可调壁厚风电混凝土塔筒的模块化设计

张明熠

上海电气风电集团股份有限公司 200233

1 研究背景

塔筒是风电机组的支撑结构，主要的结构形式有管式钢塔筒、混凝土-钢混合塔筒、桁架式钢塔等。随着风电机组的功率越来越大，以及风电机组在中低风速区的大规模应用，风电机组的轮毂高度也越来越高。当风电机组的塔筒越来越高时，管式钢塔的自振频率较低，容易与风电机组的自转频率接近，进而产生共振问题。为解决承载力、刚度和频率问题，同时又受到运输高度的限制，管式钢塔只能增加壁厚，这将使钢塔的经济性在高塔应用中大大降低。因此，管式钢塔由于其自身特点，已经不能适应大功率、高塔风机。

混凝土塔筒一般采用分节、分片预制并在现场进行拼装及吊装，即塔筒沿高度方向分为若干筒节，筒节沿周向分成若干环片，在工厂预制好后运输至现场，在专用拼装平台上进行拼装，拼装完成后进行整节吊装，吊装完成后再对整个混凝土塔筒部分施加预应力，使其形成一个整体。混凝土塔筒规避了运输高度的限制，塔筒截面外径不受限制，而且塔筒刚度明显高于同等高度的钢塔。混凝土塔筒的缺点是制造混凝土筒节需要制作模具，常规模具一旦成型，其外径和壁厚将固定。如果风电机组的载荷发生变化，原有的塔筒尺寸不能满足时，则需要生产新的模具，混塔的制造成本将很难降低。这种方式既无法适应批量化、规模化生产的要求，也降低了混凝土塔筒的市场竞争力。

为适应风电机组载荷的变化，本文提出了可变壁厚的混凝土塔筒模具。其不仅可以实现混凝土塔筒模具的重复使用，有效降低塔筒制造成本，还可以实现混凝土塔筒的模块化设计，通过混塔生产的模块化、批量化，进一步提升了混凝土塔筒的市场竞争力。

2 混凝土塔筒承载能力的提升

风场风资源条件的变化，决定了机组载荷和机组高度的变化。塔筒作为风电机组的支撑结构，其结构的承载能力必然要随着载荷的变化而变化。

2.1 影响混凝土塔筒承载能力的因素

风电机组载荷沿塔筒高度的分布如图1 所示，塔筒载荷从塔顶到塔底逐渐变大，根据等强度设计的要求，材料的分布应与载荷的分布一致，即从塔顶到塔底材料逐渐增多。因此风机塔筒结构多设计为锥状，如图2 所示。

图1 弯矩载荷沿塔筒高度的变化Fig.1 Distribution of bending moment load along tower height

图2 塔筒结构形式Fig.2 Structural form of concrete tower

各种横截面的抗弯截面系数与面积之比，圆形最小［1］，因此混凝土塔筒典型的横截面为圆环形。

圆环的抗弯截面系数W为：

式中：D为塔筒横截面外径；d为塔筒横截面内径。

塔筒的主要载荷为横截面上的弯矩，环形截面在弯矩作用下的应力为：

式中：M为塔筒横截面上的弯矩。

根据设计规范，塔筒受到的应力应小于其材料的许用应力。

塔筒结构底部受基础约束可以近似看作固结，而其顶部则为自由端，因而其顶部变形可参照悬臂梁的挠度公式进行计算：

式中：l为塔筒高度；E为弹性模量；I为截面惯性矩；F为横向集中载荷。

因此影响塔筒承载能力的参数有外径、壁厚、弹性模量。另外，材料强度也是影响塔筒承载能力的一个重要因素。

2.2 混凝土塔筒承载能力的提升措施

钢塔筒由于其弹性模量基本固定，只能依靠改变横截面尺寸来改变承载能力。对于混凝土塔筒，随着混凝土材料强度的变化，混凝土的弹性模量也随之变化。国家标准《混凝土结构设计规范》［2］中给出了不同强度等级混凝土的弹性模量、抗压强度设计值、抗拉强度设计值。《风电机组混凝土-钢混合塔筒设计规范》［3］规定预应力混凝土结构的强度等级不低于C40，因此在表1 列出了C40 以上混凝土的弹性模量、抗压强度、抗拉强度相邻等级的比例。

表1 混凝土相邻各级比例关系Tab.1 Proportional relationship of adjacent levels of concrete

在模具不变的情况下，改变混凝土强度等级，可以改变混凝土的弹性模量、抗压强度，从而提升塔筒的承载能力。若混凝土等级仅提升一级，则抗压强度最多提升10%。若混凝土等级提升两级，则承载能力仅可提升20%。若提升更多等级，则意味着初始设计的塔筒土方量过大，不是最经济的设计方案。因此从优化设计的角度看，仅提升混凝土强度等级，方法单一，提升承载能力有限。

混塔承载能力的提升取决于外径、壁厚、材料强度等级等多个变量，只有综合考虑，才可以最大化提升承载能力。因此，若同时改变塔筒横截面尺寸，则可以更有效率地提升混塔承载能力。在载荷一定时，横截面尺寸和强度等级合理的匹配才可以得到体积最小的混凝土塔筒。文献［4～5］等基于遗传算法在混塔优化设计方面做了相关工作，均考虑了外径、壁厚等变量的影响。

