張明熠

上海電氣風電集團股份有限公司 200233

1 研究背景

塔筒是風電機組的支撐結(jié)構(gòu)，主要的結(jié)構(gòu)形式有管式鋼塔筒、混凝土-鋼混合塔筒、桁架式鋼塔等。隨著風電機組的功率越來越大，以及風電機組在中低風速區(qū)的大規(guī)模應(yīng)用，風電機組的輪轂高度也越來越高。當風電機組的塔筒越來越高時，管式鋼塔的自振頻率較低，容易與風電機組的自轉(zhuǎn)頻率接近，進而產(chǎn)生共振問題。為解決承載力、剛度和頻率問題，同時又受到運輸高度的限制，管式鋼塔只能增加壁厚，這將使鋼塔的經(jīng)濟性在高塔應(yīng)用中大大降低。因此，管式鋼塔由于其自身特點，已經(jīng)不能適應(yīng)大功率、高塔風機。

混凝土塔筒一般采用分節(jié)、分片預(yù)制并在現(xiàn)場進行拼裝及吊裝，即塔筒沿高度方向分為若干筒節(jié)，筒節(jié)沿周向分成若干環(huán)片，在工廠預(yù)制好后運輸至現(xiàn)場，在專用拼裝平臺上進行拼裝，拼裝完成后進行整節(jié)吊裝，吊裝完成后再對整個混凝土塔筒部分施加預(yù)應(yīng)力，使其形成一個整體。混凝土塔筒規(guī)避了運輸高度的限制，塔筒截面外徑不受限制，而且塔筒剛度明顯高于同等高度的鋼塔。混凝土塔筒的缺點是制造混凝土筒節(jié)需要制作模具，常規(guī)模具一旦成型，其外徑和壁厚將固定。如果風電機組的載荷發(fā)生變化，原有的塔筒尺寸不能滿足時，則需要生產(chǎn)新的模具，混塔的制造成本將很難降低。這種方式既無法適應(yīng)批量化、規(guī)?；a(chǎn)的要求，也降低了混凝土塔筒的市場競爭力。

為適應(yīng)風電機組載荷的變化，本文提出了可變壁厚的混凝土塔筒模具。其不僅可以實現(xiàn)混凝土塔筒模具的重復(fù)使用，有效降低塔筒制造成本，還可以實現(xiàn)混凝土塔筒的模塊化設(shè)計，通過混塔生產(chǎn)的模塊化、批量化，進一步提升了混凝土塔筒的市場競爭力。

2 混凝土塔筒承載能力的提升

風場風資源條件的變化，決定了機組載荷和機組高度的變化。塔筒作為風電機組的支撐結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)的承載能力必然要隨著載荷的變化而變化。

2.1 影響混凝土塔筒承載能力的因素

風電機組載荷沿塔筒高度的分布如圖1 所示，塔筒載荷從塔頂?shù)剿字饾u變大，根據(jù)等強度設(shè)計的要求，材料的分布應(yīng)與載荷的分布一致，即從塔頂?shù)剿撞牧现饾u增多。因此風機塔筒結(jié)構(gòu)多設(shè)計為錐狀，如圖2 所示。

