风力发电塔架基础与塔架的设计.docx

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风力发电塔架基础与塔架的设计

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酒泉职业技术学院

毕业设计（论文）

09级风能与动力技术专业

[

题目：

风力机组塔筒及基础设计

毕业时间：

2012年7月

****刘文源

****任小勇

班级：

09风电（4）班

;

年月日

酒泉职业技术学院09届各专业

毕业论文（设计）成绩评定表

姓名

班级

专业

指导教师第一次指导意见

年月日

指导教师第二次指导意见

年月日

指导教师第三次指导意见

年月日

指导教师评语及评分

成绩：

签字（盖章）年月日

答辩小组评价意见及评分

成绩：

签字（盖章）年月日

教学系毕业实践环节指导小组意见

签字（盖章）年月日

学院毕业实践环节指导委员会审核意见

签字（盖章）年月日

风力机组塔筒及基础设计

摘要:

70年代初期，由于“石油危机”，出现了能源紧张的问题，人们认识到常规矿物能源供应的不稳定性和有限性，于是寻求清洁的可再生能源遂成为现代世界的一个重要课题。

风能作为可再生的、无污染的自然能源又重新引起了人们重视。

2006年中国共有风电机组6469台，其中兆瓦级机组占%，2007年，这个比例跃升为%，提高了个百分点。

在国家政策支持和能源供应紧张的背景下，中国的风电特别是风电设备制造业迅速崛起，已经成为全球风电最为活跃的场所。

2009年5月，国家投资3万亿资金支持新能源，在整个投资中风力发电行业的投资在国家总投资中占了很大的一部分，进一步推动了风电行业的发展。

据国家能源局统计，中国风电2010年新增装机容量将超过1600万千瓦累计装机容量达到万千瓦。

预计在2020年末我国新增发电装机容量将达到6000万千瓦累计装机将超过1亿万千瓦。

随着国家“十二五”规划对风电行业的大力支持和政策的不断完善与调整，中国风电将又一次迎来黄金的发展期。

并且风机的制造企业技术也不断完善和创新，一批具有国家啊自主知识产权的产品纷纷亮相。

从600千瓦、750瓦、1500千瓦、2500千瓦到现在的5000千瓦,而且更大发电量的风机已经研制和立项。

大容量风机的出现让我国风机装备制造技术有了飞速的提高，使国产风机整体技术水平与西方国家进一步缩小，由于风机的容量的不断增大，使风力机的体积和重量不断增加，对塔架与塔架基础的结构强度、加工材料和整体设计都有了更高要求，在未来风机塔架将向着的大型化、人性化、科学化、和风机塔架基础的复杂化、重荷化、高抗化去发展。

由此看出1500千瓦的风机技术已经趋于成熟，其塔架与塔架基础设计也已经完备，根据现有的技术资料我将针对风机塔架与塔架基础进行系统分析,并简述风机的基础与塔架的设计。

关键词：

风机塔架结构设计；风机塔架基础设计

由于风机塔架与塔架基础是整个风机承载的重要部件，风力发电机的容量和体积有了进一步的增加，这使得塔架与塔架基础的设计和施工难度不断增加，再加上在自然条件下的各种灾害和不确定的人为因素使得塔架与基础对其载荷能力和变形强度能力有了更为苛刻的要求。

让风机在在极限自然条件下保持其安全性和稳定性并且不会因此而倾覆和断裂，成为风机塔架与基础设计的难点重点。

因此在塔架与基础设计施工之前，必须对材料工艺、构造力学、承载负荷、地质稳态、施工监察和自然环境进行细致的勘测，调研、规划和统筹。

使其保证有足够的安全储备和抗灾害能力，减小对自然环境的要求，进一步扩大风机的使用范围和风机的发展的空间，提高塔架与基础的使用寿命，以创造更好的经济效益。

一、风机塔架结构设计

（一）、塔架设计的基本要求及原则

1、塔架应在规定的外部条件、设计工况和载荷情况下稳定的支撑风轮和机舱（包括发电机和传动系统），以保证风力发电机组安全正常运行。

2、塔架应具有足够的强度，承受作用在风轮、机舱和塔架上的静载和动载荷，并且应进行疲劳分析，满足风机的设计寿命。

3、塔架应通过计算分析或试验确定塔架（在整机状态下）的固有频率和阻尼特性，并对塔架进行风轮旋转引起的振动、风引起的顺风向振动和横风向振动进行计算分析，使其在规定的设计工况下满足稳定性和变形限制的要求。

