.05时的波长。注：纵向功率谱密度是个无量纲的数。
Λ1=V hub /f 0，其中f 0S 1(f 0)/σ1=0. 05。
2
1.90 湍流标准差σ1 turbulence standard deviation
在轮毂高度处，湍流风速纵向分量的标准差。 1.91 最大极限状态 ultimate limit state
与损坏危险和可能造成损坏的误差或变形对应的极限状态。 1.92 测量误差 uncertainty in measurement
测量所得的值与被测事物的真实值之间的差异。 1.93 不定期保养 unscheduled maintenance
收到有关一个项目状态的指示后，对其进行保养，该保养不是依据制定的时间表进行的。 1.94 上风向 upwind
与主风向相反的方向。
1.95 垂直轴风力机 vertical axis wind turbine
风轮轴垂直的风力机。
1.96 威布尔分布P W Weibull distribution
经常用于风速的概率分布函数，分布函数取决于两个参数，控制分布宽度的形状参数和控制平均风速分布的尺度参数。瑞利分布是威布尔分布的一种特殊形式，当形状参数为2时，威布尔分布即为瑞利分布。 1.97 声级 sound level
已知声压与20μPa 基准声压比值的对数。声压是在标准计权频率和标准计权指数时获得。注：声级单位为分贝，它等于上述比值以10为底对数的20倍。 1.98 风障 wind break
相互距离小于3倍高度的一些高低不平的自然环境。 1.99 风电场 wind farm
由一批风力发电机组或风力发电机群组成的电站。 1.100
风电场 wind power station
由一批风力发电机组或风力发电机群组成的电站。 1.101
风廓线-风切变律 wind profile-wind shear law
风速随地面高度变化的曲线称为风廓线，变化规律称为风切变律。注：常用的风廓线数学表达式为对数形式（式1）或者指数形式（式2）。
⎛⎫ln z ⎪⎝z 0⎭
V (z )=V (z r )
⎛z ⎫ln r ⎪⎝z 0⎭
⎛z ⎫
⎪V (z )=V (z r ) z ⎪⎝r ⎭
α
（1）
其中： V (z )
（2）
在高度z 处的风速； 距离地面的高度；
距离地面的参考高度，用于拟合风廓线； 粗糙长度； 风切变指数。 风速 wind speed
z z r z 0
α
1.102
空间某点的风速是指改点周围气体微团的移动速度的数值。注：风速是风矢量的数值。 1.103
风速分布 wind speed distribution
用于描述连续时间内风速概率分布的分布函数。注：常用瑞利分布P R (V 0)和威布尔分布P W (V 0)。
P R (V 0)=1-exp -π(V 02V ave )
2
[]
（3） （4）
P R (V 0)=1-exp -(V 0C )
k
[]
瑞利分布P R (V 0)和威布尔分布P W (V 0)的V ave 的表达式各自为： 其中：
P (V 0)
1⎫⎛
V ave =C Γ 1+⎪
k ⎭⎝
（5） （6）
V ave =C /2
累计概率函数，即风速；
V ≤V 0
的概率为
P (V 0)
;
V 0 V 0
该分布的平均风速，即均值； 威布尔分布的尺度参数； 威布尔分布的形状参数； 伽马函数。 风切变 wind shear
C K
Γ
1.104
风速在垂直于风向平面内的变化。
1.105 风切变指数 wind shear exponent
通常用于描述风速剖面线形状的幂定律指数。见1.101。 1.106 1.107 1.108
风力机发电系统 wind turbine generator system 风机地址 wind turbine site 风矢量 wind velocity
标有被研究点周围气体微团运动方向，其值等于该气体微团运动速度大小。 1.109 1.110
风机电力系统 wind turbine electrical system 风机终端 wind turbine terminals
用于传输电能，风机与电力汇集系统相连的点。同时，也包括信息的传输点。 1.111
偏航 yawing
风轮轴绕绕垂直轴的旋转（仅适用于水平轴风力机）。 1.112
偏航误差 yaw misalignment
水平轴风机转轴与风速方向的水平偏差。 2
外部条件
2.1 概述
在风机设计过程中，本条例给出的外部条件必须被考虑。环境和电力条件都会对风机的载荷、耐久性和运行产生影响。为了保证合适的安全和可靠性，在风机设计中必须考虑环境、电力和土壤条件，并在设计文件中详细描述。环境条件被分成风况和其他的环境条件两部分。电力条件是指电网条件，而土壤条件在风机的基体设计中才涉及到。同时，外部条件被分成正常和极端部分。正常的外部条件一般只要考虑常见的结构载荷条件，而极端外部条件是指不常见的外部设计条件。设计载荷情况必须包括这些潜在的，严重的极端外部条件和正常外部设计条件。风况是影响风机结构完好性的主要外部条件。当然，其他的外部条件也会对其产生影响，如：腐蚀等。在以下的子条例中，给出了在风机设计应考虑的正常和极端条件。 2.2 风机等级
在风机设计中，必需要考虑安装地点的风速情况。对于不同的安装地点，风机尺寸等参数是不同的。考虑到风速特性的地区差异性，IEC 国际标准给出了四个风机等级，这四个风机等级是依据风速和湍流密度来划分的。这里给出的风速和湍流强度的参数可代表多数地区的风况，当然，它并不能很精确的反映任何安装地点的风况。表1给出了用于划分风机等级的基本参数。其中，S 等级在特殊的风况下(如暴风带，海上区域等) 或特殊安全等级下使用。
表1 风机等级
在表1中，所以的参数都是基于轮毂高度处而言的，其中：
V ref
指10min 参考平均风速； 表征高的湍流特性范畴； 表征适中的湍流特性范畴； 表征低的湍流特性范畴；
15m /s
A B C
I ref
平均风速时，湍流密度均值。
在风机设计过程中，除了以上这些基本参数外，还需要其他重要的参数才能完整定义外部风况，其他的参数将在2.3、2.4和2.6中给出。我们将处于从I A 到III C 等级的风机称之为标准风机等级。
对于从I A 到III C 等级的风机，规定其设计寿命至少达20年。
对于S 等级的风机，制造商必须给出用于设计风机的详细设计参数的文件，文件需要的信息在附件A 中给出。 2.3 风况
设计的风机应能安全承受与选定的风机等级相对应的风况。 在设计文档中应详细给出风况的设计值。
出于载荷计算和风机安全的考虑，将风域划分为正常风况和极端风况，正常风况在风机运行期间是时常发生的，极端风况是指50一遇或一年一遇的情况。
在多数情况中，风况包含带有阵风的风廓线或湍流的恒定平均风速。在所有情况中，当平均风速方向与水平面的夹角出8︒时，必须要考虑该影响。该夹角沿高度方向是变化的。
“湍流”用于表征10min 内平均风速的随机变动。湍流模型必须考虑到风速变化、风切变和允许的旋转采样的影响。湍流风速的三个分量为：纵向，与平均风矢量方向一致；横向，位于水平面并与纵向垂直；上向，与纵向和横向都各自垂直的方向。
对于标准风机等级，湍流模型的随机风速场必须满足以下条件：
a) 湍流标准差，σ1，其值有以下子条例给出，认为是不随高度而变化的，而横向和上向
湍流标准差的最小值应满足以下关系式，实际取值由所有的湍流模型和下面b ）规定的条件共同决定。 横向
σ2≥0. 7σ1
上向
σ3≥0. 5σ1
b) 位于轮毂高度z 处的纵向湍流尺度参数Λ1为：
⎧0. 7z Λ1=⎨
⎩42m
z ≤60m z ≤60m
（7）
由于惯性负区的频率变大了，三个正交的功率谱密度S 1(f ), S 2(f ), S 3(f )应渐进地满足以下等式：
S 1(f )=0. 05σ1(Λ1hub
2
)-2/3f -5/3
S 1(f )
（8） （9）
S 2(f )=S 3(f )=
43
c) 为了一致性，应使用公认的模型。该模型利用自动频谱对位于与纵向方向垂直平面内的
空间离散点处的纵向风速的协谱幅值进行划分而得到的。
我们推荐采用满足以上要求的曼恩均匀切变湍流模型，具体在附件B 中给出。在附件B 中也给出了另一个常用的模型。对于其他的湍流模型必须谨慎使用，因它会对载荷产生重大影响。 2.3.1正常风况
2.3.1.1 风速分布函数
在风机设计中，风速分布起着重要影响。它决定了在正常设计工况时单个载荷情况发生的频率。位于轮毂高度处，以10min 为周期的平均风速被认为是服从瑞利分布的。瑞利分布为
P R (V hub )=1-exp -π(V hub 2V ave )
2
[]
（10）
其中，对于标准风机等级，V ave 应为
2.3.1.2 正常风廓线模型（NWP ）
风速随地方高度变化的曲线称为风廓线，风廓线模型V (z )，用于表示平均风速随距离地面高度z 变化的函数。对应标准风机等级，正常的风廓线可由幂函数给出
其中，幂指数α=0. 2。 2.3.1.3 正常湍流模型（NTW ）
对于正常的湍流模型，位于轮毂高度处，湍流标准差值应取90%的分位数。湍流标准差为：
σ1=I ref (0. 75V hub +b ) b =5. 6m /s
V ave =0. 2V ref
（11）
V (z )=V hub (z /z hub
)α
（12）
（13）
图1a 和1b 给出了，不同标准风机等级下，正常湍流模型的湍流标准差σ1和湍流强度σ1/V hub
随轮毂风速的曲线图。
2.3.2极端风况
极端风况指风切变和由于暴风引起的峰值风速，风速及风向的快速变化等事件。 2.3.2.1 极端风速模型（EWM ）
极端风速模型可以是稳态模型或湍流模型。极端风速模型应基于参考风速V ref 和给定的湍流标准差σ1进行选择。
当为稳态极端风速模型时，50年一遇的，10min 内的极端平均风速V e 50和一年一遇的，10min 内的极端平均风速V e 1随高度z 的函数形式为：
V e 50=1. 4V ref (z /z hub
)0. 11
（14） （15）
V e 1=0. 8V e 50(z )
对于稳态的极端风模型，允许风速在短期内和平均风向发生偏离，但在此期间内偏航误差角度必须保证在±15︒以内，而且是恒定的。
当为湍流的极端风速模型时，50年一遇的，10min 内的极端平均风速V e 50和一年一遇的，10min 内的极端平均风速V e 1随高度z 的函数形式为：