圖1 彎矩載荷沿塔筒高度的變化Fig.1 Distribution of bending moment load along tower height

圖2 塔筒結(jié)構(gòu)形式Fig.2 Structural form of concrete tower

各種橫截面的抗彎截面系數(shù)與面積之比，圓形最?。?］，因此混凝土塔筒典型的橫截面為圓環(huán)形。

圓環(huán)的抗彎截面系數(shù)W為：

式中：D為塔筒橫截面外徑；d為塔筒橫截面內(nèi)徑。

塔筒的主要載荷為橫截面上的彎矩，環(huán)形截面在彎矩作用下的應(yīng)力為：

式中：M為塔筒橫截面上的彎矩。

根據(jù)設(shè)計規(guī)范，塔筒受到的應(yīng)力應(yīng)小于其材料的許用應(yīng)力。

塔筒結(jié)構(gòu)底部受基礎(chǔ)約束可以近似看作固結(jié)，而其頂部則為自由端，因而其頂部變形可參照懸臂梁的撓度公式進行計算：

式中：l為塔筒高度；E為彈性模量；I為截面慣性矩；F為橫向集中載荷。

因此影響塔筒承載能力的參數(shù)有外徑、壁厚、彈性模量。另外，材料強度也是影響塔筒承載能力的一個重要因素。

2.2 混凝土塔筒承載能力的提升措施

鋼塔筒由于其彈性模量基本固定，只能依靠改變橫截面尺寸來改變承載能力。對于混凝土塔筒，隨著混凝土材料強度的變化，混凝土的彈性模量也隨之變化。國家標準《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》［2］中給出了不同強度等級混凝土的彈性模量、抗壓強度設(shè)計值、抗拉強度設(shè)計值?！讹L電機組混凝土-鋼混合塔筒設(shè)計規(guī)范》［3］規(guī)定預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的強度等級不低于C40，因此在表1 列出了C40 以上混凝土的彈性模量、抗壓強度、抗拉強度相鄰等級的比例。

表1 混凝土相鄰各級比例關(guān)系Tab.1 Proportional relationship of adjacent levels of concrete

在模具不變的情況下，改變混凝土強度等級，可以改變混凝土的彈性模量、抗壓強度，從而提升塔筒的承載能力。若混凝土等級僅提升一級，則抗壓強度最多提升10%。若混凝土等級提升兩級，則承載能力僅可提升20%。若提升更多等級，則意味著初始設(shè)計的塔筒土方量過大，不是最經(jīng)濟的設(shè)計方案。因此從優(yōu)化設(shè)計的角度看，僅提升混凝土強度等級，方法單一，提升承載能力有限。

混塔承載能力的提升取決于外徑、壁厚、材料強度等級等多個變量，只有綜合考慮，才可以最大化提升承載能力。因此，若同時改變塔筒橫截面尺寸，則可以更有效率地提升混塔承載能力。在載荷一定時，橫截面尺寸和強度等級合理的匹配才可以得到體積最小的混凝土塔筒。文獻［4～5］等基于遺傳算法在混塔優(yōu)化設(shè)計方面做了相關(guān)工作，均考慮了外徑、壁厚等變量的影響。

2.3 可變壁厚混塔模具

現(xiàn)有的混塔環(huán)片多為C形結(jié)構(gòu)形式，環(huán)片的模具亦要做成C形結(jié)構(gòu)［6］，如圖3 所示，其主要由上模、底模、內(nèi)模、外模和墻模組成。模具一旦設(shè)計成型，圓錐曲率隨即固定，內(nèi)、外模距離決定的壁厚亦固定，因此一種模具只能生產(chǎn)一種塔筒。機組載荷變化，塔筒結(jié)構(gòu)隨之變化，此時只能重新設(shè)計模具。由于模具的設(shè)計和生產(chǎn)周期均較長，極大增加了塔筒的成本和工期。

圖3 C 形模具結(jié)構(gòu)Fig.3 C-shaped mold structure

同心圓環(huán)在外徑不變時，隨著內(nèi)徑變化，可以使其壁厚變化。環(huán)形圓錐體內(nèi)外環(huán)沿軸線上下移動，在同一高度的橫截面上產(chǎn)生壁厚不同的圓環(huán)。

本文提出了一種可變壁厚的混凝土塔筒模具，通過上下滑動內(nèi)模和外模，從而改變塔筒壁厚。當將較低處內(nèi)模與較高處的外模進行匹配時，則可以將混凝土環(huán)片厚度變??；反之，當將較高處內(nèi)模與較低處的外模進行匹配時，則可以將混凝土環(huán)片厚度變厚。如圖4 所示。另外，調(diào)整上下模板位置，可以調(diào)整塔筒外徑。

圖4 混塔模具Fig.4 Concrete tower mold

可變壁厚的混凝土塔筒模具由外模、內(nèi)模和端模組成。內(nèi)模組裝于外模內(nèi)，其與外模之間的距離即為環(huán)片的厚度，調(diào)整外模與內(nèi)模在塔筒高度方向上的重疊尺寸，使外模與內(nèi)模在塔筒高度方向上錯開設(shè)置，然后在內(nèi)模和外模的端部安裝好端模，這樣就可以調(diào)整環(huán)片的厚度。

以混塔底部外直徑為8.5m 的結(jié)構(gòu)為例，以30mm或60mm為單位調(diào)整混塔筒壁壁厚，針對不同強度等級所形成的矩陣式混塔承載能力適配范圍如表2 所示。

