《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計與制造》-第6章概要

1、第6章塔架與基礎(chǔ)設(shè)計風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計與制造塔架高度越高，獲得風(fēng)能越大；塔架高度初步確定公式：風(fēng)輪半徑塔架高度越高，制造成本越高；地表形貌影響塔架高度；海上風(fēng)電場，塔架低一些；陸上風(fēng)電場，塔架高一些；陸地粗糙度海面粗糙度考慮地貌因素的塔架高度計算公式：機(jī)組附近障礙物高度障礙物最高點到風(fēng)輪 掃掠面最低點的距離1.塔架高度6.1設(shè)計概述6.1.1 塔架的設(shè)計要素 塔架的主要功能是支撐機(jī)艙的所有零部件，機(jī)組的各種載荷最終都要傳遞到塔架。 對塔架整體剛度也需要有明確的設(shè)計要求，避免載荷作用造成的大變形和失穩(wěn)。2.塔架的強(qiáng)度和剛度3.運輸與安裝 隨著機(jī)組容量逐漸加大，塔架的高度、重量和直徑會相應(yīng)增加，需要

2、認(rèn)真考慮相應(yīng)的運輸和安裝問題。早期的小型機(jī)組曾采用鋼混結(jié)構(gòu)的塔架，現(xiàn)場澆注或在做成預(yù)制件后運到現(xiàn)場組裝。1.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)塔架6.1.2 塔架的基本結(jié)構(gòu)形式剛度較大，有效避免共振；但隨著機(jī)組容量和塔架高度增加，鋼混結(jié)構(gòu)塔架問題突出，現(xiàn)已很少使用；早期小型風(fēng)電機(jī)組多有采用；桁架結(jié)構(gòu)塔的耗材少，便于運輸；零部件多，現(xiàn)場施工周期較長；連接部位定期檢查；美觀性差。透明，強(qiáng)反光效果?。?.桁架結(jié)構(gòu)塔架3.鋼筒結(jié)構(gòu)塔架鋼筒塔架：目前大型風(fēng)電機(jī)組采用的典型結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計、制造、安裝和維護(hù)等方面，該塔架指標(biāo)相對均衡。1）風(fēng)輪等構(gòu)件承受的空氣動力載荷2）重力和慣性載荷：重力、振動、旋轉(zhuǎn)及地震等引起的靜態(tài)、動態(tài)載

3、荷。3）操作載荷：機(jī)組運行和控制過程中產(chǎn)生的載荷。如功率變化、偏航、變槳以及制動產(chǎn)生的載荷。4）其他載荷：尾跡載荷、沖擊載荷、覆冰載荷等；6.2塔架的載荷分析6.2.1 塔架載荷的基本類型最大風(fēng)速vs與年平均風(fēng)速vave之間關(guān)系：經(jīng)驗關(guān)系1.暴風(fēng)工況的風(fēng)輪氣動推力計算（1）前蘇聯(lián)的法捷耶夫公式Ab葉片的投影面積Vs風(fēng)輪中心處的暴風(fēng)風(fēng)速N風(fēng)輪的葉片數(shù)Ct推力系數(shù)空氣密度令（2）荷蘭ECN的公式Ct推力系數(shù)q動態(tài)風(fēng)壓動態(tài)系數(shù)S安全系數(shù)（3） 德國DFVLR公式Ct推力系數(shù)，取2.2vs風(fēng)輪中心處的暴風(fēng)風(fēng)速N風(fēng)輪的葉片數(shù)Ct推力系數(shù)空氣密度（4） 丹麥RIS公式P1風(fēng)輪單位掃掠面積上的平均風(fēng)壓，通常