纵向的湍流标准差为：
2.3.2.2 运行过程中的极端阵风（EOG ）
对于标准等级风机，在轮毂处的阵风的幅值由下式给出
⎧
⎪
=Min ⎨1. 35(V e 1-V hub );
⎪⎩
⎛⎫⎫ ⎪⎪σ13. 3 ⎪⎬ D 1+0. 1Λ⎪⎪
1⎭⎭⎝
V 50(z )=V ref (z z hub )
0. 11
（16） （17）
V 1(z )=0. 8V 50
σ1=0. 11V hub
（18）
V gust
（19）
其中
σ1
由等式13给出；
Λ1
同等式7，即为湍流尺度参数； 风轮直径
风速由以下定义式给出：
⎧V (z )-0. 37V gust sin (3πt /T )(1-cos (2πt /T ))
V (z , t )=⎨
⎩V (z )
0≤t ≤T 其他
D
（20）
其中，V (z )参见式12；T =10. 5s 。
图2给出了，当V hub =25m /s ，风机等级为I A ，D=42m时，运行过程中的极端阵风。
2.3.2.3 极端湍流模型（ETM ）
极端湍流模型应使用2.3.1.2条例给出的正常风廓线模型，并且极端湍流模型在纵向方向上的湍流标准差为
σ1=cI ref 0. 072
⎝
⎛
⎫⎫⎛V ⎫
+3⎪ hub -4⎪+10⎪⎪; ⎝c ⎭⎝c ⎭⎭⎛V ave
c =2m /s （21）
2.3.2.4 极端风向变化（EDC ）
极端风向变化的幅度θe 可由以下关系式求得：
⎛⎫
⎪
σ1⎪ θe =±4arctan
⎛⎛D ⎫⎫⎪V 1+0. 1 ⎪⎪ hub
Λ1⎪⎝⎭⎝⎭⎭⎝
（22）
其中
σ1
Λ1
由等式13给出；
同等式7，即为湍流尺度参数； 风轮直径；
必须在±180︒区间内。
D θe
极端风向随时间的函数θ(t )为
⎧0︒⎪
θ(t )=⎨±0. 5θe (1-cos (πt /T ))
⎪θ⎩e
t T
（23）
其中T=6s，是风向改变的持续时间；正负号应按最坏风载选取。风向改变结束后，风向就被认为保持不变了。风速仍使用2.3.1.2条例中的正常风廓线模型。
图3和4给出了D=42m，z hub =30m ，湍流范畴为A 时的风向变化幅值随风速的曲线图和风向变化随时间的曲线图。
2.3.2.5 伴随风向改变的极端连续阵风（ECD ）
伴随风向改变的极端连续阵风的幅值V cg 为
V cg =15m /s
（24）
风速为
⎧V (z )
⎪
V (z , t )=⎨V (z )+0. 5V cg (1-cos (πt /T ))
⎪
⎩V (z )+V cg
t ≤00≤t ≤T t ≥T
（25）
其中：T=10s是形成时间，风速仍使用2.3.1.2条例中的正常风廓线模型。图5给出了，当
V hub =25m /s 时，极端连续阵风的风速形成示意图。
在风速形成的同时，风向角度θ在0°到θcg 之间变化，其中θcg 定义式为
θcg
⎧180︒⎪
=⎨720︒m /s ⎪V
hub ⎩
V hub
（26）
同时，风向与时间的函数为
⎧0︒
⎪
θ(t )=⎨±0. 5θcg (1-cos (πt /T ))
⎪
⎩±θcg
t T
（27）
其中形成时间T=10s。
图6和7给出了风向变化幅值θcg 随V hub 的曲线和V hub =25m /s 时，风向变形幅值随时间的曲线。
2.3.2.6 极端风切变（EWS ）
极端风切变的风速瞬态值由以下等式给出。瞬态垂直切变：
⎧⎛
⎪V hub
⎪⎝⎪
V (z , t )=⎨
⎪⎛⎪V hub ⎪⎝⎩
z ⎫⎛z -z hub
⎪± z hub ⎪D ⎝⎭z ⎫
⎪z hub ⎪⎭
αα
⎛
⎫
⎪2. 5+0. 2βσ⎭ ⎝
⎛D ⎫ ⎪1 ⎪Λ⎝1⎭
1/4
⎫
⎪(1-cos (2πt /T ))⎪⎭
0≤t ≤T 其他
（28）
瞬态水平切变：
⎧⎛⎪V hub
⎪⎝⎪
V (y , z , t )=⎨
⎪⎛⎪V hub ⎪⎝⎩
α
⎛z ⎫⎛y ⎫
⎪± ⎪ 2. 5+0. 2βσz hub ⎪⎝D ⎭ ⎭⎝
⎛D ⎫
⎪1 ⎪⎝Λ1⎭
1/4
⎫
⎪(1-cos (2πt /T ))⎪⎭
0≤t ≤T 其他
（29）
z ⎫⎪z hub ⎪⎭
α
其中（对以上两式都适用）
α=0. 2; β=6. 4; T =12m /s ；
σ1
Λ1
由等式13给出；
同等式7，即为湍流尺度参数；
D 风轮直径；
正负号按最坏瞬态载荷选取。以上两式不能同时使用。
图8给出了，当湍流范畴为A ，z hub =30m ，V hub =25m ，D =42m 时，初始时刻和
最大切变发生时(t =6s )的风廓线。图9给出了，如图8条件下，风轮上下端处的风速分布，用于说明风切变的时间过程。
3
结构设计
3.1 概述
必须风机的承载组件的完整性进行验证，同时，必须保证一个可接受的安全水平。结构组件的强度极限和疲劳强度可利用计算或者实验来证明，证明其在适合的安全水平下具有结构完整性。结构分析应基于ISO2394标准。
计算必须是采用合适的方法。在设计文件中必须对计算方法进行描述。同时，包括计算方法是有效的相关证明。任何用于强度验证的载荷水平应符合安全系数，该安全系数由3.6条例中的载荷特征值决定。 3.2 设计方法学
必须对极限状态有没有超出风机设计给定的进行验证。在对结构设计验证过程中，模型测试和样机测试可作为计算的替代品，如同ISO2394给出的。
3.3 载荷
从3.3.1到3.3.4中给出的各种载荷在结构设计时必须被考虑。 3.3.1 重力和惯性载荷
重力和惯性载荷是静态和动载荷，是由自重、振动、旋转和地震活动引起的。 3.3.2 气动载荷
重力和惯性载荷是静态和动载荷，是由气流与风机可动部件和静止部件的相互作用引起的。 3.3.3 驱动载荷
驱动载荷是由运行和控制引起的。 3.3.4 其他载荷
其他载荷指尾流载荷、冲击载荷、冰载荷等。
3.4 设计工况和载荷情况
该条例描述了风机的设计载荷情况，给出的载荷情况条例数量是风机设计中应该考虑的最少量。
风机的整个寿命可认为是被包括风机可能经受的最重要情况的一系列设计情况所反映。 载荷情况可由风机的运行模型或其他设计工况，如特定的装配、安装或保养，及其外部条件决定。任何有关的载荷情况，只要存在合理的发生率都应该被考虑，风机的控制和保护系统的行为也应该被考虑。用于验证风机的结构完整性的设计载荷情况应基于以下组合进行计算：
● ● ●
正常设计情况和适合的正常或者极端外部条件组合； 故障设计情况和适合的外部条件组合；
运输，安装和保养的设计条件和适合的外部条件组合。
当极端外部条件和故障情况存在联系时，实际应用中，应将这2个情况合并为一个情况进行
考虑。
对于任何一种设计情况，必须考虑多个设计载荷情况。表2给出了至少应考虑的载荷情况。 在表2中，对于每个设计情况的设计载荷情况分类是由风速，电力和其他外部条件决定的。
对于采用确定性风模型的设计载荷情况，如果风机的控制系统可以让风机在达到最大偏航角度或者最大风速时停止运转，那么，必须被验证在同样的确定性风模型的湍流条件下，风机的控制系统能使风机可靠地停止运转。
若涉及到特定风机的结构完整性时，还应考虑其他的设计载荷情况。
表2中F 代表疲劳载荷分析和疲劳强度的评估，U 代表强度载荷分析，主要指材料强度，叶尖变形和结构稳定性。
标有U 的设计工况被分成正常(N)，非正常(A)或者运输安装(T)。正常的载荷工况是指在风机整个寿命中经常发生的事件，非正常的载荷工况是少有的事件，如引起保护系统运行的严重故障。设计情况的种类，N, A或者T 决定了适用于极端载荷的各分项安全系数γf 。表3给出了这些系数。
表2 设计载荷工况（DLC ）
DLC ECD EDC EOG EWM EWS NTM
设计载荷工况
伴随方向改变的连续极端阵风（见2.2.2.5） 极端风向改变（见2.2.2.4） 极端运行阵风（见2.2.2.2） 极端风速模型（见2.2.2.1） 极端风切变（见2.2.2.6） 正常湍流模型（见2.2.1.3）
ETM NWP
极端湍流模型（见2.2.2.3） 正常风廓线模型（见2.2.1.2）
在所有应分析的风速下的敏感度
V r ±2m /s
F U N A T *
疲劳 强度极限 正常 非正常 运转和安装
疲劳采用的分项安全系数（见3.6.3）
在风机设计时应按产生最坏结果对位于表2中给出的风速范围内的风速进行选取。当风速范围是通过一系列离散值提供时，为了保证计算的精确性应具有足够的分辨率，一般取2m/s。 3.4.1电力生产（DLC 1.1-1.5）
该设计情况是指风机在正常运转并与电网相连的情况。必须考虑风轮结构的不平衡性。在设计时计算中应使用由风轮制造条件决定的质量和气动的最大不平衡性。
而且，在对运行载荷分析时，必须考虑到理论上理想的运行情况和实际的运行情况之间的偏差，如偏航误差和控制系统误差引起的偏差。
1.1和1.2的设计载荷情况需要包括由湍流引起的载荷，湍流是指在风机正常运转的整个寿命期间发生的事件。1.3的设计载荷情况需要包括由极端湍流引起的极端载荷部分。1.4和1.5的设计载荷情况规定了瞬间载荷，只考虑会引起潜在的风机严重损坏事件的瞬间载荷。
DLC1.1的静态模拟数据至少包含风轮旋转平面内和平面外的极端力矩和叶尖变形。假如这些参数的极端值超出了由DLC1.3给出的极端设计值，则不用对DLC1.1进行进一步的分析。假如这些参数的极端值没有超出由DLC1.3给出的极端设计值，则增加DLC1.3中使用的极端湍流模型的参数c 值（21式），直到这些参数超出或等于由DLC1.3给出的极端设计值。
3.4.2电力生产伴随故障或者脱网（DLC2.1-2.4）
该设计情况是指风机在发电时发生突然性故障或脱网引起的瞬态事件。无论是控制系统、保护系统或内部电力系统故障，只要对风机载荷产生重大影响的故障，在该设计情况中都应该被考虑。DLC2.1指由控制系统或脱网引起的故障情况，该类故障是常有发生的。DLC2.2指一些少有且非正常的故障事件，如保护系统或内部电力系统故障。DLC2.3指潜在的但影响重大的故障（EOG ），如内部或外部电力系统故障（脱网），该类故障也是非正常的。这2类事件的时序按以产生最坏载荷进行选取。假如故障或者脱网没有导致立即停机，这后续的载荷会对疲劳损伤产生较大影响，在正常湍流模型下，伴随疲劳损伤的该情况的持续时间应通过DLC2.4计算获得。 3.4.3启动（DLC 3.1-3.3）
