风力发电机组的塔架与基础.docx

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风力发电机组的塔架与基础

第十章风力发电机组的塔架与基础

第一节 塔架

塔架和基础是风力发电机组的主要承载部件。

其重要性随着风力发电机组的容量增加，高度增加，愈来愈明显。

在风力发电机组中塔架的重量占风力发电机组总重的1/2左右，其成本占风力发电机组制造成本的15%左右，由此可见塔架在风力发电机组设计与制造中的重要性。

由于近年来风力发电机组容量已达到2-3MW，风轮直径达80-100m，塔架高度达100m。

在德国，风力发电机组塔架设计必须经过建筑部门的批准和安全证明。

一、塔架的结构与类型

塔架主要分为桁架型和圆筒型。

桁架型塔架如图10-1示。

桁架型塔架在早期风力发电机组中大量使用，其主要优点为制造简单、成本低、运输方便，但其主要缺点为不美观，通向塔顶的上下梯子不好安排，上下时安全性差。

圆筒型塔架如图10-2示。

在当前风力发电机组中大量采用，其优点是美观大方，上下塔架安全可靠。

以结构材料可分为钢结构塔架和钢筋混凝土塔架。

钢筋混凝土塔架在早期风力发电机组中大量被应用，如我国福建平潭55kW风力发电机组（1980年）、丹麦Tvid2MW风力发电机组（1980年），后来由于风力发电机组大批量生产，从批量生产的需要而被钢结构塔架所取代。

近年随着风力发电机组容量的增加，塔架的体积增大，使得塔架运输出现困难，又有以钢筋混凝土塔架取代钢结构塔架的苗头。

第二节风力发电机组基础的设计与施工

一、基础的结构与类型

1.根据风力发电机组型号与容量自身特性，要求基础承载载荷也各不相同，表10-1列出几种大型风力发电机基础载荷。

2.风力发电机基础均为现浇钢筋混凝土独立基础。

根据风电场场址工程地质条件和地基承载力以及基础荷载、尺寸大小不同，从结构的形式看，常用的可分为块状基础和框架式基础两种。

块状基础，即实体重力式基础，应用广泛，对基础进行动力分析时，可以忽略基础的变形，并将基础作为刚性体来处理，而仅考虑地基的变形。

按其结构剖面又可分为“凹”形和“凸”形两种；前者如图10-5所示，基础整个为方形实体钢筋混凝土后者如图10-6型式；后者与前者相比，均属实体基础，区别在于扩展的底座盘上回填土也成了基础重力的一部分，这样可节省材料降低费用。

框架式基础实为桩基群与平面板梁的组合体，从单个桩基持力特性看，又分为摩擦桩基和端承桩基两种：

桩上的荷载由桩侧摩擦力和桩端阻力共同承受的为摩擦桩基础；桩上荷载主要由桩端阻力承受的则为端承桩基础。

3.根据基础与塔架（机身）连接方式又可分为地脚螺栓式和法兰式筒式两种类型基础。

前者塔架用螺母与尼龙弹垫平垫固定在地肢螺栓上，后者塔架法兰与基础段法兰用螺栓对接。

地脚螺栓式又分为单排螺栓、双排螺栓、单排螺栓带上下法兰圈等。

二、风力发电机组基础设计的前期准备工作及有关注意事项

风力发电机组的基础用于安装、支承风力发电机组。

平衡风力发电机组在运行过程中所产生的各种载荷，以保证机组安全、稳定地运行。

因此，在设计风力发电机组基础之前，必须对机组的安装现场进行工程地质勘察。

充分了解、研究地基土层的成因及构造，它的物理力学性质等，从而对现场的工程地质条件作出正确的评价。

这是进行风力发电机基础设计的先决条件。

同时还必须注意到，由于风力发电机组的安装，将使地基中原有的应力状态发生变化，故还需应用力学的方法来研究载荷作用下地基土的变形和强度问题。

以使地基基础的设计满足以下两个基本条件：

1）要求作用于地基上的载荷不超过地基容许的承载能力，以保证地基在防止整体破坏方面有足够的安全储备。

2）控制基础的沉降，使其不超过地基容许的变形值。

以保证风力发电机组不因地基的变形而损坏或影响机组的正常运行。

因此，风力发电机组基础设计的前期准备工作是保证机组正常运行必不可少的重要环节。

三、风力发电机组对基础的要求及基础的受力状况

图10-3所示为某风力发电机组，当风力发电机组运行时，机组除承受自身的重量Q处，还要承受由风轮产生的正压力P、风载荷q以及机组调各时所产生的扭矩Mn等载荷的作用。

这些载荷主要是靠基础予以平衡，以确保机组安全、稳定运行。

图10-7显示了上述这些载荷在基础上的作用状况，图中Q和G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P以及风载荷q等因素所引起的合力矩。

Mn为机组调向时所产生的扭矩。

剪力F则由内轮产生的正压力户以及风载荷g所引起。

但在一般情况下，由于剪力F及风力发电机组在调向过程中所产生的扭矩Mn一般都不很大，且与其它载荷相比要小得多，所以在考虑到不影响计算效果的同时，又能满足工程要求的前提下，笔者认为：

