文 倩 李建平

（長沙理工大學(xué)，湖南 長沙 410114）

0 引言

近年來，為推動實現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)，我國大力發(fā)展綠色低碳能源，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)得到快速發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電設(shè)備更是得到廣泛的應(yīng)用［1］。我國傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)形式多為插環(huán)式，基礎(chǔ)環(huán)內(nèi)嵌于基礎(chǔ)混凝土中，并承受來自上部結(jié)構(gòu)的荷載，因基礎(chǔ)環(huán)與混凝土間的材料性能差異較大［2-3］，當(dāng)基礎(chǔ)承受極端荷載時，混凝土與基礎(chǔ)環(huán)間的黏結(jié)力喪失，導(dǎo)致基礎(chǔ)環(huán)法蘭處的混凝土應(yīng)力集中［4-6］，發(fā)生剪切破壞，且風(fēng)機(jī)常年經(jīng)受外部風(fēng)荷載的反復(fù)作用［7］，容易給基礎(chǔ)混凝土帶來不可逆轉(zhuǎn)的疲勞損傷［8］，且損傷部位在基礎(chǔ)內(nèi)部，不易被察覺。作為風(fēng)機(jī)的主要受力部件，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)必須要有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。因此，以風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)為研究對象，研究不同運行風(fēng)速對風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)混凝土受力的影響，為風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

1 風(fēng)機(jī)荷載計算

1.1 工程概況

選取裝機(jī)容量為2.0 MW的直驅(qū)式（無齒輪）風(fēng)力發(fā)電機(jī)為研究對象，風(fēng)電場所在區(qū)域以山地為主，海拔高度為900～1 550 m，地勢起伏較大，年平均風(fēng)速為7.5 m∕s，風(fēng)能資源豐富。輪轂高度為80 m，當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速（10.5 m∕s）時，風(fēng)機(jī)輪轂轉(zhuǎn)速也達(dá)到額定值16.83 r∕min。

風(fēng)機(jī)正常運行時，風(fēng)機(jī)葉片將作用在其掃掠面積上的氣動荷載傳遞給塔頂，將葉片和輪轂重量對風(fēng)機(jī)塔筒產(chǎn)生的作用簡化為豎向的荷載，除塔筒頂端受到由葉片和機(jī)艙傳來的力和力矩作用外，塔身也受到橫向風(fēng)荷載的壓力及塔筒自重。

模擬風(fēng)機(jī)在脈動風(fēng)荷載作用下的運行，采用諧波合成法在Matlab中模擬現(xiàn)實中的脈動風(fēng)。

1.2 塔頂水平氣動荷載計算

根據(jù)葉素-動量理論，風(fēng)機(jī)在運行風(fēng)速工況時，作用在塔架頂部的氣動推力見式（1）。

式中：A為風(fēng)輪掃掠面積，風(fēng)機(jī)葉片直徑為95.8 m，故掃風(fēng)面積A為7 208 m2；ρ為空氣密度，取值1.205 kg∕m3；υ為風(fēng)機(jī)在正常運行時對應(yīng)的速度；CF為2 MW風(fēng)機(jī)的推力系數(shù)。

根據(jù)式（1）計算塔頂所受風(fēng)速為3.0～25.0 m∕s時，風(fēng)機(jī)塔頂受到的氣動力FXH與風(fēng)電機(jī)組的功率隨風(fēng)速變化曲線如圖1 所示。當(dāng)風(fēng)速超過風(fēng)機(jī)運行的額定風(fēng)速（10.5 m∕s）時，風(fēng)機(jī)達(dá)到額定功率2 MW，此后風(fēng)機(jī)功率不會隨風(fēng)速的增大而增大。當(dāng)風(fēng)速為3.0～12.0 m∕s 時，推動力隨風(fēng)速的增大而增大，達(dá)到風(fēng)機(jī)額定功率附近時，推動力達(dá)到最大，超過額定風(fēng)速后，推動力隨風(fēng)速的增大而減小，即風(fēng)速達(dá)到12 m∕s 時，此時風(fēng)機(jī)塔筒頂部的氣動力達(dá)到最大（371 408.02 N）。