该设计情况是指风机从停机或空转向发电情况转变的过渡时期内产生的相关载荷的所
有事件。启动次数应按控制系统的行为特性进行估计。 3.4.4正常停机（DLC 4.1-4.2）
该设计情形是指风机在从发电工况向停机或空转转变的过渡时期内产生相关载荷的所有事件。启动次数应从控制系统的行为特性进行估计。 3.4.5应急停机（DLC5.1）
考虑由应急停机导致的载荷。 3.4.6空转（DLC6.1-6.4）
在DLC6.1,6.2和6.3中应使用极端风速模型（EWM ）。对于DLC6.4使用正常湍流模型（NTM ）。
当风况为EWM ，设计载荷情况即可以使用稳态的极端风模型或者极端湍流模型。当为极端湍流模型时，可利用由ISO 4354给出的阵风和动态响应的修正关系式，获得全动态模拟结果或者准静态分析的结果。当为稳态的极端风模型，则可使用以上所述的准静态分析获得共振对载荷的影响。当共振与背景响应的比值低于5%，则可采用稳态的极端风模型进行静态分析。若在载荷特征值处偏航系统可发生滑移，则平均偏航误差应加上最坏的最大偏移滑移。当风机的偏航系统在最大风况下会发生偏航运转（自由偏航、被动偏航或半自由偏航），则应选用极端湍流模型，同时，偏航误差由湍流方向的变化和风机偏航系统动态响应决定。此外，风机处于最大偏航运动或者风速从正常向极端转变而引起的平衡变化，这些行为在分析时都应被考虑。
在DLC6.1中，对于拥有主动偏航系统的风机，并且在偏航系统的滑移可被限制的前提下，当为稳态的极端风模型时，则偏航误差处于±15︒内。当为极端湍流模型时，则偏航误差均值处于±8︒内
在DLC6.2中，做出了在极端风况的暴风早期阶段风机会发生脱网的假设。除非风机备用电能能为偏航系统和控制系统提供至少6小时的供电，否则必须对由风向改变角度达
±180︒的产生的影响进行分析。
DLC6.3，该情形是针对一年一遇的极端风况并包含极端偏航误差而设的。当为稳态的极端风模型时，则极端偏航误差为±30︒。当为极端湍流模型时，则偏航误差均值为±20︒。
DLC6.4，应考虑风机不发电的时间内，每个风速产生的波动性载荷，该波动性载荷对风机部件的疲劳损伤影响较大。 3.4.7停机伴随故障条件（DLC7.1）
风机的正常停机与由脱网或风机故障引起的停机是不同的，这就需要进行分析。假如非脱网的其他任何故障性停机与正常停机是有区别的，则应该对其可能产生的后果进行分析。故障条件应结合一年一遇的EWM 。这些条件可以是经阵风和动态响应的修正后的湍流或准静态模型。
当由偏航系统导致的故障时，偏航误差应设为±180︒。而其他的故障，偏航误差值应
与DLC6.1中的一致。
当DLC7.1中，发现在载荷特征值处偏航系统可发生滑移，则应考虑最坏的最大滑移。 3.4.8运输，装配，保养和维修（DLC8.1-8.2）
对于DLC8.1，制造商应陈述在运输，装配，保养和维修中可能出现的所有风况和设计工况。假如最大的风况可产生不可忽视的载荷，则在设计中该载荷应被考虑。在给定的可接受安全水平下，制造商应允许设计采用的和文档中陈述的风况有足够的余量。一般采用设计风况在陈述的基础上加5m/s，而保证足够的余量。
DLC8.2，对应于运输，装配，保养和维修中出现花费1周以上的情况。 3.5 载荷计算
由3.3.1和3.3.4条例描述的载荷在每个设计载荷情况中都应该考虑。必要时，还应考虑以下情况引起的影响：
● ● ● ● ●
由于风机自身引起的风场扰动；
三维流动对叶片气动性能的影响（如三维失速和叶尖损失等）； 非稳态流场对气动性能的影响； 气弹性影响；
风机的控制系统和保护系统的行为。
常基于动力学模型进行动态模拟来计算获得风机承受的载荷。对于湍流作为输入的载荷，其整个载荷数据的周期历程必须足够长，以保证估计载荷特征值的统计可靠性。在模拟中用到的轮毂处平均风速，至少需要测试6个10min 的风速统计平均值，或者连续的60min 的风速统计平均值来确定。对于DLC2.1、2.2和5.1中的事件，在给定风速下至少需要进行12次的模拟计算。当湍流有作为输入时，任何的区间分析都应将初始5s （若有必要可以延长）的数据舍去，因为，在动态模拟中，初始条件对模拟初始阶段的载荷统计影响较大。
多数情况下，风机组件中发生临界应力或应变的位置处往往同时受多轴载荷。在这种情况下，模拟输出的正交载荷的时间序列有时可用作设计载荷。当正交载荷的时间序列被用来计算疲劳和极端载荷时，为保留相位和振幅，各正交载荷的时间序列应组合。直接方法是基于重要应力的时间历程进行推导。这样，极端和疲劳预测方法就适用于这单个信号了，避免了载荷组合问题。
出于保守考虑，载荷的极限分项和极端分项值应假设同时发生。 3.6 极限状态分析 3.6.1方法
采用分项安全系数来考虑到载荷、材料、分析方法的不确定性和部件结构失效的后果。 3.6.1.1 载荷和材料的分项安全系数
由于载荷和材料具有不确定性，为了保证安全，引入分项安全系数。具体内容如下
F d =γf F k
（30）
其中
F d
在给定设计载荷情况下，同时多个载荷分量的载荷响应或内部合并的载荷的设计
值；
γf
F k
载荷分项安全系数； 载荷特征值
f d =
1f k
γm
（31）
其中
f d
材料设计值； 材料分项安全系数； 材料性能特征值
本标准中的载荷分项安全系数考虑到以下内容
● ●
γm f k
可能产生的不利偏差或载荷特征值的不确定性； 载荷模型的不确定性。
本标准中的材料分项安全系数考虑了以下内容（如同ISO 2394）
● ● ● ●
材料强度特征值的不确定性和可能产生的不利偏差； 对某些截面或结构承载能力有可能发生错误评估； 几何参数的不确定性；
实际结构中材料性能参数和由可控试样实验测试获得的材料性能参数两者之间的关系的不确定性；
●
转换系数的不确定性。
基于组件失效后果的分项安全系数和组件等级
3.6.1.2
失效后果系数γn 在以下所列的不同组件等级中是不同的。 ●
组件等级1：被用于故障安全的组件，它的失效不会引起风机主要组件的失效，如
监控下的可替换轴承。 ● ●
组件等级2：被用于非故障安全的组件，它失效会引起风机主要组件的失效。 组件等级3：被用于非故障安全的，将驱动器、刹车装置与风机主要组件相连的机
械组件，该机械组件起到风机非冗余保护功能的扩充作用。 对于风机极限状态分析，若有必要需要进行以下4类分析： ● ● ● ●
极限强度分析（见3.6.2）； 疲劳失效分析（见3.6.3）；
稳定性分析，如屈服等（见3.6.4）；
临界变形分析（叶片和塔架之间的机械干涉等）（见3.6.5）
极限状态方程在不同分析类型中是不同的。每个分析类型都利用安全系数来处理来源不同的不确定性。
3.6.1.3 公认材料规范的应用
在决定风机部件的结构完整性时，可能会涉及到国家性或国际性的相关设计规范。我们尤其要注意的是，本标准规定的分项安全系数和来于国家性或国际性相关设计规范的分项安全系数同时混合使用时的情况，应该保证最终的安全水平应不低于本标准中给出的安全水平。
基于不确定性的不同类型，如材料本身导致强度的不确定性、生产控制或生产方法等方面引起的不确定性，规范将材料的分项安全系数细分为多个材料系数。
本标准中的称之为“材料普通分项安全系数”的分项系数就是基于材料本身导致的不确定性而引进的。若规范给出的分项安全系数或特征值折减系数还考虑了其他的不确定性，则这些不确定性也应该被考虑。
单个规范可能在设计验证的不同部分中采用不同的载荷和材料分项安全系数的细分方式。本标准的系数细分方式由ISO2394定义。当选择的规范中的细分方式与ISO2394有区别时，则应根据本标准规定的验证法对选择的规范做出适当的调整。 3.6.2极限强度分析
极限状态函数可被分为由载荷S 和抗力R 函数两部分组成。则极限状态条件为
γn ⋅S (F d )≤R (f d )
（32）
抗力R 是指的材料最大的许用抗力设计值，因此R (f d )=f d ；同时，在极限强度分析中，S 一般被定义为最大的结构载荷响应值，因此S (F d )=F d ，则方程变为
γn F k ≤
1
γm γn
f k
（33）
在对每个风机组件进行强度评估时和由表2给出的每个适合极限强度分项的设计载荷情况，对于最临界的极限状态，指有最少边际的状态，应对由式33给出的极限状态方程进行验证。
在给定风速范围内，涉及湍流模型的设计载荷情况应基于2.3.1.1中给出的风速分布函数计算载荷特征值的超越概率。因为许多载荷计算都涉及到极限持续时间的随机模拟，而用于确定重现期的载荷特征值可能比模拟计算获得的任何值都大。附件F 给出了湍流模型下如何计算载荷特征值的相关指导。
对于DLC1.1，载荷特征值应根据统计载荷推断和相应的超越概率决定，超越概率是指，在常规的设计工况下，对于任何10min 周期内的最大值，其值小于或等于3. 8⨯10-7（或50一遇）。详见附件F 。
对于已给出的风条件的设计载荷工况，载荷特征值应选为出现最坏情况的瞬态值。涉及湍流模型时，在最坏情况下，计算获得多个10min 的统计载荷值，在对其求均值。DLC2.1,2.2
和5.1除外，他们载荷的特征值从拥有最多的最大载荷的一半的数据中取均值。 3.6.2.1 载荷的分项安全系数
表3给出了载荷的分项安全系数γf 最小值。
算模型进行验证。做载荷测试的风机试样必要与设计的风机拥有相似的气动、控制和动态响应特性。
3.6.2.2 当公认材料规范的应用不可行时的材料分项载荷系数
材料分项载荷系数应该与材料测试数据的准确性相关。材料普通分项安全系数应满足以下等式，该等式适用于材料特性参数值是在95%的置信区间下得到，。材料普通分项安全系数是只考虑材料本身决定的强度参数不确定性的一类分项安全系数。该取值适用于有屈服行为的组件，即该组件的失效可导致风机主要部件的实现，如焊接管状塔架，塔架法兰等。
屈服行为组件的失效模式包括： ● ●
γm ≥1. 1
（34）
韧性材料的屈服
具有足够数量螺栓的螺栓联接，螺栓断裂提供了强度的1/γm ，在单个螺栓掉落
后。
对于不具有屈服行为的非故障安全的机械或结构组件，它的材料普通安全系数应不低于：
● ●
1.2 对应于有弯曲壳结构的全局屈服，如管状塔架和叶片等； 1.3 对应于由于超出最大抗拉或抗压强度的断裂。
应考虑尺寸的影响，公差和外部条件引起的折减，如紫外线辐射、湿度或一般不易察觉的缺陷等，才能从这个系数中推导获得材料的全局分项安全系数。
后果失效分项安全系数： 组件等级1：γn =0. 9 组件等级2：γn =1. 0 组件等级3：γn =1. 3
