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，但其主要缺点为不

2、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。10 - I桁提壁塔菜图峪2卜筒命妾、塔架的设计与计算塔架的主要功能是支承风力发电

3、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子，将其产生的惯性

4、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 ）风速的波动及突风分柝£4速推动应口被定义为牌时14速LK 。世柩毒乎均其逮 U的偏差,由F式表示7t ； = L，|- U< II） - I 风速的变化率由是就描述：Ier' = ir =（ I（ t） - （1 ：r*h（ 10 2 ）T J*q速的网 <咬i史振.<i皿l_-<义hno - 3）平均最大突风tJ取祺于平均械速根

5、据凡速责料的分析及虐谊研窕.可得到二 0（ ± = 1（ z（ 10- 4 ）«取次开测量用风速位及突时弥,它与表面粗炳度电和市度无关.（10 5）4一 丫*r< z）上式中.丫是安全检IS风比川、为小时平均厦速.对f时妨为3*小= 3.7'购YS（k> = 1 +3.71/1）JLf 1 / ）（J / = L 6 x= k 5I1 t b】*06这款是说突境时辨为为的突也风速是时距为一小时的平均风速的1.5 f,'i2)极值火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 彳出现.这个间陶期称为页现期弥现期在厩率意义上体现了

6、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( CO) =1 -1/T = O.98丈献时高斯曲税0Hl坚曲税和极值分布曲线进行顼的分析，认为极值风 速的概率分布比较符合极fft I V.曲线：极值I用分布(Gumbel分布)表达式为F|( x) = rxp - rxp -a(x - p,)( 10 -8 )具中a与jxW以由数学期望Ex和标准离差。求出：E, = | xf( x )<lx = I x«lFj( x ) = j x<l

7、rxp (- rxp -h(x - |i)j ( 10-9) 令 T =a( x - |x)(10-10)(10-11 )(10-12)(10-13)(10-14)(10-15)(10- 16)(10-17)=: T<l«,xp" - <,x|»( - T) M dexpf - rxp( - *r)(). 57722a(r2 = J ( x - Ex ):<IF|( x)=j* (x - °- 5y22 - jifdexpL - exp( -T)1.28255(T =a“ =E.-0.45005。当x呈离散随机变置时，p. = x -0

8、. 45OQ5<t为了求得保证率户与保证系数甲之间的关系.对式(28)进行改写 cr( x - >1)= - In( - lnp)囚为P = w X )将式(10-13)及式(1()14 )代人式(10 - 15 )得x = x -0.57722 - In( - hip ) ：(t = x + 甲<r7T平=鸟0.57722 KM - hip)3)单日由度系统的随机振劝他自由度系统足最简单的理想化了的模型.如图10-3 所示.单自由度系统的振动微分方程为(10-18)(10-19)My(t) +C<(t) + kv(t)=P(t)<e<式中M质量：C粘滞系数

9、*k刚性系数: p< t)外力: y(t)质点的响应。将上式除以M.( 10-18)便凹写成常用的标冷形式：y( t)2|0)iy(t)+ <oiy(t)= F(t)K 中 u)|P(t)假汶将输入Kt )111 -系列连续分布的脉冲KDAt8(t-T)来代件.M中8(i-t)为狄拉克函数.在I =T时.8( I ) = X .而J二& I )<h =11 L：的昧冲啊应俟如 ,h-t-r).这样.在F< 1)118(1 -T)作用卜的响WF(OAthd-T).将齐个昧冲F加便得到体 系的总响应：y( t)= £ F( i)Mh( - t )<I

10、t(10 - 2()当 At*<1t 时.y( i) = J F< T)h( i -t)<1t(10-21 )通常.当ivO时.F(t)=O.则(10-22)(10-23)(20-24)y< t)= | ；F( T)h< t - t 帛t同样.我们可以得到无限fi由度的振动方程：中F普，C盐仲z)制，# E J)制=p(z.i) 设位移按振型分料为y( z.t ) = Xq,(l )<pi( z)代人A(1025 )诃得广义坐标q,( l扁方程：<b +2。 叫 <ij = M> =h<>)英中：，= ni( / )q / )d

