1、第第6章塔架与基础章塔架与基础设计设计风力发电机组设计与制造风力发电机组设计与制造塔架高度越高，获得风能越大；塔架高度越高，获得风能越大；11.3HR塔架高度初步确定公式：R风轮半径塔架高度越高，制造成本越高；塔架高度越高，制造成本越高；地表形貌影响塔架高度；地表形貌影响塔架高度；海上风电场，塔架低一些；陆上风电场，塔架高一些；陆地粗糙度海面粗糙度HhCR考虑地貌因素的塔架高度计算公式：机组附近障碍物高度hC障碍物最高点到风轮 扫掠面最低点的距离1.塔架高度塔架高度6.1设计设计概述概述6.1.1 塔架的设计要素塔架的设计要素 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
2、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。2.塔架的强度和刚度塔架的强度和刚度3.运输与安装运输与安装 随着机组容量逐渐加大，塔架的高度、重量和直径会相应增加，需要认真考虑相应的运输和安装问题。早期的小型机组曾采用钢混结构的塔架，现场浇注或在做成预制件后运到现场组装。1.钢筋混凝土结构塔架钢筋混凝土结构塔架6.1.2 塔架的基本结构形式塔架的基本结构形式刚度较大，有效避免共振；但随着机组容量和塔架高度增加，钢混结构塔架问题突出，现已很少使用；早期小型风电机组多有采用；桁架结构塔的耗材少，便于运输；零部件多，现场施工周期较长；连接部位定期检查；美观性差。透明，强
3、反光效果小；2.桁架结构塔架桁架结构塔架3.钢筒钢筒结构塔架结构塔架钢筒塔架：目前大型风电机组采用的典型结构形式，设计、制造、安装和维护等方面，该塔架指标相对均衡。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；6.2塔架的载荷分析塔架的载荷分析6.2.1 塔架载荷的基本类型塔架载荷的基本类型最大风速vs与年平均风速vave之间关系：5.5m/savevs40m/sv 5.5m/s7m/savevs50m/sv
4、7m/savevs60m/sv 经验关系1.暴风工况的风轮气动推力计算暴风工况的风轮气动推力计算（1）前苏联的）前苏联的法捷耶夫公式法捷耶夫公式Ab叶片的投影面积Vs风轮中心处的暴风风速N风轮的叶片数Ct推力系数空气密度21.225/kg m令1.28tC 212astbsFCA v N20.784asbsFA v N（2）荷兰荷兰ECN的公式的公式Ct推力系数q动态风压动态系数S安全系数astbFC qA NS（3）德国德国DFVLR公式公式Ct推力系数，取2.2vs风轮中心处的暴风风速N风轮的叶片数Ct推力系数空气密度（4）丹麦丹麦RIS公式公式P1风轮单位扫掠面积上的平均风压，通常取30
5、0N/mAd 风轮的扫掠面积212astbsFCA v N1asdFPA1）风载条件风载条件：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）最大运行载荷最大运行载荷：额定风速下正常运行载荷的2倍。2.欧美国家塔架静态强度设计的一般载荷条件欧美国家塔架静态强度设计的一般载荷条件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。3.确定塔架设计载荷的要求
6、确定塔架设计载荷的要求塔架载荷计算的坐标方向例如：例如：VESTAS V52-850机组，额机组，额定功率：定功率：850kW；设计塔高：；设计塔高：65m载荷状况载荷状况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。4.载荷的简化载荷的简化1.塔架总体结构设计塔架总体结构设计6.3塔架的结构设计塔架的结构设计6.3.1 基本设计内容基本设计内容 塔架总体结构方案可以反映其基本结构与尺寸，需要根据设计载荷并结合设计经验，同时可参考已有同类塔架初步确定总
7、体设计方案。应注意，塔架的总体可采用刚性和柔性两种不同的形式结构方案。通常可根据塔架系统的固有频率与激振频率的关系，将固有频率高于叶片穿越频率的塔架称为“刚塔”；而塔架固有频率在风轮旋转与叶片通过频率之间时称为“柔塔”；若塔架的固有频率低于风轮旋转频率，一般则称为“甚柔塔”。2.对结构设计方案的初步力学分析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
8、设计方案。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。优化设计方案。4.详细工程设计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。文件，提供制造依据。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
9、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4.04.2m，有些地区限制宽度常常会更小。1.形式设计形式设计6.3.2钢管塔架的方案设计钢管塔架的方案设计 由于现场的就地焊接会带来很多问题，故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。相关的连接和组装等设计问题需要认真解决。2.塔架塔架分段构件的连接分段构件的连接法兰连
10、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。32kwAl dxD轴向载荷距螺栓中心距离：2221148erswhwAwAdddDdx承载横截面积：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
11、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，
12、可以通过调整轮毂高度的方式解决。塔架根部截面应力：11222221002astsHFhHFGGWAW2塔架根部抗弯截面模数A2塔根部截面积G2塔架本身所受重力 变截面塔架的长度折减系数与塔架截面变化有关的折算长度修正系数;Jmin塔架顶部截面惯性矩Jmax塔架根部截面惯性矩H塔架高度2塔架根部截面的惯性半径1.考虑塔架高度折减系数的强度计算考虑塔架高度折减系数的强度计算6.3.3塔架的强度设计塔架的强度设计2一般而论，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；cr0.605/Et r抗压屈服应