3.6.2.3 当公认材料规范的应用可行时，材料分项载荷系数
载荷、材料和后果失效的各个分项安全系数，γf , γm , γn ，应该不低于在3.6.2.1和3.6.2.2中给定的值。 3.6.3疲劳失效
疲劳失效应利用适合的损伤计算公式来估计，如Miner 准则，该准则认为当累积损伤到达1时就是极限状态。在该准则下，在风机的整个设计寿命中累积损伤不应超出1。累计疲劳损伤计算公式应是交变幅值和平均应力或平均应变水平的函数。所有的分项安全系数应适用于交变应变或应力的幅度来估计每个疲劳循环引起的损伤增量。附件G 给出了基于Miner 准则的例子。
3.6.3.1 载荷的分项安全系数
对于所有的正常和非正常设计工况，载荷分项安全系数γf 应等于1。 3.6.3.2 当公认材料规范的应用不可行时，材料分项载荷系数
在SN 疲劳曲线是在50%存活概率条件下得出的和变异系数小于15%的前提下，材料分项安全系数γm 至少等于1.5。在疲劳强度分析中，对于有大的变异系数（15%到20%）的组件，如许多复合材料组件，材料的分项安全系数γm 至少等于1.7。
疲劳强度应从一系列的统计测试中获得。特征值的获取必须考虑到尺寸影响，公差和由外部条件引起的折减等因素，如紫外线辐射和一般不易被察觉的缺陷等。
对于焊接的结构钢，传统上一般应将SN 的存活概率取为97.7%。在这种情况下，γm 可取为1.1。为了实现对临界裂纹的扩展观测而进行的周期性的观测项目时，γm 可取较小值，但不能低于0.9。
对于碳纤维复合材料，强度参数分布应从实际使用材料的测试数据中获得。SN 曲线的存活概率在95%置信区间下取95%。在这种情况下，γm 可取为1.2。对于其他材料也可使用
同样的方法。
后果失效分项安全系数 组件等级1：γn =1. 0； 组件等级2：γn =1. 15； 组件等级3：γn =1. 3。
3.6.3.3 当公认材料规范的应用可行时的材料分项载荷系数
考虑到该规范中给出的分位数，载荷、材料和后果失效各个分项安全系数，γf , γm , γn ，应该不低于在3.6.3.1和3.6.3.2中给定的值。 3.6.4稳定性
非故障安全的承载部件在设计载荷下不应发生屈服。对于其他所有部件，弹性屈服都是允许的。对于所有部件中，在特征载荷下都不应发生屈服。
载荷分项安全系数γf 的最小值应根据3.6.2.1获得。材料分项安全系数应该不低于由3.6.3.2条例给出的值。 3.6.5临界变形分析
应对由表2给出的设计工况下的变形有没有影响到结构完整性进行验证。最重要的一点是验证叶片在变形后有没有同塔架发生干涉。
在表2给出的设计工况下，处于最不利方向的最大弹性变形可利用特征载荷获得。各个分项安全系数再与最终变形相乘。
载荷分项安全系数γf 可从表3中选择。材料弹性参数分项安全系数γm 应为1.1。当弹性参数是在全尺寸实验下获得时，γm 可能减小为1.0。尤其要注意几何不确定性和变形计算方法的准确性。
后果失效分项安全系数 组件等级1：γn =1. 0； 组件等级2：γn =1. 0； 组件等级3：γn =1. 3。
最不利方向的弹性变形应被添加到没有变形的地方和由此产生变形位置处仍应符合不干涉要求。
直接动态变形分析也可能被用到。在这种情况下，变形特征值的确定方法与对表2给出的每个载荷情况下确定载荷特征值的方法是一致的。变形特征值在最不利方向的超越概率应同载荷特征值的一样。变形特征值与各个分项安全系数相乘后再被添加到如上所述的地方。 3.6.6特殊分项安全系数
当载荷的幅值是通过测试或经测试验证后的分析获得时，在这种拥有更高置信度的情况下，可使用比正常低的分项安全系数。使用的分项安全系数值应在设计文档中进行说明。
IEC61400-1第三版本 2005-08 风机-第一分项：设计要求
1. 术语和定义
1.1 声的基准风速 acoustic reference wind speed
标准状态下（指在10m 高处，粗糙长度等于0.05m 时），8m/s的风速。它为计算风力发电机组视在声功率级提供统一的根据。注：测声参考风速以m/s表示。 1.2 年平均 annual average
数量和持续时间足够充分的一组测试数据的平均值，用来估计均值大小。用于估计年平均的测试时间跨度应是一整年，以便消除如季节性等非稳定因素对均值的影响。 1.3 年平均风速V ave annual average wind speed
基于年平均定义的平均风速。 1.4 年发电量 annual energy production
利用功率曲线和在轮毂高度处不同风速频率分布估算得到的一台风力发电机组一年时间内生产的全部电能。假设利用率为100%。 1.5 视在声功率级 apparent sound power level
在测声参考风速下，被测风力机风轮中心向下风向传播的大小为1pW 点辐射源的A —计权声级功率级。注：视在声功率级通常以分贝表示。 1.6 自动重合闸周期auto-reclosing cycle
电路发生故障后，断路器跳闸，在自动控制的作用下，断路器自动合闸，线路重新连接到电路。这过程在约0.01秒到几秒钟内即可完成。 1.7 可利用率 （风机） availability
在某一期间内，除去风力发电机组因维修或故障未工作的时数后余下的小时数与这一期间内总小时数的比值，用百分比表示。 1.8 锁定（风机）blocking
利用机械销或其它装置，而不是通常的机械制动盘，防止风轮轴或偏航机构运动，一旦锁定发生后，就不能被意外释放。 1.9 制动器（风机）brake
指用于转轴的减速或者停止转轴运转的装置。注：刹车装置利用气动，机械或电动原理来控制。
1.10 严重故障（风机）catastrophic failure
零件或部件严重损坏，导致主要功能丧失，安全受到威胁。 1.11 特征值 characteristic value
在给定概率下不能达到的值（如超越概率，超越概率指出现的值大于或等于给定值的概率）。
1.12 复杂地形 complex terrain
指地貌显著变化和充满障碍物的地形，往往会存在气流畸变现象。 1.13 控制系统（风机） control system
接受风机信息或环境信息，调节风机，使其保持在工作要求范围内的系统。 1.14 切入风速V in cut-in wind speed
没有湍流时，风力发电机组开始输出有用功率时，在轮毂高度处的最小风速。。 1.15 切出风速V out cut-out wind speed
没有湍流时，设计时规定的风力发电机组输出有用功率时，在轮毂高度处的最大风速。 1.16 数据组（用于功率特性测试） data set
在规定的连续时段内采集的数据的集合。 1.17 设计极限 design limits
在设计中用到的最大或者最小值。 1.18 设计工况 design situation
风力发电机组可能发生的运行模式，例如发电、停机等。 1.19 指向性（风机） directivity
在风力机下风向与风轮中心等距离的各不同测量位置上测得的A —计权声压级间的不同。注：指向性以分贝表示；测量位置由相关标准确定。 1.20 距离常数 distance constant
风速仪的时间响应指标。在阶梯变化的风速中，当风速仪的指示值达到稳定值的 63%时，通过风速仪的气流行程长度。 1.21 日变化 diurnal variations
以日为基数发生的变化。 1.22 潜伏故障 dormant failure
正常工作中零部件或系统存在的未被发现的故障。 1.23 下风向 downwind
与主要风向一致的方向。 1.24 电网 electrical power network
指由发电、输电系统形成的网络。 1.25 应急关机（风机） emergency shutdown
在保护系统或者人工干预下，风机立即停止运转。 1.26 环境条件 environmental conditions
指会影响风机运行的环境特性，如风、高度、温度和湿度等。 1.27 外部条件 external conditions
指会影响风机工作的诸因素，包括风况、其它气候因素（雪，冰等），地震和电网条件。
1.28 外推功率曲线 extrapolated power curve
由于在实际测试中，切出风速很少有测得，故用预测的方法对测量功率曲线在测量到的最大风速到切出风速之间的延伸。 1.29 极端风速 extreme wind speed
t 秒内平均最高风速。它往往是特定周期（重现期）T 年一遇的。重现期T=50年和T=1年，相应的时间为t=3s和t=10min。 1.30 故障安全 fail-safe
当系统出现故障时，其后果不危及系统的安全或者后果不引起严重故障。 1.31 气流畸变 flow distortion
由障碍物、地形变化或其它风力机引起的气流改变，其结果是相对自由流产生了偏离，造成一定程度的风速测量误差。 1.32 自由流风速 free stream wind speed
常指轮毂高度处，未被扰动的自然空气流动速度。 1.33 掠射角 grazing angle
麦克风盘面与麦克风到风轮中心连线间的夹角。注：拒用“入射角”这一术语；掠射角以度表示。 1.34 阵风 gust
指风速的瞬间变化。可用形成时间，强弱和持续时间来表示其特性。 1.35 水平轴风力机 horizontal axis wind turbine
风轮轴基本上平行于风向的风力机。 1.36 轮毂 hub
将叶片或叶片组固定到转轴上的装置。 1.37 轮毂高度 hub height
从地面到风轮扫掠面中心的高度，对垂直轴风力机是赤道平面高处。 1.38 空转 idling
风力机缓慢旋转但不发电的状态。 1.39 惯性负区 inertial sub-range
风速湍流谱的频率区间，该区间内涡流经逐步破碎达到均质，能量损失乎略不计。注：在10m/s风速时，惯性负区的频率大致在0.02Hz ~2kHz之间。 1.40 互联（风力发电机组） interconnection
风力发电机组与电网之间的电力联接，从而电能可从风机输送给电网。 1.41 潜伏故障 latent fault
正常工作未被发现的零部件或系统故障。 1.42 极限状态 limit state
构件的一种受力状态，如果作用其上的力超出这一状态，则构件不再满足设计要求。 1.43 载荷情况 load case
