兆瓦级风力发电机塔架荷载研究综述

张福忠

摘要：介绍了兆瓦级风力发電机塔架荷载的发展应用状况。首先，在讨论几种不同兆瓦级风机塔架结构的基础上，阐述了塔架荷载的来源、类别及能力评估三方面的问题。其次，针对塔架荷载基础从分类、设计与施工的角度分别进行了描述。再次，指出兆瓦级风机塔架荷载如何进行结构选型及性能分析。最后，总结全文并对兆瓦级风机塔架荷载研究的趋势进行了展望，以供相关管理、技术部门决策参考。

关键词：兆瓦级；风机制造；塔架荷载；可再生能源

大力发展风、光等可再生能源发电技术是解决传统化石能源紧缺和环境污染问题的有效途径[14]。近十年来，风力发电因具有产能量大、施工周期短、运维成本低、经济效益高、便于集中管控的优势而受到我国政府相关部门的高度重视并且发展迅猛。

由图1可知[5]，2007年，我国风电的并网总装机容量仅为420万KW，经过十年的发展迅速增至2016年底的14864万KW（是当年同期的35.39倍），位居世界第一。其中，兆瓦级风力发电机因量大价优成为了名副其实的主力军。同时，国家政府会同企业、高校、科研院所等相关管理与应用部门从政策、技术、资金等各个方面开展相关攻关工作，以有效应对风力资源因并网难而频繁出现的“弃风”难题，从而涌现了大批优秀的风电生产商、运维商，如维斯塔斯、金风科技、GE能源、北车风电以及各大发电企业下辖的风电公司等[67]。

由于风力发电机组构造复杂、所处气候环境恶劣，使其在实际运行中故障频发。为有效克服此类难题，学术界和产业从选材、制作、安检、安装、调试、运维等多个角度开展了大量相关研究。其中，兆瓦级风机塔架相关研究已成为前沿的热点问题之一，主要是因为兆瓦级风机塔架垂直距离高、荷载量大，对刚度、强度、稳定性要求严格。同时，风机塔架还要承受水平风荷载产生的弯矩，且随着风向、风力的不确定性变化而时刻发生改变，受力复杂。若设计、安装不当，极易产生塔架偏斜、扭曲变形、断裂甚至倒塌的事故，所以加强兆瓦级风机塔架荷载的相关研究已刻不容缓。

1 兆瓦级风机塔架分类及荷载分析[8]

1.1 兆瓦级风机塔架分类

兆瓦级风机塔架按材质、构造、安装方式等差异可以分为如下几类，如表1所示：

1.2 兆瓦级风机塔架荷载来源

不同气流下叶轮对塔架的影响构成了兆瓦级风机塔架荷载的主要来源。此外，外界的风向、风速，发电机连续运行时长、机械特性等内外条件的变化也会引起兆瓦级风机塔架荷载的改变。具体而言，兆瓦级风机塔架荷载来源主要包括以下几个方面：

1）空气动力荷载：由于叶轮与气流之间的相互作用而构成，与风向、风速、叶轮大小等要素相关；

2）惯性与重力荷载：叶轮受到外界风力、地球引力等作用并在旋动过程中施加给塔架的横向侧压力；

3）操作荷载：在执行某些运行指令过程中，由于叶轮转向、转速改变而施加给塔架的压力。

1.3 兆瓦级风机塔架荷载分类

根据时间方面的差异性，可将其分为永久荷载、可变荷载和偶然荷载三类。其中，永久荷载表示在兆瓦级风机整个寿命期间无法改变的塔架自重、机身自重等；可变荷载表示兆瓦级风机在整个寿命期间，随运行工况、检修安排、风速风向改变等而出现的相对有规律的荷载，比如维修人员、设施荷载，机身转动荷载等；偶然荷载主要包括地震、暴风雪、塔架倒塌等严重影响风机稳定运行的罕见现象。