13、力极限的基本计算公式cr/r t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：00.831 0.01/r t,(/212)r t 00.700.1 0.01/r t,(/212)r t 轴向载荷临界应力折减系数弯曲载荷折减参数00.18870.8113B塔筒构件的抗压应力极限0.61 0.4123()susBcr 0.75uBcr,/2Bcrs,/2Bcrs 2.考虑管状截面构件相对壁厚的强度校核考虑管状截面构件相对壁厚的强度校核图6-9是一种用于风电机组塔架水平振动的简化分析模型。图中a）为机组结构简化示意。由风轮、机舱、塔架等部分组成。机组在运行过程中，受风载荷和机组运
14、行中产生的各种载荷（重力载荷、惯性载荷等）的作用，各个部件将产生振动。现在要研究塔架顶部位置的水平振动。因为水平振动位移相对于整个塔架高度很小，可以假定质量块只在水平一个方向上产生振动，整个风轮和机舱部件的质量大而且比较集中，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。mxcxkxf t运动方程：6.3.4 塔架的动特性分析塔架的动特性分析 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
15、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。6.3.5 塔架的制造要求塔架的制造要求 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
16、运行状态下的最大载荷。6.4塔架基础设计塔架基础设计6.4.1 基本设计要求基本设计要求1.板状基础板状基础6.4.2基础的形式设计基础的形式设计 在距地面数米内需要放在距地面数米内需要放置适用的材料时，一般选择置适用的材料时，一般选择板状基础。如图为四种可选板状基础。如图为四种可选用的板状的基础结构。用的板状的基础结构。2.桩基础桩基础 在较差的地表条件，采在较差的地表条件，采用柱状地基比板层地基可以用柱状地基比板层地基可以更有效地利用材料。如图是更有效地利用材料。如图是一种由多个圆形桩柱和桩帽一种由多个圆形桩柱和桩帽组成的基础。组成的基础。3.混凝土单桩基础混凝土单桩基础 混凝土单桩基础主
17、体为一较大直径的混凝土圆柱，通过向土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。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，单桩类型基础具有优势。但应注意，此种基础虽然形式简件时，单桩类型基础具有优势。但应注意，此种基础虽然形式简单，材料消耗导致的成本会较高。单，材料消耗导致的成本会
18、较高。4.桁架式基础桁架式基础 桁架式基础的桩柱间跨距相对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，可使用螺旋钻孔浇基础。因此，可使用螺旋钻孔浇注桩注桩。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。1.基础的载荷分析基础的载荷分析6.4.3 基础的设计计算基础的设计计算 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F
19、t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。1.基础的载荷分析基础的载荷分析6.4.3 基础的设计计算基础的设计计算 一般情况下，由于剪力F、扭矩Mn相对其它载荷小得多，在满足工程要求的前提下，往往可以略去不计。由此得到简化的基础力学模型（图6-20）。1.基础的载荷分析基础的载荷分析6.4.3 基础的设计计算基础的设计计算基础重量及结构尺寸计算原则：2.基础混凝土重量与结构的分析计算基础混凝土重量与结构的分析计算：式中 B基础的底边结构尺寸，单位是m；安全系数（根据经验一般取2为宜）。Jmax2GGBM 由于基础底部偏置压力
20、产生的力矩跟合力与塔基中心的偏心距有关，设计中由于基础底部偏置压力产生的力矩跟合力与塔基中心的偏心距有关，设计中需要计算出该偏心距并控制器数值不宜过大，以保证基础不至于发生过度倾斜。需要计算出该偏心距并控制器数值不宜过大，以保证基础不至于发生过度倾斜。/6eB偏心距控制范围：偏心距控制范围：e 地基铅垂方向合力与塔基中心的偏心距 3.基础底部压力作用的偏心距基础底部压力作用的偏心距土壤压力土壤压力：由于基础的载荷要传递给地基土壤并转换为相应的的接触压力，需要对基础底面土壤的最大压力进行分析和计算；基础底面土壤压力基础底面土壤压力分布：分布：若基础底部压力作用的偏心距eB/6，压力呈梯形分布；设
21、计要求：设计要求：基础底面土壤最大压力不超过土壤容许承载能力 2maxmax/jPGGBMWPW基础底面土壤的抗弯截面模量（矩形矩形）P土壤的容许承载力2/6WB H2minmax/0jPGGBMW基础底面土壤的最小压力基础底面土壤的最小压力：4.土壤压力计算土壤压力计算Mt危险截面的弯矩；Pmax基础底面边缘的最大压力；PI基础底面危险截面处的压力；L 危险截面到基础边缘的距离；b塔架底部圆筒外径。2max2/12tIMLBbPP基础底板基础底板结构结构：双向弯曲板结构，沿四周产生弯曲。危险截面弯矩：危险截面弯矩：基础危险截面基础危险截面：塔架与基础交界截面。所需的所需的钢筋面积钢筋面积：K
22、构件强度设计安全系数；M计算配筋截面处的设计弯矩；Rg钢筋的抗拉强度极限；h基础冲切破坏锥体的有效高度5.配筋设计配筋设计0.9SgMAR h0.6LtmFFb hmax,LFPA基础抗冲切设计规范：基础抗冲切设计规范：基础抗冲切强度基础抗冲切强度：通过基础的高度确定，基础承受载荷发生的冲切破坏，一般是沿塔架四周大致成45方向的斜面拉裂。为确保基础不被冲切破坏，须使地基作用的冲切载荷小于被冲切面的混凝土抗冲切强度。FL冲切载荷设计值；Ft混凝土的抗冲切强度；bm冲切破坏斜截面上的上边长b 与下边长B的平均值bm=(b+B)/2A冲切载荷作用的梯形面积6.抗冲切强度校核抗冲切强度校核基础土层的性质与塔架的固定效果有关，会在一定程度上影响塔架一阶固有频率BKe6.4.4 基础土层对塔架固有频率的影响基础土层对塔架固有频率的影响谢 谢！