4、取300N/mAd 風(fēng)輪的掃掠面積1）風(fēng)載條件：風(fēng)速 65m/s, 風(fēng)輪停轉(zhuǎn)，葉片順槳，風(fēng)向沿機(jī)艙橫向作用在塔架上。2）地震載荷：考慮額定風(fēng)速時產(chǎn)生的風(fēng)輪最大軸向力，同時根據(jù)均勻建筑物由地震產(chǎn)生的水平載荷因子，將其產(chǎn)生的慣性力附加到風(fēng)輪軸向推力中。3）最大運行載荷：額定風(fēng)速下正常運行載荷的2倍。2.歐美國家塔架靜態(tài)強(qiáng)度設(shè)計的一般載荷條件1）最大極限載荷：塔架可能承受的最大載荷。2）疲勞載荷：塔架構(gòu)件能夠承受交變載荷次數(shù)的能力。3）共振激勵載荷：塔架結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的共振響應(yīng)。3.確定塔架設(shè)計載荷的要求塔架載荷計算的坐標(biāo)方向例如：VESTAS V52-850機(jī)組，額定功率：850kW；設(shè)計塔高：65m載

5、荷狀況1.3：發(fā)電狀態(tài)下出現(xiàn)極端湍流條件時的極限載荷；載荷狀況7.1：停機(jī)和故障狀態(tài)下的極端風(fēng)速模型；載荷狀況 6.1：風(fēng)電機(jī)組處于停機(jī)或空轉(zhuǎn)狀態(tài)，考慮極端風(fēng)速模型條件的塔架載荷。4.載荷的簡化1.塔架總體結(jié)構(gòu)設(shè)計6.3塔架的結(jié)構(gòu)設(shè)計6.3.1 基本設(shè)計內(nèi)容 塔架總體結(jié)構(gòu)方案可以反映其基本結(jié)構(gòu)與尺寸，需要根據(jù)設(shè)計載荷并結(jié)合設(shè)計經(jīng)驗，同時可參考已有同類塔架初步確定總體設(shè)計方案。 應(yīng)注意，塔架的總體可采用剛性和柔性兩種不同的形式結(jié)構(gòu)方案。通?？筛鶕?jù)塔架系統(tǒng)的固有頻率與激振頻率的關(guān)系，將固有頻率高于葉片穿越頻率的塔架稱為“剛塔”；而塔架固有頻率在風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)與葉片通過頻率之間時稱為“柔塔”；若塔架的固有

6、頻率低于風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)頻率，一般則稱為“甚柔塔”。 2.對結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的初步力學(xué)分析利用材料力學(xué)、彈性力學(xué)等固體力學(xué)理論，對塔架進(jìn)行強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性方面的校核，并根據(jù)分析結(jié)果對初步設(shè)計方案進(jìn)行修改，以確定滿足設(shè)計要求的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。3.詳細(xì)分析與強(qiáng)度校核采用有限元方法開展對塔架結(jié)構(gòu)的靜、動態(tài)分析和模型試驗，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計方案。4.詳細(xì)工程設(shè)計根據(jù)確定的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，開展工程設(shè)計，形成設(shè)計詳圖和設(shè)計技術(shù)文件，提供制造依據(jù)。 常見的鋼筒狀塔架一般采用合適的錐度形式，以獲得等強(qiáng)度設(shè)計效果。塔架頂部的結(jié)構(gòu)參數(shù)（如筒直徑、壁厚）主要考慮偏航軸承的結(jié)構(gòu)要求；塔基的結(jié)構(gòu)尺寸通?？紤]鋼筒的強(qiáng)度以及剛度要求；塔

