浅谈我国风力发电机组基础设计

摘要：我国风能资源丰富,近几年风力发电事业得到了长足发展,但我国机组设备制造、发电量预测和风机基础设计等一系列技术问题还有待于进一步完善。纵观我国风机基础设计的发展历程,剖析几例风机基础质量事故,结合我国第一部风机基础设计规范及其配套设计软件,对基础设计及其热点问题进行了分析,并针对风机基础设计与施工中存在的问题提出了建议,以期为我国风机基础设计者提供有益的参考。

关键词：基础设计结构

中图分类号：S611文献标识码： A

由于风力发电机组轮毂高度大（一般在50m以上）、顶部质量大、正常运行和极端风速情况承受的水平荷载大、机组正常运行时对倾斜控制严格、基础承受360°方向重复荷载和大偏心受力、基础的荷载重分布性低、风资源丰富的荒漠戈壁滩水文、地质条件复杂等特点，所以就要求我们每一个设计人员，应根据具体情况，灵活运用规范，做好风力发电机基础设计。

一.风力发电机类型

国内外风力机的结构形式繁多，从不同的角度有多种分类方法。

按风轮轴与地面的相对位置，分为水平轴式风力机和垂直轴(立轴)式风力机。

按叶片工作原理，分为升力型风力机和阻力型风力机。

按风力机的用途分类，有风力发电机、风力提水机、风力铡草机、风力脱谷机等。

按风轮叶片的叶尖线速度与吹来的风速之比的大小来分，有高速风力机(比值大3)和低速风力机(比值小3)；也有把该比值2～5者称为中速风力机。

按风力机容量大小分类：国际上通常将风力机组分为小型(100 kW 以下)、中型(100~1000kW)和大型(1 000 kW 以上)3种；我国则分成微型(1 kW2.1 以下)、小型(1～10 kW)、中型(10~100 kW)和大型(100 kW 以上)4种；也有的将l000kW 以上的风机称为巨型风力机。

按风轮相对于塔架的位置，分为上风式(前置式)风力机和下风式(后置式)风力机。

按风轮的叶片数量，分单叶片、双叶片、三叶片、四叶片及多叶片式风力机。现在各国应用较多的是水平轴、升力型和少叶式的风力发电机(多数为2―3个叶片) 风力机翼型的概念

二．风力发电机组结构

风力机发电机从结构上可分为两类：水平轴风力机和垂直轴风力机。水平轴风力发电机的叶片安装在水平轴上，叶片接受风能转动去驱动发电机；垂直轴风力机发电机组的风轮轴是垂直布置的。整机是建立在钢结构底座上，该结构应具有很大的强韧度，底部由坚固法

兰组成，风电机组所有的主要部件都链接于其上。发电机固定位置与机舱轴线偏离，以使风电机组在满载运行时，整机质心与塔架和基础中心相一致。偏航机构直接安装在机舱底部，机舱通过偏航轴承与偏航机构连接，并安装在塔架上，真个机舱底部对叶轮转子到塔架造成的动力负载和疲劳负荷有很强的吸收作用。

三．风机基础设计分析

3.1 关于基础类型的分析

设计规定考虑了方形扩展基础和方形承台桩基础。考虑到风机基础承受360°方向重复荷载以及不同的设计习惯，配套设计软件在借鉴化高塔、烟囱、高耸结构等基础设计规范的基础上，除了方形基础外，还扩充了圆形、八边形扩展基础以及圆形和八边形承台桩基础的设计方法和设计软件，拓宽了风机基础的适应性。

3.2 关于基础设计的步骤

3.2.1 扩展基础

对于扩展基础，设计步骤可分为三大步：第一步，根据风机单机容量、轮毂高度、扫掠面积、风速、荷载大小和地基情况，参考类似经验，初步拟定基础埋深、底板尺寸和高度等。设计规定在一般构造要求中也提出了相应的要求。第二步，根据设计规定[1]和风机承受的荷载等相关资料，分别计算基础基底反力、基础沉降和倾斜率、基础整体稳定性、基底脱开面积等，分别复核地基承载力是否满足要求、沉降和倾斜率是否满足规范和厂商要求、整体稳定性和基底脱开面积比是否满足规范要求。如果四个条件同时满足要求，则说明拟定的基础底板尺寸合适，可进行下一步计算；如果四个条件不能同时满足要求，则需回到第一步，调整基础外型尺寸。第三步，初选钢筋直径，进行截面抗弯计算，抗剪、抗冲切和疲劳强度验算，如果同时满足要求，则底板高度的拟定合适，否则，回到第一步，调整包括底板高度在内的外型尺寸，直至满足第二步和第三步的有关要求。外型尺寸确定后，根据裂缝宽度验算结果、构造要求等确定配筋布置；如果设有台柱，还需对台柱进行配筋计算和强度验算；对穿越法兰筒和基础环底部的局部配筋进行验算。然后，计算基础的混凝土用量和钢筋用量。

