风力发电塔架基础与塔架的设计

酒泉职业技术学院毕业设计（论文）09级风能与动力技术专业题目：1.5MW风力机组塔筒及基础设计毕业时间：2012年7月学生姓名：刘文源指导教师：任小勇班级：09风电（4）班年月日酒泉职业技术学院09届各专业毕业论文（设计）成绩评定表姓名班级专业指导教师第一次指导意见年月日指导教师第二次指导意见年月日指导教师第三次指导意见年月日指导教师评语及评分成绩：签字（盖章）年月日答辩小组评价意见及评分成绩：签字（盖章）年月日教学系毕业实践环节指导小组意见签字（盖章）年月日学院毕业实践环节指导委员会审核意见签字（盖章）年月日1.5MW风力机组塔筒及基础设计摘要:70年代初期，由于“石油危机”，出现了能源紧张的问题，人们认识到常规矿物能源供应的不稳定性和有限性，于是寻求清洁的可再生能源遂成为现代世界的一个重要课题。风能作为可再生的、无污染的自然能源又重新引起了人们重视。2006年中国共有风电机组6469台，其中兆瓦级机组占21.2%，2007年，这个比例跃升为38.1%，提高了16.9个百分点。在国家政策支持和能源供应紧张的背景下，中国的风电特别是风电设备制造业迅速崛起，已经成为全球风电最为活跃的场所。2009年5月，国家投资3万亿资金支持新能源，在整个投资中风力发电行业的投资在国家总投资中占了很大的一部分，进一步推动了风电行业的发展。据国家能源局统计，中国风电2010年新增装机容量将超过1600万千瓦累计装机容量达到4182.7万千瓦。预计在2020年末我国新增发电装机容量将达到6000万千瓦累计装机将超过1亿万千瓦。随着国家“十二五”规划对风电行业的大力支持和政策的不断完善与调整，中国风电将又一次迎来黄金的发展期。并且风机的制造企业技术也不断完善和创新，一批具有国家啊自主知识产权的产品纷纷亮相。从600千瓦、750瓦、1500千瓦、2500千瓦到现在的5000千瓦,而且更大发电量的风机已经研制和立项。大容量风机的出现让我国风机装备制造技术有了飞速的提高，使国产风机整体技术水平与西方国家进一步缩小，由于风机的容量的不断增大，使风力机的体积和重量不断增加，对塔架与塔架基础的结构强度、加工材料和整体设计都有了更高要求，在未来风机塔架将向着的大型化、人性化、科学化、和风机塔架基础的复杂化、重荷化、高抗化去发展。由此看出1500千瓦的风机技术已经趋于成熟，其塔架与塔架基础设计也已经完备，根据现有的技术资料我将针对1.5MW风机塔架与塔架基础进行系统分析,并简述1.5MW风机的基础与塔架的设计。关键词：1.5MW风机塔架结构设计；1.5MW风机塔架基础设计由于风机塔架与塔架基础是整个风机承载的重要部件，1.5MW风力发电机的容量和体积有了进一步的增加，这使得塔架与塔架基础的设计和施工难度不断增加，再加上在自然条件下的各种灾害和不确定的人为因素使得塔架与基础对其载荷能力和变形强度能力有了更为苛刻的要求。让风机在在极限自然条件下保持其安全性和稳定性并且不会因此而倾覆和断裂，成为风机塔架与基础设计的难点重点。因此在塔架与基础设计施工之前，必须对材料工艺、构造力学、承载负荷、地质稳态、施工监察和自然环境进行细致的勘测，调研、规划和统筹。使其保证有足够的安全储备和抗灾害能力，减小对自然环境的要求，进一步扩大风机的使用范围和风机的发展的空间，提高塔架与基础的使用寿命，以创造更好的经济效益。一、1.5MW风机塔架结构设计（一）、塔架设计的基本要求及原则1、塔架应在规定的外部条件、设计工况和载荷情况下稳定的支撑风轮和机舱（包括发电机和传动系统），以保证风力发电机组安全正常运行。2、塔架应具有足够的强度，承受作用在风轮、机舱和塔架上的静载和动载荷，并且应进行疲劳分析，满足风机的设计寿命。3、塔架应通过计算分析或试验确定塔架（在整机状态下）的固有频率和阻尼特性，并对塔架进行风轮旋转引起的振动、风引起的顺风向振动和横风向振动进行计算分析，使其在规定的设计工况下满足稳定性和变形限制的要求。