CN102797643B - 一种风力发电塔装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于风力发电技术领域，公开了一种风力发电塔装置，该装置包括框架承重结构（1）、外部维护结构（2）和基础（3）；外部维护结构（2）通过连接件和框架承重结构（1）连接，基础（3）的底部位于地表以下土层中，顶部和框架承重结构（1）连接。本发明采用新型框架结构，在主体构件可以选用型钢，不需大量的卷板焊接工序，大大降低了制造难度，并且相比传统锥筒型塔架更能发挥各钢材材料性能；塔架几何尺寸不受运输条件的限制，可以搭建更高塔架，支撑更大风电机组，获取更多的风能，在风力不强的地方也能使用，并且适合于海洋发电机组。
Description
技术领域
本发明属于风力发电技术领域，涉及一种风力发电塔装置。
背景技术
目前常见的风力发电塔架，塔身一般由几段钢锥筒通过法兰盘拼接建成，每段锥筒采用钢材卷板焊接制作。这种锥筒塔具有安全稳固、构造简单、外形美观的优点；但随着风电机组增大、塔架增高，锥筒形钢塔表现出用材浪费、运输困难等问题。例如，当底部直径超过5米的锥筒塔段在公路运输时，由于桥梁底部净高度的限制而存在过桥困难，从而制约了锥筒形钢塔架的几何尺寸和建造高度；研究还表明超过85米的钢锥筒塔架存在结构振动方面的挑战；另外，在锥筒形钢塔的现场安装需采用重型超高起重机械进行吊装，施工难度大。基于以上原因，风电装备产业提出了塔架结构优化创新的需求。近年来出现利用复合材料（Polyzois,D.J.,Raftoyiannis,I.G.,Ungkurapinan,N.Static and dynamic characteristics ofmulti-cell jointed GFRP wind turbine towers.Composite Structures,2009,90:34-42）、钢筋混凝土或预应力混凝土（一种张拉式多段混凝土风电塔架:辽宁,CN202017584U[P].2011-10-26;预应力圆柱式混凝土风电塔架:辽宁,CN201933507U[P].2011-08-17;后张拉式预应力多段混凝土风电塔架:辽宁,CN201963021U[P].2011-09-07）发展的锥筒型塔架；或采用底部混凝土锥筒和上部钢锥筒的组合（预应力混凝土钢结构复合风电塔架:辽宁,CN201962693U[P].2011-09-07;一种混凝土-钢结构复合风电塔架:辽宁,CN202031370U[P].2011-11-09）；也有提出多棱管塔架（多棱管组合式风电塔架:黑龙江,CN101994662A[P].2011-03-30）和钢管混凝土格构风电塔架（刘香,王敏,李建.格构式钢管混凝土风力发电塔架的受力分析.武汉理工大学学报,2010,32(9):175-177）。由于钢材质量易于控制，钢结构便于工业化设计生产，全钢塔架仍是高耸构筑物的主要结构型式。
发明内容
本发明目的是提供一种风力发电塔装置，该装置可以节约材料，运输方便。
本发明的技术方案如下：
本发明提供了一种风力发电塔装置，该装置包括框架承重结构、外部维护结构和基础；外部维护结构通过连接件和框架承重结构连接，基础的底部位于地表以下土层中，顶部和框架承重结构连接。
所述的顶部和框架承重结构连接是采用螺栓连接。
所述的框架承重结构上设置有振动控制装置、健康监测系统中的一种或两种。
所述的振动控制装置包括悬挂质量阻尼器、粘滞阻尼器中的一种或两种；其中：悬挂质量阻尼器采用单摆、复摆或颗粒阻尼系统；质量由固体或液体提供；悬挂质量阻尼器通过连接杆悬挂于框架承重结构顶部；粘滞阻尼器为液体粘滞阻尼器或粘弹性阻尼器；粘滞阻尼器位于顶部四层中的一层或几层框架结构单元的对角线位置，和框架结构单元采用螺栓连接。
所述的健康监测系统由测量应变、位移、加速度参量的传感器组成；传感器固定位于框架承重结构应力集中的连接节点、最大位移部位的构件上。
所述的框架承重结构沿着地面向上从底层到顶层，由一个至最多一百个框架结构单元通过柱端连接而成。
