风力发电机组的塔架与基础

1、风力发电机组的塔架与基础第一节 塔 架塔架和基础是风力发电机组的主要承载部件。其重要性随着风力发电机组的容量增加，高度增加， 愈来愈明显。在风力发电机组中塔架的重量占风力发电机组总重的1/2 左右，其成本占风力发电机组制造成本的50% 左右， 由此可见塔架在风力发电机组设计与制造中的重要性。由于近年来风力发电机组容量已达到23MW ，风轮直径达80100m ，塔架高度达100m 。在德国，风力发电机组塔架设计必须经过建筑部门的批准和安全证明。一、塔架的结构与类型塔架主要分为桁架型和圆筒型。桁架型塔架如图10-1 示。桁架型塔架在早期风力发电机组中大量使用，其主要优点为制造简单、成本低、运输方便

2、，但其主要缺点为不美观，通向塔顶的上下梯子不好安排，上下时安全性差。圆筒型塔架如图10-2 示。在当前风力发电机组中大量采用，其优点是美观大方，上下塔架安全可靠。以结构材料可分为钢结构塔架和钢筋混凝土塔架。钢筋混凝土塔架在早期风力发电机组中大量被应用，如我国福建平潭55kW 风力发电机组（ 1980 年）、丹麦Tvid2MW 风力发电机组（1980 年），后来由于风力发电机组大批量生产， 从批量生产的需要而被钢结构塔架所取代。近年随着风力发电机组容量的增加，塔架的体积增大，使得塔架运输出现困难，又有以钢筋混凝土塔架取代钢结构塔架的苗头。图io T桁架壁塔架一的2月*鳖-果、塔架的设计与计算塔架

3、的主要功能是支承风力发电机的机械部件，发电系统（重力负载），承受风轮的作用力和风作用在塔架上的力（弯矩、推力及对塔架的扭力），塔架还必须具有足够的疲劳强度，能承受风轮引起的振动载荷，包括起动和停机的周期性影响、突风变化、塔影效应等。塔架的刚度要适度，其自振频率（弯曲及扭转）要避开运行频率（风轮旋转频率的3倍）的整数倍。塔架自振频率高于运行频率的塔称之为刚塔，低于运行频率的塔称之为柔塔。1.塔架静强度的载荷条件1）横吹：风速为65m/s （2s平均）风轮不转动，叶片顺桨，风向是横向吹在机舱上。2）正常运行十地震载负：风速为额定风速时，产生的风轮轴向力最大，同时根据均匀建筑物由地震产生的水平载荷因

4、子，将其产生的惯性力加在风轮轴向推力上。3）最大运行载荷：额定风速下正常运行载荷的2倍。2.塔架风载分析及随机振动理论基础从实际风速记录可知，风速的变化是没有规律的，也 不可能用常规的方法给予定义。风速的波动量只能用统计特性进行描述。1 ）风速的波动及夹风分析风速振动膜门被定义为朝时风速LK I 。准稳态平均风速 V的伯麦,由下式表示；u，t ； h L I）- U，11J - I 风速的变化睾由差比描述：t am（r" = /=k l I t t） - I 广由（10 2 ）T 15 m4速的-4也由MJ亚版动M整它冗义百1.=曾f ID-3）L平均录大夹风tJ取决于平均属速U*根

5、据风速资料的分析及理论研究，可得到：«取决开溶量用风速仪及突瘴时曲，它与表面粗梯度小和育度无关*.1式中r k次住检力 小时'：；£也对于笑风时距为“晔= 3.7.则=1 +3+7I.（z）（106）这St是说.夹风时跖为久的突风风速是时距为一小时的平均风速的1.5倍2)极值风速在长期的气象观察中发现，极大风速不是经常出现的间隔 定的时期 才出现.这个间隔期称为近现期近现期在概*意义上体现了结构的安全度P( >U) = I -P( tl)=l/T(10-7)上式中户(wO)称为小于极值0的保证率.如币现期T =50年,则50年内不出现0的保证率P( WO)为P