4、塔架应根据安全等级确定载荷局部安全系数和材料安全系数，通过塔架设计、材料选择和防护措施减少其外部条件对塔架安全性和完整性的影响（二）、塔架设计应具备的条件与考虑的因素1、为了使塔架设计更具有科学性和实用性在塔架设计时应注意来自机舱的载荷（包括风轮载荷）、塔架轴线与水平面的垂直度、作用于塔架的风载荷、使用寿命、环境条件等级和防腐处理安全系数工作温度、塔架高度、塔架制造成本和风力发电机组发电量等基本设计条件。2、为了使生产和装配运输进一步提高运营效率，再设计中还要对运输能力、生产条件和批量生产能力进行考虑。（三）、塔架的制作1、塔架的基本构造1.5MW风机的塔架是以管柱椭圆形结构为壳体，它的塔架不是由一根塔筒直接构成，而是由三个分塔筒通过法兰面连接成一个整体构成，并在基层塔架底部设有出入门，内部还有电缆保护设施、梯栏、安全平台、照明及电气设备安装附件；且考虑与提升机、助爬器、电梯匹配的要求。2、塔架设计的参数与工艺1）塔架的设计参数1.5MW风机塔架高度一般在70M-73M之间，每小段塔架的高度大约在18M-24M之间。由于每段塔架并不是具有相同大小的直径，塔架从最底层的塔段到最高层的塔段直径成线性减小。由于1.5MW风机的单段塔架高度大于20M,所以根据塔段直线度L的计算要求在H＞20m时其塔筒直线度有：L0.5H/1000+10mm有此可得出：L≤11mm单段塔架两端面平行度允许偏差为5.0mm。塔段垂直度要求：vH/1000mm（V—垂直度，H—塔段高度）有此可得出：V≤20mm塔段高度偏差：H±20mm塔架主体钢板下料后必须有材料的可追溯标识。若采用钢印标识，该钢印须为钝角，深度不能＞0.5mm.2）塔筒卷制时注意的事项：节卷制应严格控制圆度、对口的错边量和局部凹凸度，具体要求见下列图表。筒节任意截面圆度公差为(Dmax-Dmin)/Dnom0.005，如图1所示。图1任一截面圆度示意图Dmax——测量出的最大内径Dmin——测量出的最小内经Dnom——标准内直径纵缝对口错边量（见图2）h0.1t，且最大为3mm，t为钢板厚度（mm）。图2纵缝对口错边量示意图筒节纵缝棱角和环向表面局部凹凸度要求如下：钢板厚度t＞30mm时，用弦长L=1/6Dnom，且600mm的内或外样板检查（见图3a,b）,其E值应(0.1t+1)mm。图a图b图3纵缝棱角及环向局部凹凸度测量示意图3）塔筒钢板的组对:筒节与筒节对接应采用外边对齐。不同厚度筒节对接时，应按GB986规定对较厚的板作削薄处理。缝对口错边量（见图6）h应0.1t,且最大为2mm，在测量对口错边量h时,不应计入两板厚度差值,t为钢板厚度（mm）。图4环缝对口错边量示意图4）塔架的焊接:塔架主体钢材、钢板的尺寸、外形及允许的偏差应符合GB/T709规定即热扎钢板和钢带的尺寸、外型、重量及允许偏差。焊接坡口加工宜采用机械方法，也可采用火焰切割等加工方法，火焰切割表面质量按JB/T10045.3中的II级要求，切割加工的坡口必须去除坡口表面的氧化皮、熔渣及影响焊接质量的表面层。坡口及其内外侧表面20mm范围内的油、漆、垢、锈、毛刺及镀锌层等清除干净，且不得有裂纹、夹层等缺陷。5）焊接环境条件：焊接环境温度应不低于5℃，低于5℃时应在施焊处100mm范围内加热至21℃～38℃,相对湿度应90%。焊接作业一般应在室内进行，特殊情况需露天作业，须由设计单位和业主批准。但出现下列情况之一且无有效措施时，不得施焊：a)风速：气体保护焊时＞2m/s，焊条电弧焊时＞5m/sb)相对湿度＞90%c)温度＜5℃d)雨雪环境在焊接完后表面若有异常通常按照GB/T19072-200X进行修复，焊接焊缝及母材表面的所有超标缺陷，必须按这个国标工艺要求进行修复。钢板切割表面不得有裂纹、分层、夹杂等缺陷，不应影响焊接及产品外观质量，大小口弦长偏差±2mm、对角线长度偏差±3mm。在焊接所有工作结束后就需要进行焊缝的检测，焊缝无损检测在焊接变形矫正和所要求的热处理（包括火焰矫正）完成后进行。