风力发电机组结构体系与其抗震研究现状.pdf免费

第十届全困现代结构工程学术研讨会 风力发电机组结构体系与其抗震研究现状 祝磊1王元清2石永久2 1北京市高等学校工程研究中心，北京建筑工程学院土木与交通工程学院，北京100044 2土木t程安全与耐久教育部重点实验室，清华大学土木工程系，北京100084 提要：风力发电技术在世界上得到了广泛应用，风力发电机组单机容量不断扩大，体型也不断增大，目前主流的钢筒式塔 架存在运输和吊装困难，且材料用量较大，而钢桁架式塔架和混凝土筒塔架则在技术和经济性上具有一定优势，国 内对这三种结构体系的对比研究尚待深入。大量风力发电机组安装在地震烈度高的地区，其抗震性能值得关注。本 文分析了钢筒式塔架形式的风力发电机组的抗震研究现状，并对今后的研究工作提出了建议。 关键词：风力发电机组；结构体系：抗震 一、引言 风能作为一种可再生能源，近年来迅猛发展。据GlobalWind Counci Energy 1统计，1996年到2008 风能装机容量从346MW增长到12，210砌／，增长约35倍，位于美国、德国和西班牙之后，居世界第四位， Wind 亚洲第一位。…据World Energy 机组来说，叶轮直径83m，塔架高度67m，叶轮和机舱的总质量将近120t，塔架质量165t。H3 从结构工程的观点来看，风力发电机组属于高耸结构．一般来说，风力发电机组的塔架分为三种结构类 型：钢筒式塔架、钢桁架式塔架和混凝土筒塔架，各有其优缺点。另外，大量机组安装在地震烈度较高的 地区，如日本东京、中国北京、广东南澳等地，其抗震性能值得关注：第一，从几何构型上看，风力发电 机组是一个高耸结构，而且顶部质量巨大，将近总质量的一半，这对结构抗震不利；第二，叶片具有分布 质量和刚度，相对较柔软而且位于塔架顶部，地震作用时容易产生“鞭梢效应”，叶片在地震中的响应尤其 需要注意；第三，风力发电机组在发电时叶轮旋转，产生动力效应，而且存在风力与地震力组合的问题。 而传统上，风力发电机组的力学问题主要涉及到空气动力学和机械工程两个学科，结构工程师一般只 负责设计风力发电机组的钢筋混凝土基础，因此在风电界缺乏将风力发电机组作为结构的概念，其结构体 系尚待系统研究。而且，风力发电技术是在欧洲发展起来的，而欧洲的地震设防烈度是比较低的。这些因 素使得风力发电机组的抗震问题遭到忽视。 本文从两个方面论述风力发电机组的结构问题：一是风力发电机组塔架的结构体系，二是其结构抗震。 二、结构体系研究 一 钢筒式塔架 钢筒式塔架是目前主流的塔架结构形式，一般采用从下到上直径线性减小的圆筒形，底部直径可以达 分段改变 ，现场吊装，通过法兰连接。圆筒式塔架便于工厂加工，现场装配速度快，机械化程度高，因此 1048 工业建筑2010增刊 第十届全闲现代结构丁程学术研讨会 对人工成本很高的欧洲国家，多数采用圆筒式塔架。我国从欧洲引进风电技术，也主要采用圆筒式塔架。 但我国人工成本相对较低，机械吊装设备不具优势，采用圆筒式塔架并不一定能够节省成本。此外，随着 风力发电机组单机容母的增大，塔架的重量越来越大，对运输和吊装提出了更高的要求。通常风力发电机 组安装在交通不发达的偏远地区，道路条件差，大吨位的运输车辆很难通过。 风力发电机组主要的荷载是风荷载，对运转状态，大部分风荷载作用在旋转的叶轮上，圆筒式塔架承 受的风荷载相对比较小；对停机状态，在遭遇台风的情况下，一般通过调节叶片的桨距，可大大减小作用 在叶片上的风荷载，此时风荷载主要分布在轮毂、机舱及塔架上。无论是运转状态还是台风下的停机状态， 风力发电机组受到的风荷载都很显著。在风荷载作用下，法兰连接的螺栓承受的拉力较大可能被拉断，简 壁由于受弯而受到的压应力也容易造成塔架的压屈，或者塔架基础被连根拔起，这方面的事故时有发生。 事故调查表明，风力发电机组在设计中对结构超载的估计不足，例如误操作导致叶片转速过快从而使得风 荷载大大超过设计荷载，台风下叶片的桨距偏差使得作用在叶片上的台风荷载很大。