CN102606413A - 高强特强塔筒连接结构与高强特强风机塔筒及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种高强特强塔筒连接结构与高强特强风机塔筒，尤其适用在逐渐大型化的风电建设中应用，其是通过与内衬连接套筒与塔筒壁形成内外配合紧密贴近的套装插接并且通过螺栓紧固，并在内衬连接套筒内设置结构支撑体；该结构导致塔筒抗拒水平推力与抗拒杠杆撬动拉力的能力极大提高，使当前最薄弱的螺栓问题消解，使塔筒整体结构稳定性大幅提高，该创新结构将成为风机功率拓展的前提基础，成为风电产业规模化发展的安全基础。

Description

高强特强塔筒连接结构与高强特强风机塔筒及其制造方法

技术领域

本发明涉及的高强特强塔筒连接结构与高强特强风机塔筒及其制造方法尤其适用在逐渐大型化的风电建设中应用。

背景技术

各种风力发电设备或者风力提水设备均需支撑体将风轮高举实现乘风从而产生出各种结构形态的风机塔架，由于圆筒形的风机塔架具有外型美观、各方分解乘风能力均衡且支撑能力强大稳定的优势得到广泛的认可应用，通称为：塔筒；出于运输、吊装、加工便利化的原因，一个大型风机的超高塔筒均是由若干小节段的塔筒在施工工地现场通过塔筒连接结构的装配连接紧固实现串联形成一体化整体式的风机塔筒结构。

对于风机塔筒的能力要求核心是安全稳定，风机塔筒的结构过去主要是关注承载垂直压力的能力，当前由于风机功率的持续加大、叶片长度的持续加长导致大型化的风机塔筒持续加长加高，从而形成了超乎寻常的顶部巨大水平推力×超高塔筒长度配合形成的杠杆撬动基础部位的推拉效应，使处于塔筒下部与最底部的连接结构承载的撬动拉力数值数倍高于顶部，也数倍高于垂直压力，因此当前更应该关注塔筒连接结构能够抵抗撬动性拉力的能力。

承接压力与承接拉力相比较对于风机塔筒连接结构来讲有着本质性的区别，当前普遍采用的上下法兰配合并用螺栓在塔筒内部形成“串”字形紧固的风机塔筒连接结构对于承接压力表现优异而对于承接撬动拉力就力不从心，而使该相同强度等级的承重结构在塔筒的上、中、下部均完全一致通用设置的方式极有可能导致处于中部、底部的连接结构难于承受巨大撬动拉力导致而破损，发生风机倒塌造成机组整体性毁灭事故。

本发明讨论的塔筒强度问题不单纯涉及因塔筒钢板壁设计强度不足导致的从塔筒壁中间整体变形折损式倒塌事故的形成原因，因其只需加强塔筒强度与厚度即可轻易解决；而通过对于更多呈现的因塔筒连接结构造成的风机倒塌现象的细致研究分析发现，“串”字形连接结构存有易发或诱发拉断性破坏的5个危险因素形成：

①在法兰与塔筒的钢板焊口上易发撕裂性断裂

事实上风机全部拉力压力均由塔筒壁钢板承担，而采用法兰与塔筒壁钢板形成完整圈形焊接的结构设计与加工方式容易导致塔筒钢板在焊口热影响区发生焊接性脆化或焊接性裂纹、焊接性内应力，焊接脆化经退火处理后韧性虽然可以得到很大恢复，但在风机塔筒焊接加工中难于做到退火处理，况且与焊接的法兰共同退火将导致法兰刚性的下降或者形态变化，因此在焊接脆性变化区有可能难于长期承接巨大压力、拉力与震动，在运动性疲劳与超低温叠加的情况下法兰与塔筒壁的连接焊口处易发撕裂性断裂。

