黃加佳

摘要：近年來，風(fēng)電機(jī)組的單機(jī)容量在日益增大，隨著風(fēng)機(jī)功率的增加，塔架高度、筒體壁厚以及承受載荷都隨之迅速增大。目前風(fēng)電機(jī)組塔筒大部分采用的是鋼結(jié)構(gòu)型式，此結(jié)構(gòu)相對來說耗資較大，而且易腐蝕、維修費(fèi)用比較昂貴。因此已有不少研究人員對鋼筋混凝土型式的塔筒進(jìn)行了研究，并且已經(jīng)開始嘗試建設(shè)鋼筋混凝土型式塔筒。而本文將會從設(shè)計和綜合造價兩個角度對鋼筋混凝土型式塔筒進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)鋼筋混凝土型式塔筒與鋼結(jié)構(gòu)型式相比前景更加廣闊。因此，現(xiàn)有傳統(tǒng)型式塔筒轉(zhuǎn)變?yōu)樾滦褪剿矂t將成為國內(nèi)未來幾年的風(fēng)力發(fā)電機(jī)工程發(fā)展的主要目標(biāo)。

Abstract： In recent years， the unit capacity of wind turbines is increasing day by day. As the fan power increases， the tower height， cylinder wall thickness and bearing load increase rapidly. At present， most of the tower and tube of wind turbines are steel structure， which is relatively expensive and relatively easy to corrode. Therefore， the maintenance cost is relatively expensive. Therefore， many researchers have studied the tower of reinforced concrete type， and have begun to try to build reinforced concrete tower. This article analyzes the tower of reinforced concrete type from two aspects of design and comprehensive cost， and find that the type of reinforced concrete tower and steel structure is more promising than the prospect. Therefore， the transformation from the existing traditional tower to the new one will become the main goal of wind turbines development in the coming years.

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組;鋼筋混凝土;塔筒;應(yīng)用研究

Key words： wind turbines;reinforced concrete;tower tube;application research

中圖分類號：TM614 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）07-0133-02

1 鋼筋混凝土型塔筒設(shè)計

1.1 鋼筋混凝土型式塔架的荷載計算

對于風(fēng)電機(jī)的塔架來說，它所要承受的外部荷載包括這幾種：通過風(fēng)輪傳達(dá)的水平氣動荷載、塔身風(fēng)荷載、塔頂機(jī)艙（包括內(nèi)部零件、葉片輪轂）的重力荷載以及自身的地心引力荷載。而依據(jù)國內(nèi)外科學(xué)家們對于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的實驗顯示，當(dāng)風(fēng)輪處于正常運(yùn)作時，就可以使用已知的風(fēng)速來運(yùn)算風(fēng)輪的推動力。所以，本文以某1.5MW錐臺型風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒為參考對象，該塔筒的風(fēng)輪直徑為64m，并且將計算風(fēng)輪推力分成在已知風(fēng)速的條件下和惡劣天氣這兩種情況來進(jìn)行相對應(yīng)的分析。

1.1.1 已知風(fēng)速（額定風(fēng)速）

依據(jù)國家機(jī)械行業(yè)對于標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)電機(jī)組設(shè)計的要求（JB/T 10300-2001），設(shè)單位面積上的風(fēng)輪的平均壓力為Px1可以根據(jù)式（1）來進(jìn)行求算：

1.1.2 惡劣天氣情況

本文挑選了惡劣天氣中的一種極端現(xiàn)象——暴雨停機(jī)進(jìn)行了具體分析，但是這一狀況的前提是確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔架不會被刮倒。而在此之前很多國家已經(jīng)給出了適應(yīng)他們國家的風(fēng)輪推力計算公式，但是考慮到我國的風(fēng)力發(fā)電機(jī)場所多建立于荒漠草原、荒山野嶺，所以相對來說，德國所給出的計算公式比較保守。因此本文將采用德國所給出的這個公式來對暴風(fēng)停機(jī)狀況下的風(fēng)輪推力進(jìn)行計算。

根據(jù)對于額定風(fēng)速和惡劣天氣這兩種不同情況的分析，我們可以看出在由于惡劣天氣造成的停機(jī)情況下，塔架頂端的風(fēng)輪的推力達(dá)到了最高值，而我們知道鋼筋混凝土型式的塔筒則具有較強(qiáng)的承載能力，也就是說即使在惡劣的環(huán)境下，鋼筋混凝土型式的塔筒也是相對來說比較穩(wěn)定的，這就可以大大地避免由于極端惡劣條件而出現(xiàn)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔筒發(fā)生斷裂、傾斜、倒塌的幾率。

1.2 鋼筋混凝土型式風(fēng)力發(fā)電塔架內(nèi)力計算

本文以1.5MW風(fēng)電機(jī)組匹配的錐臺型風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒為參考對象，并且將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔架設(shè)計為圓鋼管混凝土格構(gòu)式三肢柱，交叉式腹桿，塔架高度為63m。鋼筋混凝土型式風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔架可以被看成柱肢連續(xù)的桁架塔結(jié)構(gòu)，所以本文將借助SAP2000來對鋼筋混凝土型式塔筒進(jìn)行內(nèi)力的求算，但是在計算之前需要對于塔架做適當(dāng)?shù)睦硐牖?/p>

