CN103291562B - 海上风电塔架结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种海上风电塔架结构，包括塔筒结构以及肋板结构，该塔筒结构的横截面呈中空的正八边形结构，该正八边形结构的每条边的中心位置均固定有一肋板结构，且所述肋板结构向所述塔筒结构的内部突出，并沿着塔筒结构的内壁呈纵向延伸。采用本发明所述的风电塔架，在保持足够强度和刚度的同时，有效降低重量和造价、减少预制构件数、减少安装时间和安装费用，从而胜任海上风电建设的需要。该海上风电塔架采用碳纤维混凝土材料，则可提高塔架结构阻尼、增强动态性能、实现既可现浇也可预制、进一步提高耐久性能，降低日常维护费用。

Description

海上风电塔架结构

技术领域

本发明涉及风电塔架技术领域，尤其涉及一种容量在3MW以上、轮觳高度大于80m的海上风电塔架结构。

背景技术

目前，全球风电市场发展的特点是风力发电机组单机容量不断扩大，2-3MW级风机已是国际市场的主流机组，丹麦部分风电场已在使用容量为5MW的风机，塔架高度都在80m以上。陆上风电单机容量已达到6MW，海上风电已经达到10MW，且更大容量的风机正在研发中。大容量风机意味着风机重量、叶片长度的增加，因而作用在塔架上的荷载也相应增加，这就需要塔架拥有更大的强度、刚度和高度。这也导致传统的钢椎管塔架直径越来越大、壁厚增加、钢材用量大幅增加，如3MW风电机安装轮觳高度为80m时，塔架重160吨，如果塔架升到105m，重量将达到285吨，因而大大增加了塔架的材料、制造、运输和安装等费用。

对于现代大型风力发电机组，通常采用钢制锥筒式塔架，该塔架一般由若干段20-30m的锥筒用法兰连接而成，塔架由底向上直径逐渐减小，整体呈圆台状。该类塔架的优点是具有良好抵抗各个方向荷载的能力、安全性能好、良好的视觉效果，并且安装省时、维修方便。但随着风电机单机容量增加，不断需要增加塔架的强度、刚度以及高度，这就需要增加塔架的直径、塔壁的厚度。塔架直径和壁厚的增加，带来的问题是大大增加了材料费用、运输费用和加工安装费用。塔壁的增厚，使钢板的卷曲和焊接变得困难。且由于整体稳定性的要求，限制了高强钢材的应用。同时，海洋环境下对钢材的防腐处理也增加了额外的费用。另外，大型风机塔架一般设计成柔性塔架，为防止共振，其一阶固有频率需避开风轮激振频率，工程上一般要求控制在±10％左右。而钢管塔架阻尼较小，动力性能较差，水平荷载作用下变形较大，易造成疲劳破坏。

为了解决这个问题，针对大型风电机组，研发可代替传统钢锥管塔架成为风电发展中需要解决的问题。而混凝土作为常用的一种建筑材料，已被广泛应用于各种结构中，且相对于钢结构，混凝土结构阻尼较大，动态性能好，可以现浇、也可以预制，耐久性好，日常维护费用较低。研究表明，塔架高于90m后，混凝土塔架逐渐显示出其经济优势。在目前已有的一些研究，一般针对陆上风电塔架。但是对于海上风电，由于预应力混凝土塔架需由若干片预制构件经螺栓和预应力索连接而成，施工时间长，增加了安装成本和施工不确定性；另外，在风和波浪长期动载作用下，可能存在由螺栓松动和预应力松弛导致塔架结构整体性能下降；在海洋强腐蚀环境下，连接螺栓和预应力筋腐蚀也增加了日常维护费用；此外，混凝土塔架自重较重，地震对其造成的影响较大，增加了基础建设和运输安装中安全费用的投入。

公开号为CN202500731U的中国实用新型专利公开了一种体内预应力钢-混凝土风电塔架，这种风电塔架包括混凝土段和钢结构段，以及连接二者的过渡段，按照混凝土段、过渡混凝土段、过渡钢结构段、钢结构段依次连接；所述过渡钢结构段和所述过渡混凝土段用双头螺栓连接，同时还通过钢绞线连接。该实用新型实现了风电塔可以分段单独运输再现场组装，降低了运输和吊装的难度，也一定程度上降低了法兰受力不均的风险。但是，由于锥筒式的塔架结构的局限性，已难以满足海上风电塔对于塔架高度、强度的高要求，也不易解决由此带来的成本上升问题。