②在法兰与钢板的焊口上易发脱焊断裂

事实上风机全部拉力又均作用在同一个法兰的上下2条与塔筒钢板连接的焊口上，因此焊接强度与质量关系风机命运，由于难于避免的焊接工艺条件的差异与焊接质量问题及法兰与钢板在材质、规格上存有很大的差异，不同规格钢材的热胀冷缩变化差距难于一致，在低温焊接环境下更加容易导致在焊口处产生脆性裂纹与内应力，或是在海上风电应用中由于长期盐雾、潮湿导致的锈蚀诱发焊口裂纹腐蚀导致开焊拉断与导致局部脱焊。

③螺栓连接结构成为最薄弱的层面，极易大面积拉断

多方面因素导致螺栓及其紧固连接层面结构成为塔筒连接系统中最薄弱的部分，主要形成原因包括：

1.风机全部拉力通过法兰传递又全部作用于在同一平面上分布排列的较细螺栓上，全部由各个螺栓承担，而螺栓层面与塔筒壁比较强度、能力、截面积等均明显数倍弱化。

2.当前的“串”字形塔筒连接结构的螺栓紧固形态是以形成间隔距离的压力影响方式，以非直接的承接塔筒壁拉力的受力方式存在，即其是通过法兰形成“弓”字形的撬动拉力方式传递到螺栓紧固压力区域。

3.如果使螺栓加粗设计将导致法兰开孔加大强度下降，还导致螺栓紧固的压力心中区更加偏离塔筒壁的边沿对接的实际承拉需要位置，从而形成更大距离的杠杆撬动作用，将导致螺栓一侧受力加大加快运动性疲劳。

4.螺栓的材质刚度与柔韧性性能设计难于两全其美共存，自然界难有既刚硬又柔韧的材料，尤其是在超低温应用的环境情况下过于强调刚硬的细小螺栓更容易发生疲劳、脆裂、折断，而过于强调柔韧性则螺栓的抗拉伸强度与抗变形强度将下降。

④法兰与螺栓配合结构相互抑制，均难强大

在法兰同一平面上采用较高密度开孔，采用加粗、加密螺栓设计实现螺栓强化的方式将导致法兰抗变形强度与抗断裂能力的降低，法兰变形折断将使塔筒整体失去节段骨架支撑效应易发塔筒变形性折断倒塌。反之，细小与较为稀疏的排列分布且在单一平面存在的螺栓紧固层业已成为整个连接系统中最为薄弱的层面结构。

⑤易断结构一线串联易连锁崩溃

在巨大撬动拉力下导致易损的上述4个描述脆弱结构还形成了一线式相互串联依存的结构关联，因此如果其中哪怕一个环节发生破损均将如同雪崩一样导致连锁式激发，通过对某一特定塔筒倒塌现场塔筒破损结构的观察，钢板焊口撕裂、法兰脱焊、法兰折断、螺栓大面积被拉断均参与了断裂过程表现。

发明内容

本发明的目的是提出一种可有效回避消除当前塔筒连接结构中存在的4大易损形成因素与其相互串联依存的关联结构，达成4大创新优势，其包括：(1)可大幅度形成强化抗拒因风机塔筒顶部巨大水平推力导致的杠杆式撬动拉力对于塔筒中部底部连接结构形成的破坏力的结构与强度；(2)可大幅度形成强化抗拒由塔筒形态支撑结构脆弱变形破坏引发的塔筒整体折断式的形成结构与强度能力；(3)可为各种不同高度及承载水平推力需求的风机塔筒及同一塔筒在不同高度强化不同受力强度与安全牢固度设计安排需要提供出多种不同强度等级与强度级别差别的连接结构设计选择；(4)提供采用上述连接结构及其不同强度等级级别搭配组合形成的高强特强风机塔筒设计及其制造安装方法，其可全面优质化地满足风电机组持续加大的出力能力设计与持续加高设计后对于塔筒各种连接部位强度的需求，并且结构简捷，容易加工，方便运输安装，还不会导致塔筒的外美观性的破坏。