所述的框架结构单元的高度为一米至十米高度；框架结构单元包括钢柱、钢梁和钢斜撑；钢柱在平行于地表的平面内沿圆周均匀分布，地表处的第一层框架结构单元的每根钢柱在地面位置和基础进行连接；第一层框架结构单元的每根钢柱顶面和第二层框架结构单元的每根钢柱进行连接；第二层以上框架结构单元的每根钢柱与相邻层框架结构单元的钢柱均对接；除地面高度外，每个框架结构单元的层高部位的相邻钢柱由钢梁在平行于地表的平面内连接；每个框架结构单元相邻钢柱上层和下层对角线节点由钢斜撑进行连接。
所述的钢柱沿着圆周分布四个或者四个以上的偶数个数，钢柱在地面位置和基础进行连接采用柱脚螺栓或者采用钢柱和基础预埋构件插接的连接方式；钢柱在相邻框架结构单元竖向的连接方式采用螺栓连接或者插接的连接；钢柱为圆钢管、方钢管、工字型钢、槽钢或槽钢螺栓拼接、角钢或角钢螺栓拼接或热轧或者冷弯型钢。
所述的钢柱从底层到顶层采用不同截面尺寸，也可以采用相同截面尺寸。
所述的钢梁在除地面高度以外的每个框架结构单元在平行于地面的平面内沿着圆周连接相邻的钢柱，组成封闭多边形；钢梁和钢柱在每个框架结构单元水平面的连接采用螺栓连接或者插接的连接方式；钢梁为圆钢管、方钢管、工字型钢、槽钢或槽钢螺栓拼接、角钢或角钢螺栓拼接或热轧或者冷弯型钢。
所述的钢梁从底层到顶层采用不同截面尺寸，也可以采用相同截面尺寸。
所述的钢斜撑在每个框架结构单元沿着对角线连接相邻柱，采用斜杆型或交叉型；钢斜撑和钢柱的连接采用端板螺栓连接或者插接的连接方式；钢斜撑为圆钢管、方钢管、工字型钢、槽钢或槽钢螺栓拼接、角钢或角钢螺栓拼接或热轧或者冷弯型钢。
所述的钢斜撑从底层到顶层采用不同截面尺寸，也可以采用相同截面尺寸。
所述的外部维护结构上设置有太阳能光伏发电板；外部维护结构和太阳能光伏发电板通过连接件连接；外部维护结构在底部开设门洞；外部维护结构采用薄金属板或者薄非金属板材；形状为圆形或多边形。
所述的门洞沿地面向上为一米或者一米到第一层框架结构单元高度之间的高度；宽度为0.9米到第一层框架结构单元相邻两个钢柱之间的距离。
所述的基础在底层框架结构单元每根钢柱下布置，沿着平行于地表的圆周分布四个或者四个以上的偶数个数，设置数量和底层框架结构单元的钢柱的个数相同；基础为预制钢筋混凝土基础或现浇钢筋混凝土基础；基础在每根柱子之间通过钢筋混凝土连梁在地表处连接。
所述的风力发电塔装置上设有自起吊设备。
所述的自起吊设备包括钢架、提升装置、缆绳；钢架和已建框架承重结构连接，提升装置位于钢架顶部，缆绳连接提升装置，用于起吊吊装框架结构和风力发电机组。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：
1、本发明采用新型框架结构，在主体构件可以选用型钢，不需大量的卷板焊接工序，大大降低了制造难度，并且相比传统锥筒型塔架更能发挥各钢材材料性能；塔架几何尺寸不受运输条件的限制，可以搭建更高塔架（>100m），支撑更大风电机组，获取更多的风能，在风力不强的地方也能使用，并且适合于海洋发电机组。
2、本发明风电塔架维护结构不参与承重，底部门洞尺寸可以较大，从而方便检修人员、设备进出风塔内部；同时对底部直径较大的塔架，风塔内部可以安装风力发电其他设备，减少了风场辅助用房的建设。
3、本发明塔架基础设计施工上可以采用柱下独立基础，大大降低了钢筋混凝土用量，节约资源，施工便捷，保护环境。
4、本发明塔架合理设计利用光伏太阳能板作为外部维护，增加了发电能力。
5、本发明塔架的健康监测系统，实现了风塔运行安全预警，降低风电塔维护中人工巡检的主观性和劳动强度。
6、本发明通过合理组合使用悬挂质量阻尼器、粘滞阻尼器，实现对塔架振动的宽频带控制，增强风电塔架的安全稳定。
7、本发明塔架在施工安装上采用自起吊装置，无需重型超长起重机设备，可以实现更高塔架（>100m）的方便安装。
附图说明
图1是本发明风力发电塔装置框架承重结构1、基础3、振动控制装置4、健康监测系统5示意图。