表2 截面抗彎承載能力（單位：104kN·m）Tab.2 Bending capacity of cross section（unit：104kN·m）

根據(jù)表2 可以看出，壁厚270mm 通過提高強度等級（從C70 到C100）可使得截面抗彎承載能力提高1.12 倍，而通過增加壁厚的設(shè)置可以提高截面抗彎承載能力到1.22 倍，較原有固定壁厚的設(shè)置提升承載能力8.3%。同一套模具可以生產(chǎn)不同外徑、壁厚的混凝土塔筒環(huán)片，一方面使得混塔模具的適用范圍增大，可以長周期適配更多的主機機型完成固定成本攤耗以降低模具使用成本，另一方面，由于模具規(guī)格少，易于實現(xiàn)批量化生產(chǎn)，標準化管控，可以在不同主機品牌的要求下實現(xiàn)相對精準適配。因此，通過使用可變壁厚的混凝土塔筒模具，混凝土塔筒可以在壁厚、強度等級兩個維度來提升混塔的承載能力，使得混塔更具綜合競爭力。

3 混塔的模塊化設(shè)計

混凝土-鋼混合塔筒包含混凝土段和鋼塔段，其中混凝土段結(jié)構(gòu)的外形可采用外徑對齊的單錐度的錐筒，亦可采用變錐度的錐筒與直筒相結(jié)合的形式。

受到運輸尺寸和重量的限制，混凝土段沿高度方向由若干個筒節(jié)組成，每個筒節(jié)又可分為整環(huán)或由2 環(huán)片、4 環(huán)片組合而成一整環(huán)，如圖5所示。每個環(huán)片的壁厚和外徑由其截面上的所承受的載荷確定。

圖5 混塔模塊化設(shè)計Fig.5 Modular design of concrete tower

基于可變壁厚的混凝土塔筒模具，可以進行混凝土塔筒的模塊化設(shè)計。首先根據(jù)整機廠家的產(chǎn)品路線，以及市場發(fā)展趨勢，可將塔筒高度分成120m、140m、160m和180m等若干檔，將塔筒的底部極限彎矩分成15 萬kN·m、20 萬kN·m、30 萬kN·m、40 萬kN·m等若干級。然后根據(jù)當前主流的塔筒高度和底部彎矩，設(shè)計出相應(yīng)的混凝土塔筒，并以此塔筒的環(huán)片厚度作為基準來設(shè)計可變壁厚的混凝土塔筒模具。當塔筒的高度或者底部彎矩變化時，此時設(shè)計的混凝土塔筒應(yīng)符合以下原則：

（1）盡可能多地采用與基準環(huán)片相同壁厚和強度等級的環(huán)片；

（2）當無法滿足原則（1）時，則保持環(huán)片的厚度不變，改變混凝土的強度等級；

（3）當無法滿足原則（1）～（2）時，則應(yīng)使該厚度的環(huán)片可以使用可變壁厚的混塔模具來生產(chǎn)；

（4）當無法滿足原則（1）～（3）時，則需要生產(chǎn)滿足新環(huán)片尺寸的模具。

這樣，若干檔高度與若干級載荷所組合而成的混凝土塔筒，可由一套標準的可變壁厚的混塔模具和少量的非通用模具完成生產(chǎn)，從而實現(xiàn)模塊化設(shè)計，標準化生產(chǎn)，既提高了模具的適配性，又降低了環(huán)片的制造成本，同時也加快了混塔設(shè)計與制造的進度。

4 結(jié)語

風電機組不同的輪轂高度和載荷，需要不同的塔筒去匹配。對于每個特定的塔筒，需要一組特定外徑、壁厚和強度等級環(huán)片去匹配，以實現(xiàn)其混凝土土方量最小化?？勺儽诤衲＞叩膽?yīng)用在不增加模具費用的情況下，實現(xiàn)了塔筒外徑、壁厚和材料強度等級隨載荷的變化而變化，提升了混塔的經(jīng)濟性和競爭力。

基于可調(diào)壁厚模具而設(shè)計的模塊化混塔為風電機組的大型化和風電塔筒的標準化打下堅實基礎(chǔ)，有利于傳統(tǒng)基建行業(yè)的過剩產(chǎn)能向新能源行業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展，從而為實現(xiàn)“3060 雙碳目標”提供兼具經(jīng)濟性和實用性的產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向。