结合考虑设计工况和外界条件所产生的结构载荷。 1.44 对数风切变律 logarithmic wind shear law 1.45 最大功率 maximum power
正常工作条件下，风力发电机组输出的最高净电功率。 1.46 平均风速 mean wind speed
在一段时间内，测得的风速瞬间值的统计平均值。时间段从几秒到数年不等。 1.47 测试周期 measurement period
收集功率特性试验中具有统计意义的基本数据的时段。 1.48 测量功率曲线 measured power curve
用正确的方法测得并经修正或标准化处理后的风力发电机组净电功率输出的图和表。它是经测试获得的风速的函数。 1.49 测量扇区 measurement sector
测取测量功率曲线所需数据的风向扇区。 1.50 分组方法 method of bins
将实验数据按风速间隔分组的数据处理方法。 1.51 机舱 nacelle
位于水平轴风机的塔架顶部，包含传动链和其他部件的箱体。 1.52 净电功率输出 net electric power output
风力发电机组输送给电网的电功率值。 1.53 电网联接点（风机） network connection point
对单台风力发电机组是输出电缆终端，而对风电场是与电力汇集系统总线的联接点。 1.54 电网损失 network loss 1.55 正常关机 normal shutdown
全过程都是在控制系统作用下的关机。 1.56 障碍物 obstacles
邻近风力发电机组的，并能引起气流畸变的固定物体，如建筑物、树林等。 1.57 运行极限 operating limits 1.58 停机的风机 parked wind turbine
指静止的风机或者空转的风机，这依据风机的具体设计而定。 1.59 桨距角 pitch angle
在指定的叶片径向位置（通常为100%叶片半径处，即叶尖）叶片弦线与风轮旋转面间的夹角。
1.60 电力汇集系统（风机） power collection system
指从一个或多个风机中汇集电能的电力系统。它包括了在电网联接点和风机终端之间相连的所有的电力设备。用于汇集风力发电机组电能并输送给电网升压变压器或电负荷的电力联接系统。
1.61 功率系数 power coefficient
净电功率输出与风轮扫掠面上从自由流得到的功率之比。 1.62 风切变幂定律 power law for wind shear
表示风速随离地面高度以幂定律关系变化的数学式。 1.63 输出功率 power output
以特定的方式，为达到特定的目的通过一种装置输出的功率 1.64 功率特性 power performance
风力发电机组的发电能力的相关特性。 1.65 风机保护系统 protection system
确保风力发电机组运行在设计范围内的系统。注：在产生矛盾时，保护系统优先于控制系统。
1.66 额定功率 rated power
正常工作条件下，风力发电机组的设计要达到的最大连续输出电功率。 1.67 额定风速V r rated wind speed
指在风场稳态下，风机达到额定功率时，位于轮毂处的最小风速。 1.68 瑞利分布 Rayleigh distribution
经常用于风速的概率分布函数。 1.69 基准距离 reference distance
从风力发电机组基础中心到指定的各麦克风位置中心的水平公称距离。注：基准距离以米表示。
1.70 基准高度 reference height
用于转换风速到标准状态的约定高度。注:参考高度定为10m 。 1.71 基准粗糙长度 reference roughness length
用于转换风速到标准状态的粗糙长度。注：基准粗糙长度定为0.05m 。 1.72 参考风速V ref reference wind speed
它是用来定义风机等级的基本参数。从参考风速可推得与气候有关的设计参数和其他的基本风机等级参数，详细见条例6。注：在设计风机中，我们选定某个风机等级后，就会有相应的参考风速与之对应。则设计的风机必须能抵抗在轮毂处小于或等于的参考风速。该参考风速一般指50年一遇的极端风速，该极端风速是在10min 内的统计上的平均风速。 1.73 旋转采用风矢量 rotationally sampled wind velocity
旋转风轮上某固定点经受的风矢量。注 :旋转采样风矢量湍流谱与正常湍流谱明显不同。风轮旋转时，叶片切入气流，湍流谱产生空间变化。最终的湍流谱包括转动频率下的湍流谱变化和由此产生的谐量。 1.74 风轮转速 rotor speed
风力机风轮绕其轴的旋转速度。 1.75 粗糙长度z 0 roughness length
在假定垂直风廓线随离地面高度按对数关系变化情况下，平均风速变为0时算出的高度。 1.76 定期保养 scheduled maintenance
依据制定的时间表的预防性保养。 1.77 使用极限状态 serviceability limit states
正常使用要求的边界条件。 1.78 现场数据 site data
风力机现场的环境，地震，土壤和电气网络数据。现场数据必须是10分钟的统计样本，除非另有说明。
1.79 风场电气设备 site electrical facilities
风力发电机组电网联接点与电网间所有相关电气设备。 1.80 声压级 sound pressure level
声压与基准声压之比的以10为底的对数乘以20，以分贝计。注:对风力发电机组，基准声压为20μPa 。
1.81 标准风速 standardized wind speed
利用对数风廓线转换到标准状态（处于10m 高，粗糙长度为0.05m 的情况）的风速。 1.82 静止 standstill
风力发电机组的停止状态 1.83 支撑结构 support structure
由塔架和基础组成的风力机部件。
1.84 安全风速（该名称不能被使用） survival wind speed
结构所能承受的最大设计风速的俗称。注:IEC 61400系列标准中不采用这一术语。设计时可参考极端风速。 1.85 扫掠面积 swept area
垂直于风矢量平面上的，风轮旋转时叶尖运动所生成圆的投影面积。 1.86 试验场地 test site
风力发电机组试验地点及周围环境。 1.87 音值 tonality
音值与靠近该音值临界波段的遮蔽噪音级间的区别。注：音值以分贝表示。
1.88 湍流强度I turbulence intensity
标准风速偏差与平均风速的比率。用同一组测量数据和规定的周期进行计算。 1.89 湍流尺度参数Λ1 turbulence scale parameter
纵向功率谱密度等于0.05时的波长。注：纵向功率谱密度是个无量纲的数。
Λ1=V hub /f 0，其中f 0S 1(f 0)/σ1=0. 05。
2
1.90 湍流标准差σ1 turbulence standard deviation
在轮毂高度处，湍流风速纵向分量的标准差。 1.91 最大极限状态 ultimate limit state
与损坏危险和可能造成损坏的误差或变形对应的极限状态。 1.92 测量误差 uncertainty in measurement
测量所得的值与被测事物的真实值之间的差异。 1.93 不定期保养 unscheduled maintenance
收到有关一个项目状态的指示后，对其进行保养，该保养不是依据制定的时间表进行的。 1.94 上风向 upwind
与主风向相反的方向。
1.95 垂直轴风力机 vertical axis wind turbine
风轮轴垂直的风力机。
1.96 威布尔分布P W Weibull distribution
经常用于风速的概率分布函数，分布函数取决于两个参数，控制分布宽度的形状参数和控制平均风速分布的尺度参数。瑞利分布是威布尔分布的一种特殊形式，当形状参数为2时，威布尔分布即为瑞利分布。 1.97 声级 sound level
已知声压与20μPa 基准声压比值的对数。声压是在标准计权频率和标准计权指数时获得。注：声级单位为分贝，它等于上述比值以10为底对数的20倍。 1.98 风障 wind break
相互距离小于3倍高度的一些高低不平的自然环境。 1.99 风电场 wind farm
由一批风力发电机组或风力发电机群组成的电站。 1.100
风电场 wind power station
由一批风力发电机组或风力发电机群组成的电站。 1.101
风廓线-风切变律 wind profile-wind shear law
风速随地面高度变化的曲线称为风廓线，变化规律称为风切变律。注：常用的风廓线数学表达式为对数形式（式1）或者指数形式（式2）。
⎛⎫ln z ⎪⎝z 0⎭
V (z )=V (z r )
⎛z ⎫ln r ⎪⎝z 0⎭
⎛z ⎫
⎪V (z )=V (z r ) z ⎪⎝r ⎭
α
（1）
其中： V (z )
（2）
在高度z 处的风速； 距离地面的高度；
距离地面的参考高度，用于拟合风廓线； 粗糙长度； 风切变指数。 风速 wind speed
z z r z 0
α
1.102
空间某点的风速是指改点周围气体微团的移动速度的数值。注：风速是风矢量的数值。 1.103
风速分布 wind speed distribution
用于描述连续时间内风速概率分布的分布函数。注：常用瑞利分布P R (V 0)和威布尔分布P W (V 0)。
P R (V 0)=1-exp -π(V 02V ave )
2
[]
（3） （4）
P R (V 0)=1-exp -(V 0C )
k
[]
瑞利分布P R (V 0)和威布尔分布P W (V 0)的V ave 的表达式各自为： 其中：
P (V 0)
1⎫⎛
V ave =C Γ 1+⎪
k ⎭⎝
（5） （6）
V ave =C /2
累计概率函数，即风速；
V ≤V 0
的概率为
P (V 0)
;
V 0 V 0
该分布的平均风速，即均值； 威布尔分布的尺度参数； 威布尔分布的形状参数； 伽马函数。 风切变 wind shear
C K
Γ
1.104
风速在垂直于风向平面内的变化。
1.105 风切变指数 wind shear exponent
通常用于描述风速剖面线形状的幂定律指数。见1.101。 1.106 1.107 1.108