图2是本发明加装外部维护结构2的风力发电塔装置示意图。
图3是本发明加装太阳能光伏发电板6的风力发电塔装置示意图。
图4是本发明具有斜杆型钢斜撑的框架结构单元9示意图。
图5是本发明具有交叉型钢斜撑的框架结构单元9示意图。
图6是本发明风力发电塔装置圆形外部维护结构2截面示意图。
图7是本发明风力发电塔装置多边形外部维护结构2截面示意图。
图8是本发明风力发电塔装置吊装框架结构14吊装施工示意图。
其中：1为框架承重结构、2为外部维护结构、3为基础、4为振动控制装置、5为健康监测系统、6为太阳能光伏发电板、7为门洞、8为自起吊设备、9为框架结构单元、10为钢柱、11为钢梁、12为钢斜撑、13为已建框架承重结构、14为吊装框架结构、15为风力发电机组。
具体实施方式
以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。
实施例
图1是本发明风力发电塔装置框架承重结构1、基础3、振动控制装置4、健康监测系统5示意图。
一种风力发电塔装置，该装置包括框架承重结构1、外部维护结构2和基础3；外部维护结构2通过连接件和框架承重结构1连接，基础3的底部位于地表以下土层中，顶部和框架承重结构1通过螺栓连接。
框架承重结构1上设置有振动控制装置4、健康监测系统5中的一种或两种。
振动控制装置4包括悬挂质量阻尼器、粘滞阻尼器中的一种或两种；其中：悬挂质量阻尼器采用单摆、复摆或颗粒阻尼系统；质量由固体或液体提供；悬挂质量阻尼器通过连接杆悬挂于框架承重结构1顶部；粘滞阻尼器为液体粘滞阻尼器或粘弹性阻尼器；粘滞阻尼器位于顶部四层中的一层或几层框架结构单元9的对角线位置，和框架结构单元9采用螺栓连接。
健康监测系统5由测量应变、位移、加速度参量的传感器组成；传感器固定位于框架承重结构1应力集中的连接节点、最大位移部位的构件上。
框架承重结构1沿着地面向上从底层到顶层，由一个至最多一百个框架结构单元9通过柱端连接而成。
图4是本发明具有斜杆型钢斜撑的框架结构单元9示意图；图5是本发明具有交叉型钢斜撑的框架结构单元9示意图。
框架结构单元9的高度为一米至十米高度；框架结构单元9包括钢柱10、钢梁11和钢斜撑12；钢柱10在平行于地表的平面内沿圆周均匀分布，地表处的第一层框架结构单元9的每根钢柱10在地面位置和基础3进行连接；第一层框架结构单元9的每根钢柱10顶面和第二层框架结构单元9的每根钢柱10进行连接；第二层以上框架结构单元9的每根钢柱10与相邻层框架结构单元9的钢柱10均对接；除地面高度外，每个框架结构单元9的层高部位的相邻钢柱10由钢梁11在平行于地表的平面内连接；每个框架结构单元9相邻钢柱10上层和下层对角线节点由钢斜撑12进行连接。
钢柱10沿着圆周分布四个或者四个以上的偶数个数，钢柱10在地面位置和基础3进行连接采用柱脚螺栓或者采用钢柱和基础预埋构件插接的连接方式；钢柱10在相邻框架结构单元9竖向的连接方式采用螺栓连接或者插接的连接；钢柱10为圆钢管、方钢管、工字型钢、槽钢或槽钢螺栓拼接、角钢或角钢螺栓拼接或热轧或者冷弯型钢。
钢柱10从底层到顶层采用不同截面尺寸，也可以采用相同截面尺寸。
钢梁11在除地面高度以外的每个框架结构单元9在平行于地面的平面内沿着圆周连接相邻的钢柱10，组成封闭多边形；钢梁11和钢柱10在每个框架结构单元9水平面的连接采用螺栓连接或者插接的连接方式；钢梁11为圆钢管、方钢管、工字型钢、槽钢或槽钢螺栓拼接、角钢或角钢螺栓拼接或热轧或者冷弯型钢。
钢梁11从底层到顶层采用不同截面尺寸，也可以采用相同截面尺寸。
钢斜撑12在每个框架结构单元9沿着对角线连接相邻柱，采用斜杆型或交叉型；钢斜撑12和钢柱10的连接采用端板螺栓连接或者插接的连接方式；钢斜撑12为圆钢管、方钢管、工字型钢、槽钢或槽钢螺栓拼接、角钢或角钢螺栓拼接或热轧或者冷弯型钢。
钢斜撑12从底层到顶层采用不同截面尺寸，也可以采用相同截面尺寸。
