风力发电机组钢筋混凝土型式塔筒应用研究

黄加佳

摘要：近年来，风电机组的单机容量在日益增大，随着风机功率的增加，塔架高度、筒体壁厚以及承受载荷都随之迅速增大。目前风电机組塔筒大部分采用的是钢结构型式，此结构相对来说耗资较大，而且易腐蚀、维修费用比较昂贵。因此已有不少研究人员对钢筋混凝土型式的塔筒进行了研究，并且已经开始尝试建设钢筋混凝土型式塔筒。而本文将会从设计和综合造价两个角度对钢筋混凝土型式塔筒进行分析，发现钢筋混凝土型式塔筒与钢结构型式相比前景更加广阔。因此，现有传统型式塔筒转变为新型式塔筒则将成为国内未来几年的风力发电机工程发展的主要目标。

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.

关键词：风力发电机组;钢筋混凝土;塔筒;应用研究

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

中图分类号：TM614 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）07-0133-02

1 钢筋混凝土型塔筒设计

1.1 钢筋混凝土型式塔架的荷载计算

对于风电机的塔架来说，它所要承受的外部荷载包括这几种：通过风轮传达的水平气动荷载、塔身风荷载、塔顶机舱（包括内部零件、叶片轮毂）的重力荷载以及自身的地心引力荷载。而依据国内外科学家们对于风力发电机的实验显示，当风轮处于正常运作时，就可以使用已知的风速来运算风轮的推动力。所以，本文以某1.5MW锥台型风力发电机塔筒为参考对象，该塔筒的风轮直径为64m，并且将计算风轮推力分成在已知风速的条件下和恶劣天气这两种情况来进行相对应的分析。

1.1.1 已知风速（额定风速）

依据国家机械行业对于标准风电机组设计的要求（JB/T 10300-2001），设单位面积上的风轮的平均压力为Px1可以根据式（1）来进行求算：

1.1.2 恶劣天气情况

本文挑选了恶劣天气中的一种极端现象——暴雨停机进行了具体分析，但是这一状况的前提是确保风力发电机塔架不会被刮倒。而在此之前很多国家已经给出了适应他们国家的风轮推力计算公式，但是考虑到我国的风力发电机场所多建立于荒漠草原、荒山野岭，所以相对来说，德国所给出的计算公式比较保守。因此本文将采用德国所给出的这个公式来对暴风停机状况下的风轮推力进行计算。

根据对于额定风速和恶劣天气这两种不同情况的分析，我们可以看出在由于恶劣天气造成的停机情况下，塔架顶端的风轮的推力达到了最高值，而我们知道钢筋混凝土型式的塔筒则具有较强的承载能力，也就是说即使在恶劣的环境下，钢筋混凝土型式的塔筒也是相对来说比较稳定的，这就可以大大地避免由于极端恶劣条件而出现的风力发电机组塔筒发生断裂、倾斜、倒塌的几率。

1.2 钢筋混凝土型式风力发电塔架内力计算

本文以1.5MW风电机组匹配的锥台型风力发电机塔筒为参考对象，并且将风力发电机组塔架设计为圆钢管混凝土格构式三肢柱，交叉式腹杆，塔架高度为63m。钢筋混凝土型式风力发电机塔架可以被看成柱肢连续的桁架塔结构，所以本文将借助SAP2000来对钢筋混凝土型式塔筒进行内力的求算，但是在计算之前需要对于塔架做适当的理想化：

①将塔架顶端的重量简化成为垂直作用于钢筋混凝土型式塔架的顶端;

②将每根塔柱视为连续体;

③利用三维梁柱单元来模拟塔柱。

在建设钢筋混凝土型式塔架时应该通过实验综合来考虑这个结构的最大荷载值。通过计算可以得到，当把钢筋混凝土型式塔筒放在最大受力状态时，此时的最大牵引力是5431kN，最大压力是4359kN，而且最严重受力部位都是整个塔架的最底端;斜腹杆的最大内力是310kN，斜腹杆则处在整个塔架的最高处;横腹杆所拥有的力仅为25kN，可以看出横腹杆所受的内力值远远小于斜腹杆。可见其作用主要是减小柱肢的计算长度。从结构整体而言，塔架内力在空间分布不均，斜腹杆的内力从顶层到底层逐渐减小，同一节点斜腹杆内力比值的变化范围在1.0～1.35 之间，塔柱内力由顶层到底层内力则逐渐增大。endprint

刚度验算：风力发电机塔架在水平风荷载作用下，塔架往往因为顶部过大的位移而造成停机的现象，因此实际工程中对塔架顶部的位移有较严格的限值。风力机正常工作时，塔架顶部的许用挠度[f]一般取塔架总高度的0.5%～0.8%，即315mm～504mm。本文设计的钢管混凝土格构式风电塔架在暴风停机工况下，塔架顶端的挠度最大为 312mm，满足塔架顶部许用挠度[f]的要求。

2 兩种型式塔筒的综合造价对比

2.1 钢结构型式塔筒

现在国内的风力发电场使用的一般是钢结构型式塔筒，这种结构是将钢板卷成环状，再将其拼接起来组成塔节，随后用电焊的方式拼接起法兰盘，就仅仅在整个塔筒的基础段它所用的钢板的厚度就已经大于40mm，而法兰盘的厚度就会远远超过50mm。为了保证塔架结构的整体性就需要减少组成塔架的筒节数目，但是也需要考虑现有的运输能力，一般来说，一节塔节的高度在20～30m之间。而整个塔筒一般高60～90m，最大筒径达4.5m。塔筒通过高强螺栓连接，因此使得整个工程的造价大大提高。

2.2 钢筋混凝土型式塔筒

表1则是对于新型式和传统形式塔筒的成本的对比图表，可以看出，这两种不同型式的塔筒的造价相差还是比较大;可以看到图1、图2则是钢结构的塔筒和钢筋混凝土型式塔筒的单台造价和单千瓦时造价以及的对比曲线。

通过图1的对比图可以看出，随着风力发电机组建设量的增多，钢结构型式每台的造价也在不断增加，而且涨幅相对来说还是比较大。通过图2的对比曲线可以看出，随着风力发电机组建设数量的增多，钢结构型式单位千瓦时的造价是呈现出一条直线的形式。通过图1和图2的对比曲线，可以明显发现，无论是从单台风力发电机的成本来说，还是从单千瓦时的成本来说，钢筋混凝土型式塔筒建造所使用的花费要远远小于现在正建造的风力发电机的花费，因此，不难看出使用新型式塔筒将会得到更高的效益。

3 结论

本文通过分析钢筋混凝土型塔筒的设计和效益，得到了以下这几点结论：

①钢筋混凝土型式塔筒可以在今后的风电机建设中进行广泛应用，尤其是在低风速地区。

②钢筋混凝土型式的塔架具有良好的承载性能和极强的稳定性。

③使用钢筋混凝土型式的塔筒相较于钢结构型式的塔筒来说成本更低。建造过程节省钢材用量，减少环境污染，具有相当可观的经济效益。

参考文献：

[1]李书文，祝磊，姚小芹.水平轴风力发电机组钢筋混凝土塔筒结构研究综述[J].特种结构，2014（4）.

[2]祝磊，李书文.风力发电机组钢筋混凝土塔筒设计研究[J].沈阳建筑大学学报（自然科学版），2014（2）.

[3]李绍敬，王吉高，孙兵涛，薛志庆.风力发电机组钢筋混凝土型式塔筒应用研究[J].电力勘测设计，2013（01）.endprint