3.2.2 桩基础

与扩展基础类似，桩基础的设计也可分为三大步：第一步，根据有关资料、规范和经验，拟定基础埋深、承台尺寸以及桩的布置，包括桩长（持力层）、中心距、排列的选择等。第二步，计算桩顶作用反力，计算桩基础沉降和倾斜率，复核基桩承载力（包括竖向抗压承载力、水平承载力、抗拔承载力等）是否满足要求，桩基础沉降和倾斜率是否满足规范和厂商要求。如果同时满足要求，则拟定的桩布置合适，进行下一步计算；否则，调整桩的布置。第三步，初选钢筋直径，进行承台底板截面抗弯计算，抗剪、抗冲切和疲劳强度验算，如果同时满足要求，则承台底板尺寸的拟定合适，否则，需回到第一步，调整承台尺寸和桩布置，直至满足第二步和第三步的有关要求。承台尺寸和桩布置确定后，对承台台柱进行配筋计算和强度验算，如果采用灌注桩则需进行了桩身配筋计算；根据裂缝宽度验算结果和有关构造要求，调整配筋布置；对基础环底部等部位进行局部配筋验算。最后，计算基础的混凝土用量和钢筋用量。

四．风力发电机组基础设计其它主要注意问题

4.1设计计算验算需包含的内容

风机基础设计一般需包含以下内容:地基承载力验算、基础抗滑移验算、基础抗倾倒验算、基础底面脱开地基面积验算、基础沉降验算、基础动刚度验算、基础配筋及混凝土验算、基础混凝土抗局部压力验算、基础混凝土抗冲切验算、基础混凝土裂缝验算、基础钢筋和混凝土的抗疲劳破坏验算。

通常民用建筑物基础设计中,一般不需要基础底面脱开地基面积验算,不需要基础动刚度验算,也不需要基础钢筋和混凝土的抗疲劳破坏验算。

4.2 基底附加压力分布

由于传至风机基础上的荷载,以竖直面内的弯矩为主,基底附加压力的分布,可以近似为三角形,沿主导风向的下风口最大,沿主导风向的上风口最小(为0)。在通常的民用建筑物基础设计中,基底附加压力常假设为均匀分布或梯形分布。

4.3基础沉降控制标准

风机基础允许的最大沉降,一般由风机制造商确定,以保证风机的运行状况及发电功率。作者参与的项目中,轮毂高度多数为70多米,基础允许的最大倾斜率一般为01003。在通常的民用建筑物基础设计中,基础允许的最大沉降,一般按建筑物的结构形式和高度,查规范确定。我国最新的FD003-2007《风电机组地基基础设计规定(试行)》,规定基础的最大倾斜率为01006～01003,对应的轮毂高度为60m以下至100m以上;对60～80m范围内的轮毂高度,规定基础的最大倾斜率为01005,这比作者参与的项目中,类似轮毂高度下风机基础的最大倾斜率(01003),宽松很多。

4.4地质条件差异

相对于通常的民用建筑工程的场地面积,风电厂范围很大,因为风机的安装要求风机的间距至少约为500m;风电项目每期工程一般安装约30台风机。在这种情况下,临近的两个风机之间地质条件就可能发生较大变化。如果变化不是很显著,而且风机个数也不是很多,可根据最不利的地质条件进行设计,使所有的风机都采用一个基础设计,以方便管理。如果变化很显著,而且风机个数也很多,可将地质条件分组,条件相近的划为一组;然后针对每一组地质条件,设计一个基础。这样,可避免所有的风机采用一个设计的局面(基于最不利地质条件的设计,通常造价最高),降低整个项目的风机基础造价。

结束语：

大力发展风电等清洁可再生能源，是保护环境、优化电力结构、促进经济社会可持续发展的需要。我国风能资源丰富，风力发电事业方兴未艾，配套的法律法规和技术标准体系有待有关部门和风电企业共同完成。而风机基础设计则是关键，所以就要求我们每一个设计人员倾心做好自己的工作。

参考文献：

[1]中华人民共和国国家标准.建筑地基基础设计规范 GB 50007-2010.

[2] 水电水利规划设计总院，风电机组地基基础设计规定（试行），FD003-2007。