2.3 可变壁厚混塔模具

现有的混塔环片多为C形结构形式，环片的模具亦要做成C形结构［6］，如图3 所示，其主要由上模、底模、内模、外模和墙模组成。模具一旦设计成型，圆锥曲率随即固定，内、外模距离决定的壁厚亦固定，因此一种模具只能生产一种塔筒。机组载荷变化，塔筒结构随之变化，此时只能重新设计模具。由于模具的设计和生产周期均较长，极大增加了塔筒的成本和工期。

图3 C 形模具结构Fig.3 C-shaped mold structure

同心圆环在外径不变时，随着内径变化，可以使其壁厚变化。环形圆锥体内外环沿轴线上下移动，在同一高度的横截面上产生壁厚不同的圆环。

本文提出了一种可变壁厚的混凝土塔筒模具，通过上下滑动内模和外模，从而改变塔筒壁厚。当将较低处内模与较高处的外模进行匹配时，则可以将混凝土环片厚度变薄；反之，当将较高处内模与较低处的外模进行匹配时，则可以将混凝土环片厚度变厚。如图4 所示。另外，调整上下模板位置，可以调整塔筒外径。

图4 混塔模具Fig.4 Concrete tower mold

可变壁厚的混凝土塔筒模具由外模、内模和端模组成。内模组装于外模内，其与外模之间的距离即为环片的厚度，调整外模与内模在塔筒高度方向上的重叠尺寸，使外模与内模在塔筒高度方向上错开设置，然后在内模和外模的端部安装好端模，这样就可以调整环片的厚度。

以混塔底部外直径为8.5m 的结构为例，以30mm或60mm为单位调整混塔筒壁壁厚，针对不同强度等级所形成的矩阵式混塔承载能力适配范围如表2 所示。

表2 截面抗弯承载能力（单位：104kN·m）Tab.2 Bending capacity of cross section（unit：104kN·m）

根据表2 可以看出，壁厚270mm 通过提高强度等级（从C70 到C100）可使得截面抗弯承载能力提高1.12 倍，而通过增加壁厚的设置可以提高截面抗弯承载能力到1.22 倍，较原有固定壁厚的设置提升承载能力8.3%。同一套模具可以生产不同外径、壁厚的混凝土塔筒环片，一方面使得混塔模具的适用范围增大，可以长周期适配更多的主机机型完成固定成本摊耗以降低模具使用成本，另一方面，由于模具规格少，易于实现批量化生产，标准化管控，可以在不同主机品牌的要求下实现相对精准适配。因此，通过使用可变壁厚的混凝土塔筒模具，混凝土塔筒可以在壁厚、强度等级两个维度来提升混塔的承载能力，使得混塔更具综合竞争力。

3 混塔的模块化设计

混凝土-钢混合塔筒包含混凝土段和钢塔段，其中混凝土段结构的外形可采用外径对齐的单锥度的锥筒，亦可采用变锥度的锥筒与直筒相结合的形式。

受到运输尺寸和重量的限制，混凝土段沿高度方向由若干个筒节组成，每个筒节又可分为整环或由2 环片、4 环片组合而成一整环，如图5所示。每个环片的壁厚和外径由其截面上的所承受的载荷确定。

图5 混塔模块化设计Fig.5 Modular design of concrete tower

基于可变壁厚的混凝土塔筒模具，可以进行混凝土塔筒的模块化设计。首先根据整机厂家的产品路线，以及市场发展趋势，可将塔筒高度分成120m、140m、160m和180m等若干档，将塔筒的底部极限弯矩分成15 万kN·m、20 万kN·m、30 万kN·m、40 万kN·m等若干级。然后根据当前主流的塔筒高度和底部弯矩，设计出相应的混凝土塔筒，并以此塔筒的环片厚度作为基准来设计可变壁厚的混凝土塔筒模具。当塔筒的高度或者底部弯矩变化时，此时设计的混凝土塔筒应符合以下原则：

（1）尽可能多地采用与基准环片相同壁厚和强度等级的环片；

（2）当无法满足原则（1）时，则保持环片的厚度不变，改变混凝土的强度等级；

（3）当无法满足原则（1）～（2）时，则应使该厚度的环片可以使用可变壁厚的混塔模具来生产；

（4）当无法满足原则（1）～（3）时，则需要生产满足新环片尺寸的模具。

这样，若干档高度与若干级载荷所组合而成的混凝土塔筒，可由一套标准的可变壁厚的混塔模具和少量的非通用模具完成生产，从而实现模块化设计，标准化生产，既提高了模具的适配性，又降低了环片的制造成本，同时也加快了混塔设计与制造的进度。

4 结语

风电机组不同的轮毂高度和载荷，需要不同的塔筒去匹配。对于每个特定的塔筒，需要一组特定外径、壁厚和强度等级环片去匹配，以实现其混凝土土方量最小化。可变壁厚模具的应用在不增加模具费用的情况下，实现了塔筒外径、壁厚和材料强度等级随载荷的变化而变化，提升了混塔的经济性和竞争力。

基于可调壁厚模具而设计的模块化混塔为风电机组的大型化和风电塔筒的标准化打下坚实基础，有利于传统基建行业的过剩产能向新能源行业转型发展，从而为实现“3060 双碳目标”提供兼具经济性和实用性的产业发展方向。