①將塔架頂端的重量簡化成為垂直作用于鋼筋混凝土型式塔架的頂端;

②將每根塔柱視為連續(xù)體;

③利用三維梁柱單元來模擬塔柱。

在建設(shè)鋼筋混凝土型式塔架時應(yīng)該通過實驗綜合來考慮這個結(jié)構(gòu)的最大荷載值。通過計算可以得到，當(dāng)把鋼筋混凝土型式塔筒放在最大受力狀態(tài)時，此時的最大牽引力是5431kN，最大壓力是4359kN，而且最嚴(yán)重受力部位都是整個塔架的最底端;斜腹桿的最大內(nèi)力是310kN，斜腹桿則處在整個塔架的最高處;橫腹桿所擁有的力僅為25kN，可以看出橫腹桿所受的內(nèi)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于斜腹桿。可見其作用主要是減小柱肢的計算長度。從結(jié)構(gòu)整體而言，塔架內(nèi)力在空間分布不均，斜腹桿的內(nèi)力從頂層到底層逐漸減小，同一節(jié)點(diǎn)斜腹桿內(nèi)力比值的變化范圍在1.0～1.35 之間，塔柱內(nèi)力由頂層到底層內(nèi)力則逐漸增大。endprint

剛度驗算：風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔架在水平風(fēng)荷載作用下，塔架往往因為頂部過大的位移而造成停機(jī)的現(xiàn)象，因此實際工程中對塔架頂部的位移有較嚴(yán)格的限值。風(fēng)力機(jī)正常工作時，塔架頂部的許用撓度[f]一般取塔架總高度的0.5%～0.8%，即315mm～504mm。本文設(shè)計的鋼管混凝土格構(gòu)式風(fēng)電塔架在暴風(fēng)停機(jī)工況下，塔架頂端的撓度最大為 312mm，滿足塔架頂部許用撓度[f]的要求。

2 兩種型式塔筒的綜合造價對比

2.1 鋼結(jié)構(gòu)型式塔筒

現(xiàn)在國內(nèi)的風(fēng)力發(fā)電場使用的一般是鋼結(jié)構(gòu)型式塔筒，這種結(jié)構(gòu)是將鋼板卷成環(huán)狀，再將其拼接起來組成塔節(jié)，隨后用電焊的方式拼接起法蘭盤，就僅僅在整個塔筒的基礎(chǔ)段它所用的鋼板的厚度就已經(jīng)大于40mm，而法蘭盤的厚度就會遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過50mm。為了保證塔架結(jié)構(gòu)的整體性就需要減少組成塔架的筒節(jié)數(shù)目，但是也需要考慮現(xiàn)有的運(yùn)輸能力，一般來說，一節(jié)塔節(jié)的高度在20～30m之間。而整個塔筒一般高60～90m，最大筒徑達(dá)4.5m。塔筒通過高強(qiáng)螺栓連接，因此使得整個工程的造價大大提高。

2.2 鋼筋混凝土型式塔筒

表1則是對于新型式和傳統(tǒng)形式塔筒的成本的對比圖表，可以看出，這兩種不同型式的塔筒的造價相差還是比較大;可以看到圖1、圖2則是鋼結(jié)構(gòu)的塔筒和鋼筋混凝土型式塔筒的單臺造價和單千瓦時造價以及的對比曲線。

通過圖1的對比圖可以看出，隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組建設(shè)量的增多，鋼結(jié)構(gòu)型式每臺的造價也在不斷增加，而且漲幅相對來說還是比較大。通過圖2的對比曲線可以看出，隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組建設(shè)數(shù)量的增多，鋼結(jié)構(gòu)型式單位千瓦時的造價是呈現(xiàn)出一條直線的形式。通過圖1和圖2的對比曲線，可以明顯發(fā)現(xiàn)，無論是從單臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)的成本來說，還是從單千瓦時的成本來說，鋼筋混凝土型式塔筒建造所使用的花費(fèi)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于現(xiàn)在正建造的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的花費(fèi)，因此，不難看出使用新型式塔筒將會得到更高的效益。

3 結(jié)論

本文通過分析鋼筋混凝土型塔筒的設(shè)計和效益，得到了以下這幾點(diǎn)結(jié)論：

①鋼筋混凝土型式塔筒可以在今后的風(fēng)電機(jī)建設(shè)中進(jìn)行廣泛應(yīng)用，尤其是在低風(fēng)速地區(qū)。

②鋼筋混凝土型式的塔架具有良好的承載性能和極強(qiáng)的穩(wěn)定性。

③使用鋼筋混凝土型式的塔筒相較于鋼結(jié)構(gòu)型式的塔筒來說成本更低。建造過程節(jié)省鋼材用量，減少環(huán)境污染，具有相當(dāng)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]李書文，祝磊，姚小芹.水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組鋼筋混凝土塔筒結(jié)構(gòu)研究綜述[J].特種結(jié)構(gòu)，2014（4）.

[2]祝磊，李書文.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組鋼筋混凝土塔筒設(shè)計研究[J].沈陽建筑大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2014（2）.

[3]李紹敬，王吉高，孫兵濤，薛志慶.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組鋼筋混凝土型式塔筒應(yīng)用研究[J].電力勘測設(shè)計，2013（01）.endprint