风力发电机组塔的设计(中文)

风力发电机组塔的设计

风力发电机组塔筒高塔是水平轴风力机的必不可少的组成部分，事实上这既是一个优势也是一个劣势。成本将高达整体风力机成本的20%，这当然是不利的。同时塔高度的增加，对运输、装配和塔的安装及其原件的维修也变得日益困难和昂贵。另一方面，转子的能源产量也随着塔高的增加而提高。理论上，最佳的塔高是在建设成本和能源产量的交叉点。不幸的是，这个交叉点不能指定在任何形式上普遍适用。在大型的风力机中，随着塔高度的增加，建设成本比小型风力机增加要快。发挥更大作用的是选择地点。在内地的位置，即在表面粗糙度大的地区，与在岸基的位置相比，风速随高度增加风速增加缓慢。因此，更高的塔，会显示更好的回报比，例如，在海洋应用，会发现相反的效果。在内陆地区，大型风力发电塔的高度为80 米，是一个经济使用风能潜力的决定性因素。

塔的第二个重要的设计参数是其刚度。建立第一自然弯曲频率的正确方法是一个重要的设计任务。这决定了所需要的材料和最终建设费用。塔的设计目标是在尽可能最低的建筑成本下实现理想的塔的高度和刚度要求。

运输和安装程序的发展成为最新一代的兆瓦级风机一个日益严重的问题。塔的高度超过100 米和塔头重量几百吨需要一个在塔基五米以上的直径，其后果是公路运输将不再方便。这成为一个强大的激励寻求创新的解决塔设计的方案。

材料可用结构钢或混凝土。设计范围从拉索晶格结构或独立的钢管塔到大体积混凝土结构。整个系统可以通过转换满足技术要求，但几乎最佳经济只有通过适当的匹配选定塔设计的要求。这清楚表明，当只考虑塔本身时，虽然风机塔筒可以看作是一个传统结构，但它的设计还需要大量了解整个系统及其应用。

除了这些功能方面不应该忽视外，还要注重风机的外观。因此，预期的注意事项，应与美学一致，即使这意味着一些额外的费用。

1、塔式结构

古老的“风力”风车没有塔，但有磨房屋。这些低高度与转子直径有关，并且大量建设根据其功能作为一个工作空间，从而也提供了必要的机构刚度指标。但是，不久，高度增加的优势被认可，磨房变得更苗条，更像塔。但它是唯一

的现代建筑，首先在美国小型风力机和随后在风力发电场的第一次发电，“桅杆”或“塔”的使用，唯一的功能是奠定了支承转子和机械部件的塔头。由于这种开发设计塔的材料品种的增加。钢和混凝土代替了木结构的磨房.最初几年现代风能源技术的发展，大多不同的塔设计已尝试和测试，但在这过程中，范围已经缩小到独立的设计，主要是钢材和更为罕见的混凝土。

格构式

最简单的方法构建高刚性的塔结构是作一个三维桁架，所谓的格或桁架塔。因此，格塔，首选设计的第一个实验机和早期的风力机也为小商业所用。今天，在某些情况下，格塔再次成为内陆地区大型风力机中替代钢管塔的高塔。

混凝土类型

在30 年代，钢筋混凝土塔进行所谓的“飞机发动机”在丹麦。这些塔也是特点较早的大型实验丹麦风力机，在丹麦，钢塔也成为占主导地位的商业风力机。混凝土塔最近获得高度超过80 米的塔的青睐。

独立钢管塔

最常见的塔型目前使用的是独立的钢管塔。掌握振动状况，使它更容易使用，因此，非常低的设计刚度可以被实施。它已成为可能降低结构质量，降低成本，因此，大量使用“软”设计。

钢管塔结构

下风型转子有必要使用细钢管塔来保持尽可能小的塔影效应。这些塔被钢缆锚定或在某些情况下用刚性桁架确保所需的弯曲刚度。尽管较低的整体质量，桅杆还是很不划算。塔和附加锚固基础所需的总成本膨胀。此外，塔被认为是农业区的障碍。

2、独立的钢管塔

今天，独立的钢管塔是目前首选的建筑类型商业风力发电装置，主要原因在现场组装和建造时间短。小型塔高度高达20 米可以在制造地组装成一件和在现场和地基连接在一起。更高的超过100 米的塔是由几个部分固定在一起，而不必在现场焊接。对钢管塔的偏爱也受到过去20 年钢材非常低的价格支撑。

（1）强度与刚度设计

塔的尺寸标注是由一系列的强度和刚度确定。要考虑的因素是断裂强度所需的

极端风速，疲劳强度要求20 或30 年的运作和刚度方面的振动运行状况。

断裂强度

静载荷是由塔头重量，较低的自身重量，和气动转子推力组成。转子推力一般是在其最高水平时，转子运行在其额定速度，风机的叶片间距进行控制。最大弯矩分布在塔与转子叶片间距控制（无失速型风力机）或当最坏的转子叶片位置要求为特定的负载情况。在标准情况下，将降低断裂载荷作用在塔底时刻的问题。

疲劳载荷

动态负荷引起的转子推力在操作过程中对细长的塔疲劳寿命有一定的影响。额外负荷引起的振动也必须加以考虑。因此，一个纯粹的静态应力分析，常用的传统建筑的建筑主管部门的要求，并不适用于所有风力机的塔的设计。

弯曲强度

一个重要的标准，它发挥了作用，至少对低于 1 激发的薄壁钢管塔具有低自然弯曲频率，抵抗局部弯曲的管壁。作为一个现代钢管塔的增重优化的结果，弯曲强度，往往成为所需壁厚尺寸的决定因素。

塔刚度的特点是几个自然频率，但只有第一、二自然弯曲频率和第一扭转固有频率才具有实际意义。在大多数塔中，第一扭转固有频率远远高于第一自然弯曲频率. 如果其直径/壁厚比在正常范围，独立钢管塔的扭转频率高出约三倍。因此，它是充分利用第一自然弯曲频率获得一个粗略的概述。对于给定的塔的高度和重量，塔的设计必须以这样一种方式，达到所需的第一个自然弯曲频率。刚性塔的设计始终是一个更简单和更安全的解决振动状况方面的方案，但大规模的塔来实现这一要求很难。因此，在风力机塔高度超过80 米，刚性塔设计不可能再在实践中实现。经济方面的原因，其刚度应保持在低技术可行的基础上尽可能低。

（2）制造技术与施工

几乎没有例外，如今，大型风力机的塔有一个圆锥形，从地基到塔顶直径减少。与圆柱几何相比，对于一个给定的刚度要求，这样可以节省重量。

该塔由一个预制节长度可达约30 米的部分，是由厚度10 - 50 毫米的钢板制成。这些板材宽约 2 米，卷成圆形形状。从这些部分，塔部分被焊接在一起。