塔架与基础设计：静动态特性、受力分析与避免共振

塔架是风力发电机中支撑机舱的结构部件，承受来自风电机组各部件的各种载荷（风轮的作用力和风作用在塔架上的力，包括弯矩、推力及对塔架的扭力）。塔架还必须具有足够的疲劳强度，能承受风轮引起的振动载荷，包括启动和停机的周期性影响、阵风变化、塔影效应等。另外还要求塔架要有一定的高度，使风电机组处于较为理想的位置上运转，并且还应有足够的强度和刚度，以保证风电机在极端风况下不会发生倾覆。

塔架上安置发电机和控制器之间的动力电缆、控制和通信电缆，装有供操作人员上下机场的扶梯，大型机组还设有电梯。

风电机组的基础通常为钢筋混凝土结构，并且根据当地地质情况设计成不同的形式。其中心预置与塔架连接的基础件，以便将风力发电机组牢牢地固定在基础上。基础周围还要设置预防雷击的接地系统。

（一）塔架类型和结构

1.塔架类型

塔架的基本形式有桁架式塔架和圆筒式塔架两大类。桁架式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，但其主要缺点为通向塔顶的上下梯子不好安排，塔架过于敞开，维护人员上下不安全，桁架式塔架如图35（a）所示。塔筒式塔架在当前风力发电机组中大量采用，优点是美观大方，塔身封闭，风电机组维护时上下塔架安全可靠，圆筒式塔架如图35（b）所示。

塔筒式塔架一般呈截锥形，由数段组成，一般每段长度不超过30m是经济的。各段之间通过螺栓和法兰连接，塔架和基础也是通过法兰连接。圆筒式钢筋混凝土塔架早期曾有应用，后来因批量生产需要逐渐被钢结构塔架所取代。近年来随着风力发电机组容量的增加，塔架体积增大，使塔架运输变得困难，钢筋混凝土塔架又在某些场合开始采用。

图36　塔架高度与风轮直径的关系

塔架高度主要依据风轮直径确定，但还需考虑安装地点附近的障碍物情况、风力机功率收益与塔架费用提高的比值（塔架增高，风速提高，风力机功率增加，但塔架费用也相应提高）以及安装运输问题。图36给出由113台风力机统计得到的塔架高度与风轮直径的关系。图中表明，风轮直径减小，塔架的相对高度增加。小风力机受周围环境的影响较大，塔架相对高一些，可使它在风速较稳定的高度上运行。直径在25m以上的风轮，其轮毂中心高与轮毂直径的比应为1∶1。

图37　塔筒内的爬梯

随着塔架高度的增加，风力机的安装费用会有很多的提高，对于兆瓦级风力机更是如此。吊车要把100t的质量吊到高60m，不仅安装困难，费用也必然会大大增加。

2.塔架内部结构布置

（1）工作台。塔架内部要设置工作平台。靠近塔架顶部的平台，主要用于机舱安装、作为塔架到机舱的通道以及安装一些辅助装置。各段对接面下的平台，主要用于塔架各段的连接和维修，其上下位置应适中，以便于操作。

（2）爬梯、安全索或安全导轨。塔筒内的爬梯如图37所示。爬梯主要用于维修时人员进出机舱，安全索设在爬梯附近，安全导轨设在爬梯的横挡中间，用于人员上下爬梯时，安全锁扣在安全导轨上面能随人员上下移动，一旦人员跌落，锁扣即把人员锁在安全索或导轨上，保证人员安全。大型风电机组由于塔架高度大，塔架内部空间大，有可能装备电梯。电梯位置一般在塔门附近，远离塔架底部的电控柜，以避免相互干扰。

（3）电缆架。电缆架一般有活动电缆架和固定电缆架。活动电缆架位于塔架中心，固定在机舱底座的下面。机舱电缆的自由部分即固定在它上面，这样当机舱偏航时电缆只扭转而不受牵拉。活动电缆架只承担电缆自由部分的重量。固定电缆架焊接在塔壁上，方位应在电控柜或发电机变流器附近，电缆可就近进人。但是也有的风力发电机组没有固定电缆支架，从活动支架下来全部是自由垂吊在塔架中心，其优点是不需要固定电缆支架，节省电缆，单向偏航累积的角度可大一些，减少解缆次数；缺点是电缆必须有足够的强度，能承受自身的重量，对电缆的要求高。