本发明是通过高强风机塔筒连接结构、特强风机塔筒连接结构及采用不同连接结构强度等级、强度级别的设计组合形成的高强特强风机塔筒及其最佳制造、运输、安装方法实现发明目的。

本发明提出的高强风机塔筒连接结构(简称：高强结构)及其制造方法是：通过与塔筒壁钢板厚度强度相当或更多情况是高于塔筒壁厚度的内衬连接套筒与塔筒壁形成内外配合紧密贴近的套装插接，再在内衬连接套筒与塔筒壁上形成内外完全相互对应的开孔，并用加粗螺栓横向穿过各个开孔实现塔筒壁与内衬连接套筒的紧固；螺栓排数的组合依照不同强度等级的设计需求可选择1排或2排或3排及以上设置且使排与排之间形成一定的间隔距离，同排螺栓之间也留有一定的间距并使相邻2排螺栓的开孔位置间距形成上下相互等距离间隔交叉的设置，同时使螺栓的外径与开孔的内径实现规格相当不应该存留间隙的紧密配合。

在内衬连接套筒内设置1个空心圆“◎”形的塔筒整体形态结构支撑体(简称：结构支撑体)或设置2个并列的结构支撑体，并使结构支撑体与内衬连接套筒实现分布点段的焊接固定，而并列有结构支撑体的内衬连接套筒通常是将对接的两塔筒的最外层螺栓设在双层结构支撑体的相邻范围内侧，也可设在外侧。

本发明提出的特强风机塔筒连接结构(简称：特强结构)及其制造方法是：其是在高强结构内衬塔筒的内部设置复合内衬套筒并与内衬连接套筒形成紧密贴近的插接配合，在复合内衬套筒内设置1个或2个结构支撑体并与复合内衬套筒分布焊接，从而可以实现内衬连接套筒的完全不焊接的状态，对接的两塔筒的最外层螺栓通常设在双层结构支撑体内，内衬连接套筒与复合内衬套筒也可以少量点焊焊接或不焊接，复合内衬套筒的直径剖面结构有多种强度级别的结构设计。

以上所述的连接结构多种强度级别的形成差别与形成方式是：本发明将高强与特强塔筒连接结构的形成结构强度区分称为“等级”差别，而将在相同等级下的不同延伸变化设计形成的强度区分称为“级别”差别，逐步加强相同“等级”下的强度“级别”差别的设计的手段可通过以下方式体现：

(一)适当加厚内衬连接套筒与复合内衬套筒钢板的厚度；(二)适当加长内衬连接套筒与复合内衬套筒的长度规格变化；(三)适当增加塔筒结构支撑体的设置数量及其厚度；(四)适当增加固定螺栓的排列排数；(五)适当增加螺栓紧固内衬连接套筒与复合内衬套筒的位置范围与紧固的螺栓数量；(六)适当增加螺栓直径规格的设计。

由此可见，可通过以上6种强化强度设计的方式变化及其相互交叉组合设置实现强化不同塔筒连接结构强度的设计，因此其加强方式与结构可以多元化选择，在实际工程中通常是按照连接处处于塔筒的高低位置、风机高度设计、风机功率设计、应用环境(海上还是陆地)及用户偏好的实际需要进行不同强度等级的连接结构强度设计选择，特强连接结构通常在特大型风机塔筒的下部与最底部采用。

本发明提出的高强连接结构风机塔筒(简称：高强塔筒)及其制造方法是：其采用不同级别的高强连接结构等级结构或包括在塔筒上部采用法兰螺栓的连接结构的配合共同实现各个节段塔筒的串联连接形成高强塔筒整体结构，其可使连接结构的强度均达到或者超过塔筒壁本身，并通过不同强度级别的强度设计形成满足与影响塔筒部位及影响整体结构支撑强度的作用。

