第三版前言

太陽向宇宙空間輻射的總能量約3.75×10²³kW（3750萬萬萬億千瓦），其中20億分之一的能量到達地球的大氣層。經大氣層反射、吸收，最后有1.7×10¹⁴kW（170萬億千瓦）太陽能到達地球表面。到達地球表面的太陽輻射能量，只有約2％轉化為風能。估計的全球風能總量約2.74×10⁹MW（2.74萬億千瓦），其中可利用的風能為2×10¹⁰kW（200億千瓦），比地球上可開發利用的水能總量還要大10倍。按目前太陽質量消耗率計，太陽能還可供地球使用約50億年?？梢?，太陽能和風能是一種取之不盡、用之不竭的能源，又是可再生能源。

我國風能資源豐富。平均風功率密度為100W/m²，風能資源總儲量約32億千瓦?？砷_發利用的陸上風能儲量2.53億千瓦，加上近海可開發利用的風能儲量7.5億千瓦，共計約10億千瓦。截至2014年，我國風電新增裝機2340萬千瓦，累計裝機達到1.15億千瓦。約占全國電力總裝機的10％。

風力機是將風動能轉換為機械功的一種動力機械，廣義地說，風力機是以太陽為熱源、以大氣為工質的熱能轉換的葉片式熱力發動機。風車是最早的一種風力機械，公元前2世紀在波斯，人們利用垂直軸風車碾米。

風力機用于發電的設想，最早始于19世紀末。1887年，美國人Brush建造了第一臺發電用風力機。到1918年，丹麥已擁有風力發電機120臺，額定功率為5～25kW不等。

第一次世界大戰后，飛機螺旋槳技術和近代氣體動力學理論，為風輪葉片的設計創造了條件，出現了現代高速風力機。第二次世界大戰前后，歐洲國家和美國相繼建造了一批大型的風力發電機。1941年，美國建造了一臺雙葉片、風輪直徑達53.3m的風力發電機，風速13.4m/s時，輸出功率達1250kW。

1957年，Juul建造的風機，已初具現代風機雛形，風機由一個發電機和三個旋轉葉片組成。

20世紀80年代美國成功開發了100kW、200kW、2000kW、2500kW、6200kW、7200kW6種系列風力發電機組。

截至2014年，全球風電整機制造商按市場份額排名前十名中，第一是丹麥維斯塔斯，其次是德國西門子、美國通用電氣（GE）、中國金風科技、德國Enercon、印度Suzlon、中國國電聯合動力、西班牙歌美颯、中國明陽和中國遠景能源。德國西門子在海上風電市場中處于絕對領先地位。

風力機的最主要部件——風輪機與汽輪機有很多相似點：例如都是葉片式機械、都基于機翼升力理論；影響性能的主要參數都是速度比，風力機葉尖速度比λ，是葉尖圓周速度與風速之比，是風能機風能利用系數最重要的參數。汽輪機是速度比，是葉片中徑圓周速度u與級理想速度c₀之比，是決定級輪周效率最重要的參數；兩種機械的特性都與葉型來流角度強相關，有正攻角工況、負攻角工況和失速工況、顫振工況等；還有動態共振特性等。正是這些共通點，由汽輪機制造廠來自主開發風力機是非常合適的。

然而，風力機由于是低能頭轉換機械，它又有很多與汽輪機不同的特點。例如風力機都是單級、葉片數目特別少，比如只有兩片、三片、四片等，而汽輪機是多級（30～40級）多葉片（每級100～200片）；風力機是低轉速機械，轉速只有10～30r/min，而汽輪機是高轉速回轉機械，有半轉速機1500r/min、1800r/min，和全轉速機3000r/min、3600r/min。因此，風力機一般有高增速比的齒輪箱（最近又開發了一種免齒輪箱直接驅動式風力機），而大型汽輪機一般都不用齒輪箱。