（4）电控柜。当电控柜安放在塔架底部时，电控柜面向塔门以便于采光。如果当地低洼潮湿，则不应直接放在基础上而应在适当高度上建电控柜平台，并将舱门提高。

（5）照明系统。塔架只有一个门，不能自然采光；必须有照明系统。为了便于安装和维护，照明灯具应安排在爬梯附近。

3.塔架载荷

塔架上的载荷除了由偏航系统传递的载荷外，还包括直接作用在塔架上的载荷。塔架载荷主要有推力、弯矩（轴向和侧向）、扭矩、重力，以及作用在塔架迎风面的空气动力载荷和塔架自身的重力载荷（图38）。此外，在地震区安装风电机组时，还要考虑地震载荷；在近海区安装风电机组时，还要考虑波浪载荷、海流载荷等。

图38　塔架载荷和受力分析

水平轴风力机的塔架设计应考虑塔架的静动态特性、与机舱的连接、运输和安装方法、基础设计施工等问题。塔架的寿命与其自身质量大小、结构刚度和材料的疲劳特性有关。

4.塔架静动态特性的影响因素

在静动态特性的考虑因素中，桁架结构的塔架重量较轻，而塔筒式塔架则要重得多。图39给出几种形式塔架的材料、刚性、质量、一阶固有频率的情况。钢结构塔架虽质量大，但其基础结构简单，占地少，安装和基础费用不是很高。由于塔架承受的弯矩由上至下增加，因此塔架横截面面积自下而上逐渐减少，以减少塔架自身的质量。

风轮转动引起塔架受迫振动的模态是复杂的：由于叶轮转子残余的旋转不平衡质量产生的塔架以每秒转数n为频率的振动；由于塔影、不对称空气来流、风剪切力、尾流等造成的频率为zn振动（z为叶片数）。其中n为塔架的自振频率，zn为塔架的运行频率。塔架的一阶固有频率与受迫振动频率n、zn值的差别必须超过这些值的20%以上，以避免共振，还必须注意避免高次共振。

事实上，塔顶安装的风轮、齿轮箱、发电机等集中质量已和塔架构成了一个系统，并且机头集中质量又处于塔架悬臂梁的顶端，因而对系统固有频率的影响很大。如果塔架一机头系统的固有频率大于zn，称为“刚性塔”；介于n与zn之间的为“半刚性塔”，系统固有频率低于n的是“柔塔”。塔架的刚性越大，重量和成本就越高。塔架的刚度要适度，其自振频率（弯曲及扭转）要避开运行频率（风轮旋转频率的3倍）的整数倍。目前，大型风力机多采用“半刚性塔”和“柔塔”。

图39　不同的塔架自身质量和刚性的对比

恒定转速的风力机由设计来保证塔架一机头系统固有频率的取值在转速激励的受迫振动频率之外。变转速风轮可在较大的转速变化范围内输出功率，但不容许在系统自振频率的共振区较长期运行，转速应尽快穿过共振区。对于刚性塔架，在风轮发生超速现象时，转速的叶片数倍频冲击也不能与塔架产生共振。

当叶片与轮毂之间采用非刚性连接时，对塔架振动的影响可以减少。尤其在叶片与轮毂采用铰接（变锥度）或风轮叶片能在旋转平面前后5°范围内摆动时，这样的结构设计能减轻由阵风或风的切变在风轮轴和若架上引起的振动疲劳，但缺点是构造复杂。(www.xing528.com)

5.塔架设计步骤

塔架设计可按一般高耸建筑物设计规范进行，主要步骤如下：

（1）初步确定塔架的几何外形和尺寸。塔架的结构形状和尺寸，取决于载荷、总体对塔架静、动特性的要求、与机舱偏航机构的安排及尺寸。

（2）按强度、刚度确定构件的截面参数，如直径、壁厚等。

（3）进行塔架稳定性与动特性分析。

用强度确定的截面参数，稳定理论的有关公式或经验公式校核构件的稳定性。用有限元分析方法对单独塔架和整机的含静、动态、响应进行全面分析，根据分析结果可调整塔架结构参数，使结构更趋优化。