6、( CO) =1 -1/T = O.98文献对高斯曲线WI1噌曲线和极值分布曲线进行二 田的分析认为极值风速的假率分布比较符合极值I 曲线，极值I3分吊(CumlM分化)表达式为F|( x) = rxp - rxp -a(x - p,)( 10 -8 )K中a与出口以由数学期里取和标准离差a求出：E, = ! xf( x )<lx = I x«lFj( x ) = j x<lrxp - rxp -h(x - |i)j ( 10-9) 令 T = H( X - |A)0. 57722(10-11 )(10-12)(10-13)(10-14)(10-15)(10- 16)(1

7、0-17)=; T.”xp： - <*x|»( - T) 4- |i | dexpf - rxp( - T)(10-10)(t2 = J ( x - Ex x)=J： ( x _()5y22 - Jd<rp - exp( -T)1.28255CT =a=0.45005。当x是禹敬的机变最时，|i = x -0.45OO5(t为了求得保证了户与保证系数甲之间的关系对式(28)进行改写 cy< x - p. ) = - In( - Inp )因为P = Fj( x )将式(10 - 13)及式(1014 )代人式(1015)得x = x -独0.57722 - In(

8、- Inp ) b = x + <p(r 7T中:-0.57722 +ln( -Inp)3)单H由度系统的曲机振动唯自由度系统足最谕单的理想化了的校型.如图10-3 所示.中自由度系统的振动微分方程为My(l) +Cy(l) + Ky(l)=P(t)式中M质量：C粘滞系数;k刚性系数:P(t)外力：y(t)质点的响应。格卜.式除以V,式(10-18)便可写成常用的标准形式：(10-18)(10-19)y( I)+2,u)Jy< t) +<ojy<i) = F<i >(10-22)(10-23)(20-24)假设将输入FJ)用一系列连续分布的脉冲F(t世8(&

9、quot;丁)来代替.丸中8(tr)为狄拉克函数,e=T时.6( I ) = X .而)<h =11 L：的脉冲晌向函却 J h- -r)这样.在FAiMI作用卜的响应为FC)Aih(ir).将各个脓冲叠加便得到体 系的总响应：y( t)= Z F( I)Afh( - t )<It( 10 - 2()当 At><1t 时.y( i) = J F( T)h( i(10-21 )通常，当t<0时,F(t)=0,则y( t)= ) ；F( T)h( i - t)dr同样.我们可以得到无限H由度的振动方程：m"喘 CG用暗回Z*卜P(Z,I)次位移按振型分的为y

10、( z.t ) = Xq,(l )<pi( z)代人式(10 -25)可得广义坐标<1,( i )3方程：<b +2皿+% = . ij(l)其中：，M； = ni( / )<；( / )dzP： = I p( Z,t )(p.( z)<iz4功率谓密度描述一个握动现象的性质时,用概率密度函数口 r以得到马振动ftc抽有 关的宿息,但为了得到关于波形的信息，必须研究振动所包含的频率的成分.设K(iw)为大C的傅里叶变换之X3 = ' x< t 卜3山U0 - 25) *4 t > = - X1 jo> “布10 - 26)Itt 二曲则时

11、间域内的枳分可用傅氏变换特变为At率域的枳分.由以I二两式可以导出：E： = J* SJ whig(10-27)11 中！:”J w)- lint 1 1 im i I 'n . tf I.s,(.)代表平均功搴领率分布的密度,即前位钝？ IM内的密度,称为功率密at.3.架的强度设计与计算I)初岁碗立塔架的形状和尺九塔架的结构形状与尺九取决于风力发电机组安装 地点及风我荷情况.同时结合及计人员的势臭，N睾号现有同类型塔架初步拟定塔架的 结构形状和尺寸.2)常规计算是利用材料力学,弹性力学等固体力学理论和计算公式*对塔架进行强 度、刚度川L性等方面的校校.而后修改设计.以满足设计要求.