在实际计算中，此两项可以略去不计。

因此在对风力发电机组基础的设计中，风力发电机组对基础所产生的载荷主要应考虑机组自重Q与倾覆力矩M两项。

经上述简化后，风力发电机组基础的力学模型如图10-8所示。

四、风力发电机组基础的设计与计算

根据我们多年来从事风力发电机组研制的经验，在参考土建设计的有关标准和规范的基础上认为：

风力发电机组基础的设计与计算通常应包括以下五个方面：

基础混凝土重量及几何尺寸的计算、基础底部压力所产生的偏心距计算、土壤压力的计算、设计配筋、抗冲切强度校核。

（一）基础混凝土重量及几何尺寸的计算

根据图10-8所示的风力发电机组基础的力学模型可知：

确定基础混凝土重量及几何尺寸的原则是要保证其自重量G和机组自重Q所产生的稳定力矩应大于机组运行时所产生的倾覆力矩Mmax。

其关系式为

式中B———基础的底边尺寸；

K———安全系数（根据经验一般取4为宜）。

注：

由于式（10-5）中G和B均为未知，因此，在应用式（10-5）计算基础混凝土重量G及几何尺寸B时，需首先查找安装现场地基持力层土壤的容许承载力（P）。

然后根据式（10-5）估算出较为合理的混凝土重量G及其底边尺寸B。

（二）基础底部压力所产生的偏心距计算

对于风力发电机组这类偏心受压的基础（见图10-8），为确保机组能安全、稳定地运行，所有载荷对基础底部压力所产生的偏心距e不宜过大，以保证基础不致于发生过大的倾斜。

因此对于风力发电机组这类动力机械而言，其基础底部压力所产生的偏心距e一般宜控制在B/6的范围内。

其公式为

e=M/G+Q≤B/6

（三）土壤压力的计算

风力发电机组在不同工况下运行时所产生的载荷是通过基础传递给地基，于是基础与地基之间便产生了接触压力，同时又是地基反作用于基础的基底压力。

因此，在按弹性地基计算基础对地基土壤的作用力时，一般应考虑基础自重G、风力发电机组自重Q以及倾覆力矩Mmax。

对地基的影响，分别求出它们对地基所产生的压力，然后叠加。

求得基础度面土壤的最大压力。

当基础底部压力所产生的偏心距e≤B/6时，基础底面土壤压力的分布呈梯形。

如图10-9所示。

为确保风力发电机组组能安全、稳定地运行。

基础底面土壤的最大压力户一不得超过土壤的容许承载力［P］。

其公式为

Psub]max=（G+Q）/B2+Msub]max/W≤[P]        10/48

式中W=B2/6为基础底面土壤的抗弯截面模量。

此时基础底面土壤的最小压力Psub]max应为

Psub]max=（G+Q）/B2-Msub]max/W≥0

设计配筋：

风力发电机组基础在承受上述载荷以后，可以理解为如同一块平板那样，此时基础的底板为双向弯曲板，沿基础四周产生弯曲。

当弯曲应力超过基础的抗弯强度时，基础底板将发生弯曲破坏。

在配筋设计中，最危险的截面一般取塔架与基础交界处的I-I截面，如图10-10a所示。

截面I-I处的弯矩可以看作将地基按对角线划分，其值大小应等于图10-10a所示的梯形基底面积（阴影线部分）上地基净反力的合力与该面积形心到截面的距离相乘之积。

因此不难写出I-I截面处的弯距值Mf为

Mf=1/12L2（2B+b）（Pmax+PI）   （10-49）

式中Mf———I-I截面处的弯矩；

Pmax———基础底面边缘的最大压力；

PI———基础底面I-I截面处的压力；

L———基础底面I-I截面到基础边缘的距离；

B———基础底边的长度；

b———对于圆筒形塔架为塔架的直径，对于桁架式塔架为塔架的边长。

图10-10中的虚线圆表示风力发电机组圆筒形塔架的直径，正方形表示桁架式塔架的边长，为便于计算同时又考虑到误差不大的情况下，在计算配筋时，均按矩形塔架来考虑。

基础底板的配筋计算，根据底板的受力，各计算截面所需的钢筋面积As，根据混凝土

结构设计规范（GBJ10—1989）按下式计算：

式中K———构件强度设计安全系数（一般取1.4）；

M———计算配筋截面处的设计弯矩；

Rg———钢筋的抗拉强度设计值；

h———基础冲切破坏锥体的有效高度（见图10-10）。

（四）抗冲切强度校核

因为风力发电机组基础是钢筋混凝土刚性基础，其抗剪强度一般均能满足要求，故在此只需进行抗冲切强度校核。

由于基础的抗冲切强度是由基础的高度来确定的，因此当基础在受到风力发电机组传来的载荷时，如基础的高度不够，将会发生冲切破坏，即沿塔架四周大致成45°方向的斜面拉裂，而形成角锥体，如图10-10所示。

为确保基础不发生冲切破坏，必须使地基反力产生的冲切力小于基等于冲切面处混凝土的抗冲切强度。

根据混凝土结构设计规范（G）BJ10—1989）可按下式计算：

FL≤0.6Ftbmh

FL=PmaxA

式中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Bb的平均值［bm=（b+Bb）/2］；

A———考虑冲切载荷时取用的梯形面积（图10-10中的阴影面积）。