4、塔架应根据安全等级确定载荷局部安全系数和材料安全系数，通过塔架设计、材料选择和防护措施减少其外部条件对塔架安全性和完整性的影响

（二）、塔架设计应具备的条件与考虑的因素

1、为了使塔架设计更具有科学性和实用性在塔架设计时应注意来自机舱的载荷（包括风轮载荷）、塔架轴线与水平面的垂直度、作用于塔架的风载荷、使用寿命、环境条件等级和防腐处理安全系数工作温度、塔架高度、塔架制造成本和风力发电机组发电量等基本设计条件。

2、为了使生产和装配运输进一步提高运营效率，再设计中还要对运输能力、生产条件和批量生产能力进行考虑。

（三）、塔架的制作

1、塔架的基本构造

风机的塔架是以管柱椭圆形结构为壳体，它的塔架不是由一根塔筒直接构成，而是由三个分塔筒通过法兰面连接成一个整体构成，并在基层塔架底部设有出入门，内部还有电缆保护设施、梯栏、安全平台、照明及电气设备安装附件；且考虑与提升机、助爬器、电梯匹配的要求。

2、塔架设计的参数与工艺

1）塔架的设计参数

风机塔架高度一般在70M-73M之间，每小段塔架的高度大约在18M-24M之间。

由于每段塔架并不是具有相同大小的直径，塔架从最底层的塔段到最高层的塔段直径成线性减小。

由于风机的单段塔架高度大于20M,所以根据塔段直线度L的计算要求在H＞20m时其塔筒直线度有：

L1000+10mm

有此可得出：

L≤11mm

单段塔架两端面平行度允许偏差为。

塔段垂直度要求：

vH/1000mm（V—垂直度，H—塔段高度）

有此可得出：

V≤20mm

塔段高度偏差：

H±20mm

塔架主体钢板下料后必须有材料的可追溯标识。

若采用钢印标识，该钢印须为钝角，深度不能＞.

2）塔筒卷制时注意的事项：

节卷制应严格控制圆度、对口的错边量和局部凹凸度，具体要求见下列图表。

筒节任意截面圆度公差为（Dmax-Dmin）/Dnom，如图1所示。

图1任一截面圆度示意图

Dmax——测量出的最大内径

Dmin——测量出的最小内经

Dnom——标准内直径

纵缝对口错边量（见图2）h，且最大为3mm，t为钢板厚度（mm）。

图2纵缝对口错边量示意图

筒节纵缝棱角和环向表面局部凹凸度要求如下：

钢板厚度t＞30mm时，用弦长L=1/6Dnom，且600mm的内或外样板检查（见图3a,b）,其E值应+1）mm。

图a图b

图3纵缝棱角及环向局部凹凸度测量示意图

3）塔筒钢板的组对:

筒节与筒节对接应采用外边对齐。

不同厚度筒节对接时，应按GB986规定对较厚的板作削薄处理。

缝对口错边量（见图6）h应,且最大为2mm，在测量对口错边量h时,不应计入两板厚度差值,t为钢板厚度（mm）。

图4环缝对口错边量示意图

4）塔架的焊接:

塔架主体钢材、钢板的尺寸、外形及允许的偏差应符合GB/T709规定即热扎钢板和钢带的尺寸、外型、重量及允许偏差。

焊接坡口加工宜采用机械方法，也可采用火焰切割等加工方法，火焰切割表面质量按JB/中的II级要求，切割加工的坡口必须去除坡口表面的氧化皮、熔渣及影响焊接质量的表面层。

