风机机组荷载和叶片净空对塔形的要求（二）

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二、 叶片净空对塔形的要求

叶片净空是指风机在所有可能的设计工况和运行状态（包括极端事件）下，旋转的叶尖与塔架表面之间必须保持的最小安全距离。这是防止叶片撞击塔架的最关键安全要求。

净空要求对塔形的影响是决定性的

1.  塔筒直径与锥度：

直径： 塔筒顶部直径必须足够小，为旋转的叶尖留出安全空间。这是决定塔筒顶部直径的主要因素之一（另一个是机舱底部尺寸）。

锥度： 为了在保证顶部净空的同时，优化底部结构强度（底部弯矩最大）和材料用量，塔筒通常设计成锥形（上细下粗）。锥度大小直接影响：

净空裕度： 较大的锥度可以在塔筒中下部提供更大的净空空间，尤其是在叶片预弯向下或塔架在风载荷下向背风侧弯曲时。

结构效率： 锥度使塔架截面更符合弯矩图（根部弯矩大，顶部弯矩小），材料利用更合理。

固有频率： 锥度影响塔架的刚度分布和质量分布，从而影响固有频率。

2.  塔架高度：

更高的塔架能将风轮置于风速更高、湍流更小的风剪切层上方，提升发电量。

然而，塔架增高会显著增加：

重力载荷和弯矩： 要求塔架更粗壮或材料更强，成本增加。

柔度： 高塔更柔，在风载荷下顶部摆动幅度更大（动态位移），这会严重侵蚀叶片净空裕度。

因此，设计超高塔架（如160米以上）时，叶片净空成为极其严峻的挑战。需要更精确的载荷计算、更先进的控制器（主动阻尼控制）、甚至考虑塔架主动避让策略，或者选择净空性能更好的塔形。

3.  塔架刚度与动态特性：

如前所述，塔架在风载荷下会弯曲变形（静态位移），其固有频率下的振动（动态位移）会叠加在静态位移上。塔顶的总位移（静态+动态）会显著改变叶片尖与塔筒之间的瞬时距离。

叶片本身在气动载荷下也会发生弯曲变形（拍打方向、摆振方向）。

净空分析必须考虑最不利组合： 塔架向背风侧弯曲到最大位移 + 塔架振动位移达到同向峰值 + 叶片向下（或向塔架方向）弯曲到最大位移 + 可能的风轮锥角/倾角影响 + 偏航误差。

因此，塔形的刚度（影响位移大小）和固有频率（影响动态位移幅值）必须精心设计，确保在最恶劣的载荷组合下，叶尖与塔筒的最小距离仍大于规定的安全裕度（通常要求不小于叶轮直径的1-2%，并有绝对最小值要求）。