在制造时通常是将一个节段的高强塔筒的一端在加工车间预先实现塔筒壁与内衬连接套筒的配合插接制造装配与完成螺栓紧固且完成表面装饰，并使一半内衬连接套筒形成凸出待配合插接的状态，使凸出的内衬连接套筒的端口形成向内的角度倾斜方便对接插接；而在塔筒的另一端处于待内衬连接套筒配合插接与待螺钉紧固的活动式状态，待运送到风电场塔基位置通过吊装对位插接实现待插入端塔筒壁与凸出的内衬连接套筒的配合对位插接后用螺栓紧固。

此外，在每段高强风机塔筒待配合内衬连接套筒的一端塔筒壁的内侧可设置相对窄小的支撑结构体且设置距离以不妨碍内衬连接套筒插入为限制；或更推荐采用通过制造临时活动式空心圆支撑架及使其实现与待插入一端塔筒壁的插接配合与部分螺孔配合紧固的临时支撑，方便运输、安装、放置过程的不变形，待到达工地后去掉临时活动式空心圆塔筒支撑架，实现与内衬连接套筒的插接配合紧固，或使上述两种方式共同配合应用。

本发明提出的特强风机塔筒连接结构在多数情况下没有必要在同一塔筒的上、中、下部均采用，其通常是与不同强度级别的高强塔筒连接结构混合应用，因此提出了“高强特强连接结构风机塔筒”这一最常用应用类型塔筒结构。

本发明提出的高强特强塔筒连接结构风机塔筒(简称：高强特强塔筒；或称：特强塔筒)及其制造方法是：多数情况下其是由部分采用特强塔筒连接结构、部分采用高强塔筒连接结构，或可包括在塔筒上部采用法兰与螺栓紧固的塔筒连接结构实现各个节段塔筒的相互连接构成的整体风机塔筒。

特强风机连接结构的风机塔筒(也可简称：特强节段塔筒)的制造安装方式是：其与高强塔筒各个完成程序大致相同，即通常是将一节段塔筒在一端预先实现内衬连接套筒与塔筒壁的固定式插接配合制造与完成螺栓紧固并且完成表面装饰，并且达成一半内衬连接套筒的凸出待配合插入状态，待运送到风电场通过吊装对位插接实现插接配合与螺栓紧固。

由于描述的相同塔筒在不同部位可以采用不同强度级别等级的连接结构设计，因此同一塔筒节段的两端插接对接结构或许不同，但在同一塔筒上不建议采用超过3种或者4以上不同结构规格设置的塔筒连接结构。

本发明塔筒连接结构通过塔筒壁与内衬连接套筒的插接配合并由横向螺栓紧固的连接结构导致螺栓由原来大致“完全承受拉伸受力的方式”转变成为“大致完全承受切削受力的方式”；从原来“有间距的“弓”形非直接承担撬动拉力的受力方式”转变成为“无间距的直接承担“||”形直线拉力的受力方式”，因此对于螺栓帽的横向水平移动方向的受力强度由极大变为极小，这就为了螺栓装饰美观需求提供了力学原理保障。

本发明提出的装饰螺栓的螺栓帽顶部可为立体梯形圆面装饰螺栓形态，其是与通过扩展塔筒壁开孔表面形成的凹形圆面结构配合实现螺栓紧固后塔筒壁表面无痕迹的螺栓帽嵌入装饰；或采用薄型圆弧装饰螺栓，其表面为薄形的螺栓帽，其与塔筒壁配合后观察没有明显突出痕迹为宜，而其螺栓体与塔筒壁和内衬连接塔筒的配合部位不设置螺丝扣，且螺栓体直径与开孔规格相当形成无间隙的配合。

本发明提出的高强与特强塔筒连接结构与其形成的高强特强塔筒全面系统地消除了前述5大脆弱结构及其形成因素，并且达成5大强度能力优势，解析如下：

(1)用内衬连接套筒连接结构消除了整体完全焊接结构的需求

高强特强结构通过内衬连接套筒与复合内衬套筒承担抗击撬动式拉力与实现稳固对接的连接结构与连接方式消除了整圈环绕式完全焊接的连接结构设置需求，消除了因其导致的钢板材料易发生焊接脆性变化的形成因素，而特强结构更可完全消除内衬连接套筒焊接，可消除前述①②描述的危险形成原因。

