CN103410670B - 桁架式风力发电机塔架及具有该塔架的风力发电机组 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种桁架式风力发电机塔架及具有该塔架的风力发电机组，该塔架包括桁架式的塔架主体，塔架主体的顶端设置有机舱，该塔架还包括用于放置电气设备的设备房以及安全爬梯，贯穿于该塔架主体的内部，并设置于设备房的顶部与机舱之间。本发明的桁架式塔架结构，除了节省材料成本和力学性能优点以外，更重要的是能够大大节省运输成本，并且能够实现现场生产安装，塔架可在地面进行分段安装，然后进行吊装，桁架式塔架吊装更加方便，减少了使用特种设备的要求。该桁架式风力发电机塔架具有设备房，有利于安放电气设备，还具有安全爬梯，有利于维护人员安全地上下塔架。

Description

桁架式风力发电机塔架及具有该塔架的风力发电机组

技术领域

本发明涉及风力发电领域，更具体地说，涉及一种用于风力发电机组的桁架式塔架及具有该塔架的风力发电机组。

背景技术

风能是一种资源丰富、清洁无污染的可再生能源，风力发电成为近年来世界上增长最快的能源，风力发电产业也成为一项前景广阔的新兴产业。塔架作为风力发电机组的重要部件，除了要支撑风力机的重量，还要承受吹响风力机和塔架的风压，以及风力发电机中的动载荷，其设计水平直接影响风力发电机的工作性能和可靠性。

塔架的基本形式有圆筒式塔架和桁架式塔架两大类：圆筒式塔架因为其美观大方的外观，封闭的塔体结构，维护工作安全可靠在当前风力发电机组中大量使用。近年来随着风力发电机组容量的增加，塔架体积也随之增大，进而增加了圆筒式塔架的运输难度和运输成本。桁架式塔架在早期风力发电机组中使用较多，相对于圆筒式塔架，桁架式塔架制造简单，成本低，运输方便，其主要的缺点是塔架过于敞开，维护人员上下塔架不安全，电气设备无处安放。如若解决了这些问题，桁架式塔架便可明显的展现出其优势。

桁架式塔架在早期的小型风力发电机组中大量使用，当时的风力机功率较小，所有的电气部件都在机舱内，通过电缆连接到地面上的变电站进行集中处理。随着风力发电技术的不断发展，商业化陆地风电机组的单机容量已经增加至2～3MW，其电气设备越来越多，简单的桁架式塔架结构不能提供足够的封闭空间来放置这些电气设备，因此，产生了圆筒型塔架并且越来越多的得到应用。

通过严格计算对圆筒型塔架和桁架式塔架的用钢量、动力学性能，稳定性和疲劳寿命进行比较，结果如下：1)桁架式塔架的用钢量小于圆筒型塔架，且随着塔架高度的增加，两类塔架用钢量的差值越来越大；2)单从力学角度，由于桁架结构占地面积比圆筒塔架大很多，所以无论是压强还是力和动量的传递方面，都要好很多；3)刚度比较：桁架式塔架的顶端位移小于圆筒型塔架，随着塔架高度的增加，两类塔架最大位移的差值逐渐减小。

因此，需要克服已有的两种塔架的不足，特别是改进桁架式塔架以更好地发挥其优势。

发明内容

桁架式塔架制造简单，成本低，运输方便，但桁架式塔架结构过于敞开，维护人员上下塔架不安全，控制设备无处安放。如若解决了这些问题，桁架式塔架便可明显的展现出其优势，因此，本发明的目的在于，提供一种带有封闭式设备房和安全爬梯的桁架式塔架结构，以及具有该桁架式塔架结构的风力发电机组。

为达上述目的，本发明的实施方式提供了一种桁架式风力发电机塔架，该塔架包括桁架式的塔架主体，该塔架主体由多个立柱、多层横向腹杆和多个斜向腹杆构成，并且在所述塔架主体的顶端设置有机舱，其特征在于，所述塔架还包括：

