風力發(fā)電機組的塔架與基礎

1、風力發(fā)電機組的塔架與基礎第一節(jié) 塔 架塔架和基礎是風力發(fā)電機組的主要承載部件。其重要性隨著風力發(fā)電機組的容量增加，高度增加， 愈來愈明顯。在風力發(fā)電機組中塔架的重量占風力發(fā)電機組總重的1/2 左右，其成本占風力發(fā)電機組制造成本的50% 左右， 由此可見塔架在風力發(fā)電機組設計與制造中的重要性。由于近年來風力發(fā)電機組容量已達到23MW ，風輪直徑達80100m ，塔架高度達100m 。在德國，風力發(fā)電機組塔架設計必須經(jīng)過建筑部門的批準和安全證明。一、塔架的結(jié)構(gòu)與類型塔架主要分為桁架型和圓筒型。桁架型塔架如圖10-1 示。桁架型塔架在早期風力發(fā)電機組中大量使用，其主要優(yōu)點為制造簡單、成本低、運輸方便

2、，但其主要缺點為不美觀，通向塔頂?shù)纳舷绿葑硬缓冒才?，上下時安全性差。圓筒型塔架如圖10-2 示。在當前風力發(fā)電機組中大量采用，其優(yōu)點是美觀大方，上下塔架安全可靠。以結(jié)構(gòu)材料可分為鋼結(jié)構(gòu)塔架和鋼筋混凝土塔架。鋼筋混凝土塔架在早期風力發(fā)電機組中大量被應用，如我國福建平潭55kW 風力發(fā)電機組（ 1980 年）、丹麥Tvid2MW 風力發(fā)電機組（1980 年），后來由于風力發(fā)電機組大批量生產(chǎn)， 從批量生產(chǎn)的需要而被鋼結(jié)構(gòu)塔架所取代。近年隨著風力發(fā)電機組容量的增加，塔架的體積增大，使得塔架運輸出現(xiàn)困難，又有以鋼筋混凝土塔架取代鋼結(jié)構(gòu)塔架的苗頭。圖io T桁架壁塔架一的2月*鱉-果、塔架的設計與計算塔架

3、的主要功能是支承風力發(fā)電機的機械部件，發(fā)電系統(tǒng)（重力負載），承受風輪的作用力和風作用在塔架上的力（彎矩、推力及對塔架的扭力），塔架還必須具有足夠的疲勞強度，能承受風輪引起的振動載荷，包括起動和停機的周期性影響、突風變化、塔影效應等。塔架的剛度要適度，其自振頻率（彎曲及扭轉(zhuǎn)）要避開運行頻率（風輪旋轉(zhuǎn)頻率的3倍）的整數(shù)倍。塔架自振頻率高于運行頻率的塔稱之為剛塔，低于運行頻率的塔稱之為柔塔。1.塔架靜強度的載荷條件1）橫吹：風速為65m/s （2s平均）風輪不轉(zhuǎn)動，葉片順槳，風向是橫向吹在機艙上。2）正常運行十地震載負：風速為額定風速時，產(chǎn)生的風輪軸向力最大，同時根據(jù)均勻建筑物由地震產(chǎn)生的水平載荷因

4、子，將其產(chǎn)生的慣性力加在風輪軸向推力上。3）最大運行載荷：額定風速下正常運行載荷的2倍。2.塔架風載分析及隨機振動理論基礎從實際風速記錄可知，風速的變化是沒有規(guī)律的，也 不可能用常規(guī)的方法給予定義。風速的波動量只能用統(tǒng)計特性進行描述。1 ）風速的波動及夾風分析風速振動膜門被定義為朝時風速LK I 。準穩(wěn)態(tài)平均風速 V的伯麥,由下式表示；u，t ； h L I）- U，11J - I 風速的變化睪由差比描述：t am（r" = /=k l I t t） - I 廣由（10 2 ）T 15 m4速的-4也由MJ亞版動M整它冗義百1.=曾f ID-3）L平均錄大夾風tJ取決于平均屬速U*根