6.塔架常用材料与表面防腐处理

塔架的塔筒常用Q3455C、Q345D钢板经卷板焊接制成。该材料具有韧性高、低温性能较好的优点，且有一定的耐蚀性。由于风力发电机组安装在荒野、高山、海岛，承受日晒雨淋和沙尘盐雾的侵袭，所以表面防护十分重要。通常表面采用热镀锌、喷锌或喷漆处理，对表面防锈处理要求应达到20年以上的寿命。

（二）基础

风电机组的基础主要按照塔架的载荷和机组所在地的气候环境条件，结合高层建筑建设规范建造。基础除了按承受的静、动载荷安排受力结构件外，还必须按要求在基础中设置电力电缆和通信电缆通道（一般是预埋管），设置风力发电机组接地系统及接地触点。

1.陆上风力发电机组的基础

锥筒形塔架采用的基础结构有厚板块、多桩和单桩形式。

（1）厚板块基础。

厚板块基础用在距地表不远处就有硬性土质的情况下，可以抵制倾覆力矩和机组重力偏心，计算板块基础承重力的方法是：假设承载面积上负载一致，基础承受的倾覆力矩应该小于WB/6，其中，W为重力负载，B为厚板块基础宽度，这个条件可用来粗略估计需要的基础尺寸。

图310　厚板块基础

（a）平面板块基础；（b）平放基座基础；（c）嵌入式塔架和倾斜板块基础；（d）岩石床打锚基础

几种不同的厚板块基础的结构形状如图310所示。图310（a）所示的平面板块基础板块厚度一致，上表面与地面相平，当岩石床接近地表的情况下选择这种基础，主要的配筋分布在上表层和下表层，抵制基础弯曲，并且板块足够厚，不用使用抗剪钢筋。图310（b）所示的平放基础板块基础上面设置一个基座，这种情况用在岩石床在地表下的深度比板块厚度大，需要增加一个基座来抵制弯曲力矩和剪切负载，施加在基础上的重力增加，整个板块尺寸可以减小一些。图310（c）嵌入式塔架和倾斜板块基础类似于平放基座基础，不同的是塔架基底直接嵌入基础，块状基础表面成一定斜率变化；缺点是塔架基底接近基础表面处需要打孔，允许基础表面配筋通过，抵制剪切负载的配筋也必须经过塔架底部法兰，这种结构节省材料，但不利于安装。图310（d）所示岩石床打锚基础，这种情况也适用岩石床在地表下的深度比较大情况，相比于平放基座基础，可以节省材料，免去上面的配重，承载力也很高，但岩石床打锚时，需要专用机械，所以也较少使用。

图311为陆上风电厚板块基础施工的情况。

（2）多桩基础。

在土质比较疏松的地层情况，常选择多桩基础，如图312（a）所示。基础采用一个桩帽安置在8个圆柱形桩基上，桩基圆形排列，在桩的垂直、侧向方向都要抵制倾覆力矩，侧向力主要作用在桩帽上，所以桩和桩帽都要配钢筋。桩孔采用螺旋钻孔，钢筋骨架定位后，原位置浇铸。

（3）混凝土单桩基础。

混凝土单桩基础采用一个大直径混凝土圆柱体，如图312（b）、（c）所示，这种桩孔利用水下打桩，可以开挖掘出很深的桩孔，这种结构虽然简单，但耗材大，采用中空圆柱体可以节省耗材。

2.海上风力发电机组的基础

图311　陆上风电厚板块基础施工

图312　多桩与单桩基础

（a）桩基群与桩帽基础；（b）实体单桩基础；（c）中空单桩基础

与陆上的风力发电机组相比，海上风力发电机组最大的差异是基础的不同。海上风力发电机组的基础远比陆上风力发电机组的基础复杂，成本也高得多。并且对整个风力发电机组的力学性能影响更大。海上风力发电机组的基础结构常见的主要有以下四种：分别是单桩式[见图313（a）]、重力式[见图313（b）]、夹套式[见图313（c）]、三角架式[见图313（d）]。最为常用的当属前两种。