12、3，行Ri元静 助态分析，模型试验和优化电计.4)制造工艺性和经济性分析:由于风力发电机能时环境的崔觉有较大的彩响,W体 枳大、高度高,最后还要对塔里进行造型设计,吸满足与环境的和谐统口4,塔架的常用材料及表面防锈处理在风力发电机组中塔架常用材料为QM55r. Q345D.该材料具有韧性高、抵京性能较好的优点. II行一定的耐蚀性.由于风力发电机组安装在荒野、高山、海岛，承受日晒雨淋，甚至沙尘和盐雾的腐蚀。所以其表面防锈处 理十分重要。通常表面采用热镀锌，喷锌或喷漆处理。一般表面防锈处理要达到20年以上的寿命。I * <l*s( t ).3 j 、/. <U( t )K2 )(I

13、%2dl = | .F(t)/idi三、塔架的固仃频率及风振il算1 .塔架的架仃频率塔架的受力简图如图10-3所示。 我们在动力分析中视结构为单H由度体系(因塔体为等厚 钢管构成).我运动方程为+ K2*< t)= F( I) (10-28) dr s <h式中./I)水平位移：2,虫F粘性磨擦阻力： (II5结构用尼系数：K2s(i)弹性力：K结构弹性系数：F(t)风技。我们近似认为风我是具仃同定力谐密及C(3)的平稔图I。7塔架的受力箭图随机过W对式(10 - 28)进行傅氏变换:(10-29)“设/ t)山=S/u>)F(= Gr<w)(10-30)则式(10-

14、29)可的化为(i(o，§( co)+ 2( i(i> )Sg( u>) + K2s/ 3)= G,(3)(10-31 )MG If”上式就足动力方程的传递出数形式。平稳随机过程§(t)的谱密度是动力方程的解. 可以确定如F：(10-33)在本结构中,钢管的内摩擦力及空气磨擦力川不考虑JJJ(10-34)s-(<o)=7FTTI 啜函数L-的分丁军,则响应诣，的值. J此结构的同行频率可由此导出：3 N!宣 27r(10-35)L 架的总风向随机风I . 了便于分析,我们将风力机结构简化爪 对104 所示.0000C国10-J风力机培构简化图5 - 120

15、0我振动方程为，”(：)+ c(:)虫'：")+ *(:)>(:/)=(:/)=(：)= u»(2)f( t )</.tOrt/小(10-36)式中m(z),r(/)A(z),p(/)沿热度/处,单仔岛度上的质量、用后系数、刚度系数 和水平风力：f(l>时间函数.最大值为I;co(z)位于坐标z处单位血枳上的风力.设仟 高度/处任 M时风速为平均风速为V(z),脉动风速为则V(z.l) = V(z) + Vf(z,i)( 10 - 37 )该处的明时m风乐为z«t) =-p|i/ x)V2< Ztl *(10-38)V2(z.t)

16、= V2(z) +2V(z)Vf(z,t) + V2wf(za)式中,V；(N.I)与V，z)相比是二阶微量,可略去.故i () 3丹t 】。-II >U0 - 42；1114S )1 11)-44 式中IiJxJtl/x)风压高fit受化系数及塔架迎风面水平长度.Z* I 1 - W i)+- U>r' Z'l *tu1 i ' H工平田，i. 1 ' /一,、1u>, z * = "-p p. ' i. ( z, I -式中|1J z)体伴生式.由文献6可知，结构的&琳振型都时风振力及响应仃所贡,但第鬃型如主醛作