坡口及其内外侧表面20mm范围内的油、漆、垢、锈、毛刺及镀锌层等清除干净，且不得有裂纹、夹层等缺陷。

5）焊接环境条件：

焊接环境温度应不低于5℃，低于5℃时应在施焊处100mm范围内加热至21℃～38℃,相对湿度应90%。

焊接作业一般应在室内进行，特殊情况需露天作业，须由设计单位和业主批准。

但出现下列情况之一且无有效措施时，不得施焊：

a）风速：

气体保护焊时＞2m/s，焊条电弧焊时＞5m/s

b）相对湿度＞90%

c）温度＜5℃

d）雨雪环境

在焊接完后表面若有异常通常按照GB/T19072-200X进行修复，焊接焊缝及母材表面的所有超标缺陷，必须按这个国标工艺要求进行修复。

钢板切割表面不得有裂纹、分层、夹杂等缺陷，不应影响焊接及产品外观质量，大小口弦长偏差±2mm、对角线长度偏差±3mm。

在焊接所有工作结束后就需要进行焊缝的检测，焊缝无损检测在焊接变形矫正和所要求的热处理（包括火焰矫正）完成后进行。

6）塔架的无损检测：

a）目视检测（VT）

b）超声波检测（UT）

c）磁粉检测（MT）

d）渗透检测（PT）

e）射线检测（RT）

注：

无损检测设备必须按其相关的标准规定进行定期校验和检测，检测记录应保存。

NDT人员必须按GB/T9445规定进行资格鉴定与认证，二级资质以上的NDT（VT、UT、MT、PT、RT）人员方有资格进行独立操作，判定检测结果合格与否，并出具报告。

一级资质人员必须在二级资质人员的直接监督下操作。

检测方法的顺序：

塔段需同时进行一种以上检测方法的部位，先进行100%VT，再进行MT（或PT），后UT或RT。

目视检测（VT）

要求检测的表面要清洁，无油污、油脂、砂土、划伤或其它影响检测结果的情况，焊缝外观按JB7949检查，同时还应对原材料、焊接工艺规程的执行、焊接设备的完好状况、焊工的资格及相关记录进行检查。

磁粉检测（MT）或渗透检测（PT）

应按JB/T或JB/T规定进行MT或PT的焊缝及区域，合格级别为I级。

超声波检测（UT）

塔架主体钢材的对接焊缝按JB/T进行100%超声波检测的，检测技术等级为B级，各部位焊缝的合格级别分别如下：

合格级别为I级的焊缝：

a）筒节与筒节焊接的环缝；

b）门框与壳体焊接的焊缝;

c）筒节（包括基础段筒节）与法兰焊接的环缝；

d）筒节的纵缝；

e）法兰的拼接焊缝；

f）钢板卷制的门框对接焊缝。

合格级别为Ⅱ级的焊缝：

a）基础段筒节与基础段底环法兰焊接的T形焊缝；

b）合格级别为Ⅲ级的焊缝：

基础段底环法兰的拼接焊缝。

射线检测（RT）

塔架产品的射线拍片检测仅适用于设计有要求和对UT有疑问时作抽查，一般在纵、环缝交叉部位的环缝方向布片，每处的拍片的有效长度应不少于250mm，合格级别按JB/T的Ⅱ级。

7）表面防腐处理：

塔架各部件（位）防腐方式按照设计要求执行喷漆、热浸锌前基体处理基体喷涂前采用喷丸除锈，喷丸后工件表面应干燥、无灰尘、无油污、无氧化皮、无锈迹，基体表面粗糙度应达到Rz40µm～80µm，除锈等级达到GB/T8923中的Sa级规定

8）喷漆：

常温型涂料施工环境温度范围为5℃～40℃，当湿度超过85％或钢板温度低于露点上3℃时不能进行喷漆施工。

当环境温度为-10℃~5℃时，必须使用冬用型涂料，工艺及要求必须按涂料厂家提供的施工说明进行。

当环境温度低于-10℃时不允许施工，油漆干膜厚度：

底漆、中间漆及面漆的种类和相应厚度依照设计要求执行，但干膜总厚度最小值应符合表1规定：

单位：

UM

序号

使用环境

塔架部位

最小干膜总厚度

1

内陆环境

塔筒外表面

240

塔筒内表面

170

2

重度腐蚀、近海及滩涂沿海湿热，含盐份气候条件下

塔筒外表面

280

塔筒内表面

200

表1

漆层表面均匀，色泽一致，不允许有针孔、鼓泡、挂流、大溶滴、裂纹、掉块及其它影响涂层质量的缺陷存在，接头处不允许有高出平面的滴瘤、结块。

喷涂过程中，每一层漆膜厚度都必须进行检验并形成记录。

（二）、风机塔架基础设计

1、风机塔架基础要求

风力发电机组的基础是其主要承载部件，是整个风力发电机的运行基础，它支撑着风力发电机组，并且是平衡风力发电机组在运行过程中所产生的的各种载荷的重要工具，是保证机组的安全、稳定地运行的条件。