设备房，其设置于所述塔架主体的第一层或第二层横向腹杆构成的平台上，用于放置电气设备；以及

安全爬梯，其贯穿于所述塔架主体的内部，并设置于所述设备房的顶部与所述机舱之间。

进一步地，所述设备房的房顶设有吊装装置，所述设备房的底面设置有设备进出口，所述吊装装置与所述设备进出口的位置在竖直方向上相对应。

进一步地，所述设备房的下方设有楼梯，所述设备房的外侧和塔架主体外围之间设置有行走通道，在一侧行走通道上设置有安全进出口，作为所述楼梯的终点。

进一步地，所述塔架还包括：

线缆桥架，其连接于所述设备房的顶部和所述机舱之间，用于敷设线缆。

进一步地，在至少一层横向腹杆构成的平台上设置有休息平台。

进一步地，所述立柱包括通过法兰结构依次连接的多个子立柱；

位于相邻两层横向腹杆之间同一侧面的斜向腹杆为通过节点板交叉链接的两根角钢，所述角钢的端部与所述横向腹杆的端部连接到所述立柱上安装的连接机构。

进一步地，所述子立柱的法兰结构与所述子立柱邻接处外周设置有多个加强筋。

进一步地，所述子立柱的法兰结构内周焊接多个L形加强筋，用于在通过所述法兰结构连接所述子立柱时紧固插入对方子立柱，所述子立柱内部还灌注有混凝土。

优选地，所述连接机构为具有两块节点板、多片板状加强筋和多根环状拉筋焊接成的一体结构，所述板状加强筋间隔均匀地焊接在两块所述节点板内侧，所述环状拉筋间隔均匀地焊接在外侧并套在所述立柱上，每块节点板上设置有用于安装所述横向腹杆或所述斜向腹杆的端部的螺栓孔。

为达上述目的，本发明的一个实施方式还提供了一种风力发电机组，所述风力发电机组包括上述的任意一项所述的桁架式风力发电机塔架。

上述技术方案带来的有益效果是：

本发明的实施方式所述的桁架式塔架结构，除了节省材料成本和力学性能良好的优点以外，更重要的是能够大大节省运输成本，并且能够实现现场生产安装，塔架可在地面进行分段安装，然后进行吊装，桁架式塔架吊装更加方便，减少了使用特种设备的要求。