5、據(jù)風速資料的分析及理論研究，可得到：«取決開溶量用風速儀及突瘴時曲，它與表面粗梯度小和育度無關*.1式中r k次住檢力 小時'：；£也對于笑風時距為“曄= 3.7.則=1 +3+7I.（z）（106）這St是說.夾風時跖為久的突風風速是時距為一小時的平均風速的1.5倍2)極值風速在長期的氣象觀察中發(fā)現(xiàn)，極大風速不是經(jīng)常出現(xiàn)的間隔 定的時期 才出現(xiàn).這個間隔期稱為近現(xiàn)期近現(xiàn)期在概*意義上體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的安全度P( >U) = I -P( tl)=l/T(10-7)上式中戶(wO)稱為小于極值0的保證率.如幣現(xiàn)期T =50年,則50年內(nèi)不出現(xiàn)0的保證率P( WO)為P

6、( CO) =1 -1/T = O.98文獻對高斯曲線WI1噌曲線和極值分布曲線進行二 田的分析認為極值風速的假率分布比較符合極值I 曲線，極值I3分吊(CumlM分化)表達式為F|( x) = rxp - rxp -a(x - p,)( 10 -8 )K中a與出口以由數(shù)學期里取和標準離差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。當x是禹敬的機變最時，|i = x -0.45OO5(t為了求得保證了戶與保證系數(shù)甲之間的關系對式(28)進行改寫 cy< x - p. ) = - In( - Inp )因為P = Fj( x )將式(10 - 13)及式(1014 )代人式(1015)得x = x -獨0.57722 - In(

8、- Inp ) b = x + <p(r 7T中:-0.57722 +ln( -Inp)3)單H由度系統(tǒng)的曲機振動唯自由度系統(tǒng)足最諭單的理想化了的校型.如圖10-3 所示.中自由度系統(tǒng)的振動微分方程為My(l) +Cy(l) + Ky(l)=P(t)式中M質(zhì)量：C粘滯系數(shù);k剛性系數(shù):P(t)外力：y(t)質(zhì)點的響應。格卜.式除以V,式(10-18)便可寫成常用的標準形式：(10-18)(10-19)y( I)+2,u)Jy< t) +<ojy<i) = F<i >(10-22)(10-23)(20-24)假設將輸入FJ)用一系列連續(xù)分布的脈沖F(t世8(&

9、quot;丁)來代替.丸中8(tr)為狄拉克函數(shù),e=T時.6( I ) = X .而)<h =11 L：的脈沖晌向函卻 J h- -r)這樣.在FAiMI作用卜的響應為FC)Aih(ir).將各個膿沖疊加便得到體 系的總響應：y( t)= Z F( I)Afh( - t )<It( 10 - 2()當 At><1t 時.y( i) = J F( T)h( i(10-21 )通常，當t<0時,F(t)=0,則y( t)= ) ；F( T)h( i - t)dr同樣.我們可以得到無限H由度的振動方程：m"喘 CG用暗回Z*卜P(Z,I)次位移按振型分的為y

10、( z.t ) = Xq,(l )<pi( z)代人式(10 -25)可得廣義坐標<1,( i )3方程：<b +2皿+% = . ij(l)其中：，M； = ni( / )<；( / )dzP： = I p( Z,t )(p.( z)<iz4功率謂密度描述一個握動現(xiàn)象的性質(zhì)時,用概率密度函數(shù)口 r以得到馬振動ftc抽有 關的宿息,但為了得到關于波形的信息，必須研究振動所包含的頻率的成分.設K(iw)為大C的傅里葉變換之X3 = ' x< t 卜3山U0 - 25) *4 t > = - X1 jo> “布10 - 26)Itt 二曲則時

11、間域內(nèi)的枳分可用傅氏變換特變?yōu)锳t率域的枳分.由以I二兩式可以導出：E： = J* SJ whig(10-27)11 中！:”J w)- lint 1 1 im i I 'n . tf I.s,(.)代表平均功搴領率分布的密度,即前位鈍？ IM內(nèi)的密度,稱為功率密at.3.架的強度設計與計算I)初歲碗立塔架的形狀和尺九塔架的結(jié)構(gòu)形狀與尺九取決于風力發(fā)電機組安裝 地點及風我荷情況.同時結(jié)合及計人員的勢臭，N睪號現(xiàn)有同類型塔架初步擬定塔架的 結(jié)構(gòu)形狀和尺寸.2)常規(guī)計算是利用材料力學,彈性力學等固體力學理論和計算公式*對塔架進行強 度、剛度川L性等方面的校校.而后修改設計.以滿足設計要求.

