齐凯
[摘 要]随着当今经济的高速发展，人们的生活水平也随之提高，然而在生活水平改善的同时能源却在不知不觉中减少。风能作为一种取之不尽、用之不竭的可再生新兴能源，毫无疑问是国内外首推的可再生替代能源。作为最为清洁的能源之一，风电也是可再生能源中最具竞争力的能源之一，也被广泛认为是最有发展前途的能源，因此，风力发电是一项值得研究的项目。然而风力发电机组是风力发电必不可少的装配，其主要支撑装配是塔架，确保其安全可靠自然也就成了重中之重。
[关键词]风荷载；脉动风；索塔式塔架；优化设计
中图分类号：TM614 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）02-0218-01
人类的生存和社会的进步的首要条件是要有足够的能源和良好的环境，这是基础，必不可少的条件。然而，随着时代的不断进步，人类也逐渐面临着这飞速发展带来的后患。能源枯竭，环境恶化给人类带来了历史上莫大的危机感，能源和环境问题才再次引起了人们的关注。为了在能满足资源开发的同时更好的维护环境，人类调动一切力量开发清洁的且可再生的新兴能源。新兴能源是可再生的、能循环利用的、能够起到比较好的环境保护作用的能源，太阳能、风能、海洋能和核能等也都囊括其中。由于水力发电对流域生态环境有所影响，核能不妥善使用对环境和人类带来的破坏，以及太阳能发电受技术限制而未能实现规模化，因此风能作为可再生、储量大、分布广、成本低廉且清洁的能源，广受各国的重视。伴随着风电机组的不断变化发展，锥台形塔筒被当前国际风电市场所广泛采用，但是其价格高昂且运输不方便等难题也逐渐浮暴露在外，因此探求新型塔架结构也就必须提上日程。
一、 模拟风荷载
风荷载顾名思义就是塔架设计以掌握荷载不超出额定范围，由于风力发电塔架是高高直立的，风荷载的精确无误的计算就显得分外重要。风是空气从气压高的地方流向气压低的地方而产生的。根据对大量风的实际测量资料分析可以了解到，通常把风归为脉动风和平均风这两类。脉动风是由风的随机性引起的，因为其周期比较短的原因，其作用本质是属于动力的。然而，平均风则是由于风的长周期通常远远大于结构的自振周期【1】，虽然是在固定的时间间隔之内，把风对结构的作用力转化为不因时间而发生变化的量，但它的作用也仅与静力的作用相类似，换言之，它的作用性质等同于静力。根据利用线性滤波法对脉动风进行模拟反复实验所获得的数据表明，风速出现了波动性和随机性。模拟剖析相同静力荷载作用下对风力发电塔架的应力和位移所产生的影响即拟静力分析，通过该分析得到的数据表明：塔架的脉动在脉动风作用下很容易发现有增大的趋势，暴风工况下塔顶位移也有超出了风电塔结构的位移限定范围的趋势。风振响应跟风速成正比，塔架的风振响应随风速的增大而不断增大。
二、设计索塔式风力发电塔架
索塔式风力发电塔架是一种预应力组合结构，是由拉索和塔筒所组合而成的，也有着与传统单管塔大不相同的受力特征。索塔式风电塔架用拉索的轴向拉伸抵抗外荷载，最大限度的降低塔身的弯矩以达到使用拉索的抗拉强度最大化的目的。从力系平衡来看，大量数据表明塔架拉索和塔筒的衔接处以下塔筒弯曲程度减小，从而降低塔筒的筒壁厚度和半径长度，大大节约了塔架的制作和运送器材的费用。从稳定性方面考虑，针对索塔式风力发电塔开展了详细的策划和设计，相关计算数据说明，拉索与塔筒的衔接处相对于地平面的高度为2892cm、拉索与地平面所形成的角度为35.3°、拉索初张力为198KN时，该风力发电塔的稳定性达到最高值【2】。从静力特性方面来看，拉索静力等效刚度与初张力成正比，并且与拉索线性刚度十分接近。综合以上分析得出，向地面倾斜拉索不仅在提高塔架刚度有显著的作用，并且在降低塔顶位移和塔架下段的应力以及提高塔架稳定性等方面都有良好的效果，因此，该塔架将会有广大的市场和良好的销路。
三、 优化设计索塔式风力发电塔架
为了使索塔式塔架在能够满足正常运作的条件下，最尽可能的减少各方面的费用，因此改良塔架一事刻不容缓。利用一系列的优化措施对索塔式发电塔架做进一步改良设计，经优化后的塔架在保证刚度和稳定性全都符合标准的前提下，把塔架强度利用率增加了38%，充分利用材料，将塔底直径从原来的400cm降低至360cm，从而用钢量也减少了13%，混凝土用量也减少了一半左右，总体造价随之减少了两成【3】。索塔式风力发电塔架经过优化设计之后，具备了刚度大、承重力合理、合理利用材料等一系列优势。
四、结束语
对于索塔式风力发电塔架的设计而言，拉索初张力越大相应产生的有利力矩就会随之增长。从该塔架的强度、刚度以及稳定性等方面来看，塔筒应力从上往下呈现出先减小再增大的趋势，在塔筒和拉索衔接处应力的值达到顶峰，塔筒位移沿高度增加而不断增加，在拉索节点以下位移增大的速度会随之减慢，反之加快。经过优化改良设计，索塔式风力发电塔架解决了以往塔架运输困难的问题，具有良好的前景。
参考文献
[1] 刘香，王志生，侯敏乐等.索塔式风力发电机塔架优化设计[J].内蒙古科技大学学报，2014，33（1）：74-78
[2] 王民浩，陈观福.我国风力发电机组地基基础设计[J].水力发电，2008，34（11）：88-91
[3] 姜顺先，王存堂，于浩源等.格构式钢管混凝土风力发电塔架设计[J].辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2012，（2）：202-205