本发明的实施方式所述的桁架式塔架结构，可将相变设备等放入设备房，节省了与圆筒式塔架配套的相变基础，降低了基础成本。

本发明的实施方式的桁架式风力发电机塔架具有设备房，有利于安放发电设备，同时还具有安全爬梯，有利于维护人员安全地上下塔架。

附图说明

图1是本发明的一个实施方式的桁架式塔架整体结构示意图；

图2是本发明的一个实施方式的桁架式塔架设备房顶部及底部结构示意图；

图3a是本发明的一个实施方式的桁架式塔架设备房底部结构示意图；

图3b是本发明的一个实施方式的桁架式塔架设备房底部横梁结构图；

图4是本发明的一个实施方式的桁架式塔架设备房平台入口示意图；

图5是本发明的一个实施方式的桁架式塔架局部结构示意图；

图6a-图6d是本发明的多个实施方式的桁架式塔架的立面形式示意图；

图7是本发明的一个实施方式的桁架式塔架子立柱的法兰结构示意图；

图8是本发明的一个实施方式的桁架式塔架子立柱的法兰加强结构示意图；

图9a-图9d是本发明的多个实施方式的桁架式塔架的腹杆模式的示意图；

图10a-图10d是本发明的多个实施方式依据图1的桁架式塔架的立柱和腹杆连接节点放大示意图；

图11是本发明实施方式的一个实施方式中横向腹杆采用工字钢的结构示意图。

附图标号：

101、斜向腹杆；302b、设备房内承重梁

102、立柱；401、安全楼梯口；

103、立柱法兰结构；501、节点板；

104、节点连接构件；502、横向腹杆；

105、节点连接构件；503、水平支杆；

106、节点连接构件；504、斜向腹杆

107、节点连接构件；701、法兰加强筋；

108、设备房；801、L形加强筋；

109、楼梯；1001、翼板；

110、线缆桥架；1002、板状加强筋；

111、安全爬梯；1003、环状拉筋；

112、休息平台；1004、连接工字钢的翼板；

113、横向腹杆1101、横向工字钢腹杆；

114、行走通道1102、连接板；

201、吊装装置；1103、适用于连接工字钢的第一节

301、设备进出口；点连接构件；

302、设备房承重梁；1104、连接板。

302a、设备房横向腹杆承重梁

具体实施方式

为使发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

图1是本发明实施方式的桁架式塔架的整体结构示意图。如图1所示，该桁架式风力发电机塔架100包括桁架式的塔架主体，该塔架主体由多个立柱102、多个横向腹杆113和多个斜向腹杆504组构成，塔架主体的顶端设置有机舱，塔架100还包括设备房108，设置于塔架主体的第一层或第二层横向腹杆113构成的平台上，用于放置电气设备；以及安全爬梯111，其贯穿于该塔架主体的内部，并设置于该设备房108的顶部与机舱之间。

设备房108可放置的电气设备包括主控设备、相变设备和/或变频设备等。塔架主体由立柱102和横向腹杆113和斜向腹杆101构成(为简化结构，附图中省略螺栓)。

在本发明的一个实施方式中，将设备房108放置于塔架第一层横向腹杆层围成的平台上(如图1)，根据实地情况(比如洪水多发地)，也可放置于第二层横向腹杆层或更高的横向腹杆层上。为保证设备房的稳定性，设备房承重梁302(如图3a和图3b所示)优先选用工字钢。横向腹杆用于沿水平方向连接相邻的分段安装的立柱102。图1中，作为示例，采用了4个立柱，各立柱由多段子立柱通过法兰结构依次连接而成，整个结构的水平截面呈现四边形。也可以采用3个立柱，形成三边形结构，或者采用5个立柱，形成五边形结构。

在本发明的风力发电机塔架中，塔架主体采用桁架式结构，与圆筒式结构相比，用钢量较少，并且塔架高度越高，桁架式塔架的优势越明显；在结构力学特性方面，桁架式塔架也优于传统圆筒式塔架。

进一步地，设备房108的房顶设有吊装装置，底面设置有设备进出口301，吊装装置与设备进出口301的位置在竖直方向上相对应，需要置于设备房中的设备通过地面运输设备运至设备房108正下方，再通过吊装装置吊入设备房108。如图2所示，设备房108的顶部设有吊装装置201。如图3a所示，设备房底面对应位置开边长≥3m的方孔，电气设备用叉车或其他地面运输工具运送至方孔正下方，再使用吊装装置201吊入设备房。设备进出口301不限于方孔，也可以是圆孔或其他形状，大小也根据实际设备房的整体大小适当设置。

进一步地，如图1所示，设备房108的下方还可以设有楼梯109，设备房108的外侧和塔架主体外围之间设置有行走通道114。如图4所示，在一侧行走通道上设置有安全楼梯口401，作为该楼梯的终点，工作人员可从地面经由楼梯到达设备房平台，从设备房一侧设置的设备房门进入。

在本发明的另一个实施方式中，如图1所示，塔架100还可以包括：线缆桥架110，连接于设备房108的顶部和机舱之间，用于敷设线缆。线缆桥架110可使用能够方便敷设线缆的任何结构。

在本发明的又一个实施方式中，如图1所示，塔架100还可以包括：一个或多个休息平台112，各休息平台112设置于由同一层的横向腹杆构成的平面上。

在本发明的一个实施方式中，如图5所示，在多层横向腹杆构成的水平面上设置用于工作人员维护塔架或上下塔架中途休息的休息平台112。优选地，休息平台112可以设置于靠近一个立柱的三角区域上，休息平台为金属或其他材料的板材，可以通过螺栓与横向腹杆固定，或通过焊接固定。

在本发明的一个实施方式中，如图5所示，将敷设线缆的线缆桥架110贯穿于塔架内部靠近休息平台112的位置，线缆桥架110分段焊接或通过支架连接于塔架内部的水平支杆503。

