为啥风机塔筒高度不是随意定制化

故事背景

业主甲：我想要118.88m的塔筒，“要要发发发”，听起来就吉利。

厂家乙：亲，没有的哦，咱们这款风机塔筒只有110m、120m和140m的哦。

业主甲：你们不是宣称机组可以定制化的吗？

厂家乙：亲，不是随意定制的哦。我们可以提供几个方案供您选择。其余的塔筒方案可能会引发共振，有倒塔的风险呢。

现实案例

设计院的朋友应该都清楚，厂家提供的方案中塔筒并不是随意定制化，以20x叶轮直径的机组为例，通常塔筒高度以115m、120m、140m为主。解释原因通常是为了避免风机叶轮1P、3P共振，因此避开了一些塔筒的设计高度。

如果风机产生共振，还是比较危险的，重则会出现倒塔的严重事故发生。（共振的危害可参考虎门大桥和深圳赛格大厦事件）

原因剖析

要想了解风机塔筒不能实现高度定制化的原因，需要先了解以下几个定义。

下图为坎贝尔图-柔塔频率示意图。从图中可以看出，刚性塔架自有频率在叶轮一阶频率（1P）以上，柔性塔架自有频率在叶轮一阶频率1P以下。

原因剖析

柔性塔筒：塔筒的一阶自然频率与叶轮旋转一阶频率（1P）相交或者小于1P时，这样的塔筒叫作柔性塔筒。

刚性塔筒：塔筒的一阶自然频率在叶轮旋转一阶频率（1P）以上，叫作刚性塔筒。

需要说明的是，柔性塔筒和刚性塔筒，都是全钢塔筒，都是由钢材制作，外观并无差异。

现在大兆瓦机组的塔筒高度都大于100m（叶轮直径在17x~18x以上机组），而100m以上高度的全钢塔筒通常被设计为柔性塔筒。

早期的较小风电机组（如1.5MW~2MW）塔筒高度一般在100m以下，这些较小风电机组的全钢塔筒通常为刚性塔筒。如果当前使用较多的100m以上高度的全钢塔筒也设计为刚性塔筒，则刚塔的用钢量相较于柔塔形式会大大增加（90米高的传统塔架一般重约200余吨，120米高则已接近600吨），这是不经济的且也不符合行业集约、绿色（目前钢铁行业属于高耗能行业）且高效（产品重量较大，不利于机组大型化发展）发展的初心。

主流水平轴风电机组有三个叶片，当每个叶片旋转至最下方（即与塔筒平行）时，均会对塔筒产生一次激励，塔筒受到的主要激励频率为叶轮转频与叶片通过频率（一阶频率简称1P、三阶频率3P）。若1P、3P与塔筒固有频率过于接近，即引发共振，导致塔筒振动偏大。

在国标GB/T19072-2003《风力发电机组塔架》中规定：塔架工作状态下的固有频率必须在大于叶轮频率1阶（1P）的10%和小于叶轮3阶（3P）的10%的范围内。

解决方案

采用柔塔技术的风机为避免产出共振现象，通常采取的措施：

1.当叶轮转动频率接近塔筒自有频率时，控制叶轮转速，直到风速较大，转速明显高于共振点时，控制叶轮直接跳过共振频率进行高转速运行；

2.塔筒内增加阻尼装置，降低塔筒振动，改变塔筒自身固有频率。（可参考深圳赛格大厦采取的措施）

虽可采取多种方式避免柔塔机组出现共振现象。但毕竟柔塔塔架频率与叶轮一阶频率（1P）在同一范围内，如果塔架高度过多，则针对每个塔架高度均需定制化控制策略，成本将会大大增加，相较于几款塔筒高度的成熟化产品，也会因为产品形式过多，带来更大的不确定性风险。

混塔技术，即混凝土塔筒段+刚性塔筒段技术，相较于柔性塔架，则解决了共振问题。混塔技术由于混凝土段和刚性塔筒段的刚性均比较大，不存在共振风险，也降低了风机涡激振动即机舱晃动幅度大的风险。

那混塔形式相较于柔塔形式优势很多，那未来是不是混塔会取代柔塔呢？目前看来不会。由于混塔形式在较低高度（如110~140m区间）的成本相较柔塔形式并无优势；且混塔在现场吊装、安装、施工工艺和等方面要求较高，且安装进度也比柔塔明显要慢得多，以及混塔安全性等问题也需时间去考验。在140m轮毂高度及以上的项目中，因为柔塔技术成本过高，且存在较多的技术难题，因此基本以混塔形式为主。