12、3，行Ri元靜 助態(tài)分析，模型試驗和優(yōu)化電計.4)制造工藝性和經(jīng)濟性分析:由于風力發(fā)電機能時環(huán)境的崔覺有較大的彩響,W體 枳大、高度高,最后還要對塔里進行造型設計,吸滿足與環(huán)境的和諧統(tǒng)口4,塔架的常用材料及表面防銹處理在風力發(fā)電機組中塔架常用材料為QM55r. Q345D.該材料具有韌性高、抵京性能較好的優(yōu)點. II行一定的耐蝕性.由于風力發(fā)電機組安裝在荒野、高山、海島，承受日曬雨淋，甚至沙塵和鹽霧的腐蝕。所以其表面防銹處 理十分重要。通常表面采用熱鍍鋅，噴鋅或噴漆處理。一般表面防銹處理要達到20年以上的壽命。I * <l*s( t ).3 j 、/. <U( t )K2 )(I

13、%2dl = | .F(t)/idi三、塔架的固仃頻率及風振il算1 .塔架的架仃頻率塔架的受力簡圖如圖10-3所示。 我們在動力分析中視結(jié)構(gòu)為單H由度體系(因塔體為等厚 鋼管構(gòu)成).我運動方程為+ K2*< t)= F( I) (10-28) dr s <h式中./I)水平位移：2,蟲F粘性磨擦阻力： (II5結(jié)構(gòu)用尼系數(shù)：K2s(i)彈性力：K結(jié)構(gòu)彈性系數(shù)：F(t)風技。我們近似認為風我是具仃同定力諧密及C(3)的平稔圖I。7塔架的受力箭圖隨機過W對式(10 - 28)進行傅氏變換:(10-29)“設/ t)山=S/u>)F(= Gr<w)(10-30)則式(10-

14、29)可的化為(i(o，§( co)+ 2( i(i> )Sg( u>) + K2s/ 3)= G,(3)(10-31 )MG If”上式就足動力方程的傳遞出數(shù)形式。平穩(wěn)隨機過程§(t)的譜密度是動力方程的解. 可以確定如F：(10-33)在本結(jié)構(gòu)中,鋼管的內(nèi)摩擦力及空氣磨擦力川不考慮JJJ(10-34)s-(<o)=7FTTI 啜函數(shù)L-的分丁軍,則響應詣，的值. J此結(jié)構(gòu)的同行頻率可由此導出：3 N!宣 27r(10-35)L 架的總風向隨機風I . 了便于分析,我們將風力機結(jié)構(gòu)簡化爪 對104 所示.0000C國10-J風力機培構(gòu)簡化圖5 - 120

15、0我振動方程為，”(：)+ c(:)蟲'：")+ *(:)>(:/)=(:/)=(：)= u»(2)f( t )</.tOrt/小(10-36)式中m(z),r(/)A(z),p(/)沿熱度/處,單仔島度上的質(zhì)量、用后系數(shù)、剛度系數(shù) 和水平風力：f(l>時間函數(shù).最大值為I;co(z)位于坐標z處單位血枳上的風力.設仟 高度/處任 M時風速為平均風速為V(z),脈動風速為則V(z.l) = V(z) + Vf(z,i)( 10 - 37 )該處的明時m風樂為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)與V，z)相比是二階微量,可略去.故i () 3丹t 】。-II >U0 - 42；1114S )1 11)-44 式中IiJxJtl/x)風壓高fit受化系數(shù)及塔架迎風面水平長度.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)體伴生式.由文獻6可知，結(jié)構(gòu)的&琳振型都時風振力及響應仃所貢,但第鬃型如主醛作

17、用.風力中含熱力和動力兩種成分.動力嶷響在總值中又只占部分.故工程中對于懸 臂利一般只考慮第一提刑的影響.鳳表其本質(zhì)也是一種振就.所以等效同振力實際 上就是該振型的慣性力.閃此.一階振型的風力張力為1',/ 且 I I加 I / "= Jun】'，皿在膿動風出作用F,結(jié)構(gòu)的履振宗教定義為總風力的概率統(tǒng)詩值p/G+P/G與 靜戰(zhàn)力統(tǒng)計值p/門之比tp/Z + p,t< ZP，Z JE)BO = i = 1 t -PJ -pj 2)PJ £)聿出J，版J Z)WJL)式中,風振動力系致u,考慮風壓*動及空間招關性等賬響而希利的系數(shù)稱為齡響系數(shù)事門稱 為位青