优选地，安全爬梯111是贯穿于塔架主体内部靠近该休息平台的位置。再参阅图5，在本发明的一个实施方式中，将用于工作人员上下塔架的安全爬梯111贯穿于塔架内部靠近休息平台112的位置，分段焊接或通过支架连接于塔架内部的水平支杆503。安全爬梯111的位置靠近休息平台112有利于工作人员往返于安全爬梯与休息平台之间。在一个实施方式中，该线缆桥架110和安全爬梯111是在塔架主体内部的同一侧平行布置，两者位置邻近，有利于工作人员沿安全爬梯111方便地对线缆桥架110及其内部线缆进行维护或维修作业。在本发明的另外一个实施方式中，可在塔架中空部分设置电梯，使得工作人员上下塔架更加方便。

在一个优选的实施方式中，塔架除包括桁架式的塔架主体以外，还同时包括用于放置电气设备的设备房108和用于敷设线缆的线缆桥架110、用于工作人员上下塔架的安全爬梯111和方便工作人员维护塔架或上下塔架中途休息的休息平台112。

在本发明实施方式中，该塔架主体包括：多个立柱102和多个腹杆；每个立柱包括多个通过法兰结构依次连接的子立柱；该多个腹杆包括多个斜向腹杆504和多个横向腹杆502，斜向腹杆构成交叉式结构，斜向腹杆的交叉部通过节点板连接固定，斜向腹杆的两端分别与相应的子立柱连接；同一高度的任意两个相邻子立柱之间连接有至少一根横向腹杆；每一子立柱上设置至少一个连接机构，用于连接所述子立柱与相应的斜向腹杆和横向腹杆。最下方的子立柱两端也有法兰，通过底端法兰与地基连接。最上方的子立柱至少在下端有法兰结构。

图6a-图6d是本发明实施方式的桁架式塔架的立面形式示意图。塔架立面为相邻两个立柱构成的面。如图所示，塔架立面轮廓可采用直线型(图6a)、单折线型(图6b)、多折线型(图6c)或者拱形底座多折线型(图6d)，塔架的水平截面形状可采用三角形、四边形、五边形、六边形或八边形。立柱和腹杆材料均可选用角钢、工字钢或钢管。直线型(图6a)结构中，立柱为直线型。单折线型(图6b)结构中，立柱的最下方形成角度，即单拆线。多折线型(图6c)或者拱形底座多折线型(图6d)结构中，立柱形成有多个角度，使得塔架从下到上逐渐变小，即多折线。

在本发明的一个实施方式中，风力发电机塔架优先选用单折线型立面轮廓，可以在保证塔架强度和不会产生桨叶尖部扫塔现象的情况下使塔架结构尽量简单。该风力发电机塔架水平截面形状优选地选用四边形结构。一般来说，水平截面边数越少用钢量越少，为满足塔架大方的结构外观和足够的空间安置设备和其他附件，本发明优先选用四边形结构。塔架主体优选地选用钢管作为立柱，角钢作为腹杆。

在本发明的一个实施方式中，塔架的立柱由若干两端具有法兰结构的钢管通过多个螺栓连接构成。立柱法兰结构103如图7所示，为保证法兰连接的可靠性，在法兰和钢管连接处焊接一圈法兰加强筋701。

如图8所示，在本发明的另外一种实施方式中，可在中空的塔架立柱中灌注混凝土，以加固塔架立柱，在这种实施方式中可在立柱内部法兰连接处焊接一圈L形加强筋801，安装时L形加强筋801坚固插入对方子立柱内部，这样在灌注混凝土以后，L形加强筋801和混凝土凝固成一体，利用建筑学中的钢筋混凝土原理，可较大程度的加强法兰连接的稳定性。

图9a-图9d是本发明的多个实施方式的桁架式塔架的腹杆模式的示意图。如图所示，本发明实施方式中，塔架的腹杆体系可选用斜杆式(图9a)、交叉式(图9b)、K式(图9c)或再分式(图9d)。

在本发明的一个实施方式中，为在保证刚度条件的前提下尽量节省节点，塔架中下部优先选用再分式结构，塔架上部受力较小部分优先选用交叉式结构。再如图5所示，交叉式腹杆采用两根完整角钢，中间通过节点板501优选使用螺栓连接，或者焊接。每两层横向腹杆502之间设置有斜向腹杆504，横向腹杆的主要作用是固定立柱。在每一层横向腹杆围成的四边形结构内，每相邻两根横向腹杆之间搭接一根水平支杆503，以加固水平腹杆的稳定性。