11、z= I p( Z,t )(p.( z)<iz4功率诰密度播雄一个捉劫现象的性质时,用概扉密度函数叩以得到与握助握幅有 关的信息.但为了得到关丁波形的信息，必缜研究振动所包含的频率的成分.tS，标)为Ui)的傅里叶变换t>«»Xf 讪)='x< t X 'VhUO - 25)J* Bk< t > = '土彳 10-8)Itt j则时间域内的积分可用簿氏变换转变为fltgt的祖分由以上两式可以导由：E： = J* Sg 面(10-27)II 中!、w)l lim ，1 1 im i I ' h IT I(IsT(w

12、)代表平均功率频率一分布的密度.即伯仲址;'IU内的密度.称为功率密度.3.塔架的强度设计与计算1) 初步确定暗架的形状和尺寸*塔架的结构形状与尺寸取决于风力发电机组安装 地山.及凤我荷情况.何时结合及计人员的经加H S号现何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,*性力学等闷体力学理论和计算会式，对塔架进行强 度、刚度性等方面的校核，而后修改设计以漏足设计要求.3) 右|8元柿 、动态 分析、模型试验和优化设计.4制造工艺性和经济性分析:由于风力发电机能对环境的槌觉有较大的。响.K体 枳火、高度高*最后还要对塔架道行ift型设计,以滴足与环境的和谐统、

13、4塔架的常用材料及表面防惰处理在风力发电机组中塔架常用材料为QX55j Q345D,该材料具有韧性高Jft涅性能较好的忧加N有一定的耐触性.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。图10-3塔絮的受力简炯I * <l*s( t)、.广 <U( t) W iU + 2(L *山K2 .“wF = I .F(t)Ldt三、塔架的同仃频率及风振计算1.塔架的仃频率塔架的受力待图如图10-3所示。 我们在动力分析中视结构为单H由度在系(因塔体为等厚

14、钢管构成).其运动方程为+ K2*< t)= F( I)(10-28)dr 、<h式中.“t)水平位移：a牯性鹏擦阻力：(II5结构阳厄系数：K2s(i)弹性力：K结构弹性系hF(t)我们近似认为风向正具仔固定力谓密度C(3)的平桧随机过程对式(10 28)进行傅氏变换:(10-29)|.Fh = Gr(w)则N 1()-29)W简化为(10-30)Id) "Se 1 (D)+ 2( ill)S. '、U> ) + K*Str (D)=(；r 3，(10-31 )L(m)= f K - (1) +，«(!>上式就足动力方程的传通函敢形式。平总

15、随机过程S(t)的谱系度足动力方程的解.可以确定如F：(10-33)U)- 2 iu> 在本站构中.钢管的内摩本力及本气膺擦力可不当虑，则(10-34) 处函数!/ m >的分' J零.则响应沿、,(,)的值. J此结构的固有频率可由此导出：(10-35)o co k3EJ(i2L2LL-i)t2.塔架 风向机风抚川算为亍便丁分析.我们将风力机票构简化/A 10-4 所示.V】2000000C110-4凤力机维构简化图其振动方程为:=乂2 + c(:)边+ k(:)y(£,f) = p(z,/)=(：四。=t )</.t(10-36) 式中m(z).r(/)

16、A(z).p(/)沿高度/处.单伊扁度上的质量01尼系牧、刚度系故 和水平风力：f(l)时间函数.最大值为I;id(z)位于坐标z处单位血枳上的风力.设仟 高度处任 僻时风速为V(z.l).T均风速为(/).脉动风速为，(zD,则 V(z.l) = V(z) + Vf(z,i)( 10 - 37 )该处的瞬时m风乐为z«t) =-p|i/ x)V2< Ztl *( 10 - 38 )V2(z.t) = V2(z) +2V(z)Vf(z,t) + V2wf(za)式中.V；(M)与V2(z)相比是二阶徵量.可略去.故Z* I 1 - W i)+ U>r' Z'

