靠風發電的風力發電機反而被風吹倒了，到底是風大，還是筒弱？

　　1、引言

　　揚州高郵境內，一座百余米高的風力發電機突然倒塌，斷成三四節，橫跨道路，倒在路邊河內，巨大的葉片砸在路邊上。根據媒體報道，這個風機屬于融保達高郵湯莊風電項目，共20個機位點，總裝機容量為49.5MW。其中5臺單機容量3.3MW，葉輪直徑為155米，輪轂高度為142米；15臺單機容量2.2MW，葉輪直徑為110米，輪轂高度為137米。

圖1：風電（與本新聞無關）

　　對于風力發電機來講，葉片是其關鍵部件，有大量的文獻對風力發電機的葉片進行研究設計，以求結構最輕，強度最大。然而，大部分人通常會忽視作為支柱的塔筒本身，在這起事故里，風電的葉片沒有承受不住風的摧殘，反而是其下方的塔筒出現了問題。如圖2所示。

圖2：被風吹倒的風力發電機

　　2、塔筒的結構

　　實際上，塔筒的造價約占風力發電機的20%左右。盡管相對于葉片來講，塔筒自身的受載形式簡單一些，但是百米的高度，讓塔筒本身特別是底部的受載情況較為惡劣。一方面，如果無腦地增加塔筒自身的強度和剛度，必然會造成結構的笨重，不僅會讓成本增加，也對安裝造成一定的困難。另一方面，百米的高度讓塔筒的柔性較大，剛度不足。所以，塔筒的設計就是在成本、安裝和剛強度之間的平衡。百米余高的塔筒，顯然不可能一體成型，通常會分成3-5段（圖3），再通過拼接組裝成完整的塔筒，立于地面之上。

圖3：分段的塔筒

　　塔筒的受力主要是風機組件的重力和風的橫向力，對于重力來講，只要保證足夠的橫截面積就可以承受。但是，對于橫向力來講，塔筒就是一個底部固定的“梁”，頭部一點點的力，都會在底部產生大的彎矩。

圖4：塔筒受力圖

　　這個彎矩可能就會引起底部結構的破壞，所以這種類似于懸臂梁的結構，都會在固定端加固，“梁”本身的結構也會特殊設計，如圖4所示。為了提升塔筒的抗側彎性能，底部的尺寸要高于頂部。理想情況下，這種變截面的尺寸能夠讓內部的應力均勻分布。這樣充分利用了材料，發揮其承載的全部潛能，也能降低結構的自重。

　　3、倒塌的原因

　　根據新聞報道，當天的風很大。但是，風大應該不是最主要的原因。在風力發電機項目開始階段，就會對當地的氣象資源進行調研，風力的等級顯然是設計風力發電機結構的重要參數。所以，盡管當天的風很大，但是還算不上極端天氣，風力的等級應該還在設計范圍之內。

　　從圖2的倒塌的塔筒來看，第一級（底下一級）的塔筒承載能力是足夠的。假如原因在于第一級，那么整個塔筒就會整體倒下，上面的塔筒基本上不會出現斷開的情況。整體上來講，由于塔筒結構是變截面的，應力的分布基本上是均勻的。但是，由于塔筒是分段制造，斷面的連接處就是塔筒的薄弱環節。

圖5：塔筒的連接是其薄弱環節

　　圖5可以看到，塔筒四周那一個個小孔，就是連接的孔洞，在安裝的時候，通過螺栓等連接件固定連接。在安裝規范里，這些連接件屬于精密連接件，其安裝需要用專用扭矩扳手來安裝，以達到最佳的扭矩：不至于過大而傷了連接件，不至于過小而連接不牢靠。

　　盡管如此，這些連接件依然是薄弱環節。風力發電機工作過程中，風力并不是持續不變的，而是脈沖式的，且方向也不唯一。對于塔筒來說，風力完全是隨機的、脈動的。這種形式的風力，作用在葉片上，再傳遞到塔筒上，塔筒本身就會在風力的作用下，來回擺動，這對連接件是致命的。在這種擺動下，連接件可能會發生松動。一旦松動擺幅就會增大，從而惡性循環。

圖6：塔筒斷裂位置

　　另外，連接件本身在來回擺動的情況下，受到循環載荷，很容易出現金屬疲勞的情況，從而降低其承載能力，時間長了就斷開了。圖6中，第一級和第二級的連接處就存在明顯的斷裂，這很有可能就是此處的連接件發生了問題。

　　4、總結

　　揚州高郵境內的風力發電機被風吹倒，原因不在于風有多大，更可能的是塔筒自身的連接件出現了問題。根據現場圖來看，第一級與第二級的連接件發生問題，導致塔筒倒塌的可能性很大。

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