風(fēng)電機組的塔架支撐機艙和葉輪, 是風(fēng)電機組的骨架，它為葉輪提供所必須的高度，既承擔(dān)風(fēng)電機組的全部重量，又直接影響風(fēng)電機組的工作可靠性和性能。因此了解風(fēng)電機組塔架在工作時的應(yīng)力、位移和振型是塔架設(shè)計的關(guān)鍵問題。近年來，隨著風(fēng)電機組單機容量逐漸增大，塔頂葉輪和機艙的重量也逐漸增大，這就要求塔架的結(jié)構(gòu)尺寸和重量也越來越大。現(xiàn)在主流的鋼結(jié)構(gòu)塔架不僅用鋼量大，在施工方面也相當困難。因此，一些研究人員開始把精力投放在鋼筋混凝土塔架上。
中國是地震多發(fā)國家之一，而且眾多風(fēng)電場分布在地震高烈度區(qū)。風(fēng)電機組的葉輪葉片位于塔筒頂部，剛度較小，在地震力作用下易產(chǎn)生端部的“鞭梢效應(yīng)”，不利于葉片安全運行，而塔架頂部支撐機艙和葉輪，結(jié)構(gòu)上頭重腳輕，也不利于抗震。因此在風(fēng)電機組結(jié)構(gòu)安全設(shè)計時，考慮地震作用的影響至關(guān)重要。
近年來，不少研究人員研究了風(fēng)電機組塔筒的動力特性。棚邉隆進行了 600kW 大型風(fēng)力發(fā)電設(shè)施的運轉(zhuǎn)振動與地震作用的組合荷載的動力分析。祝磊用SAP2000 計算了停機狀態(tài)下7 臺風(fēng)電機組的地震反應(yīng)譜響應(yīng)，提出了鋼筒塔架的剪力和彎矩計算公式，并研究了葉片的彎矩分布規(guī)律。張斌用ANSYS 建立了某1MW 風(fēng)電機組鋼塔筒模型，研究了其抗風(fēng)、抗震特性。余長海建立了某1.25MW 風(fēng)電機組的ANSYS 有限元模型，研究了鋼筒和鋼筋混凝土筒的動力特性及風(fēng)荷載下的靜、動態(tài)反應(yīng)。賀廣零考慮鋼筒和鋼筋混凝土筒兩種塔架形式，用ANSYS 建立了某1.25MW風(fēng)電機組的有限元模型，并分別計算了風(fēng)、地震作用下的動力響應(yīng)。畢繼紅設(shè)計了某2MW 風(fēng)電機組預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土塔筒，并用ANSYS 分析其地震響應(yīng)。
目前，大部分研究都集中在風(fēng)電機組鋼制塔筒，對混凝土塔筒的研究還很有限。本文建立風(fēng)電機組混凝土塔筒有限元模型，進行模態(tài)分析，并按照中國抗震規(guī)范中的標準設(shè)計地震反應(yīng)譜，選擇某一特定的設(shè)計分組以及設(shè)防烈度，進行地震反應(yīng)譜分析。
模型建立
本文分別選取鋼筋混凝土塔筒底部外徑6m、7m、8m、9m、10m、11m，壁厚從200mm -600mm 每100mm 一個間隔的塔筒形式，總共分析了30 種規(guī)格。鋼筋混凝土塔高100m，外徑從下到上按0.02 的坡度逐漸減小，筒壁采用強度等級C30 混凝土，彈性模量為3.0×104MPa，質(zhì)量密度為2410kg/m3;鋼筋采用HRB400 級，彈性模量為200GPa。運用ANSYS 有限元軟件建立模型，參照某大型風(fēng)電機組參數(shù)，把葉輪和機艙簡化成一個550t 的集中質(zhì)量，采用mass21 單元加在塔筒頂部;塔筒采用beam189單元模擬變截面，《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》6.2.2 規(guī)定計算結(jié)構(gòu)自振特性時，混凝土高聳結(jié)構(gòu)的截面剛度取0.85EcI，因此ANSYS 建模時混凝土的彈性模量取0.85Ec，材料彈性模量E=2.55×104MPa, 泊松比為0.167，材料密度為2410kg/m3;塔筒與地面剛接。定義沿塔筒高度方向為Z 軸正方向，塔筒橫截面方向分別為X 軸和Y 軸。以塔筒外徑7m，壁厚200mm 為例，有限元模型如圖1 所示。
