塔架静动态特性影响因素分析

在静动态特征的考虑因素中，拉索结构的塔架重量较轻，而筒式塔架则重得多。图7-23所示为不同形式塔架自身质量和刚性的对比。钢结构塔架虽重量大，但基础结构简单，占地少，安装和基础费用不是很高。拉索式结构重量轻，运输方便，但安装和基础费用要高一些。

图7-23　不同塔架自身质量和刚性的对比

中小型风力发电机组的塔架多采用钢材料。由于大型机塔架运输困难，混凝土结构可在安装地施工，因而大型风力机也有采用混凝土结构塔架的。

由于塔架承受的弯矩由上至下增加，因此塔架横截面积自下而上逐渐减小，以减小塔架自身的质量。

风轮转动引起塔架受迫振动的模态非常复杂。由叶轮转子残余的旋转不平衡质量造成塔架以转速n为频率的振动；由于塔影、不对称空气来流、风剪切、尾流等造成频率为zn的振动。塔架的一阶固有频率与受迫振动频率n、zn值的差别必须超过这些值的20%，以避免共振，以及高次共振。

风轮、变速箱等几种设备和塔架构成系统，并且机舱集中质量又处于塔架顶端，因而它对系统固有频率的影响很大。如果塔架—机舱系统的固有频率大于zn，则该系统称为刚性塔；介于n与zn之间的称为半刚性塔；系统固有频率低于n的为柔塔。塔架的刚性越大，重量和成本也就越高。目前，大型风力机多采用半刚性塔和柔塔。

恒定转速的风力机设计必须保证塔架—机舱系统固有频率的取值在转速激励的受迫振动频率之外。变转速风轮可在较大转速变化范围内输出功率，但不容许在系统自振频率的共振区长期运行，转速应尽快穿过共振区。对于刚性塔架，在风轮发生超速现象时，转速的叶片数倍频下的冲击也不得产生对塔架的激励共振。

当叶片与轮毂之间采用非刚性连接时，对塔架振动的影响可以减小。尤其在叶片与轮毂采用铰链连接或风轮叶片能在旋转平面前后5°范围内摆动时，取这样的结构设计能减轻由阵风或风的切变在风轮轴和塔架上引起的振动疲劳，但缺点是构造复杂。

考虑塔架自身的均布质量和位于塔顶的风力发电机组机舱集中质量m，此圆柱塔架系统的固有频率f为

式中 g——重力加速度，9.81m／s2；(www.xing528.com)

y——假定塔架水平放置、底部固定，塔架自身均匀分布的质量与风轮、机舱

集中质量m在重力场作用下引起梁顶端的弯曲挠度，如图7-24所示。

图7-24　均布质量、机头质量影响下横置塔架的弯曲挠度

梁顶端的弯曲挠度y为

梁的完全变形形状也是它在一阶固有频率下的振动。圆形管横截面上的惯性矩Jx为

式中 d、D——管内、外径，m。

钢的弹性模量E=2.1×1011 N／m2。

对于塔架刚度、分布质量沿其高度的变化的系统，其固有频率可运用有限元数值方法计算求得。

风轮、机舱、塔架组成的风力发电机组还包含了叶片的变桨距装置和对风装置等，系统可作为一个弹性体来看待。该弹性系统的动态特性问题，在设计中必须认真予以考虑。