17、用.风力中含热力和动力两种成分.动力嶷响在总值中又只占部分.故工程中对于悬 臂利一般只考虑第一提刑的影响.凤表其本质也是一种振就.所以等效同振力实际 上就是该振型的惯性力.闪此.一阶振型的风力张力为1',/ 且 I I加 I / "= Jun】'，皿在脓动风出作用F,结构的履振宗教定义为总风力的概率统诗值p/G+P/G与 静战力统计值p/门之比tp/Z + p,t< ZP，Z JE)BO = i = 1 t -PJ -pj 2)PJ £)聿出J，版J Z)WJL)式中,风振动力系致u,考虑风压*动及空间招关性等账响而希利的系数称为龄响系数事门称 为位青

18、系数.从文献中可知 H)15 11”孙lh =一一工VB此时,叫为"向的固有圜!率(波数)H为结构的S1尼比,对于例结构,6=0.01 由风振力引起的海风力为1 t I) - -lt> 卜第二节风力发电机组基础的设计与施工、基础的结构与类型1 .根据风力发电机组型号与容量自身特性，要求基础承载载荷也各不相同，表 种大型风力发电机基础载荷。表 1*1 Htt««生产厂口机容ft 1%诋ti力，LN水平力球电T k、* in)l / kA * in ,HUM '207BUM *4504m8722wmXM)2X52兆1541ViKifl VXk3()029

19、S94002 ft) FS55no5l(i?771 口 424运送风由25025()1K7-(320运达风由75()71(1旧I45CX)6(X)2 .风力发电机基础均为现浇钢筋混凝土独立基础。 根据风电场场址工程地质条件和地基承载 力以及基础荷载、尺寸大小不同，从结构的形式看，常用的可分为块状基础和框架式基础两 种。块状基础，即实体重力式基础，应用广泛，对基础进行动力分析时，可以忽略基础的变形，并将基础作为刚性体来处理，而仅考虑地基的变形。按其结构剖面又可分为“凹”形和 凸”形两种；前者如图10-5所示，基础整个为方形实体钢筋混凝土后者如图 10-6型式；后者与 前者相比，均属实体基础，区别

20、在于扩展的底座盘上回填土也成了基础重力的一部分，这样可节省材料降低费用。C7.5单佗：图10-5凹形基础结构oC10-C15图10-h凸形基础结构框架式基础实为桩基群与平面板梁的组合体， 从单个桩基持力特性看，又分为摩擦桩基和端 承桩基两种：桩上的荷载由桩侧摩擦力和桩端阻力共同承受的为摩擦桩基础；桩上荷载主要由桩端阻力承受的则为端承桩基础。3 .根据基础与塔架（机身）连接方式又可分为地脚螺栓式和法兰式筒式两种类型基础。前 者塔架用螺母与尼龙弹垫平垫固定在地肢螺栓上，后者塔架法兰与基础段法兰用螺栓对接。地脚螺栓式又分为单排螺栓、双排螺栓、单排螺栓带上下法兰圈等。 二、风力发电机组基础设计的前期准

21、备工作及有关注意事项风力发电机组的基础用于安装、支承风力发电机组。平衡风力发电机组在运行过程中所产生的各种载荷，以保证机组安全、稳定地运行。因此，在设计风力发电机组基础之前，必须对 机组的安装现场进行工程地质勘察。充分了解、研究地基土层的成因及构造，它的物理力学性质等，从而对现场的工程地质条件作出正确的评价。这是进行风力发电机基础设计的先决条件。同时还必须注意到，由于风力发电机组的安装，将使地基中原有的应力状态发生变化， 故还需应用力学的方法来研究载荷作用下地基土的变形和强度问题。以使地基基础的设计满足以下两个基本条件：1）要求作用于地基上的载荷不超过地基容许的承载能力，以保证地基在防止整体破

22、坏方面 有足够的安全储备。2）控制基础的沉降，使其不超过地基容许的变形值。以保证风力发电机组不因地基的变形 而损坏或影响机组的正常运行。因此，风力发电机组基础设计的前期准备工作是保证机组正常运行必不可少的重要环节。三、风力发电机组对基础的要求及基础的受力状况图10-3所示为某风力发电机组，当风力发电机组运行时，机组除承受自身的重量Q处，还要承受由风轮产生的正压力P、风载荷q以及机组调各时所产生的扭矩 Mn等载荷的作用。这些载荷主要是靠基础予以平衡，以确保机组安全、稳定运行。图10-7显示了上述这些载荷在基础上的作用状况， 图中Q和G分别为机组及基础的自重。 倾覆力矩M是由机组自重的偏心、风轮产