在本发明的一个实施方式中，如图10a到图10d所示，立柱和腹杆之间的节点采用由两片翼板1001、垂直于节点板方向的板状加强筋1002和环状拉筋1003组成的节点连接构件，其中环状拉筋1003既增加了连接件和立柱的接触面积，也使得塔架剪切方向的连接更加可靠。

根据不同的位置需要本发明实施方式共提供了节点连接机构，该节点连接机构为以下4种不同形式的构件中的一种或多种，结合参阅图1和图10a到图10d：

第一种节点连接构件为用于三根腹杆与立柱的节点连接构件104(图10a)，其为具有两块翼板1001、四片板状加强筋1002和四根环状拉筋1003焊接成的一体结构，两块翼板1001之间的夹角恰好使得两块翼板分别处于塔架相邻两立面上，两块翼板1001内侧之间用板状加强筋1002连接，外侧使用环状拉筋1003连接，每片板状加强筋1002和每条环状拉筋1003分布于同一垂直于翼板的平面，组成一个加强筋组，四个加强筋组沿立柱方向均匀设置于翼板的顶端与底端之间，每块翼板上设置有安装腹杆用的螺栓孔，该节点连接构件在塔架立柱安装顶端法兰之前环套于立柱的相应位置并焊接。立柱和连接构件安装完成后在每一块节点板上相邻两个加强筋组之间的部分连接一根横向腹杆。该构件适用于连接角钢。在本发明的一种实施方式中，该连接构件的顶端和底端加强筋组可由一块钢板切割而成，覆盖并焊接于翼板的两端。在本发明的另外一种实施方式中，特别是塔架负载较大时，横向腹杆可采用工字钢，节点连接构件采用如图11方式，横向工字钢腹杆1101的上表面通过连接板1102和适用于连接工字钢的第一节点连接构件1103连接，立面使用前后两块连接板1104夹紧固定于适用于连接工字钢的第一节点连接构件1103。

第二种节点连接构件为两根腹杆与立柱的节点连接构件105(图10b)，其为具有两块翼板1001、两片板状加强筋1002和两根环状拉筋1003构成，优选为焊接成的一体结构，翼板、板状加强筋1002和环状拉筋1003的相对位置和连接方式与第一种节点连接构件相同，也即：两块翼板分别处于塔架相邻两立面上，两块翼板内侧之间用板状加强筋1002连接，外侧使用环状拉筋1003连接，该两片板状加强筋1002和两根环状拉筋1003构成两个加强筋组，每个加强筋组包括一片加强筋和一条环状拉筋1003，分布于同一垂直于翼板的平面，两组加强筋组分别焊接于翼板的顶端与底端，在每块节点板上设置连接两根腹杆使用的螺栓孔。

第三种节点连接构件为单根腹杆与立柱的节点连接构件106(图10c)，其为具有两块翼板1001与两片板状加强筋1002和两根环状拉筋1003构成，优选为焊接成的一体结构，翼板、板状加强筋1002和环状拉筋1003的相对位置和连接方式与第一种节点连接构件相同，也即：两块翼板分别处于塔架相邻两立面上，两块翼板内侧之间用板状加强筋1002连接，外侧使用环状拉筋1003连接，该两片板状加强筋1002和两根环状拉筋1003构成两个加强筋组，每个加强筋组包括一片板状加强筋1002和一条环状拉筋1003，分布于同一垂直于翼板的平面，两个加强筋组分别焊接于翼板的顶端与底端，在每块节点板上布置连接一根腹杆使用的螺栓孔。