圖1 機(jī)組功率、推動力隨風(fēng)速變化曲線

1.3 塔身風(fēng)荷載計算

當(dāng)風(fēng)速時程確定時，根據(jù)Davenport 水平脈動風(fēng)速譜模擬出的脈動風(fēng)，與規(guī)范中等效靜力計算方法有3 個不同之處。①在瞬時風(fēng)速的作用下，本身就考慮了順向風(fēng)對塔筒結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的振動響應(yīng)，故不用再乘以風(fēng)振系數(shù)βz。②不同高度塔筒所對應(yīng)的風(fēng)速可根據(jù)風(fēng)荷載沿高度變化曲線（即風(fēng)剖面）確定時程風(fēng)速，故不用再乘以風(fēng)壓高度變化系數(shù)μz。③塔筒各段所受的風(fēng)壓可由風(fēng)速經(jīng)伯努利理論計算得到。

風(fēng)機(jī)塔筒高度為80 m、底部直徑為4.4 m。將塔筒按高度分成8個段，5 m到15 m為一段，15 m到25 m 為一段，以此類推，最后75 m 到80 m 為一段，忽略0～5 m 這段塔身所受到的風(fēng)載，將作用在每段塔身的荷載簡化為作用在該段的中點處。在平均風(fēng)和脈動風(fēng)的作用下會產(chǎn)生振動，塔身風(fēng)荷載按段計算見式（2）。

式中：Fi為風(fēng)機(jī)塔筒各段所受風(fēng)荷載；vt為z高度處的脈動風(fēng)速；hi為塔筒各段高度；di風(fēng)機(jī)塔筒各段中點直徑；z為各段中點高度；μs為風(fēng)荷載體型系數(shù)，圓截面整體計算時，體型系數(shù)取0.7；zhub為風(fēng)機(jī)輪轂高度為輪轂高度處的標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速；α為地面粗糙程度，B類取值0.16。

2 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)數(shù)值模擬

風(fēng)機(jī)塔筒尺寸和壁厚如圖2所示。風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)形式為常見的重力式基礎(chǔ)，風(fēng)機(jī)上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)通過基礎(chǔ)環(huán)連接，基礎(chǔ)為C40強(qiáng)度的混凝土大圓盤，基礎(chǔ)鋼環(huán)為Q345E鋼材料，具體尺寸見基礎(chǔ)剖面圖，如圖3所示。

圖2 風(fēng)機(jī)塔筒尺寸和壁厚尺寸（單位：m）

圖3 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)剖面圖（單位：m）

為方便建模分析，在不影響結(jié)構(gòu)自身動力特性的前提下，對塔筒結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行簡化［9］。①不考慮塔筒法蘭上螺栓及塔筒內(nèi)部附屬結(jié)構(gòu)的影響，相鄰兩節(jié)塔筒間采用綁定（tie）約束將接觸面連接在一起，將三段塔筒視為一個整體。②不考慮基礎(chǔ)及門洞的影響，風(fēng)機(jī)塔筒底部簡化為剛接在地基上的空間懸臂梁結(jié)構(gòu)。塔筒底部施加固端約束，塔筒頂部為自由約束。③由于機(jī)艙、葉片等結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，將塔筒頂部的機(jī)艙和葉輪簡化成一個集中質(zhì)量的方塊，作用在塔筒頂部。簡化后的風(fēng)機(jī)塔筒-基礎(chǔ)模型如圖4所示。

圖4 風(fēng)機(jī)塔筒-基礎(chǔ)模型

3 不同風(fēng)速工況下基礎(chǔ)應(yīng)力變化情況

3.1 荷載工況的確定

本研究選取的平均風(fēng)速為4.0 m∕s、6.0 m∕s、8.0 m∕s、10.0 m∕s、12.0 m∕s，對這5 種風(fēng)速下荷載工況的有限元模型進(jìn)行計算，研究風(fēng)速大小對基礎(chǔ)混凝土應(yīng)力的影響。