鉴于此，如何提供一种合理的风电塔架、能够实现海上风电塔对于塔身高度、塔体强度的更高需求，并同时兼顾成本和安全，是本领域技术人员需要解决的技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种海上风电塔架结构，以提高海上风电塔架结构的性能。

所述海上风电塔架结构包括塔筒结构以及肋板结构，其中：

所述塔筒结构的横截面呈中空的正八边形结构；

所述正八边形结构的每条边的中心位置均固定有一肋板结构，且所述肋板结构向所述塔筒结构的内部突出，并沿着塔筒结构的内壁呈纵向延伸。

在本发明的一个实施例中，所述塔筒结构以及所述肋板结构的材料为混凝土。

较佳地，所述混凝土为碳纤维混凝土。

在本发明的一个实施例中，所述海上风电塔架结构还包括无粘结预应力筋；所述塔筒结构上设置有预应力筋孔洞，所述预应力筋孔洞在所述塔筒结构的横截面上呈均匀分布，并沿着塔筒结构的塔壁呈纵向延伸；所述无粘结预应力筋纵向穿设在所述预应力筋孔洞内。

在本发明的一个实施例中，所述塔筒结构包括若干相互连接的塔筒构件单元。

在本发明的一个实施例中，所述海上风电塔架结构还包括高强螺栓；所述肋板结构上设置有预留高强螺栓孔洞，所述预留高强螺栓孔洞仅设置在相邻所述塔筒构件单元连接处的所述肋板结构上，且垂直于所述塔筒结构的横截面方向；所述预留高强螺栓孔洞的两端分别设置有一凹槽；所述高强螺栓通过所述凹槽穿过所述预留高强螺栓孔洞，将上下相邻的所述塔筒构件单元进行连接。

在本发明的一个实施例中，所述海上风电塔架结构还包括高强螺栓连接预埋构件，所述高强螺栓连接预埋构件设置于所述凹槽内。

在本发明的一个实施例中，所述海上风电塔架结构还包括环氧塑脂防水层，该环氧塑脂防水层设置在相邻两塔筒构件单元的连接处。

在本发明的一个实施例中，所述塔筒构件单元的塔壁与垂直于所述塔筒结构的横截面方向具有一夹角，所述夹角大于0度小于等于5度；并且若干相互连接的所述塔筒构件单元中位于上方的塔筒构件单元的所述夹角小于与其相邻的位于下方的塔筒构件单元的所述夹角。

在本发明的一个实施例中，所述塔筒构件单元采用预制形式。

在本发明的一个实施例中，所述海上风电塔架结构的底部预埋有第一法兰，所述第一法兰与一风电基础法兰之间通过螺栓连接；且所述海上风电塔架结构的顶部预埋有第二法兰，所述第二法兰与一风机相连接。

由于采用以上技术方案，使本发明与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：

（1）为了满足海上风电建设对大容量风机的需求，本发明的海上风电塔架结构，创新型的正八边形加肋板的结构设计，不会像传统钢锥管塔架那样，大幅增加材料、增加塔壁厚度、使钢板难以卷曲和焊接，而能够实现保持足够强度和刚度同时，降低重量和造价，从而达到减少预制构件数、减少安装时间、安装费用和日常维护费的目的。

（2）本发明的海上风电塔架结构，采用碳纤维混凝土材料，其结构阻尼较大，动态性能好，可以现浇、也可以预制，耐久性好，进一步可以降低材料的使用量，加上日常维护费用较低，其经济优势明显。

（3）本发明的塔架中，采用环氧塑脂防水层，置于两段塔筒构件单元的连接处，具有很好的防水、防腐效果，从而使风电塔架更好地适应海洋环境。

（4）本发明的塔架采用预制形式，且塔架截面的尺寸和肋板的尺寸可根据具体风机功率、风场环境和场地条件按照规范设计确定，降低制造和运输的难度，也使得塔架尺寸具有很好的灵活性和适应性。