18、系數(shù).從文獻中可知 H)15 11”孫lh =一一工VB此時,叫為"向的固有圜!率(波數(shù))H為結(jié)構(gòu)的S1尼比,對于例結(jié)構(gòu),6=0.01 由風振力引起的海風力為1 t I) - -lt> 卜第二節(jié)風力發(fā)電機組基礎的設計與施工、基礎的結(jié)構(gòu)與類型1 .根據(jù)風力發(fā)電機組型號與容量自身特性，要求基礎承載載荷也各不相同，表 種大型風力發(fā)電機基礎載荷。表 1*1 Htt««生產(chǎn)廠口機容ft 1%詆ti力，LN水平力球電T k、* in)l / kA * in ,HUM '207BUM *4504m8722wmXM)2X52兆1541ViKifl VXk3()029

19、S94002 ft) FS55no5l(i?771 口 424運送風由25025()1K7-(320運達風由75()71(1舊I45CX)6(X)2 .風力發(fā)電機基礎均為現(xiàn)澆鋼筋混凝土獨立基礎。 根據(jù)風電場場址工程地質(zhì)條件和地基承載 力以及基礎荷載、尺寸大小不同，從結(jié)構(gòu)的形式看，常用的可分為塊狀基礎和框架式基礎兩 種。塊狀基礎，即實體重力式基礎，應用廣泛，對基礎進行動力分析時，可以忽略基礎的變形，并將基礎作為剛性體來處理，而僅考慮地基的變形。按其結(jié)構(gòu)剖面又可分為“凹”形和 凸”形兩種；前者如圖10-5所示，基礎整個為方形實體鋼筋混凝土后者如圖 10-6型式；后者與 前者相比，均屬實體基礎，區(qū)別

20、在于擴展的底座盤上回填土也成了基礎重力的一部分，這樣可節(jié)省材料降低費用。C7.5單佗：圖10-5凹形基礎結(jié)構(gòu)oC10-C15圖10-h凸形基礎結(jié)構(gòu)框架式基礎實為樁基群與平面板梁的組合體， 從單個樁基持力特性看，又分為摩擦樁基和端 承樁基兩種：樁上的荷載由樁側(cè)摩擦力和樁端阻力共同承受的為摩擦樁基礎；樁上荷載主要由樁端阻力承受的則為端承樁基礎。3 .根據(jù)基礎與塔架（機身）連接方式又可分為地腳螺栓式和法蘭式筒式兩種類型基礎。前 者塔架用螺母與尼龍彈墊平墊固定在地肢螺栓上，后者塔架法蘭與基礎段法蘭用螺栓對接。地腳螺栓式又分為單排螺栓、雙排螺栓、單排螺栓帶上下法蘭圈等。 二、風力發(fā)電機組基礎設計的前期準

21、備工作及有關注意事項風力發(fā)電機組的基礎用于安裝、支承風力發(fā)電機組。平衡風力發(fā)電機組在運行過程中所產(chǎn)生的各種載荷，以保證機組安全、穩(wěn)定地運行。因此，在設計風力發(fā)電機組基礎之前，必須對 機組的安裝現(xiàn)場進行工程地質(zhì)勘察。充分了解、研究地基土層的成因及構(gòu)造，它的物理力學性質(zhì)等，從而對現(xiàn)場的工程地質(zhì)條件作出正確的評價。這是進行風力發(fā)電機基礎設計的先決條件。同時還必須注意到，由于風力發(fā)電機組的安裝，將使地基中原有的應力狀態(tài)發(fā)生變化， 故還需應用力學的方法來研究載荷作用下地基土的變形和強度問題。以使地基基礎的設計滿足以下兩個基本條件：1）要求作用于地基上的載荷不超過地基容許的承載能力，以保證地基在防止整體破

22、壞方面 有足夠的安全儲備。2）控制基礎的沉降，使其不超過地基容許的變形值。以保證風力發(fā)電機組不因地基的變形 而損壞或影響機組的正常運行。因此，風力發(fā)電機組基礎設計的前期準備工作是保證機組正常運行必不可少的重要環(huán)節(jié)。三、風力發(fā)電機組對基礎的要求及基礎的受力狀況圖10-3所示為某風力發(fā)電機組，當風力發(fā)電機組運行時，機組除承受自身的重量Q處，還要承受由風輪產(chǎn)生的正壓力P、風載荷q以及機組調(diào)各時所產(chǎn)生的扭矩 Mn等載荷的作用。這些載荷主要是靠基礎予以平衡，以確保機組安全、穩(wěn)定運行。圖10-7顯示了上述這些載荷在基礎上的作用狀況， 圖中Q和G分別為機組及基礎的自重。 傾覆力矩M是由機組自重的偏心、風輪產(chǎn)