3.2 基礎(chǔ)應(yīng)力變化情況

基礎(chǔ)主要受到x軸負(fù)方向的水平力、y軸負(fù)方向的自重荷載及xy平面內(nèi)的彎矩作用，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)在運行時向受力方向傾斜，即向x軸負(fù)方向傾斜，x軸正方向為基礎(chǔ)上抬側(cè)、x軸負(fù)方向為基礎(chǔ)下沉側(cè)。

為分析風(fēng)速對基礎(chǔ)混凝土的影響，將混凝土拉、壓應(yīng)力隨風(fēng)速變化情況轉(zhuǎn)化為折線圖，如圖5、圖6 所示。由圖可知，混凝土拉應(yīng)力值容易超出限值，隨著風(fēng)速的增大，混凝土拉應(yīng)力也隨之增大。當(dāng)風(fēng)速為6.0～8.0 m∕s 時，增長較為平緩；當(dāng)風(fēng)速接近風(fēng)機(jī)額定風(fēng)速（10.5 m∕s）時，混凝土拉應(yīng)力增長較快；當(dāng)風(fēng)速為12.0 m∕s 時，混凝土拉應(yīng)力值接近C40混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（2.39 MPa）?；炷翂簯?yīng)力隨風(fēng)速的增大整體呈增長趨勢，當(dāng)風(fēng)速超過8.0 m∕s 時，增長速度較快，但混凝土壓應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料限值，具有較好的強(qiáng)度儲備。

圖5 混凝土拉應(yīng)力隨風(fēng)速變化情況

圖6 混凝土壓應(yīng)力隨風(fēng)速變化情況

風(fēng)速為12.0 m∕s 時，有限元模型計算的混凝土拉應(yīng)力、混凝土壓應(yīng)力云圖如圖7、圖8 所示。由圖可知，拉應(yīng)力發(fā)生在基礎(chǔ)環(huán)下法蘭下沉側(cè)，基礎(chǔ)上抬側(cè)小部分有損傷，基礎(chǔ)環(huán)下法蘭下沉側(cè)出現(xiàn)最大拉應(yīng)力，一旦超過受拉限值，混凝土將出現(xiàn)受拉破壞。最大壓應(yīng)力發(fā)生在基礎(chǔ)環(huán)下法蘭上抬側(cè)，基礎(chǔ)環(huán)下法蘭上抬側(cè)混凝土出現(xiàn)損傷，產(chǎn)生最大壓應(yīng)力，由此可知，基礎(chǔ)混凝土抗壓強(qiáng)度儲備大于抗拉儲備?；A(chǔ)環(huán)下法蘭周邊混凝土容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，這與實際工程該部位發(fā)生疲勞損傷相符。

圖7 12.0 m∕s混凝土最大拉應(yīng)力云圖（單位：Pa）

圖8 12.0 m∕s混凝土最大壓應(yīng)力云圖（單位：Pa）

4 結(jié)論

本研究根據(jù)葉素-動量理論，對不同風(fēng)速下風(fēng)機(jī)所受荷載進(jìn)行計算，研究不同風(fēng)速對風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)應(yīng)力的影響，得到以下結(jié)論。

①當(dāng)風(fēng)速低于12.0 m∕s 時，推動力隨風(fēng)速的增大而增大，到風(fēng)機(jī)額定功率附近時，推動力達(dá)到最大（371 408.02 N）。超過12.0 m∕s后，推動力隨風(fēng)速的增大而減小。

②隨著風(fēng)速的增大，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)應(yīng)力整體趨勢是隨之增大，當(dāng)風(fēng)速為6.0～8.0 m∕s 時，變化較為平緩；當(dāng)風(fēng)速接近風(fēng)機(jī)額定風(fēng)速（12.0 m∕s）時，混凝土拉應(yīng)力值與基礎(chǔ)環(huán)水平度接近相關(guān)設(shè)計規(guī)范規(guī)定的限值。

③基礎(chǔ)環(huán)下法蘭下沉側(cè)和上抬側(cè)混凝土容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，容易超出受拉限值，發(fā)生受拉損傷，與實際該部位發(fā)生損傷相符。