(2)内衬连接套筒与螺栓共同抗拒杠杆撬动拉力

高强特强塔筒连接结构及其高级别采用的适当幅度延长内衬连接套筒与复合内衬套筒的设置结构更可导致绝大部分因侧向水平推力形成的杠杆撬动拉力均由拥有强大整体结构的内衬连接套筒分担，同时内衬套筒又可完全限制塔筒连接位置的水平移动与振动位移，导致螺栓承受拉力、压力、位移的程度成倍降低；

此外，因为螺钉连接紧固压力是直接作用在塔筒壁上的，也消除了通过法兰传递撬动形成的非直线传导所导致的诱发螺栓疲劳与承接拉力能力损失，从而大幅度加强了螺栓抗拒撬动拉力的能力。

(3)多方破解最难解决的螺栓薄弱问题

除内衬套筒大力助力之外，解决螺栓承担拉力强度不足问题的另一最佳途径是大幅度乃至成倍增加螺栓的直径设计并且加多螺栓设置数量，并使螺栓的紧固位置与乘接受力的方式发生本质性改变，这一最佳解决方案在法兰与螺栓形成的“串”字形连接紧固结构下难于两全其美的实现。

高强特强塔筒连接结构采用的多排螺栓且相邻排列位置形成相互间隔交叉的结构，可使螺栓在非同一塔筒壁直线平面内分布存在，消除了因密集开孔导致相同层面钢板强度过度下降的问题，而螺栓开孔紧固区间也恰恰是塔筒壁与内衬连接套筒的插接重叠复合存在区域，从而实现结构强度“减一补一”，成倍加强了因为开孔导致的塔筒壁的相对薄弱强度，因此螺栓的设置数量与螺栓设计直径可大幅增加；

而螺栓承接侧向切向拉力的强度与承担能力也远大于承担直接纵向撬动拉伸的强度，因此从多方面消除了螺栓问题困局。

(4)内衬连接套筒导致塔筒整体抗击水平推力的强度提高

本发明通过内衬连接套筒与结构支撑体配合形成的层层节节上下分布宽幅结构支撑的骨架效应，及塔筒壁与内衬连接套筒交叉重叠的加强结构作用可以大幅度形成加强强化塔筒壁整体抗拒侧向推力的能力，而特强塔筒连接结构采用的双层套筒连接更可实现双保险连接与结构梯次加强及广泛集中支撑的三重功效，这可为日后更大出力与更高塔筒设计发展预先提供出塔筒连接强度与塔筒整体结构强度的技术铺垫。

(5)消除了各个脆弱结构的关联，形成多重全新综合优势

本发明结构从根本上消除了前述4大薄弱结构及其一线式串联关联形成条件，可将过去塔筒中最为薄弱的连接部位结构转变成为整体塔筒结构中最为强大的形成支撑结构的部位，同时将影响塔筒整体强度的全面提升，通过提升塔筒整体强度更可导致在相同设计功率与塔筒高度设计下的塔筒直径规格体积的缩小设计，从而实现减少材料消耗，方便加工制造、方便运输、安装、减小乘风阻力、减轻塔筒效应，并且形成风机整体和谐协调美观的多方面优势效果。

通过以上缜密分析过程可见显见，当前危险大型化风机安全的核心问题是持续加大的塔筒顶部水平推力，而从以上多次重复强调的各种抗击水平推力的能力提高的描述中说明，超强特强风机塔筒结构在应对各种安全危险均表现了全面的综合优势性能组合，因此其将成为风机功率拓展的技术基础，成为风电产业规模化发展的安全基础。