7、架中間段的壁厚通常可采用塔基和塔頂壁厚值間的內(nèi)插。 根據(jù)錐形鋼筒的制造和運輸、安裝等條件，塔架需要采用合理的分段設(shè)計。分段鋼筒的設(shè)計結(jié)構(gòu)不僅要考慮滾彎設(shè)備的能力，還應(yīng)考慮公路運輸?shù)耐ㄟ^允許直徑。一般國家的通過限制寬度為4.04.2m，有些地區(qū)限制寬度常常會更小。1.形式設(shè)計6.3.2鋼管塔架的方案設(shè)計 由于現(xiàn)場的就地焊接會帶來很多問題，故目前多采用螺栓連接的分段塔筒結(jié)構(gòu)方案，而相關(guān)的連接和組裝等設(shè)計問題需要認(rèn)真解決。2.塔架分段構(gòu)件的連接法蘭連接點螺栓疲勞校核需考慮螺栓載荷與塔筒壁應(yīng)力間的關(guān)系；若法蘭在其寬度內(nèi)完全接觸，則簡化為線性關(guān)系。軸向載荷作用位置在螺栓和預(yù)緊法蘭之間，與傳力路徑剛度成比

8、例。軸向載荷距螺栓中心距離：承載橫截面積：dw螺栓頭或螺母的墊圈直徑dh螺栓孔徑lk螺栓頭和螺桿之間的鉗位距離DA螺栓中心線到最近的法蘭邊緣的距離的2倍，抑或是螺栓間隔，取兩者的較小值3塔架根部的固定 塔架底部一般設(shè)計為外法蘭形式，該底部法蘭再通過地腳螺桿固定于地基，抑或是用螺栓連接在嵌入地下的短塔段上，相關(guān)的地基安裝結(jié)構(gòu)稍后討論。 地腳螺桿通常需要以某種方式錨入地基中，其抗傾覆力矩的能力取決于沿上風(fēng)向側(cè)塔筒呈半圓分布螺栓組的抗拉強(qiáng)度設(shè)計。由于受混凝土剪應(yīng)力強(qiáng)度的約束，所以螺桿必須插入混凝土充分深的地方，典型深度約等于塔架基礎(chǔ)的半徑。4結(jié)構(gòu)方案設(shè)計中的固有頻率約束問題 如前所述，塔架結(jié)構(gòu)方案設(shè)

9、計的前提，首先需要考慮相關(guān)結(jié)構(gòu)的一階模態(tài)固有頻率約束問題。一般而論，所謂固有頻率離機(jī)組系統(tǒng)可能產(chǎn)生的激勵頻率越遠(yuǎn)越好。但根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，當(dāng)需要設(shè)計塔架在極限強(qiáng)度時，往往其固有頻率與葉片通過頻率會處于同一量級。 對于特定的風(fēng)輪而言，可通過改變塔架的設(shè)計參數(shù)（如長徑比、壁厚）塔基直徑，在滿足極限載荷和疲勞載荷強(qiáng)度的同時，調(diào)整整個塔架的自然頻率至合適的值。但有時滿足固有頻率的要求可能并不經(jīng)濟(jì)，可以通過調(diào)整輪轂高度的方式解決。塔架根部截面應(yīng)力：W2塔架根部抗彎截面模數(shù)A2塔根部截面積G2塔架本身所受重力 變截面塔架的長度折減系數(shù)與塔架截面變化有關(guān)的折算長度修正系數(shù);Jmin塔架頂部截面慣性矩Jmax塔架

10、根部截面慣性矩H塔架高度2塔架根部截面的慣性半徑1.考慮塔架高度折減系數(shù)的強(qiáng)度計算6.3.3塔架的強(qiáng)度設(shè)計一般而論，相對于其他幾何形狀截面形式，管狀構(gòu)件的抗壓強(qiáng)度極限較低。在校核大型塔架的抗壓強(qiáng)度時，應(yīng)考慮構(gòu)件截面的相對壁厚，即半徑與壁厚比值對抗壓能力的影響；抗壓屈服應(yīng)力極限的基本計算公式塔架構(gòu)件的抗壓能力與容許買的設(shè)計缺陷有關(guān)，也應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)恼蹨p系數(shù)：軸向載荷臨界應(yīng)力折減系數(shù)彎曲載荷折減參數(shù)塔筒構(gòu)件的抗壓應(yīng)力極限2.考慮管狀截面構(gòu)件相對壁厚的強(qiáng)度校核圖6-9是一種用于風(fēng)電機(jī)組塔架水平振動的簡化分析模型。圖中a）為機(jī)組結(jié)構(gòu)簡化示意。由風(fēng)輪、機(jī)艙、塔架等部分組成。機(jī)組在運行過程中，受風(fēng)載荷和機(jī)組