（5）本发明的塔架各段间由高强螺栓连接，整体塔架由无粘结预应力筋张拉，不但使得连接处更为牢固，也提供了塔架整体结构的高强需求。

（6）本发明的塔架中设置了高强螺栓连接预埋构件，有效防止混凝土局部压坏，并能对缺口强度进行补充。

（7）本发明的塔架中设置了无粘结预应力筋，可使混凝土产生整体压应力，这样在受横向力作用下，避免混凝土受拉部分过早破坏。

附图说明

结合附图，通过下文详细描述说明，可更清楚地理解本发明的上述及其他特征和优点，其中：

图1是本发明海上风电塔架的整体外观示意图。

图2是本发明海上风电塔架塔筒的横截面示意图。

图3是本发明海上风电塔架结构接头示意图。

其中符号分别表示：1、风机；2、塔筒结构；3、塔筒构件单元连接处，详见图3；4、预应力筋；5、预留高强螺栓孔洞；6、塔筒结构截面形状；7、预应力筋孔洞；8、塔筒结构的塔壁；9、预应力混凝土塔架接头；10、叶片；11、高强螺栓连接预埋构件；12、高强螺栓；13、环氧塑脂防水层；14、肋板结构。

具体实施方式

参见示出本发明实施例的附图，下文将更详细地描述本发明。然而，本发明可以以许多不同形式实现，并且不应解释为受在此提出之实施例的限制。相反，提出这些实施例是为了达成充分及完整公开，并且使本技术领域的技术人员完全了解本发明的范围。这些附图中，为清楚起见，可能放大了层及区域的尺寸及相对尺寸。

图1为本发明海上风电塔架的整体外观示意图。

由图1可知，风电塔架的顶端装有风机1和叶片10，与塔架顶端预设的法兰相连接。塔筒结构2包括若干相互连接的塔筒构件单元，其中设置有肋板结构14，塔筒构件单元采用预制形式，由多个塔筒构件单元连接组成一个整体，每段塔筒构件单元的长度以风场环境、运输与吊装能力确定。

此外，塔筒结构2与肋板结构14的材料采用混凝土材料代替钢板材料，很大程度上改善海上风电塔架的防腐蚀性能，同时也克服了钢管塔架阻尼较小、动力性能较差、水平荷载作用下变形较大、易造成疲劳破坏的缺陷。采用该材料后，塔架材料中就能够通过减少普通钢筋的配置并进一步降低塔架壁厚，从而减少普通钢筋用量和施工时间，在整个生命周期内降低塔架的费用。

优选地，塔筒结构2与肋板结构14的材料采用按照设计配合比配置的碳纤维混凝土代替普通钢筋混凝土，由于纤维的拉出需要吸收很多的能量，因此这种材料表现出良好的韧性，相比普通钢筋混凝土有更好的增抗拉强度、抗裂性能和抗疲劳性能，从而有效强化塔架结构。

由图2的海上风电塔架塔筒结构的横截面示意图可知，塔筒结构截面形状6呈正八边形结构，预应力筋孔洞7均匀地分布在塔筒结构的塔壁8中，方向沿着塔壁呈纵向延伸；该正八边形结构的每条边的中心位置均固定有一肋板结构14，且肋板结构14向塔筒结构2的内部突出，并沿着塔筒结构2的内壁呈纵向延伸；每个肋板结构14中设置有预留高强螺栓孔洞5，该预留高强螺栓孔洞5仅设置在塔筒构件单元连接处3的肋板结构14上，即只在连接处局部设置有该预留高强螺栓孔洞5，方向垂直于塔筒结构的横截面。通过这种创新的正八边形内部加肋板结构代替传统锥筒式结构，可以使塔架在保持足够强度和刚度的同时，有效降低重量和造价，由减少预制构件数而减少安装时间和安装费用，从而胜任海上风电建设的需要。另外，塔架截面的尺寸和肋板的尺寸可根据具体风机功率、风场环境和场地条件按照规范设计确定。

图3示出了海上风电塔架结构中的塔架结构接头。两段塔筒构件单元固定好后，通过风电塔架接头位置上肋板结构14处的高强螺栓12进行初步连接，此外，塔筒构件单元的接头处的预留高强螺栓孔洞5的两端分别设置有一个凹槽，凹槽中设置有高强螺栓连接预埋构件11，该高强螺栓连接预埋构件11可选用槽型铁，与高强螺栓12一端相连接，有效防止混凝土局部压坏，并能对缺口强度进行补充。

每段塔筒构件单元就位后，首先通过肋板结构14的高强螺栓12进行初步连接；当所有塔筒构件单元就位后，张拉预应力筋4，使塔筒构件单元成为一个整体。对于海上风电建设，预制件场地最好设在离港口较近的地方，便于使用船舶运输与安装。