23、生的正压力 P以及风载荷q等因素所引起的合力矩。Mn为机组调向时所产生的扭矩。 剪力F则由内轮产生的正压力户以及风载荷g所引起。但在一般情况下，由于剪力 F及风力发电机组在调向过程中所产生的扭矩Mn 一般都不很大，且与其它载荷相比要小得多，所以在考虑到不影响计算效果的同时，又能满足工程要求的前提下，笔者认为：在实际计算中，此两项可以略去不计。因此在对风力发电机组基础的设计中，风力发电机组对基础所产生的载荷主要应考虑机组自重Q与倾覆力矩M两项。经上述简化后，风力发电机组基础的力学模型如图10-8所示。口£10-7载荷在基础上的作用状况四、风力发电机组基础的设计与计算S 10-s“力发电

24、机组基础的力学模型根据我们多年来从事风力发电机组研制的经验，在参考土建设计的有关标准和规范的基础上认为：风力发电机组基础的设计与计算通常应包括以下五个方面：基础混凝土重量及几何尺寸的计算、基础底部压力所产生的偏心距计算、土壤压力的计算、设计配筋、抗冲切强度校核。激I,曲敬及几何尺寸的诃算根据图10-8所示的风力发电机姒基酬的方巾HI可知1确定基硼混款土煎量及几彳尺寸的原则之理侔i正其臼重量G卬M组自重Q所产生的稳定力矩应大于机组运力其关系式为(10 47 )式中B柱础的底边尺寸.K安全系效根据经验 股取2为宜注t由于式-5中心和H均为未如，因此.在应用式，I。-5）计年基础混凝土意 *G及几何

25、尺寸B时,雷苜先在我安装现场地M；持力层土填的容许承载力，P3然后根 据式1。-5怙算出较为合理的混凝上jfrltG及其底边尺（二）基础底部压力所产生的偏心型计算对于M力发电机组这类偏心受限的蓦虬图10 -8）为确保机殂能安全.稳定地运厅，夙仃栽在对步础底部从力所产生的偏心讲“过大以保证不致广发'I近人 的倾斜 因此对于风力发电机州这类动力机械而二.我也础底部乐力所产勺的偏心距”段宜控制在B/6的的国内;11，r = M/G + QB/6（三）土塔乐力的计算.WUIL风力发电机组在不同工况卜运行时所产生的 载荷是遹过名础传递给地& T是荻础与地里之间 便产生了接触乐力.同时又是

26、地基反作用于基础的 下底压力.因此,在按弹性地基计体基础对地基土 填的作用力时,一般应考虑基础自重C、风力发电 机组A，RQ以及倾用力矩扎3.对地柱的影响.分 别求出它们对地基所产牛的地力然后叠加。求得 展础度而土月的废大压力当基础底部压力所产 生的偏心距eWB/6时,版础底面土壤压力的分布 呈悌形.如图109所示.l« l（）-9 底I填4力分布为确保风力发电机组组能安全、稳定地运行. 机础底而上填的最大瓜力户不得总过上壤的容 许承我力P其公式为P«» =（ G Q ）/B2 + M j/N W P（10-48）式中 W = B，6为基础底面±的指|模量.此时基础底面上填的最小出力Pa应为P_ =（ G + Q ）/B2 - M/W NO设计配箭:力发 机组基础在承受上述投荷以一 以事为如同板那样此时的底板为双向穹曲板，沿基础四周产生弯曲.巧弯曲应力超过基础的抗穹强度时,M础 底板将发生弯曲破坏.在配筋设计中，