23、生的正壓力 P以及風載荷q等因素所引起的合力矩。Mn為機組調(diào)向時所產(chǎn)生的扭矩。 剪力F則由內(nèi)輪產(chǎn)生的正壓力戶以及風載荷g所引起。但在一般情況下，由于剪力 F及風力發(fā)電機組在調(diào)向過程中所產(chǎn)生的扭矩Mn 一般都不很大，且與其它載荷相比要小得多，所以在考慮到不影響計算效果的同時，又能滿足工程要求的前提下，筆者認為：在實際計算中，此兩項可以略去不計。因此在對風力發(fā)電機組基礎的設計中，風力發(fā)電機組對基礎所產(chǎn)生的載荷主要應考慮機組自重Q與傾覆力矩M兩項。經(jīng)上述簡化后，風力發(fā)電機組基礎的力學模型如圖10-8所示。口£10-7載荷在基礎上的作用狀況四、風力發(fā)電機組基礎的設計與計算S 10-s“力發(fā)電

24、機組基礎的力學模型根據(jù)我們多年來從事風力發(fā)電機組研制的經(jīng)驗，在參考土建設計的有關標準和規(guī)范的基礎上認為：風力發(fā)電機組基礎的設計與計算通常應包括以下五個方面：基礎混凝土重量及幾何尺寸的計算、基礎底部壓力所產(chǎn)生的偏心距計算、土壤壓力的計算、設計配筋、抗沖切強度校核。激I,曲敬及幾何尺寸的訶算根據(jù)圖10-8所示的風力發(fā)電機姒基酬的方巾HI可知1確定基硼混款土煎量及幾彳尺寸的原則之理侔i正其臼重量G卬M組自重Q所產(chǎn)生的穩(wěn)定力矩應大于機組運力其關系式為(10 47 )式中B柱礎的底邊尺寸.K安全系效根據(jù)經(jīng)驗 股取2為宜注t由于式-5中心和H均為未如，因此.在應用式，I。-5）計年基礎混凝土意 *G及幾何

25、尺寸B時,雷苜先在我安裝現(xiàn)場地M；持力層土填的容許承載力，P3然后根 據(jù)式1。-5怙算出較為合理的混凝上jfrltG及其底邊尺（二）基礎底部壓力所產(chǎn)生的偏心型計算對于M力發(fā)電機組這類偏心受限的驀虬圖10 -8）為確保機殂能安全.穩(wěn)定地運廳，夙仃栽在對步礎底部從力所產(chǎn)生的偏心講“過大以保證不致廣發(fā)'I近人 的傾斜 因此對于風力發(fā)電機州這類動力機械而二.我也礎底部樂力所產(chǎn)勺的偏心距”段宜控制在B/6的的國內(nèi);11，r = M/G + QB/6（三）土塔樂力的計算.WUIL風力發(fā)電機組在不同工況卜運行時所產(chǎn)生的 載荷是遹過名礎傳遞給地& T是荻礎與地里之間 便產(chǎn)生了接觸樂力.同時又是

26、地基反作用于基礎的 下底壓力.因此,在按彈性地基計體基礎對地基土 填的作用力時,一般應考慮基礎自重C、風力發(fā)電 機組A，RQ以及傾用力矩扎3.對地柱的影響.分 別求出它們對地基所產(chǎn)牛的地力然后疊加。求得 展礎度而土月的廢大壓力當基礎底部壓力所產(chǎn) 生的偏心距eWB/6時,版礎底面土壤壓力的分布 呈悌形.如圖109所示.l« l（）-9 底I填4力分布為確保風力發(fā)電機組組能安全、穩(wěn)定地運行. 機礎底而上填的最大瓜力戶不得總過上壤的容 許承我力P其公式為P«» =（ G Q ）/B2 + M j/N W P（10-48）式中 W = B，6為基礎底面±的指|模量.此時基礎底面上填的最小出力Pa應為P_ =（ G + Q ）/B2 - M/W NO設計配箭:力發(fā) 機組基礎在承受上述投荷以一 以事為如同板那樣此時的底板為雙向穹曲板，沿基礎四周產(chǎn)生彎曲.巧彎曲應力超過基礎的抗穹強度時,M礎 底板將發(fā)生彎曲破壞.在配筋設計中，