《风力发电机组设计与制造》姚兴佳 第6章

2 —变截面塔架的长度折减系数
μ—与塔架截面变化有关的折算长度修正系数;
2.考虑管状截面构件相对壁厚的强度校核 一般而论，相对于其他几何形状截面形式，管状构件的抗压强度极限较低。 在校核大型塔架的抗压强度时，应考虑构件截面的相对壁厚，即半径与壁厚比 值对抗压能力的影响； 抗压屈服应力极限的基本计算公式
较集中，可以简化成一个位于塔架顶部的集中质量块，而塔架高度远大于塔筒直径，
可以简化为底部固定的等截面弹性梁－悬臂梁，如图中b）所示。
运动方程：
mx cx kx f t
6.3.5 塔架的制造要求
塔筒设计需要提供相应的制造技术要求，如材质、构件性能等。对于 高度超过30米的锥形钢筒塔架，通常需要分段制作加工，每段长度一般不 超过3米。钢筒通常用厚度为10到40毫米的钢板用卷板机加工，然后焊接 而成。如图6-10所示。对于钢板厚度小于40毫米，卷板设备为常规设备， 当厚度超过40mm，常规卷板设备不能加工，需要特制的卷板设备。 塔筒材料一般选用优质碳素结构钢，如Q235、Q275或Q345钢等。塔 筒内部每隔一段距离（例如3m）可设置加强环，以提高局部刚度。
4.桁架式基础
桁架式基础的桩柱间跨距相对 大，且还可以采用用各自独立的 基础。因此，可使用螺旋钻孔浇 注桩 。
6.4.3 基础的设计计算
1.基础的载荷分析
如图6-18所示，塔架基础除机组承受自身的重量G外，还要承受由风 轮产生的推力Ft、风载q以及机组运行所产生的扭矩Mn等载荷的作用。基 础设计过程需要考虑这些载荷的平衡等问题，确保机组安全、稳定运行。
2.塔架分段构件的连接 由于现场的就地焊接会带来很多问题，故 目前多采用螺栓连接的分段塔筒结构方案，而 相关的连接和组装等设计问题需要认真解决。
法兰连接点螺栓疲劳校核需考虑螺栓载荷与塔筒壁应力间的关系；若法兰 在其宽度内完全接触，则简化为线性关系。 轴向载荷作用位置在螺栓和预紧法兰之间，与传力路径刚度成比例。 轴向载荷距螺栓中心距离： x
6.4.2基础的形式设计
1.板状基础
在距地面数米内需要放 置适用的材料时，一般选择 板状基础。如图为四种可选 用的板状的基础结构。
2.桩基础
在较差的地表条件，采 用柱状地基比板层地基可以 更有效地利用材料。如图是 一种由多个圆形桩柱和桩帽 组成的基础。
3.混凝土单桩基础
混凝土单桩基础主体为一较大直径的混凝土圆柱，通过向土 壤传递横向载荷抵抗倾覆塔架的力矩 由于单桩基础桩柱若有倾斜趋势，在土壤楔入边会产生摩擦 力，往往可以提供更大的抵抗倾覆能力。 当水平线很低且土质能够提供挖掘深洞而不出现边缘下陷条 件时，单桩耗导致的成本会较高。
4.载荷的简化
例如：VESTAS V52-850机组，额 定功率：850kW；设计塔高： 65m
塔架载荷计算的坐标方向
载荷状况1.3：发电状态下出现极
端湍流条件时的极限载荷； 载荷状况7.1：停机和故障状态下
的极端风速模型；
载荷状况 6.1：风电机组处于停 机或空转状态，考虑极端风速模 型条件的塔架载荷。
3
lk d w 2 DA

