风力发电机为什么没风也会转（靠风发电的风力发电机反而被风吹倒了）

摘要：扬州高邮一百米高的风电倒塌，砸在了路上，断成了三四节。风电本来就是在风中发电的，却反而被风吹倒，其中到底发生了什么？

扬州高邮境内，一座百余米高的风力发电机突然倒塌，断成三四节，横跨道路，倒在路边河内，巨大的叶片砸在路边上。根据媒体报道，这个风机属于融保达高邮汤庄风电项目，共20个机位点，总装机容量为49.5MW。其中5台单机容量3.3MW，叶轮直径为155米，轮毂高度为142米；15台单机容量2.2MW，叶轮直径为110米，轮毂高度为137米。

图1：风电（与本新闻无关）

对于风力发电机来讲，叶片是其关键部件，有大量的文献对风力发电机的叶片进行研究设计，以求结构最轻，强度最大。然而，大部分人通常会忽视作为支柱的塔筒本身，在这起事故里，风电的叶片没有承受不住风的摧残，反而是其下方的塔筒出现了问题。如图2所示。

图2：被风吹倒的风力发电机

实际上，塔筒的造价约占风力发电机的20%左右。尽管相对于叶片来讲，塔筒自身的受载形式简单一些，但是百米的高度，让塔筒本身特别是底部的受载情况较为恶劣。一方面，如果无脑地增加塔筒自身的强度和刚度，必然会造成结构的笨重，不仅会让成本增加，也对安装造成一定的困难。另一方面，百米的高度让塔筒的柔性较大，刚度不足。所以，塔筒的设计就是在成本、安装和刚强度之间的平衡。百米余高的塔筒，显然不可能一体成型，通常会分成3-5段（图3），再通过拼接组装成完整的塔筒，立于地面之上。

图3：分段的塔筒

塔筒的受力主要是风机组件的重力和风的横向力，对于重力来讲，只要保证足够的横截面积就可以承受。但是，对于横向力来讲，塔筒就是一个底部固定的“梁”，头部一点点的力，都会在底部产生大的弯矩。

图4：塔筒受力图

这个弯矩可能就会引起底部结构的破坏，所以这种类似于悬臂梁的结构，都会在固定端加固，“梁”本身的结构也会特殊设计，如图4所示。为了提升塔筒的抗侧弯性能，底部的尺寸要高于顶部。理想情况下，这种变截面的尺寸能够让内部的应力均匀分布。这样充分利用了材料，发挥其承载的全部潜能，也能降低结构的自重。

根据新闻报道，当天的风很大。但是，风大应该不是最主要的原因。在风力发电机项目开始阶段，就会对当地的气象资源进行调研，风力的等级显然是设计风力发电机结构的重要参数。所以，尽管当天的风很大，但是还算不上极端天气，风力的等级应该还在设计范围之内。

从图2的倒塌的塔筒来看，第一级（底下一级）的塔筒承载能力是足够的。假如原因在于第一级，那么整个塔筒就会整体倒下，上面的塔筒基本上不会出现断开的情况。整体上来讲，由于塔筒结构是变截面的，应力的分布基本上是均匀的。但是，由于塔筒是分段制造，断面的连接处就是塔筒的薄弱环节。

图5：塔筒的连接是其薄弱环节

图5可以看到，塔筒四周那一个个小孔，就是连接的孔洞，在安装的时候，通过螺栓等连接件固定连接。在安装规范里，这些连接件属于精密连接件，其安装需要用专用扭矩扳手来安装，以达到最佳的扭矩：不至于过大而伤了连接件，不至于过小而连接不牢靠。

尽管如此，这些连接件依然是薄弱环节。风力发电机工作过程中，风力并不是持续不变的，而是脉冲式的，且方向也不唯一。对于塔筒来说，风力完全是随机的、脉动的。这种形式的风力，作用在叶片上，再传递到塔筒上，塔筒本身就会在风力的作用下，来回摆动，这对连接件是致命的。在这种摆动下，连接件可能会发生松动。一旦松动摆幅就会增大，从而恶性循环。

图6：塔筒断裂位置

另外，连接件本身在来回摆动的情况下，受到循环载荷，很容易出现金属疲劳的情况，从而降低其承载能力，时间长了就断开了。图6中，第一级和第二级的连接处就存在明显的断裂，这很有可能就是此处的连接件发生了问题。

扬州高邮境内的风力发电机被风吹倒，原因不在于风有多大，更可能的是塔筒自身的连接件出现了问题。根据现场图来看，第一级与第二级的连接件发生问题，导致塔筒倒塌的可能性很大。