11、運行中產(chǎn)生的各種載荷（重力載荷、慣性載荷等）的作用，各個部件將產(chǎn)生振動。現(xiàn)在要研究塔架頂部位置的水平振動。因為水平振動位移相對于整個塔架高度很小，可以假定質(zhì)量塊只在水平一個方向上產(chǎn)生振動，整個風(fēng)輪和機(jī)艙部件的質(zhì)量大而且比較集中，可以簡化成一個位于塔架頂部的集中質(zhì)量塊，而塔架高度遠(yuǎn)大于塔筒直徑，可以簡化為底部固定的等截面彈性梁懸臂梁，如圖中b）所示。運動方程：6.3.4 塔架的動特性分析 塔筒設(shè)計需要提供相應(yīng)的制造技術(shù)要求，如材質(zhì)、構(gòu)件性能等。對于高度超過30米的錐形鋼筒塔架，通常需要分段制作加工，每段長度一般不超過3米。鋼筒通常用厚度為10到40毫米的鋼板用卷板機(jī)加工，然后焊接而成。如圖6-1

12、0所示。對于鋼板厚度小于40毫米，卷板設(shè)備為常規(guī)設(shè)備，當(dāng)厚度超過40mm，常規(guī)卷板設(shè)備不能加工，需要特制的卷板設(shè)備。 塔筒材料一般選用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，如Q235、Q275或Q345鋼等。塔筒內(nèi)部每隔一段距離（例如3m）可設(shè)置加強(qiáng)環(huán)，以提高局部剛度。6.3.5 塔架的制造要求 塔架基礎(chǔ)主要提供塔筒底部的連接和固定，塔架基礎(chǔ)應(yīng)使機(jī)組在所有可能出現(xiàn)的載荷條件下保持穩(wěn)定狀態(tài)，不能出現(xiàn)傾倒、失穩(wěn)或其它問題。 如圖6-12所示，塔架基礎(chǔ)通常采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土的重量應(yīng)能夠平衡整個機(jī)組的傾翻力矩。其影響因素首先應(yīng)考慮極端風(fēng)速條件下的葉片產(chǎn)生的推力載荷，以及機(jī)組運行狀態(tài)下的最大載荷。6.4塔架基礎(chǔ)設(shè)計6

13、.4.1 基本設(shè)計要求1.板狀基礎(chǔ)6.4.2基礎(chǔ)的形式設(shè)計 在距地面數(shù)米內(nèi)需要放置適用的材料時，一般選擇板狀基礎(chǔ)。如圖為四種可選用的板狀的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。2.樁基礎(chǔ) 在較差的地表條件，采用柱狀地基比板層地基可以更有效地利用材料。如圖是一種由多個圓形樁柱和樁帽組成的基礎(chǔ)。 3.混凝土單樁基礎(chǔ) 混凝土單樁基礎(chǔ)主體為一較大直徑的混凝土圓柱，通過向土壤傳遞橫向載荷抵抗傾覆塔架的力矩 由于單樁基礎(chǔ)樁柱若有傾斜趨勢，在土壤楔入邊會產(chǎn)生摩擦力，往往可以提供更大的抵抗傾覆能力。 當(dāng)水平線很低且土質(zhì)能夠提供挖掘深洞而不出現(xiàn)邊緣下陷條件時，單樁類型基礎(chǔ)具有優(yōu)勢。但應(yīng)注意，此種基礎(chǔ)雖然形式簡單，材料消耗導(dǎo)致的成本會較高。