由图可见，在两段塔筒构件单元的连接处3，采用了环氧塑脂防水层13，从而起到更好的防水密封以及防腐蚀作用。该防水层材料种类可根据具体情况而定，此处不作限制。

就塔架的安装顺序而言，首先塔架底部预埋法兰，与风电基础法兰采用螺栓连接；每段塔筒构件单元就位后，通过肋板结构14的高强螺栓12进行初步连接；当所有塔筒构件单元就位后，张拉预应力筋4，使多个塔筒构件单元连接组成一个整体；塔筒结构2顶部预设法兰，然后风机1与法兰相连接。从而完成塔筒结构2和风机1的安装。

具体的，采用无粘结预应力筋能够方便施工，可根据预应力布置情况，在安装中或者吊装后穿入预应力筋4，然后张拉，使结构形成一个整体。

该塔筒构件单元的塔壁与垂直于塔筒结构的横截面方向具有一夹角，夹角大于0度小于等于5度；并且塔筒构件单元中位于上方的塔筒构件单元的夹角小于与其相邻的位于下方的塔筒构件单元的夹角，这样的结构兼顾了风电塔结构的稳固与材料使用的节省，具有较好的经济价值。

因本技术领域的技术人员应理解，本发明可以以许多其他具体形式实现而不脱离本发明的精神或范围。尽管已描述了本发明的实施例，应理解本发明不应限制为这些实施例，本技术领域的技术人员可如所附权利要求书界定的本发明精神和范围之内作出变化和修改。

Claims (8)

1.一种海上风电塔架结构，其特征在于，所述海上风电塔架结构包括塔筒结构以及肋板结构，其中：

所述塔筒结构的横截面呈中空的正八边形结构；

所述正八边形结构的每条边的中心位置均固定有一肋板结构，且所述肋板结构向所述塔筒结构的内部突出，并沿着塔筒结构的内壁呈纵向延伸；

所述塔筒结构包括若干相互连接的塔筒构件单元，所述肋板结构设置在所述塔筒构件单元内；

所述塔筒构件单元的塔壁与垂直于所述塔筒结构的横截面方向具有一夹角，所述夹角大于0度小于等于5度；并且若干相互连接的所述塔筒构件单元中位于上方的塔筒构件单元的所述夹角小于与其相邻的位于下方的塔筒构件单元的所述夹角；

所述海上风电塔架结构还包括高强螺栓；所述肋板结构上设置有预留高强螺栓孔洞，所述预留高强螺栓孔洞仅设置在相邻所述塔筒构件单元连接处的所述肋板结构上，方向垂直于所述塔筒结构的横截面；所述预留高强螺栓孔洞的两端分别设置有一凹槽；所述高强螺栓通过所述凹槽穿过所述预留高强螺栓孔洞，将上下相邻的所述塔筒构件单元进行连接。

2.根据权利要求1所述的海上风电塔架结构，其特征在于，所述塔筒结构以及所述肋板结构的材料为混凝土。

3.根据权利要求2所述的海上风电塔架结构，其特征在于，所述混凝土为碳纤维混凝土。

4.根据权利要求1或3所述的海上风电塔架结构，其特征在于，所述海上风电塔架结构还包括无粘结预应力筋；所述塔筒结构上设置有预应力筋孔洞，所述预应力筋孔洞在所述塔筒结构的横截面上呈均匀分布，并沿着塔筒结构的塔壁呈纵向延伸；所述无粘结预应力筋纵向穿设在所述预应力筋孔洞内。

5.根据权利要求1所述的海上风电塔架结构，其特征在于，所述海上风电塔架结构还包括高强螺栓连接预埋构件，所述高强螺栓连接预埋构件设置于所述凹槽内。

6.根据权利要求1所述的海上风电塔架结构，其特征在于，所述海上风电塔架结构还包括环氧塑脂防水层，该环氧塑脂防水层设置在相邻两塔筒构件单元的连接处。

7.根据权利要求1所述的海上风电塔架结构，其特征在于，所述塔筒构件单元采用预制形式。

8.根据权利要求1或3所述的海上风电塔架结构，其特征在于，所述海上风电塔架结构的底部预埋有第一法兰，所述第一法兰与一风电基础法兰之间通过螺栓连接；且所述海上风电塔架结构的顶部预埋有第二法兰，所述第二法兰与一风机相连接。