1、引言

　　揚(yáng)州高郵境內(nèi)，一座百余米高的風(fēng)力發(fā)電機(jī)突然倒塌，斷成三四節(jié)，橫跨道路，倒在路邊河內(nèi)，巨大的葉片砸在路邊上。根據(jù)媒體報(bào)道，這個(gè)風(fēng)機(jī)屬于融保達(dá)高郵湯莊風(fēng)電項(xiàng)目，共20個(gè)機(jī)位點(diǎn)，總裝機(jī)容量為49.5MW。其中5臺(tái)單機(jī)容量3.3MW，葉輪直徑為155米，輪轂高度為142米；15臺(tái)單機(jī)容量2.2MW，葉輪直徑為110米，輪轂高度為137米。

圖1：風(fēng)電（與本新聞無(wú)關(guān)）

　　對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)來(lái)講，葉片是其關(guān)鍵部件，有大量的文獻(xiàn)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，以求結(jié)構(gòu)最輕，強(qiáng)度最大。然而，大部分人通常會(huì)忽視作為支柱的塔筒本身，在這起事故里，風(fēng)電的葉片沒(méi)有承受不住風(fēng)的摧殘，反而是其下方的塔筒出現(xiàn)了問(wèn)題。如圖2所示。

圖2：被風(fēng)吹倒的風(fēng)力發(fā)電機(jī)

　　2、塔筒的結(jié)構(gòu)

　　實(shí)際上，塔筒的造價(jià)約占風(fēng)力發(fā)電機(jī)的20%左右。盡管相對(duì)于葉片來(lái)講，塔筒自身的受載形式簡(jiǎn)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(wú)腦地增加塔筒自身的強(qiáng)度和剛度，必然會(huì)造成結(jié)構(gòu)的笨重，不僅會(huì)讓成本增加，也對(duì)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(shè)計(jì)就是在成本、安裝和剛強(qiáng)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(huì)分成3-5段（圖3），再通過(guò)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(fēng)機(jī)組件的重力和風(fēng)的橫向力，對(duì)于重力來(lái)講，只要保證足夠的橫截面積就可以承受。但是，對(duì)于橫向力來(lái)講，塔筒就是一個(gè)底部固定的“梁”，頭部一點(diǎn)點(diǎn)的力，都會(huì)在底部產(chǎn)生大的彎矩。

圖4：塔筒受力圖

　　這個(gè)彎矩可能就會(huì)引起底部結(jié)構(gòu)的破壞，所以這種類似于懸臂梁的結(jié)構(gòu)，都會(huì)在固定端加固，“梁”本身的結(jié)構(gòu)也會(huì)特殊設(shè)計(jì)，如圖4所示。為了提升塔筒的抗側(cè)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(nèi)部的應(yīng)力均勻分布。這樣充分利用了材料，發(fā)揮其承載的全部潛能，也能降低結(jié)構(gòu)的自重。

　　3、倒塌的原因

　　根據(jù)新聞報(bào)道，當(dāng)天的風(fēng)很大。但是，風(fēng)大應(yīng)該不是最主要的原因。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)項(xiàng)目開始階段，就會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)氐臍庀筚Y源進(jìn)行調(diào)研，風(fēng)力的等級(jí)顯然是設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)。所以，盡管當(dāng)天的風(fēng)很大，但是還算不上極端天氣，風(fēng)力的等級(jí)應(yīng)該還在設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)。

　　從圖2的倒塌的塔筒來(lái)看，第一級(jí)（底下一級(jí)）的塔筒承載能力是足夠的。假如原因在于第一級(jí)，那么整個(gè)塔筒就會(huì)整體倒下，上面的塔筒基本上不會(huì)出現(xiàn)斷開的情況。整體上來(lái)講，由于塔筒結(jié)構(gòu)是變截面的，應(yīng)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(huán)節(jié)。

圖5：塔筒的連接是其薄弱環(huán)節(jié)

　　圖5可以看到，塔筒四周那一個(gè)個(gè)小孔，就是連接的孔洞，在安裝的時(shí)候，通過(guò)螺栓等連接件固定連接。在安裝規(guī)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(lái)安裝，以達(dá)到最佳的扭矩：不至于過(guò)大而傷了連接件，不至于過(guò)小而連接不牢靠。

　　盡管如此，這些連接件依然是薄弱環(huán)節(jié)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作過(guò)程中，風(fēng)力并不是持續(xù)不變的，而是脈沖式的，且方向也不唯一。對(duì)于塔筒來(lái)說(shuō)，風(fēng)力完全是隨機(jī)的、脈動(dòng)的。這種形式的風(fēng)力，作用在葉片上，再傳遞到塔筒上，塔筒本身就會(huì)在風(fēng)力的作用下，來(lái)回?cái)[動(dòng)，這對(duì)連接件是致命的。在這種擺動(dòng)下，連接件可能會(huì)發(fā)生松動(dòng)。一旦松動(dòng)擺幅就會(huì)增大，從而惡性循環(huán)。

圖6：塔筒斷裂位置

　　另外，連接件本身在來(lái)回?cái)[動(dòng)的情況下，受到循環(huán)載荷，很容易出現(xiàn)金屬疲勞的情況，從而降低其承載能力，時(shí)間長(zhǎng)了就斷開了。圖6中，第一級(jí)和第二級(jí)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(fā)生了問(wèn)題。

　　4、總結(jié)

　　揚(yáng)州高郵境內(nèi)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)被風(fēng)吹倒，原因不在于風(fēng)有多大，更可能的是塔筒自身的連接件出現(xiàn)了問(wèn)題。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)圖來(lái)看，第一級(jí)與第二級(jí)的連接件發(fā)生問(wèn)題，導(dǎo)致塔筒倒塌的可能性很大。

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