2 d w DA d w x 1 1 8
承载横截面积：
Aers

4
2 dw dh2
dw—螺栓头或螺母的垫圈直径 dh—螺栓孔径 lk—螺栓头和螺杆之间的钳位距离 DA—螺栓中心线到最近的法兰边缘的距离的2倍，抑或是螺栓间 隔，取两者的较小值
2.对结构设计方案的初步力学分析 利用材料力学、弹性力学等固体力学理论，对塔架进行强度、刚度和 稳定性方面的校核，并根据分析结果对初步设计方案进行修改，以确 定满足设计要求的总体结构设计方案。 3.详细分析与强度校核 采用有限元方法开展对塔架结构的静、动态分析和模型试验，进一步 优化设计方案。 4.详细工程设计 根据确定的结构设计方案，开展工程设计，形成设计详图和设计技术 文件，提供制造依据。
弯曲载荷折减参数
B 0.1887 0.8113 0
u s [1 0.4123( s 0.6 ) ] B cr
, B cr s / 2 , B cr s / 2
塔筒构件的抗压应力极限
u 0.75 B cr
6.3.4 塔架的动特性分析
《风力发电机组设计与制造》
第6章塔架与基础设计
6.1设计概述
6.1.1 塔架的设计要素
1.塔架高度
塔架高度越高，获得风能越大；
塔架高度越高，制造成本越高；
塔架高度初步确定公式： H
1 ~ 1.3 R
—风轮半径
R
地表形貌影响塔架高度；
陆地粗糙度＞海面粗糙度
海上风电场，塔架低一些；
陆上风电场，塔架高一些；
6.4.3 基础的设计计算
1.基础的载荷分析
图6-19是上述载荷在基础上的作用状况，图中G和GJ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Ft以及风载荷q 等因素所引起的合力矩；Mn为机组偏航时所产生的扭矩；剪力F则由内轮产 生的正压力以及风载荷q所引起。
Fas
1 Ct Ab vs2 N 2
vs—风轮中心处的暴风风速 N—风轮的叶片数 Ct—推力系数 ρ—空气密度
（4） 丹麦RIS公式
Fas P Ad 1
P1—风轮单位扫掠面积上的平均风压，通常取300N/m²
Ad —风轮的扫掠面积
2.欧美国家塔架静态强度设计的一般载荷条件
考虑地貌因素的塔架高度计算公式：H h C R
h —机组附近障碍物高度 C —障碍物最高点到风轮
扫掠面最低点的距离
2.塔架的强度和刚度 塔架的主要功能是支撑机舱的所有零部件，机组的各种载荷最终都要传 递到塔架。
对塔架整体刚度也需要有明确的设计要求，避免载荷作用造成的大变形
和失稳。
3.运输与安装
cr 0.605Et / r
r / t cr
塔架构件的抗压能力与容许买的设计缺陷有关，也应考虑适当的折减系数：
0
0.83 1 0.01r / t
0.70 0.1 0.01r / t
,(r / t 212) ,(r / t 212)
轴向载荷临界应力折减系数
0
1）风轮等构件承受的空气动力载荷 2）重力和惯性载荷：重力、振动、旋转及地震等引起的静态、动态载荷。 3）操作载荷：机组运行和控制过程中产生的载荷。如功率变化、偏航、变桨以 及制动产生的载荷。 4）其他载荷：尾迹载荷、冲击载荷、覆冰载荷等；
1.暴风工况的风轮气动推力计算
最大风速vs与年平均风速vave之间关系：
1）风载条件：风速 65m/s, 风轮停转，叶片顺桨，风向沿机舱横向作用在塔架上。
2）地震载荷：考虑额定风速时产生的风轮最大轴向力，同时根据均匀建筑物由 地震产生的水平载荷因子，将其产生的惯性力附加到风轮轴向推力中。
3）最大运行载荷：额定风速下正常运行载荷的2倍。
3.确定塔架设计载荷的要求 1）最大极限载荷：塔架可能承受的最大载荷。 2）疲劳载荷：塔架构件能够承受交变载荷次数的能力。 3）共振激励载荷：塔架结构系统的共振响应。
6.4塔架基础设计
6.4.1 基本设计要求
塔架基础主要提供塔筒底部的连接和固定， 塔架基础应使机组在所有可能出现的载荷条件下 保持稳定状态，不能出现倾倒、失稳或其它问题。
如图6-12所示，塔架基础通常采用钢筋混凝 土结构，混凝土的重量应能够平衡整个机组的倾 翻力矩。其影响因素首先应考虑极端风速条件下 的叶片产生的推力载荷，以及机组运行状态下的 最大载荷。
3．塔架根部的固定 塔架底部一般设计为外法兰形式，该底部法兰再通过地脚螺杆固定于地 基，抑或是用螺栓连接在嵌入地下的短塔段上，相关的地基安装结构稍后讨 论。 地脚螺杆通常需要以某种方式锚入地基中，其抗倾覆力矩的能力取决于 沿上风向侧塔筒呈半圆分布螺栓组的抗拉强度设计。由于受混凝土剪应力强 度的约束，所以螺杆必须插入混凝土充分深的地方，典型深度约等于塔架基 础的半径。 4．结构方案设计中的固有频率约束问题 如前所述，塔架结构方案设计的前提，首先需要考虑相关结构的一阶模 态固有频率约束问题。一般而论，所谓固有频率离机组系统可能产生的激励 频率越远越好。但根据设计经验，当需要设计塔架在极限强度时，往往其固 有频率与叶片通过频率会处于同一量级。 对于特定的风轮而言，可通过改变塔架的设计参数（如长径比、壁厚） 塔基直径，在满足极限载荷和疲劳载荷强度的同时，调整整个塔架的自然频 率至合适的值。但有时满足固有频率的要求可能并不经济，可以通过调整轮 毂高度的方式解决。
6.3.2钢管塔架的方案设计
1.形式设计
常见的钢筒状塔架一般采用合适的锥度形式，以获得等强度设计效 果。塔架顶部的结构参数（如筒直径、壁厚）主要考虑偏航轴承的结构 要求；塔基的结构尺寸通常考虑钢筒的强度以及刚度要求；塔架中间段 的壁厚通常可采用塔基和塔顶壁厚值间的内插。 根据锥形钢筒的制造和运输、安装等条件，塔架需要采用合理的分 段设计。分段钢筒的设计结构不仅要考虑滚弯设备的能力，还应考虑公 路运输的通过允许直径。一般国家的通过限制宽度为4.0~4.2m，有些地 区限制宽度常常会更小。
vave 5.5m / s vs 40m / s
vs 50m / s
vs 60m / s
经验关系
5.5m / s vave 7m / s
vave 7m / s
（1）前苏联的法捷耶夫公式
Ab—叶片的投影面积
1 F as Ct Ab vs2 N 2
6.3.3塔架的强度设计
1.考虑塔架高度折减系数的强度计算 塔架根部截面应力：
H Fas h1 H Fts 100 G G2 2 2 1 W2 2 A2