因此在设计风机塔架基础之前，必须对机组的安装现场进行工程地质勘查，充分了解和研究地基土层的成因、构造及其物理学特性。

确定地质土层的承载能力和应力变化，只有这样才能在设计中有充足的技术资料，使塔架基础更加的稳固、抗负荷能力进一步提高，增强运行的安全和稳定。

因此在塔架基础的设计应遵循以下三个基本条件:

①地基上的载荷不允许超过地基允许的承载能力，以保证地基在防止整体破坏方面有着足够的安全储备。

②控制基础的沉降，使其不超过地基允许的形变值，以保证风力发电机组不因地基的形变而损坏或影响机组的正常运行。

③满足塔架在安装时的连接尺寸和结构要求。

2、基础的分类

对于风力发电机组型号的不同，其每种型号对其基础的载荷也不尽相同。

风力发电机基础均为现场浇筑钢筋混凝土的独立基础，根据每个风电场工程地质条件和地基承载力及基础载荷、尺寸大小、结构形式的不同其基础可分为平板状基础、桩基础、桁架式三种。

（1）平板块状基础

平板块状基础，即实体重力式基础，应用广泛。

对基础进行动力分析时，可以忽略基础的变形，并将基础作为一个刚性体来处理，而仅考虑地基的变形。

按其结构剖面又可分为“凹”形和“凸”形两种，如图5所示，底座盘上的回填土是基础重力的一部分，这样可以节省材料，降低费用。

地脚螺栓

上下法兰

图5凸形和凹形平板状基础

A凹形基础结构b凸形基础结构

由于在地面以下几米至几十米设置一定面积的平板块状基础，平板块比塔架地面大很多，利用机组、基础及基础上覆盖重量的偏心反作用力来抑制倾覆力矩。

平板块上有一个比塔架面积稍大一些的柱状承台，用于塔架连接。

平板状的形状常用正方形、六角形、八角形、或圆形。

常用的三种平板结构如图6所示：

承台承台承台

覆土覆土覆土

平板锥形板层

abc

钢筋锚固装置

图6三种平板块状基础形式

第一种为均匀平板块，当岩床距地面较近时选用，平板具有足够的厚度和合理的钢筋网。

第二种板块上面为锥形，可以节省材料。

第三种将平面板块用岩石锚固定装置固定在岩层上，可以减小埋深及平面板块的面积，但施工难度大。

（2）桩基础

在地地质较差的环境中，柱状的基础比平面基础更能有效的利用材料。

从其单个桩基础承受的力特性来看，有分为摩擦桩基础和端承柱基础两种。

桩上的载荷主要由桩侧摩擦力和桩端阻力共同承受的是摩擦桩基础，其特点是桩很长，平面面积较小。

桩上载荷主要由桩端阻力承受的为端承桩基础，其特点是桩柱较短，平面板块梁面积较大，桩基础一般可以分为三种结构形式如图所示。

承台承台承台

板块梁帽

abc

柱群实心桩

空心桩图7桩基础常用的三种结构形式

a框架式b实心单桩c空心复合桩

第一种为框架式桩基础，是桩基础群与平面板块梁帽的组合体，他是将几个至几十个圆柱形桩，利用一个平板形桩帽把它们连接起来，桩帽上设计有与塔架连接的承台组成的基础。

倾覆力矩由桩在垂直和侧面的载荷两者抵消，侧面的载荷由施予每个桩顶部的力矩产生所要求的钢筋必须在桩和桩帽之间提供充分连续的力矩。

多桩基础可以使用桩机钻孔机高效率的打出几十米的深桩孔。

第二种为混凝土实心单桩基础，由一个大直径混凝土圆柱何其上面的塔架承台组成，适用于水平面很低，且开挖施工时不会塌方的地方采用。

但混凝土消耗量大，成本较高。

第三种是空心复合桩，它比混凝土实心单桩基础节省材料，但施工难度大适用条件与实心单桩基础相同。

（3）桁架式塔架基础

桁架式塔架基础的特点是腿与

腿之间跨距很大，并且还可以使各自

独立的基础。

一般在现场使用螺旋钻桁架安装底座