還有，風力機的葉片特別長，最長的已達到50～80m，而汽輪機的葉片最短的25mm，最長的也不過1～2m；其他與汽輪機不同的有：風力機葉片用的是非金屬材料，在露天運行，運行工況惡劣，宜遠程遙控，不消耗燃料，不用鍋爐等化學能轉換設備等。因此，汽輪機廠要自主開發風力機，就首先要弄清這些不同點，專門立項研究。正是在這樣的思考下，我們編著了此書，希望對自主開發風力機有所幫助。

本書共分10章，第1章是有關風與風能的基本知識；第2～3章是風力發電技術，重點是闡述與汽輪機發電技術不同的特點；第4章風力機設計規范，對風力機設計人員有特別的設計參考價值；第5～6章專門講風輪機的工程設計方法和數值計算，是全書的重點；第7章分析典型大型風力機的設計技術，可供風力機設計人員參考，也是本書的重點，本章還增加了5MW以上超大型風力機設計部分；第8章介紹了風力機的發電系統，重點在于系統，介紹了它們與化石燃料汽輪機發電系統的不同。第9章簡要介紹幾種特殊用途的風力機，例如海上風力機、低溫地區風力機、高原地區風力機和免齒輪箱直接驅動式風力機等。它們與一般風力機大同小異，只是根據使用地點環境不同，加入了一些特殊措施。本章就是在分析這些不同點的基礎上，著重介紹這些措施。第10章介紹了垂直軸風力機的基本知識和設計原理，給出了垂直軸風力機的典型設計數據。

風輪機的優化設計和設計風速的確定問題放在第5章。本章拋磚引玉，希望得到專家們的指正。一些有關風力機的基礎資料，例如風力等級、風力機技術國家標準等放在附錄，供大家參考。

本書自2007年1月第一版第一次印刷以來，承蒙廣大讀者的厚愛，很快銷售一空，5次重印仍不能滿足讀者的要求。中國臺灣出版商和讀者也深感興趣，購買了版權，已在中國臺灣出版發行。2010年，第二版出版發行。第二版的章節和內容都做了大的改動，刪除了原書的第8、第9兩章；增加了第6章和第8章內容；增加的“4.2風力機設計要求”一節，放在第4章（均是第二版序號）。第二版書承蒙讀者厚愛，很快又銷售一空。

根據風電市場需求，2015年初，化學工業出版社決定再次修訂本書，出版第三版。第三版增加了第4章：風力機設計規范；第7章增加了第7.8節、7.9節和第10章：垂直軸風力機。全書內容增加約1/4。特別是第4章：風力機設計規范，是風力機設計人員最好的設計參考資料。第10章：垂直軸風力機是有一定技術性的科普資料，為廣大讀者了解垂直軸風力機，提供了最基本的知識，也為想研究設計垂直軸風力機的讀者，提供了一些必要的技術支持。第三版書將以最新的面目與讀者見面，希望使讀者對風力發電和風力機設計的最新技術有更加全面的了解。

東方電氣風電有限公司研發生產風電機10余年，有自主研發葉片、發電機、控制系統及設備配套能力。有從1MW到5.5MW等多個序列的風電產品，運行的近6000余臺風力發電機組分布國內陸地與近海。目前正在進行10MW海上風機的概念設計。2014年東方風電與瑞典SKAB公司合作，成套出口歐洲市場40臺2.5MW直驅式風力機發電機。東方風電還擁有世界上實驗功率最大的全功率試驗臺，能實現6MW整機全功率拖動試驗、電網模擬試驗、零部件試驗等。本書的很多設計理念、科研成果和資料等，都是編著者在東方風電供職時總結成文的。

編著者劉萬琨是第三版的總策劃，并編寫了第4章、第7.8、第7.9兩節，以及第10章的部分內容。

本書的第三版又查閱了大量參考文獻和網上資料，訂正和更新了與時間相關的數據資料，并增加了許多最新資料。在此再次對文獻作者致謝！

再次感謝參加第一版、第二版的編著者張志英、李銀鳳和幫助過本書編著的同事、朋友們。特別要感謝東方汽輪機有限公司檔案館原館長、高級工程師侯春芳，是他提供了大量資料，并給予了諸多幫助，對編輯出版提供了很多具體指導。沒有他們的幫助也就沒有本書。

編著者

2015年6月30日