17、;l *i,tu1 i ' =心''、1 /,、1nLu>, z * =飞-p p. ' i- ( z, I -i )*1式中 1 ）体形系虬由文献6可知结构的&阮振坚都对风振力及响博肴所贡就*但第捉型起主要作 用.风力中含静力和动力两种成分动力第响在忌值中又只占-部分.故工程中时于悬 臂型结御一般只考虑第一损弟的影响14族其本质也-+振动,所以等效域振力实际 上就以该振塑的慢性为*因此.一阶振型的风力亲力为'-|血'】）=口1甲1: x h试;（仙oU0 - -M）在豚动风B；作用卜'.结枸的既振系数定义为父风力的概宰统计

18、值pJlJ+P/l） 力统计比：式中p./ 2r z 1 - p. it)p. r H Z 1 W>：风压高度变化系数及塔架迎风面*TI.“，、13441 而、项。1B1 / ) = 1 * + £. 11. r.P樵言>心心、3 Ei 6 i. >m4 z 1F J / ' , b心* >J薰儿< 】0 II)U0 - 421 11】4S )< ) 44式中,14动力系数u,号虑风压脉动及空间相关性等响而徊到的系数称为形响系数*门称 为位置系数.从文航中述知i TT rij 6£i 37YV |! ir H-J f12(1)11

19、, Iru - .此时® 为结枸的附劣甄"波数 X为结构勺司况比,矿J刑必E： TL01 由风振力引起的总J4力为(JD - 4b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。10-1列出几生产厂阻食加L、水平加kW弯坂r L、J | lif 1 kA * in ,RuXI -20754扣BUM <450MlK722WRDTANKKM)2X5顼1541ViKirl VXk5<)0心29S94OD2 ft)sw5l(i?77IH424.阁底送风由25025()1

20、K7球）运站风由75()71(1452145c 引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。4C7.5单位：o

21、C10-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，

22、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

23、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

24、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。图逾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图10-8风力发电机组基曲的力学模星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

25、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。£凝土重及几何尺寸的计算其关系式为根抓图10-8所示的同力发电机制暮础的力季模型可抑t嘛定基础混凝上重量及几 何尺寸的原姻是要保切出白重AM；和机组自重Q所产生的稳定力矩应大于机时 所产生的佩僵力貌(1() - 47 1式中RK础的底或尺寸tK一安全系敢|眼据经盟 股取2为宜）.注由于式（10-5）中仁和R均为未知囚此,在应用式（105）计倬基础混凝土重 *G及几何尺寸B时，需苜先汽我安装现场地M；持力层上填的春许承就如P）-然后相 扣心10 -5）算出较为合理

26、的混缺上jfHG及其底边尺寸&二）基础底部压力所产生的偏心距计算WTH力发电机#a这类偏心受摭的摹础（虬图10 -8）为确保机粗能安全定地运仃.所仃载。.对早站膨部Hi力所产生的倡心距e不宜过大.以保iff单砒不致发生过大 的倾斜因此对于咫力发电机相这类动力机械而片.心占础底部压力所产牛的偏心用。段宣控制在B/6的范围内.其公式为, =1/GQwB/6.wull图1（）9城妃底I堵4力分布（三）十壤压力的计算风.力发电机组在不同工况卜近行时所产生的 载荷是通过基础传递给地札于是蓦础与地基之间 便产生了按帔压力.同时又是地基反作用F基础的 林底玉力 因此.在按弹性地果汁算笔础对地戒上 填

27、的： 力时,般应匕电基础自重G、风力发电 机组日更Q以及倾覆力矩M” 对地V的影晌分 别求出它们对地来所产生的压力.然后曾札求得 基础度而上填的最大压力.当H础底部压力所产 生的偏心距 Y B/6时.基础底血1壤H力的分布 呈梯彳如图10-9所示.为确保风力发电机组叩能安全、总定地运行， y础虻血上坡的最大亦力户 不得粗过上壤的容(10-48)许承栽力P.其公式为Pf =（ G Q ）/B2 + M./W w P式中 W=B'/6炉Am土填的，截面模量.此时基础底而上填的最小斥力P.应为P-= （ G + Q）/中-、/W N0设计配筋：风力础在承受上述载荷以- 以彳鼻为如同板那样.此时、的底板为双向穹曲板,沿底础四双产生弯曲%弯曲应力也