孔机钻孔后浇筑混凝土桩，防止倾覆

的作用力在桩上被简单的上提和下推

上提力和下推力被表面的摩擦力所抵

消，其结构图8所示。

基础桩组

组成塔架基础的角钢框架，应

提前进行组装，然后在给桩灌注混凝

土时就地将其浇注。

角钢框架应设置

好间隔和倾斜角度，以便上部桁架的

安装。

图8桁架式塔架基础结构

3、发电机组基础施工的特点及注意事项

风机基础承台上的预埋件的水平偏差，按相对高差计算应不大于±1～2mm，塔架越高允许的差值越小。

因为塔底根部的连接法兰水平度的微小偏差和倾斜，都会造塔架顶部中心与垂直轴线之间的严重错位，从而使塔架垂直方向的载荷发生偏移，影响塔架垂直方向的稳定性能。

因此预埋件上部法兰水平度是确保塔架安全的重要指标，也是基础设计的重点考虑因素。

1、基坑的开挖与坑底的处理

基坑的开挖是塔架基础建设的第一步，也是关系整个风机稳定的关键因素之一，因此基坑的开挖应按照风力发电机制造商所提供的图样要求进行。

由于塔架的基础开挖工作量大，一般都由机械进行开挖。

在开挖过程中必须根据当地开挖土层进行相应的有效的防护措施，保证开挖人员的安全和设备的损伤。

在钻桩孔过程中规定，必须按一定的时间间隔对桩机的水平度和高层位置经行跟踪测量，并及时修正偏差值；以保证桩孔相对于水平面的垂直度。

2、坑底的处理

在坑挖好后，坑底应夯实，找好水平然后根据厂家的图样的要求进行防渗漏处。

对于土质较为松软的地层在将其夯实后应在上面铺上一层有一定厚度的大毛石，以提高坑底的承载能力，减小在浇筑过程中的部规则沉降。

提高施工垫层混凝土的厚度，并铺设足够的钢筋与桩基钢筋笼相连。

3、钢筋的绑扎与支撑板的技术要求

1）钢筋的捆绑加工在现场进行，主钢筋采用闪光对焊连接，主板钢筋采用冷搭接。

在基础地板钢筋施工完毕后进行沉头插筋施工，插钢筋时应保证位置的准确性。

2）承台上的型钢、法兰或地脚螺栓应与钢筋网连接牢固，并浇入混凝土内。

由于承台的钢筋层数、排数较多，帮扎时应自内向外分层分排绑扎。

3）承台与平板块连接钢筋绑扎时，承台的部分钢筋自平板向内延伸，有竖直向、斜向、曲线型，竖向及斜向钢筋成插筋形式伸出，伸出长度应与钢筋接头错开30d，错开数量应以50%为准；曲线部分与直线部分焊接，接头数量与错开距离按规范实施。

4）支模板应按照相关标准进行，基础板块和承台用组合钢模板支模，不和模数部位采用木模板支模。

5）将基础板块表面标高做明显标记，供浇筑时做平用。

模板内表面应涂抹水性蜡质脱模剂。

以保证拆模时不发生粘皮显现。

八、混凝土的浇筑

1）现场准备工作

①在浇筑时预埋测温管及准备保温所要的塑料薄膜、草席。

②工程部门应联系好施工用电，以保证混凝土振捣及施工照明用电。

③管理人员、施工人员、后勤人员、保卫人员、应昼夜排班，各尽其责保证混凝土浇筑的顺利进行。

2）混凝土的选择

①水泥：

采用水化热比较低的矿渣硅酸盐水泥，标号为525#，通过添加合适的添加剂就可以改善水泥的性能，提高水泥的抗渗性能。

②粗骨料：

采用碎石，粒径为5～25mm，含泥量不大于1%。

③细骨料：

采用中砂，平均粒径大于，含泥量不大于5%。

④粉煤灰：

在混凝土中掺入粉煤灰时，应将掺入量控制在10%以内并采用外掺入法。

⑤减水剂：

在每立方米的混凝土种掺入的减水剂应为2kg。

5、混凝土的配合比

混凝土的配合比应通过适配进行确定，并参照国家标准的《混凝土结构工程施工及验收规范》、《普通混凝土配合比实际规程》、《粉煤灰混凝土应用技术规范》中的有关技术资料进行设计。