6）塔架的无损检测：a)目视检测（VT）b)超声波检测（UT）c)磁粉检测（MT）d)渗透检测（PT）e)射线检测（RT）注：无损检测设备必须按其相关的标准规定进行定期校验和检测，检测记录应保存。NDT人员必须按GB/T9445规定进行资格鉴定与认证，二级资质以上的NDT（VT、UT、MT、PT、RT）人员方有资格进行独立操作，判定检测结果合格与否，并出具报告。一级资质人员必须在二级资质人员的直接监督下操作。检测方法的顺序：塔段需同时进行一种以上检测方法的部位，先进行100%VT，再进行MT（或PT），后UT或RT。目视检测（VT）要求检测的表面要清洁，无油污、油脂、砂土、划伤或其它影响检测结果的情况，焊缝外观按JB7949检查，同时还应对原材料、焊接工艺规程的执行、焊接设备的完好状况、焊工的资格及相关记录进行检查。磁粉检测（MT）或渗透检测（PT）应按JB/T4730.4或JB/T4730.5规定进行MT或PT的焊缝及区域，合格级别为I级。超声波检测（UT）塔架主体钢材的对接焊缝按JB/T4730.3进行100%超声波检测的，检测技术等级为B级，各部位焊缝的合格级别分别如下：合格级别为I级的焊缝：a)筒节与筒节焊接的环缝；b)门框与壳体焊接的焊缝;c)筒节（包括基础段筒节）与法兰焊接的环缝；d)筒节的纵缝；e)法兰的拼接焊缝；f)钢板卷制的门框对接焊缝。合格级别为Ⅱ级的焊缝：a)基础段筒节与基础段底环法兰焊接的T形焊缝；b)合格级别为Ⅲ级的焊缝：基础段底环法兰的拼接焊缝。射线检测（RT）塔架产品的射线拍片检测仅适用于设计有要求和对UT有疑问时作抽查，一般在纵、环缝交叉部位的环缝方向布片，每处的拍片的有效长度应不少于250mm，合格级别按JB/T4730.2的Ⅱ级。7）表面防腐处理：塔架各部件（位）防腐方式按照设计要求执行喷漆、热浸锌前基体处理基体喷涂前采用喷丸除锈，喷丸后工件表面应干燥、无灰尘、无油污、无氧化皮、无锈迹，基体表面粗糙度应达到Rz40µm～80µm，除锈等级达到GB/T8923中的Sa2.5级规定8）喷漆：常温型涂料施工环境温度范围为5℃～40℃，当湿度超过85％或钢板温度低于露点上3℃时不能进行喷漆施工。当环境温度为-10℃~5℃时，必须使用冬用型涂料，工艺及要求必须按涂料厂家提供的施工说明进行。当环境温度低于-10℃时不允许施工，油漆干膜厚度：底漆、中间漆及面漆的种类和相应厚度依照设计要求执行，但干膜总厚度最小值应符合表1规定：单位：UM序号使用环境塔架部位最小干膜总厚度1内陆环境塔筒外表面240塔筒内表面1702重度腐蚀、近海及滩涂沿海湿热，含盐份气候条件下塔筒外表面280塔筒内表面200表1漆层表面均匀，色泽一致，不允许有针孔、鼓泡、挂流、大溶滴、裂纹、掉块及其它影响涂层质量的缺陷存在，接头处不允许有高出平面0.2mm的滴瘤、结块。喷涂过程中，每一层漆膜厚度都必须进行检验并形成记录。(二)、1.5MW风机塔架基础设计1、风机塔架基础要求风力发电机组的基础是其主要承载部件，是整个风力发电机的运行基础，它支撑着风力发电机组，并且是平衡风力发电机组在运行过程中所产生的的各种载荷的重要工具，是保证机组的安全、稳定地运行的条件。因此在设计风机塔架基础之前，必须对机组的安装现场进行工程地质勘查，充分了解和研究地基土层的成因、构造及其物理学特性。确定地质土层的承载能力和应力变化，只有这样才能在设计中有充足的技术资料，使塔架基础更加的稳固、抗负荷能力进一步提高，增强运行的安全和稳定。因此在塔架基础的设计应遵循以下三个基本条件:①地基上的载荷不允许超过地基允许的承载能力，以保证地基在防止整体破坏方面有着足够的安全储备。②控制基础的沉降，使其不超过地基允许的形变值，以保证风力发电机组不因地基的形变而损坏或影响机组的正常运行。③满足塔架在安装时的连接尺寸和结构要求。2、基础的分类对于风力发电机组型号的不同，其每种型号对其基础的载荷也不尽相