1.4 兆瓦级风机塔架荷载能力评估

为了对兆瓦级风机塔架荷载性能进行有效评价，通常会引入最大极限荷载和疲劳荷载两项指标。其中前者用于表征风机塔架在一定安全系数下所能承受的最大工作压力；后者则通过风机的运行工况、外界条件（如风向、风速）等对兆瓦级风机塔架的使用寿命进行合理的预判。

2 兆瓦级风机塔架荷载基础分类、设计与施工[9]

2.1 兆瓦级风机塔架荷载基础分类

随着风机容量、重量和塔架高度的不断增加，使得塔架荷载基础在受力方面变得复杂、多样。兆瓦级风机塔架基础设计是否合理，将直接关系到风机日后运行的安全性、经济性、可靠性。根据兆瓦级风机塔架型号、形式、安装位置的不同，可将其分为桩基础、桁架式基础、平板块状基础三种类型。

2.2 兆瓦级风机塔架荷载基础设计

在兆瓦级风机塔架荷载基础设计过程中，主要考虑沉降和倾斜验算、抗倾覆验算、基础抗滑移验算、台柱正截面验算、地基承载力验算等在正常荷载及极端条件下运行是否达标，期间需要用到的要素包括基础底面面积、抵抗矩形状、塔架埋深、机头及塔架重力荷载等。

2.3 兆瓦级风机塔架荷载基础施工

兆瓦级风机塔架荷载基础施工要严格按照相关工艺要求，其基本步骤主要包括以下几个方面：

1）确定塔架荷载基础位置并且土方开挖到位，期间要避免超挖或欠挖的情形；

2）安装模板、绑扎钢筋、预留接地极和地脚螺栓；

3）吊装、固定基础环并采取相关隔离措施；

4）对埋件检查无误后进行浇筑，期间注意选用适温适量、强度等级匹配的混凝土并在其初凝前连续浇筑、捣实；

5）回填土。

3 兆瓦级风机塔架荷载结构选型及性能分析[10]

3.1 兆瓦级风机塔架荷载结构选型

兆瓦级风机塔架荷载结构分为自立式和拉线式。前者通过荷载基础进行固定，从受力的角度分析，这种模式与悬臂梁类似；后者与前者的主要区别在于通过一定的纤绳将塔身进行固定，并且受力方式与支座连续梁相类似。通过合理选型，有利于兆瓦级风机塔架在同等荷载能力下最大限度地节约建设与运行成本，实现经济效益最大化。在选型过程中，需要考虑的主要因素包括：风机受风面的气流速度与压力、组成风机塔架的结构要求、施工及安装技术要求等。

3.2 兆瓦级风机塔架荷载性能分析

兆瓦级风机塔架荷载性能分析主要从其力学性能、抗风性能、抗震性能、防腐蚀性能四个角度进行分析、讨论。其中，力学性能主要分析风机塔架在360°重复荷载过程中能否满足沉降率、倾斜率等指标的要求；抗风、抗震性能用于分析风机塔架荷载在极端恶劣天气条件下是否能够满足设计要求；防腐蚀性能主要用于分析风机塔架长期暴露在空气中，且经高温、高湿、强风、雨淋等作用后是否能够满足荷载稳定性和可靠性要求。

4 结语

以风力为主的可再生能源发电是解决传统化石能源危机和环境污染问题的有效途径，但因其机组构造复杂、所处气候环境恶劣等，使其在实际运行中故障频发，如塔架偏斜、扭曲变形、断裂甚至倒塌等。

本文针对兆瓦级风力发电机塔架荷载的发展及应用展开研究，介绍了塔架荷载的来源、类别及能力评估等问题，并从分类、设计与施工三个角度对塔架荷载基础进行了讨论，进而提出了如何对兆瓦级风机塔架荷载结构进行选型及性能分析。在今后的工作中，应着重加强兆瓦级风机塔架荷载建模与优化问题的研究[11]，以为相关管理、技术部门提供准确的决策信息，促进我国风力发电产业又好又快地发展。

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