6、混凝土的浇筑

1）浇筑前应将基槽内的杂物清理干净。

2）混凝土浇筑时，应采用“分区定点、一个坡度、循序渐进、一次到顶”的浇筑工艺。

浇筑是在一个部位进行直到达到设计高标，使混凝土成扇形向前流动，然后在其坡上进行浇筑，循序渐进。

确保每次浇筑的时间间隔不超过6h。

3）在混凝土浇筑时的出灰口处配置3～4台振捣器，两台负责下部斜坡流淌处振捣密实，另外两台负责顶部混凝土的振捣，振捣时间以混凝土粗料不在下沉为准。

4）在混凝土初凝前和混凝土预沉后采取二次抹面压实措施。

7、基础覆土的回填

1）堆筑时对堆土进行分层夯实，减少自然密实量，缩短自然密实时间。

2）尽可能早一点堆筑，使之有尽量多的时间进行自然密实。

要求经历较大降水和浇水。

4、基础与塔架的链接

基础与塔架的连接方式一般有地脚螺栓式和法兰筒式两种类型。

地脚螺栓式连接方式中塔架用螺母与尼龙弹性平垫固定在地脚螺栓，地脚螺栓用混凝土事先浇筑在基础的承台上。

法兰筒式的塔架法兰与基础段法兰用螺栓对接基础的法兰筒用混凝土事先浇筑在承台上，地脚螺栓形式又分为单排螺栓、双排螺栓、单排螺栓带上下法兰圈等。

连接螺栓的截面值

国际规定，螺栓外排时，中心间距：

最大：

8d0或12t，最小：

3d0

d0──为螺栓的孔径；

t──为外层板件的厚度。

根据螺栓横截面积应与板件横截面积相等的原则，计算：

Ｓ=D·π·δ=n·（d0/2）·π=4300××24=324048mm

S──螺栓横截面积或板件横截面积

D──塔身直径（±00）

δ──板件厚度

n──螺栓数量

5、基础与塔架的接地

基础与塔架的接地是整个风力发电机组基地保护的基础，也是塔架基础设计中不可或缺的项目，良好的接地将确保风力发电机组和人员免受雷击、漏电的伤害，确保风力机组控制系统的安全可靠运行。

1）塔筒与地基接地装置，接地体应水平铺设。

塔内和地基的钢角基础及支架要用截面规格为25mm×4mm的扁钢相连接做地干线，塔筒做一组，地基做一组，两者焊接形成接地网。

2）接地网形式以闭合形为好，当接地电阻不满足要求时可以引入外部接地体。

3）接地体的外缘应闭合，外缘个角要做成弧形，其半径不宜小于均压带间距地一半，埋设深度不应小于，并铺设水平均压带。

4）整个接地网的接地电阻应小于4Ω。

三、参考文献

[1]任清晨风力发电机组安装．运行﹒维护[M].北京:

机械工业出版社，2010.

[2]宫靖远风电场工程技术手册[M].北京:

机械工业出版社，2004.

[3]武鑫风能技术[M].北京:

科学出版社，2007.

[4]苏邵禹风力发电机运行与维护[M].北京:

中国电力出版社，2002.

致谢：

历时将近一个月的时间终于将这篇论文写完，在论文的写作过程中遇到的无数的困难和障碍，都是在同学和老师的帮助下度过了。

尤其在这要衷心的感谢我的论文指导老师—任小勇老师，他对我进行了无私的指导和辛勤的帮助，在写作过程中及时的指出了我论文中出现的各种错误并细心的指导我进行修改和改进。

并给予我写作的很大信心。

另外，在校图书馆查找资料的时候，图书馆的老师也给我提供了很多方面的支持与帮助。

在此向帮助和指导过我的各位老师表示最中心的感谢！

感谢这篇论文所涉及到的各位学者。

本文引用了数位学者的研究文献，如果没有各位学者的研究成果的帮助和启发，我将很难完成本篇论文的写作。

感谢我的同学和朋友，在我写论文的过程中给予我了很多你问素材，还在论文的撰写和排版灯过程中提供热情的帮助。

由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师和学友批评和指正！

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