风力机发电系统 wind turbine generator system 风机地址 wind turbine site 风矢量 wind velocity
标有被研究点周围气体微团运动方向，其值等于该气体微团运动速度大小。 1.109 1.110
风机电力系统 wind turbine electrical system 风机终端 wind turbine terminals
用于传输电能，风机与电力汇集系统相连的点。同时，也包括信息的传输点。 1.111
偏航 yawing
风轮轴绕绕垂直轴的旋转（仅适用于水平轴风力机）。 1.112
偏航误差 yaw misalignment
水平轴风机转轴与风速方向的水平偏差。 2
外部条件
2.1 概述
在风机设计过程中，本条例给出的外部条件必须被考虑。环境和电力条件都会对风机的载荷、耐久性和运行产生影响。为了保证合适的安全和可靠性，在风机设计中必须考虑环境、电力和土壤条件，并在设计文件中详细描述。环境条件被分成风况和其他的环境条件两部分。电力条件是指电网条件，而土壤条件在风机的基体设计中才涉及到。同时，外部条件被分成正常和极端部分。正常的外部条件一般只要考虑常见的结构载荷条件，而极端外部条件是指不常见的外部设计条件。设计载荷情况必须包括这些潜在的，严重的极端外部条件和正常外部设计条件。风况是影响风机结构完好性的主要外部条件。当然，其他的外部条件也会对其产生影响，如：腐蚀等。在以下的子条例中，给出了在风机设计应考虑的正常和极端条件。 2.2 风机等级
在风机设计中，必需要考虑安装地点的风速情况。对于不同的安装地点，风机尺寸等参数是不同的。考虑到风速特性的地区差异性，IEC 国际标准给出了四个风机等级，这四个风机等级是依据风速和湍流密度来划分的。这里给出的风速和湍流强度的参数可代表多数地区的风况，当然，它并不能很精确的反映任何安装地点的风况。表1给出了用于划分风机等级的基本参数。其中，S 等级在特殊的风况下(如暴风带，海上区域等) 或特殊安全等级下使用。
表1 风机等级
在表1中，所以的参数都是基于轮毂高度处而言的，其中：
V ref
指10min 参考平均风速； 表征高的湍流特性范畴； 表征适中的湍流特性范畴； 表征低的湍流特性范畴；
15m /s
A B C
I ref
平均风速时，湍流密度均值。
在风机设计过程中，除了以上这些基本参数外，还需要其他重要的参数才能完整定义外部风况，其他的参数将在2.3、2.4和2.6中给出。我们将处于从I A 到III C 等级的风机称之为标准风机等级。
对于从I A 到III C 等级的风机，规定其设计寿命至少达20年。
对于S 等级的风机，制造商必须给出用于设计风机的详细设计参数的文件，文件需要的信息在附件A 中给出。 2.3 风况
设计的风机应能安全承受与选定的风机等级相对应的风况。 在设计文档中应详细给出风况的设计值。
出于载荷计算和风机安全的考虑，将风域划分为正常风况和极端风况，正常风况在风机运行期间是时常发生的，极端风况是指50一遇或一年一遇的情况。
在多数情况中，风况包含带有阵风的风廓线或湍流的恒定平均风速。在所有情况中，当平均风速方向与水平面的夹角出8︒时，必须要考虑该影响。该夹角沿高度方向是变化的。
“湍流”用于表征10min 内平均风速的随机变动。湍流模型必须考虑到风速变化、风切变和允许的旋转采样的影响。湍流风速的三个分量为：纵向，与平均风矢量方向一致；横向，位于水平面并与纵向垂直；上向，与纵向和横向都各自垂直的方向。
对于标准风机等级，湍流模型的随机风速场必须满足以下条件：
a) 湍流标准差，σ1，其值有以下子条例给出，认为是不随高度而变化的，而横向和上向
湍流标准差的最小值应满足以下关系式，实际取值由所有的湍流模型和下面b ）规定的条件共同决定。 横向
σ2≥0. 7σ1
上向
σ3≥0. 5σ1
b) 位于轮毂高度z 处的纵向湍流尺度参数Λ1为：
⎧0. 7z Λ1=⎨
⎩42m
z ≤60m z ≤60m
（7）
由于惯性负区的频率变大了，三个正交的功率谱密度S 1(f ), S 2(f ), S 3(f )应渐进地满足以下等式：
S 1(f )=0. 05σ1(Λ1hub
2
)-2/3f -5/3
S 1(f )
（8） （9）
S 2(f )=S 3(f )=
43
c) 为了一致性，应使用公认的模型。该模型利用自动频谱对位于与纵向方向垂直平面内的
空间离散点处的纵向风速的协谱幅值进行划分而得到的。
我们推荐采用满足以上要求的曼恩均匀切变湍流模型，具体在附件B 中给出。在附件B 中也给出了另一个常用的模型。对于其他的湍流模型必须谨慎使用，因它会对载荷产生重大影响。 2.3.1正常风况
2.3.1.1 风速分布函数
在风机设计中，风速分布起着重要影响。它决定了在正常设计工况时单个载荷情况发生的频率。位于轮毂高度处，以10min 为周期的平均风速被认为是服从瑞利分布的。瑞利分布为
P R (V hub )=1-exp -π(V hub 2V ave )
2
[]
（10）
其中，对于标准风机等级，V ave 应为
2.3.1.2 正常风廓线模型（NWP ）
风速随地方高度变化的曲线称为风廓线，风廓线模型V (z )，用于表示平均风速随距离地面高度z 变化的函数。对应标准风机等级，正常的风廓线可由幂函数给出
其中，幂指数α=0. 2。 2.3.1.3 正常湍流模型（NTW ）
对于正常的湍流模型，位于轮毂高度处，湍流标准差值应取90%的分位数。湍流标准差为：
σ1=I ref (0. 75V hub +b ) b =5. 6m /s
V ave =0. 2V ref
（11）
V (z )=V hub (z /z hub
)α
（12）
（13）
图1a 和1b 给出了，不同标准风机等级下，正常湍流模型的湍流标准差σ1和湍流强度σ1/V hub
随轮毂风速的曲线图。
2.3.2极端风况
极端风况指风切变和由于暴风引起的峰值风速，风速及风向的快速变化等事件。 2.3.2.1 极端风速模型（EWM ）
极端风速模型可以是稳态模型或湍流模型。极端风速模型应基于参考风速V ref 和给定的湍流标准差σ1进行选择。
当为稳态极端风速模型时，50年一遇的，10min 内的极端平均风速V e 50和一年一遇的，10min 内的极端平均风速V e 1随高度z 的函数形式为：
V e 50=1. 4V ref (z /z hub
)0. 11
（14） （15）
V e 1=0. 8V e 50(z )
对于稳态的极端风模型，允许风速在短期内和平均风向发生偏离，但在此期间内偏航误差角度必须保证在±15︒以内，而且是恒定的。
当为湍流的极端风速模型时，50年一遇的，10min 内的极端平均风速V e 50和一年一遇的，10min 内的极端平均风速V e 1随高度z 的函数形式为：
纵向的湍流标准差为：
2.3.2.2 运行过程中的极端阵风（EOG ）
对于标准等级风机，在轮毂处的阵风的幅值由下式给出
⎧
⎪
=Min ⎨1. 35(V e 1-V hub );
⎪⎩
⎛⎫⎫ ⎪⎪σ13. 3 ⎪⎬ D 1+0. 1Λ⎪⎪
1⎭⎭⎝
V 50(z )=V ref (z z hub )
0. 11
（16） （17）
V 1(z )=0. 8V 50
σ1=0. 11V hub
（18）
V gust
（19）
其中
σ1
由等式13给出；
Λ1
同等式7，即为湍流尺度参数； 风轮直径
风速由以下定义式给出：
⎧V (z )-0. 37V gust sin (3πt /T )(1-cos (2πt /T ))
V (z , t )=⎨
⎩V (z )
0≤t ≤T 其他
D
（20）
其中，V (z )参见式12；T =10. 5s 。
图2给出了，当V hub =25m /s ，风机等级为I A ，D=42m时，运行过程中的极端阵风。
2.3.2.3 极端湍流模型（ETM ）
极端湍流模型应使用2.3.1.2条例给出的正常风廓线模型，并且极端湍流模型在纵向方向上的湍流标准差为
σ1=cI ref 0. 072
⎝
⎛
⎫⎫⎛V ⎫
+3⎪ hub -4⎪+10⎪⎪; ⎝c ⎭⎝c ⎭⎭⎛V ave
c =2m /s （21）
2.3.2.4 极端风向变化（EDC ）
极端风向变化的幅度θe 可由以下关系式求得：
⎛⎫
⎪
σ1⎪ θe =±4arctan
⎛⎛D ⎫⎫⎪V 1+0. 1 ⎪⎪ hub
Λ1⎪⎝⎭⎝⎭⎭⎝
（22）
其中
σ1
Λ1
由等式13给出；
同等式7，即为湍流尺度参数； 风轮直径；
必须在±180︒区间内。
D θe
极端风向随时间的函数θ(t )为
⎧0︒⎪
θ(t )=⎨±0. 5θe (1-cos (πt /T ))
⎪θ⎩e
t T
（23）
其中T=6s，是风向改变的持续时间；正负号应按最坏风载选取。风向改变结束后，风向就被认为保持不变了。风速仍使用2.3.1.2条例中的正常风廓线模型。
图3和4给出了D=42m，z hub =30m ，湍流范畴为A 时的风向变化幅值随风速的曲线图和风向变化随时间的曲线图。
2.3.2.5 伴随风向改变的极端连续阵风（ECD ）
伴随风向改变的极端连续阵风的幅值V cg 为
V cg =15m /s
（24）
风速为
⎧V (z )
⎪
V (z , t )=⎨V (z )+0. 5V cg (1-cos (πt /T ))
⎪
⎩V (z )+V cg
t ≤00≤t ≤T t ≥T
（25）
其中：T=10s是形成时间，风速仍使用2.3.1.2条例中的正常风廓线模型。图5给出了，当
V hub =25m /s 时，极端连续阵风的风速形成示意图。
在风速形成的同时，风向角度θ在0°到θcg 之间变化，其中θcg 定义式为
θcg
⎧180︒⎪
=⎨720︒m /s ⎪V
hub ⎩
V hub
（26）
同时，风向与时间的函数为
⎧0︒
⎪
θ(t )=⎨±0. 5θcg (1-cos (πt /T ))
⎪
⎩±θcg
t T
（27）
其中形成时间T=10s。
图6和7给出了风向变化幅值θcg 随V hub 的曲线和V hub =25m /s 时，风向变形幅值随时间的曲线。
2.3.2.6 极端风切变（EWS ）
极端风切变的风速瞬态值由以下等式给出。瞬态垂直切变：
⎧⎛
⎪V hub
⎪⎝⎪
V (z , t )=⎨
⎪⎛⎪V hub ⎪⎝⎩
z ⎫⎛z -z hub
⎪± z hub ⎪D ⎝⎭z ⎫
⎪z hub ⎪⎭
αα
⎛
⎫