第四种节点连接构件主要用于设备房底部各梁与立柱的连接。本发明实施方式的设备房由于要承载设备的重量，设备房底部的设备房承重梁302(如图3a)除了包括分布于塔架立面上的设备房横向腹杆承重梁302a外还有多根设备房内承重梁302b，设备房内承重梁302b连接在立柱与水平支杆之间。支撑设备房平台的节点连接构件107(图10d)除了包括连接立面上交叉腹杆的翼板1001和两组板状加强筋1002、环状拉筋1003组成的加强筋组，另外在两个加强筋组之间还间隔均匀地设置有三块连接工字钢的翼板1004，其中两侧的两块中间板与塔架两个相邻立面方向相对应，用于连接设备房底部的设备房横向腹杆承重梁302a，居中的中间板用于连接两横向腹杆之间的设备房内承重梁302b。在较优的一种实施方式中，环状拉筋1003和板状加强筋1002做成由整块钢板切割而成的一体筋板，三块连接工字钢的翼板1004焊接于上下两片筋板之间，上筋板上表面、下筋板下表面各焊接一组连接斜向腹杆的翼板1001(如图10d)。

本发明实施方式还提供了一种风力发电机组，该风力发电机组包括上述的任意一种桁架式风力发电机塔架。

本发明技术方案带来的有益效果在于：

本发明实施方式的桁架式塔筒结构，除了节省材料成本和力学性能优点以外，更重要的是能够大大节省运输成本，并且能够实现现场生产安装，塔架可在地面进行分段安装，然后进行吊装，桁架式塔架吊装更加方便，减少了使用特种设备的要求。

本发明实施方式的桁架式塔筒结构，可将相变设备放入设备房，节省了与圆筒式塔架配套的相变基础，降低了基础成本。

本发明实施方式的桁架式风力发电机塔架具有设备房，有利于安放发电设备，同时还具有安全爬梯，有利于维护人员安全地上下塔架。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (9)

1.一种桁架式风力发电机塔架，该塔架包括桁架式的塔架主体，该塔架主体由多个立柱、多层横向腹杆和多个斜向腹杆构成，并且在所述塔架主体的顶端设置有机舱，其特征在于，所述塔架还包括：

设备房，其设置于所述塔架主体的第一层或第二层横向腹杆构成的平台上，用于放置电气设备；以及

安全爬梯，其贯穿于所述塔架主体的内部，并设置于所述设备房的顶部与所述机舱之间；

此外，所述设备房的房顶设有吊装装置，所述设备房的底面设置有设备进出口，所述吊装装置与所述设备进出口的位置在竖直方向上相对应；

所述立柱是分段安装的，并且所述横向腹杆用于沿水平方向连接相邻的分段安装的立柱。

2.根据权利要求1所述的桁架式风力发电机塔架，其特征在于，所述设备房的下方设有楼梯，所述设备房的外侧和塔架主体外围之间设置有行走通道，在一侧行走通道上设置有安全进出口，作为所述楼梯的终点。

3.根据权利要求1所述的桁架式风力发电机塔架，其特征在于，所述塔架还包括：

线缆桥架，其连接于所述设备房的顶部和所述机舱之间，用于敷设线缆。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的桁架式风力发电机塔架，其特征在于，

在至少一层横向腹杆构成的平台上设置有休息平台。

5.根据权利要求1所述的桁架式风力发电机塔架，其特征在于，所述立柱包括通过法兰结构依次连接的多个子立柱；

位于相邻两层横向腹杆之间同一侧面的斜向腹杆为通过节点板交叉链接的两根角钢，所述角钢的端部与所述横向腹杆的端部连接到所述立柱上安装的连接机构。

6.根据权利要求5所述的桁架式风力发电机塔架，其特征在于，所述子立柱的法兰结构与所述子立柱邻接处外周设置有多个加强筋。

7.根据权利要求5或6所述的桁架式风力发电机塔架，其特征在于，所述子立柱的法兰结构内周焊接多个L形加强筋，用于在通过所述法兰结构连接所述子立柱时紧固插入对方子立柱，所述子立柱内部还灌注有混凝土。

8.根据权利要求5或6所述的桁架式风力发电机塔架，其特征在于，所述连接机构为具有两块翼板、多片板状加强筋和多个环状拉筋焊接成的一体结构，所述板状加强筋间隔均匀地焊接在两块所述翼板内侧，所述环状拉筋间隔均匀地焊接在翼板外侧并套在所述立柱上，所述翼板上设置有用于安装所述横向腹杆或所述斜向腹杆的端部的螺栓孔。

9.一种风力发电机组，其特征在于，所述风力发电机组包括如权利要求1-8中任意一项所述的桁架式风力发电机塔架。