附图说明

图1高强塔筒连接结构的整体示意图

图2是在内衬连接套筒内设置1个结构支撑体的高强塔筒连接结构示意图

图3是在内衬连接套筒内设置2个结构支撑体的高强塔筒连接结构示意图

图4是拥有小范围复合支撑体的高强——特强过度式塔筒连接结构示意图

图5在复合内衬套筒内设置1个结构支撑体的特强塔筒连接结构的示意图

图6是在复合内衬套筒设置2个结构支撑体的特强塔筒连接结构的示意图

图7是设置2个结构支撑体并用螺栓内外紧固的特强塔筒结构连接示意图

图8是梯形凹面装饰螺栓与塔筒壁和内衬连接套筒装配的剖面结构示意图

图9是薄型圆弧装饰螺栓与塔筒壁和内衬连接套筒装配的剖面结构示意图

图示标记：1.内衬连接套筒；2.螺钉与螺孔(位置)；3.塔筒壁；4.结构支撑体；5.复合内衬套筒；6.梯形凹面装饰螺栓；7.薄型圆弧装饰螺栓。

Claims (6)

1.一种高强风机塔筒连接结构，其特征在于：通过与塔筒壁厚度强度相当或高于塔筒壁厚的内衬连接套筒(1)与塔筒壁(3)形成内外配合紧密贴近的套装插接结构，再在内衬连接套筒与塔筒壁上形成内外完全相互对应的开孔；并用螺栓(2)横向穿过开孔实现塔筒壁与内衬连接套筒的紧固；螺栓组合的排数依照不同强度等级的设计需求可选择1排或2排或3排及以上设置且使排与排之间形成一定的间隔距离，同排螺栓之间也留有一定的间距并使相邻2排螺栓的开孔位置间距形成上下相互等距离间隔交叉的设置，同时使螺栓的外径与开孔的内径实现规格相当不应该存留间隙的紧密配合；在内衬连接套筒内设置1个或设置2个并列的结构支撑体(4)。

2.一种特强风机塔筒连接结构，其特征在于：其是在高强连接结构内衬塔筒的内部设置复合内衬套筒(5)并与内衬连接套筒形成紧密贴近的插接配合，在复合内衬套筒内设置1个或2个结构支撑体并与复合内衬套筒分布焊接。

3.一种高强风机塔筒，其特征在于：高强风机塔筒是采用不同级别的高强连接结构等级结构或包括在上部采用法兰螺栓的连接结构配合共同实现各个节段塔筒的串联连接形成整体塔筒结构。

4.一种特强风机塔筒，其特征在于：其是由部分采用特强塔筒连接结构、部分采用高强塔筒连接结构，或包括在塔筒上部采用法兰与螺栓紧固的塔筒连接结构实现各个节段塔筒的相互连接构成整体塔筒结构。

5.一种高强特强风机塔筒的制造方法，其特征在于：其通常均是将一个节段的高强特强塔筒的一端预先实现塔筒壁与内衬连接套筒的配合插接制造装配与完成螺栓紧固且完成表面装饰，并使一半内衬连接套筒形成凸出待配合插接的状态，而在塔筒的另一端处于待内衬连接套筒配合插接与待螺钉紧固的活动式状态，待运送到风电场通过吊装对位插接实现待插入端塔筒壁与凸出的内衬连接套筒的配合对位插接后用螺栓紧固。

6.一种高强特强风机塔筒专用的装饰螺栓，其特征在于：螺栓帽顶部为立体梯形圆面装饰螺栓形态(6)，其是与通过扩展塔筒壁开孔表面形成的凹形圆面结构配合实现螺栓紧固后塔筒壁表面无痕迹的螺栓帽嵌入装饰；或为薄型圆弧结构形态表面的螺栓(7)其与塔筒壁配合后无明显突出痕迹，而其螺栓体与塔筒壁和内衬连接塔筒的配合部位不设置螺丝扣，螺栓体与开孔直径一致。

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