⎪2. 5+0. 2βσ⎭ ⎝
⎛D ⎫ ⎪1 ⎪Λ⎝1⎭
1/4
⎫
⎪(1-cos (2πt /T ))⎪⎭
0≤t ≤T 其他
（28）
瞬态水平切变：
⎧⎛⎪V hub
⎪⎝⎪
V (y , z , t )=⎨
⎪⎛⎪V hub ⎪⎝⎩
α
⎛z ⎫⎛y ⎫
⎪± ⎪ 2. 5+0. 2βσz hub ⎪⎝D ⎭ ⎭⎝
⎛D ⎫
⎪1 ⎪⎝Λ1⎭
1/4
⎫
⎪(1-cos (2πt /T ))⎪⎭
0≤t ≤T 其他
（29）
z ⎫⎪z hub ⎪⎭
α
其中（对以上两式都适用）
α=0. 2; β=6. 4; T =12m /s ；
σ1
Λ1
由等式13给出；
同等式7，即为湍流尺度参数；
D 风轮直径；
正负号按最坏瞬态载荷选取。以上两式不能同时使用。
图8给出了，当湍流范畴为A ，z hub =30m ，V hub =25m ，D =42m 时，初始时刻和
最大切变发生时(t =6s )的风廓线。图9给出了，如图8条件下，风轮上下端处的风速分布，用于说明风切变的时间过程。
3
结构设计
3.1 概述
必须风机的承载组件的完整性进行验证，同时，必须保证一个可接受的安全水平。结构组件的强度极限和疲劳强度可利用计算或者实验来证明，证明其在适合的安全水平下具有结构完整性。结构分析应基于ISO2394标准。
计算必须是采用合适的方法。在设计文件中必须对计算方法进行描述。同时，包括计算方法是有效的相关证明。任何用于强度验证的载荷水平应符合安全系数，该安全系数由3.6条例中的载荷特征值决定。 3.2 设计方法学
必须对极限状态有没有超出风机设计给定的进行验证。在对结构设计验证过程中，模型测试和样机测试可作为计算的替代品，如同ISO2394给出的。
3.3 载荷
从3.3.1到3.3.4中给出的各种载荷在结构设计时必须被考虑。 3.3.1 重力和惯性载荷
重力和惯性载荷是静态和动载荷，是由自重、振动、旋转和地震活动引起的。 3.3.2 气动载荷
重力和惯性载荷是静态和动载荷，是由气流与风机可动部件和静止部件的相互作用引起的。 3.3.3 驱动载荷
驱动载荷是由运行和控制引起的。 3.3.4 其他载荷
其他载荷指尾流载荷、冲击载荷、冰载荷等。
3.4 设计工况和载荷情况
该条例描述了风机的设计载荷情况，给出的载荷情况条例数量是风机设计中应该考虑的最少量。
风机的整个寿命可认为是被包括风机可能经受的最重要情况的一系列设计情况所反映。 载荷情况可由风机的运行模型或其他设计工况，如特定的装配、安装或保养，及其外部条件决定。任何有关的载荷情况，只要存在合理的发生率都应该被考虑，风机的控制和保护系统的行为也应该被考虑。用于验证风机的结构完整性的设计载荷情况应基于以下组合进行计算：
● ● ●
正常设计情况和适合的正常或者极端外部条件组合； 故障设计情况和适合的外部条件组合；
运输，安装和保养的设计条件和适合的外部条件组合。
当极端外部条件和故障情况存在联系时，实际应用中，应将这2个情况合并为一个情况进行
考虑。
对于任何一种设计情况，必须考虑多个设计载荷情况。表2给出了至少应考虑的载荷情况。 在表2中，对于每个设计情况的设计载荷情况分类是由风速，电力和其他外部条件决定的。
对于采用确定性风模型的设计载荷情况，如果风机的控制系统可以让风机在达到最大偏航角度或者最大风速时停止运转，那么，必须被验证在同样的确定性风模型的湍流条件下，风机的控制系统能使风机可靠地停止运转。
若涉及到特定风机的结构完整性时，还应考虑其他的设计载荷情况。
表2中F 代表疲劳载荷分析和疲劳强度的评估，U 代表强度载荷分析，主要指材料强度，叶尖变形和结构稳定性。
标有U 的设计工况被分成正常(N)，非正常(A)或者运输安装(T)。正常的载荷工况是指在风机整个寿命中经常发生的事件，非正常的载荷工况是少有的事件，如引起保护系统运行的严重故障。设计情况的种类，N, A或者T 决定了适用于极端载荷的各分项安全系数γf 。表3给出了这些系数。
表2 设计载荷工况（DLC ）
DLC ECD EDC EOG EWM EWS NTM
设计载荷工况
伴随方向改变的连续极端阵风（见2.2.2.5） 极端风向改变（见2.2.2.4） 极端运行阵风（见2.2.2.2） 极端风速模型（见2.2.2.1） 极端风切变（见2.2.2.6） 正常湍流模型（见2.2.1.3）
ETM NWP
极端湍流模型（见2.2.2.3） 正常风廓线模型（见2.2.1.2）
在所有应分析的风速下的敏感度
V r ±2m /s
F U N A T *
疲劳 强度极限 正常 非正常 运转和安装
疲劳采用的分项安全系数（见3.6.3）
在风机设计时应按产生最坏结果对位于表2中给出的风速范围内的风速进行选取。当风速范围是通过一系列离散值提供时，为了保证计算的精确性应具有足够的分辨率，一般取2m/s。 3.4.1电力生产（DLC 1.1-1.5）
该设计情况是指风机在正常运转并与电网相连的情况。必须考虑风轮结构的不平衡性。在设计时计算中应使用由风轮制造条件决定的质量和气动的最大不平衡性。
而且，在对运行载荷分析时，必须考虑到理论上理想的运行情况和实际的运行情况之间的偏差，如偏航误差和控制系统误差引起的偏差。
1.1和1.2的设计载荷情况需要包括由湍流引起的载荷，湍流是指在风机正常运转的整个寿命期间发生的事件。1.3的设计载荷情况需要包括由极端湍流引起的极端载荷部分。1.4和1.5的设计载荷情况规定了瞬间载荷，只考虑会引起潜在的风机严重损坏事件的瞬间载荷。
DLC1.1的静态模拟数据至少包含风轮旋转平面内和平面外的极端力矩和叶尖变形。假如这些参数的极端值超出了由DLC1.3给出的极端设计值，则不用对DLC1.1进行进一步的分析。假如这些参数的极端值没有超出由DLC1.3给出的极端设计值，则增加DLC1.3中使用的极端湍流模型的参数c 值（21式），直到这些参数超出或等于由DLC1.3给出的极端设计值。
3.4.2电力生产伴随故障或者脱网（DLC2.1-2.4）
该设计情况是指风机在发电时发生突然性故障或脱网引起的瞬态事件。无论是控制系统、保护系统或内部电力系统故障，只要对风机载荷产生重大影响的故障，在该设计情况中都应该被考虑。DLC2.1指由控制系统或脱网引起的故障情况，该类故障是常有发生的。DLC2.2指一些少有且非正常的故障事件，如保护系统或内部电力系统故障。DLC2.3指潜在的但影响重大的故障（EOG ），如内部或外部电力系统故障（脱网），该类故障也是非正常的。这2类事件的时序按以产生最坏载荷进行选取。假如故障或者脱网没有导致立即停机，这后续的载荷会对疲劳损伤产生较大影响，在正常湍流模型下，伴随疲劳损伤的该情况的持续时间应通过DLC2.4计算获得。 3.4.3启动（DLC 3.1-3.3）
该设计情况是指风机从停机或空转向发电情况转变的过渡时期内产生的相关载荷的所
有事件。启动次数应按控制系统的行为特性进行估计。 3.4.4正常停机（DLC 4.1-4.2）
该设计情形是指风机在从发电工况向停机或空转转变的过渡时期内产生相关载荷的所有事件。启动次数应从控制系统的行为特性进行估计。 3.4.5应急停机（DLC5.1）
考虑由应急停机导致的载荷。 3.4.6空转（DLC6.1-6.4）
在DLC6.1,6.2和6.3中应使用极端风速模型（EWM ）。对于DLC6.4使用正常湍流模型（NTM ）。
当风况为EWM ，设计载荷情况即可以使用稳态的极端风模型或者极端湍流模型。当为极端湍流模型时，可利用由ISO 4354给出的阵风和动态响应的修正关系式，获得全动态模拟结果或者准静态分析的结果。当为稳态的极端风模型，则可使用以上所述的准静态分析获得共振对载荷的影响。当共振与背景响应的比值低于5%，则可采用稳态的极端风模型进行静态分析。若在载荷特征值处偏航系统可发生滑移，则平均偏航误差应加上最坏的最大偏移滑移。当风机的偏航系统在最大风况下会发生偏航运转（自由偏航、被动偏航或半自由偏航），则应选用极端湍流模型，同时，偏航误差由湍流方向的变化和风机偏航系统动态响应决定。此外，风机处于最大偏航运动或者风速从正常向极端转变而引起的平衡变化，这些行为在分析时都应被考虑。
在DLC6.1中，对于拥有主动偏航系统的风机，并且在偏航系统的滑移可被限制的前提下，当为稳态的极端风模型时，则偏航误差处于±15︒内。当为极端湍流模型时，则偏航误差均值处于±8︒内
在DLC6.2中，做出了在极端风况的暴风早期阶段风机会发生脱网的假设。除非风机备用电能能为偏航系统和控制系统提供至少6小时的供电，否则必须对由风向改变角度达
±180︒的产生的影响进行分析。
DLC6.3，该情形是针对一年一遇的极端风况并包含极端偏航误差而设的。当为稳态的极端风模型时，则极端偏航误差为±30︒。当为极端湍流模型时，则偏航误差均值为±20︒。
DLC6.4，应考虑风机不发电的时间内，每个风速产生的波动性载荷，该波动性载荷对风机部件的疲劳损伤影响较大。 3.4.7停机伴随故障条件（DLC7.1）
风机的正常停机与由脱网或风机故障引起的停机是不同的，这就需要进行分析。假如非脱网的其他任何故障性停机与正常停机是有区别的，则应该对其可能产生的后果进行分析。故障条件应结合一年一遇的EWM 。这些条件可以是经阵风和动态响应的修正后的湍流或准静态模型。
当由偏航系统导致的故障时，偏航误差应设为±180︒。而其他的故障，偏航误差值应
与DLC6.1中的一致。
当DLC7.1中，发现在载荷特征值处偏航系统可发生滑移，则应考虑最坏的最大滑移。 3.4.8运输，装配，保养和维修（DLC8.1-8.2）
对于DLC8.1，制造商应陈述在运输，装配，保养和维修中可能出现的所有风况和设计工况。假如最大的风况可产生不可忽视的载荷，则在设计中该载荷应被考虑。在给定的可接受安全水平下，制造商应允许设计采用的和文档中陈述的风况有足够的余量。一般采用设计风况在陈述的基础上加5m/s，而保证足够的余量。
DLC8.2，对应于运输，装配，保养和维修中出现花费1周以上的情况。 3.5 载荷计算
由3.3.1和3.3.4条例描述的载荷在每个设计载荷情况中都应该考虑。必要时，还应考虑以下情况引起的影响：
● ● ● ● ●
由于风机自身引起的风场扰动；
三维流动对叶片气动性能的影响（如三维失速和叶尖损失等）； 非稳态流场对气动性能的影响； 气弹性影响；
风机的控制系统和保护系统的行为。