图2是本发明加装外部维护结构2的风力发电塔装置示意图；图3是本发明加装太阳能光伏发电板6的风力发电塔装置示意图；图6是本发明风力发电塔装置圆形外部维护结构2截面示意图；图7是本发明风力发电塔装置多边形外部维护结构2截面示意图。
外部维护结构2上设置有太阳能光伏发电板6；外部维护结构2和太阳能光伏发电板6通过连接件连接；外部维护结构2在底部开设门洞7；外部维护结构2采用薄金属板或者薄非金属板材；形状为圆形或多边形。
门洞7沿地面向上为一米或者一米到第一层框架结构单元9高度之间的高度；宽度为0.9米到第一层框架结构单元9相邻两个钢柱10之间的距离。
基础3在底层框架结构单元9每根钢柱10下布置，沿着平行于地表的圆周分布四个或者四个以上的偶数个数，设置数量和底层框架结构单元9的钢柱10的个数相同；基础3为预制钢筋混凝土基础或现浇钢筋混凝土基础；基础3在每根柱子之间通过钢筋混凝土连梁在地表处连接。
图8是本发明风力发电塔装置吊装框架结构14吊装施工示意图。
风力发电塔装置上设有自起吊设备8。
自起吊设备8包括钢架、提升装置、缆绳；钢架和已建框架承重结构13连接，提升装置位于钢架顶部，缆绳连接提升装置，用于起吊吊装框架结构14和风力发电机组15。
本发明的风力发电塔装置分为框架承重结构1、外部维护结构2、基础3三大部分。
框架承重结构1上设置有振动控制装置4、健康监测系统5中的一种或两种。
外部维护结构2可以加装太阳能光伏发电板6。
外部维护结构2在底部开设门洞7。本发明的风电塔装置可以采用常规风电塔架建造方式，利用外部起吊装备进行安装；或者采用本发明提出自起吊设备8进行安装。
基础3嵌入承重地层，基础3支撑底层框架结构单元9的钢柱10，从而使框架承重结构1重量完全传入地基。
在基础3顶面沿着圆周均匀布置钢柱10，相邻钢柱10在柱顶平行于地表的平面内通过钢梁11相互连接，在竖向通过钢斜撑12沿着对角线连接，从而构建底部第一层框架结构单元9。
以第一层框架结构单元9作为支撑结构，利用外部起吊设备或者自起吊设备8，吊装第二层框架结构单元9的钢柱10并安装在第一层框架结构单元9每根钢柱10的顶面，吊装第二层框架结构单元9的钢梁11和钢斜撑12，按照第一层框架结构单元9的连接方式完成第二层框架结构单元9的建造。
按照这样顺序，逐层向上进行风电塔装置框架承重结构1的安装。
对于第一层框架结构单元9以上结构的安装，在需吊装的一层框架结构单元9或多个框架结构单元9组成的吊装框架结构14的重量不超过外部起吊设备或者自起吊设备8的起吊能力以及已建框架承重结构13的承载力要求时，可以在地面进行钢柱10、钢梁11、钢斜撑12的连接完成一个框架结构单元9或多个框架结构单元9组成的吊装框架结构14的拼装，然后对一个框架结构单元9或多个框架结构单元9组成的吊装框架结构14进行整体吊装，并对吊装的一个框架结构单元9或多个框架结构单元9组成的吊装框架结构14和已建框架承重结构13对应的钢柱10的在柱端进行连接而完成拼装。
框架承重结构1安装完成后，在最顶层沿着圆周设置刚性法兰，在法兰上部安装风力发电机组15。
利用外部起吊设备或者自起吊设备8从上向下逐渐降落，依次从顶层到底层逐层吊装外部维护结构2并和框架承重结构1连接；也可以在自下而上安装框架承重结构1的同时利用外部起吊设备或者自起吊设备8同步逐层吊装外部维护结构2。
需要加装太阳能光伏发电板6的风力发电塔装置，在外部维护结构2吊装的施工中利用外部起吊设备或者自起吊设备8逐层挂装太阳能光伏发电板6；太阳能发电和风力发电机组15产生的电能一起输送。
需要加装振动控制装置4的风力发电装置，在框架承重结构1安装过程中，利用外部起吊设备或者自起吊设备8，吊装悬挂质量阻尼器或粘滞阻尼器或悬挂质量阻尼器和粘滞阻尼器的组合；从而实现对框架承重结构1振动的控制。
需要加装健康监测系统5的风力发电装置，在框架承重结构1安装过程中，在框架承重结构1应力集中连接节点、塔架最大位移部位安装传感器；从而实现对框架承重结构1的健康监测。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种风力发电塔装置，该装置包括框架承重结构(1)、外部维护结构(2)和基础(3)；外部维护结构(2)通过连接件和框架承重结构(1)连接，基础(3)的底部位于地表以下土层中，顶部和框架承重结构(1)连接；其特征在于：