14、 4.桁架式基礎(chǔ) 桁架式基礎(chǔ)的樁柱間跨距相對大，且還可以采用用各自獨立的基礎(chǔ)。因此，可使用螺旋鉆孔澆注樁 。 如圖6-18所示，塔架基礎(chǔ)除機(jī)組承受自身的重量G外，還要承受由風(fēng)輪產(chǎn)生的推力Ft、風(fēng)載q以及機(jī)組運行所產(chǎn)生的扭矩Mn等載荷的作用?；A(chǔ)設(shè)計過程需要考慮這些載荷的平衡等問題，確保機(jī)組安全、穩(wěn)定運行。 1.基礎(chǔ)的載荷分析6.4.3 基礎(chǔ)的設(shè)計計算 圖6-19是上述載荷在基礎(chǔ)上的作用狀況，圖中G和GJ分別為機(jī)組及基礎(chǔ)的自重。傾覆力矩M是由機(jī)組自重的偏心、風(fēng)輪產(chǎn)生的正壓力Ft以及風(fēng)載荷q等因素所引起的合力矩；Mn為機(jī)組偏航時所產(chǎn)生的扭矩；剪力F則由內(nèi)輪產(chǎn)生的正壓力以及風(fēng)載荷q所引起。 1.基礎(chǔ)

15、的載荷分析6.4.3 基礎(chǔ)的設(shè)計計算 一般情況下，由于剪力F、扭矩Mn相對其它載荷小得多，在滿足工程要求的前提下，往往可以略去不計。由此得到簡化的基礎(chǔ)力學(xué)模型（圖6-20）。1.基礎(chǔ)的載荷分析6.4.3 基礎(chǔ)的設(shè)計計算基礎(chǔ)重量及結(jié)構(gòu)尺寸計算原則：2. 基礎(chǔ)混凝土重量與結(jié)構(gòu)的分析計算：式中 B基礎(chǔ)的底邊結(jié)構(gòu)尺寸，單位是m； 安全系數(shù)（根據(jù)經(jīng)驗一般取2為宜）。 由于基礎(chǔ)底部偏置壓力產(chǎn)生的力矩跟合力與塔基中心的偏心距有關(guān)，設(shè)計中需要計算出該偏心距并控制器數(shù)值不宜過大，以保證基礎(chǔ)不至于發(fā)生過度傾斜。偏心距控制范圍：e 地基鉛垂方向合力與塔基中心的偏心距 3.基礎(chǔ)底部壓力作用的偏心距土壤壓力：由于基礎(chǔ)的

16、載荷要傳遞給地基土壤并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的的接觸壓力，需要對基礎(chǔ)底面土壤的最大壓力進(jìn)行分析和計算；基礎(chǔ)底面土壤壓力分布：若基礎(chǔ)底部壓力作用的偏心距eB/6，壓力呈梯形分布；設(shè)計要求：基礎(chǔ)底面土壤最大壓力不超過土壤容許承載能力W基礎(chǔ)底面土壤的抗彎截面模量（矩形）P土壤的容許承載力基礎(chǔ)底面土壤的最小壓力：4.土壤壓力計算Mt危險截面的彎矩；Pmax基礎(chǔ)底面邊緣的最大壓力；PI基礎(chǔ)底面危險截面處的壓力；L 危險截面到基礎(chǔ)邊緣的距離；b塔架底部圓筒外徑?；A(chǔ)底板結(jié)構(gòu)：雙向彎曲板結(jié)構(gòu)，沿四周產(chǎn)生彎曲。危險截面彎矩：基礎(chǔ)危險截面：塔架與基礎(chǔ)交界截面。所需的鋼筋面積：K構(gòu)件強(qiáng)度設(shè)計安全系數(shù)；M計算配筋截面處的設(shè)計彎矩；Rg鋼筋的抗拉強(qiáng)度極限；h基礎(chǔ)沖切破