常基于动力学模型进行动态模拟来计算获得风机承受的载荷。对于湍流作为输入的载荷，其整个载荷数据的周期历程必须足够长，以保证估计载荷特征值的统计可靠性。在模拟中用到的轮毂处平均风速，至少需要测试6个10min 的风速统计平均值，或者连续的60min 的风速统计平均值来确定。对于DLC2.1、2.2和5.1中的事件，在给定风速下至少需要进行12次的模拟计算。当湍流有作为输入时，任何的区间分析都应将初始5s （若有必要可以延长）的数据舍去，因为，在动态模拟中，初始条件对模拟初始阶段的载荷统计影响较大。
多数情况下，风机组件中发生临界应力或应变的位置处往往同时受多轴载荷。在这种情况下，模拟输出的正交载荷的时间序列有时可用作设计载荷。当正交载荷的时间序列被用来计算疲劳和极端载荷时，为保留相位和振幅，各正交载荷的时间序列应组合。直接方法是基于重要应力的时间历程进行推导。这样，极端和疲劳预测方法就适用于这单个信号了，避免了载荷组合问题。
出于保守考虑，载荷的极限分项和极端分项值应假设同时发生。 3.6 极限状态分析 3.6.1方法
采用分项安全系数来考虑到载荷、材料、分析方法的不确定性和部件结构失效的后果。 3.6.1.1 载荷和材料的分项安全系数
由于载荷和材料具有不确定性，为了保证安全，引入分项安全系数。具体内容如下
F d =γf F k
（30）
其中
F d
在给定设计载荷情况下，同时多个载荷分量的载荷响应或内部合并的载荷的设计
值；
γf
F k
载荷分项安全系数； 载荷特征值
f d =
1f k
γm
（31）
其中
f d
材料设计值； 材料分项安全系数； 材料性能特征值
本标准中的载荷分项安全系数考虑到以下内容
● ●
γm f k
可能产生的不利偏差或载荷特征值的不确定性； 载荷模型的不确定性。
本标准中的材料分项安全系数考虑了以下内容（如同ISO 2394）
● ● ● ●
材料强度特征值的不确定性和可能产生的不利偏差； 对某些截面或结构承载能力有可能发生错误评估； 几何参数的不确定性；
实际结构中材料性能参数和由可控试样实验测试获得的材料性能参数两者之间的关系的不确定性；
●
转换系数的不确定性。
基于组件失效后果的分项安全系数和组件等级
3.6.1.2
失效后果系数γn 在以下所列的不同组件等级中是不同的。 ●
组件等级1：被用于故障安全的组件，它的失效不会引起风机主要组件的失效，如
监控下的可替换轴承。 ● ●
组件等级2：被用于非故障安全的组件，它失效会引起风机主要组件的失效。 组件等级3：被用于非故障安全的，将驱动器、刹车装置与风机主要组件相连的机
械组件，该机械组件起到风机非冗余保护功能的扩充作用。 对于风机极限状态分析，若有必要需要进行以下4类分析： ● ● ● ●
极限强度分析（见3.6.2）； 疲劳失效分析（见3.6.3）；
稳定性分析，如屈服等（见3.6.4）；
临界变形分析（叶片和塔架之间的机械干涉等）（见3.6.5）
极限状态方程在不同分析类型中是不同的。每个分析类型都利用安全系数来处理来源不同的不确定性。
3.6.1.3 公认材料规范的应用
在决定风机部件的结构完整性时，可能会涉及到国家性或国际性的相关设计规范。我们尤其要注意的是，本标准规定的分项安全系数和来于国家性或国际性相关设计规范的分项安全系数同时混合使用时的情况，应该保证最终的安全水平应不低于本标准中给出的安全水平。
基于不确定性的不同类型，如材料本身导致强度的不确定性、生产控制或生产方法等方面引起的不确定性，规范将材料的分项安全系数细分为多个材料系数。
本标准中的称之为“材料普通分项安全系数”的分项系数就是基于材料本身导致的不确定性而引进的。若规范给出的分项安全系数或特征值折减系数还考虑了其他的不确定性，则这些不确定性也应该被考虑。
单个规范可能在设计验证的不同部分中采用不同的载荷和材料分项安全系数的细分方式。本标准的系数细分方式由ISO2394定义。当选择的规范中的细分方式与ISO2394有区别时，则应根据本标准规定的验证法对选择的规范做出适当的调整。 3.6.2极限强度分析
极限状态函数可被分为由载荷S 和抗力R 函数两部分组成。则极限状态条件为
γn ⋅S (F d )≤R (f d )
（32）
抗力R 是指的材料最大的许用抗力设计值，因此R (f d )=f d ；同时，在极限强度分析中，S 一般被定义为最大的结构载荷响应值，因此S (F d )=F d ，则方程变为
γn F k ≤
1
γm γn
f k
（33）
在对每个风机组件进行强度评估时和由表2给出的每个适合极限强度分项的设计载荷情况，对于最临界的极限状态，指有最少边际的状态，应对由式33给出的极限状态方程进行验证。
在给定风速范围内，涉及湍流模型的设计载荷情况应基于2.3.1.1中给出的风速分布函数计算载荷特征值的超越概率。因为许多载荷计算都涉及到极限持续时间的随机模拟，而用于确定重现期的载荷特征值可能比模拟计算获得的任何值都大。附件F 给出了湍流模型下如何计算载荷特征值的相关指导。
对于DLC1.1，载荷特征值应根据统计载荷推断和相应的超越概率决定，超越概率是指，在常规的设计工况下，对于任何10min 周期内的最大值，其值小于或等于3. 8⨯10-7（或50一遇）。详见附件F 。
对于已给出的风条件的设计载荷工况，载荷特征值应选为出现最坏情况的瞬态值。涉及湍流模型时，在最坏情况下，计算获得多个10min 的统计载荷值，在对其求均值。DLC2.1,2.2
和5.1除外，他们载荷的特征值从拥有最多的最大载荷的一半的数据中取均值。 3.6.2.1 载荷的分项安全系数
表3给出了载荷的分项安全系数γf 最小值。
算模型进行验证。做载荷测试的风机试样必要与设计的风机拥有相似的气动、控制和动态响应特性。
3.6.2.2 当公认材料规范的应用不可行时的材料分项载荷系数
材料分项载荷系数应该与材料测试数据的准确性相关。材料普通分项安全系数应满足以下等式，该等式适用于材料特性参数值是在95%的置信区间下得到，。材料普通分项安全系数是只考虑材料本身决定的强度参数不确定性的一类分项安全系数。该取值适用于有屈服行为的组件，即该组件的失效可导致风机主要部件的实现，如焊接管状塔架，塔架法兰等。
屈服行为组件的失效模式包括： ● ●
γm ≥1. 1
（34）
韧性材料的屈服
具有足够数量螺栓的螺栓联接，螺栓断裂提供了强度的1/γm ，在单个螺栓掉落
后。
对于不具有屈服行为的非故障安全的机械或结构组件，它的材料普通安全系数应不低于：
● ●
1.2 对应于有弯曲壳结构的全局屈服，如管状塔架和叶片等； 1.3 对应于由于超出最大抗拉或抗压强度的断裂。
应考虑尺寸的影响，公差和外部条件引起的折减，如紫外线辐射、湿度或一般不易察觉的缺陷等，才能从这个系数中推导获得材料的全局分项安全系数。
后果失效分项安全系数： 组件等级1：γn =0. 9 组件等级2：γn =1. 0 组件等级3：γn =1. 3
3.6.2.3 当公认材料规范的应用可行时，材料分项载荷系数
载荷、材料和后果失效的各个分项安全系数，γf , γm , γn ，应该不低于在3.6.2.1和3.6.2.2中给定的值。 3.6.3疲劳失效
疲劳失效应利用适合的损伤计算公式来估计，如Miner 准则，该准则认为当累积损伤到达1时就是极限状态。在该准则下，在风机的整个设计寿命中累积损伤不应超出1。累计疲劳损伤计算公式应是交变幅值和平均应力或平均应变水平的函数。所有的分项安全系数应适用于交变应变或应力的幅度来估计每个疲劳循环引起的损伤增量。附件G 给出了基于Miner 准则的例子。
3.6.3.1 载荷的分项安全系数
对于所有的正常和非正常设计工况，载荷分项安全系数γf 应等于1。 3.6.3.2 当公认材料规范的应用不可行时，材料分项载荷系数
在SN 疲劳曲线是在50%存活概率条件下得出的和变异系数小于15%的前提下，材料分项安全系数γm 至少等于1.5。在疲劳强度分析中，对于有大的变异系数（15%到20%）的组件，如许多复合材料组件，材料的分项安全系数γm 至少等于1.7。
疲劳强度应从一系列的统计测试中获得。特征值的获取必须考虑到尺寸影响，公差和由外部条件引起的折减等因素，如紫外线辐射和一般不易被察觉的缺陷等。
对于焊接的结构钢，传统上一般应将SN 的存活概率取为97.7%。在这种情况下，γm 可取为1.1。为了实现对临界裂纹的扩展观测而进行的周期性的观测项目时，γm 可取较小值，但不能低于0.9。
对于碳纤维复合材料，强度参数分布应从实际使用材料的测试数据中获得。SN 曲线的存活概率在95%置信区间下取95%。在这种情况下，γm 可取为1.2。对于其他材料也可使用
同样的方法。
后果失效分项安全系数 组件等级1：γn =1. 0； 组件等级2：γn =1. 15； 组件等级3：γn =1. 3。
3.6.3.3 当公认材料规范的应用可行时的材料分项载荷系数
考虑到该规范中给出的分位数，载荷、材料和后果失效各个分项安全系数，γf , γm , γn ，应该不低于在3.6.3.1和3.6.3.2中给定的值。 3.6.4稳定性
非故障安全的承载部件在设计载荷下不应发生屈服。对于其他所有部件，弹性屈服都是允许的。对于所有部件中，在特征载荷下都不应发生屈服。
载荷分项安全系数γf 的最小值应根据3.6.2.1获得。材料分项安全系数应该不低于由3.6.3.2条例给出的值。 3.6.5临界变形分析
应对由表2给出的设计工况下的变形有没有影响到结构完整性进行验证。最重要的一点是验证叶片在变形后有没有同塔架发生干涉。
在表2给出的设计工况下，处于最不利方向的最大弹性变形可利用特征载荷获得。各个分项安全系数再与最终变形相乘。
载荷分项安全系数γf 可从表3中选择。材料弹性参数分项安全系数γm 应为1.1。当弹性参数是在全尺寸实验下获得时，γm 可能减小为1.0。尤其要注意几何不确定性和变形计算方法的准确性。
后果失效分项安全系数 组件等级1：γn =1. 0； 组件等级2：γn =1. 0； 组件等级3：γn =1. 3。
最不利方向的弹性变形应被添加到没有变形的地方和由此产生变形位置处仍应符合不干涉要求。
直接动态变形分析也可能被用到。在这种情况下，变形特征值的确定方法与对表2给出的每个载荷情况下确定载荷特征值的方法是一致的。变形特征值在最不利方向的超越概率应同载荷特征值的一样。变形特征值与各个分项安全系数相乘后再被添加到如上所述的地方。 3.6.6特殊分项安全系数
当载荷的幅值是通过测试或经测试验证后的分析获得时，在这种拥有更高置信度的情况下，可使用比正常低的分项安全系数。使用的分项安全系数值应在设计文档中进行说明。