所述的顶部和框架承重结构(1)连接是采用螺栓连接；所述的框架承重结构(1)上设置有振动控制装置(4)、健康监测系统(5)；
所述的振动控制装置(4)包括悬挂质量阻尼器、粘滞阻尼器两种；其中：悬挂质量阻尼器采用复摆或颗粒阻尼系统；质量由固体或液体提供；悬挂质量阻尼器通过连接杆悬挂于框架承重结构(1)顶部；粘滞阻尼器为液体粘滞阻尼器或粘弹性阻尼器；粘滞阻尼器位于顶部四层中的一层或几层框架结构单元(9)的对角线位置，和框架结构单元(9)采用螺栓连接；
所述的健康监测系统(5)由测量应变、位移、加速度参量的传感器组成；传感器固定位于框架承重结构(1)应力集中的连接节点、最大位移部位的构件上；
所述的基础(3)在底层框架结构单元(9)每根钢柱(10)下布置，沿着平行于地表的圆周分布四个或者四个以上的偶数个数，设置数量和底层框架结构单元(9)的钢柱(10)的个数相同；基础(3)为预制钢筋混凝土基础或现浇钢筋混凝土基础；基础(3)在每根柱子之间通过钢筋混凝土连梁在地表处连接；
所述的框架承重结构(1)沿着地面向上从底层到顶层，由一个至最多一百个框架结构单元(9)通过柱端连接而成；
所述的框架结构单元(9)的高度为一米至十米高度；框架结构单元(9)包括钢柱(10)、钢梁(11)和钢斜撑(12)；钢柱(10)在平行于地表的平面内沿圆周均匀分布，地表处的第一层框架结构单元(9)的每根钢柱(10)在地面位置和基础(3)进行连接；第一层框架结构单元(9)的每根钢柱(10)顶面和第二层框架结构单元(9)的每根钢柱(10)进行连接；第二层以上框架结构单元(9)的每根钢柱(10)与相邻层框架结构单元(9)的钢柱(10)均对接；除地面高度外，每个框架结构单元(9)的层高部位的相邻钢柱(10)由钢梁(11)在平行于地表的平面内连接；每个框架结构单元(9)相邻钢柱(10)上层和下层对角线节点由钢斜撑(12)进行连接；
所述的钢柱(10)沿着圆周分布四个或者四个以上的偶数个数，钢柱(10)在地面位置和基础(3)进行连接采用柱脚螺栓或者采用钢柱和基础预埋构件插接的连接方式；钢柱(10)在相邻框架结构单元(9)竖向的连接方式采用螺栓连接或者插接的连接；钢柱(10)为圆钢管、方钢管、工字型钢、槽钢或槽钢螺栓拼接、角钢或角钢螺栓拼接或热轧或者冷弯型钢；
所述的钢梁(11)在除地面高度以外的每个框架结构单元(9)在平行于地面的平面内沿着圆周连接相邻的钢柱(10)，组成封闭多边形；钢梁(11)和钢柱(10)在每个框架结构单元(9)水平面的连接采用螺栓连接或者插接的连接方式；钢梁(11)为圆钢管、方钢管、工字型钢、槽钢或槽钢螺栓拼接、角钢或角钢螺栓拼接或热轧或者冷弯型钢；
所述的钢斜撑(12)在每个框架结构单元(9)沿着对角线连接相邻柱，采用斜杆型或交叉型；钢斜撑(12)和钢柱(10)的连接采用端板螺栓连接或者插接的连接方式；钢斜撑(12)为圆钢管、方钢管、工字型钢、槽钢或槽钢螺栓拼接、角钢或角钢螺栓拼接或热轧或者冷弯型钢；
所述的外部维护结构(2)上设置有太阳能光伏发电板(6)；外部维护结构(2)和太阳能光伏发电板(6)通过连接件连接；外部维护结构(2)在底部开设门洞(7)；外部维护结构(2)采用薄金属板或者薄非金属板材；形状为圆形或多边形；所述的门洞(7)沿地面向上为一米或者一米到第一层框架结构单元(9)高度之间的高度；宽度为0.9米到第一层框架结构单元(9)相邻两个钢柱(10)之间的距离；
所述的风力发电塔装置上还设有自起吊设备(8)，所述的自起吊设备(8)包括钢架、提升装置、缆绳；钢架和已建框架承重结构(13)连接，提升装置位于钢架顶部，缆绳连接提升装置，用于起吊吊装框架结构(14)和风力发电机组(15)。
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