CN103696915A - 海上风力发电机塔筒与导管架基础的筒式连接结构 - Google Patents

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杨树耕
唐丕鑫
刘孟孟
刘超
黄锡玲
陈晶
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Abstract

本发明涉及一种海上风力发电机塔筒与导管架基础的筒式连接结构，包括塔筒基座，在塔筒基座的周边均匀分布有4个辅立柱，每个辅立柱与塔筒基座之间通过连贯腹板相连接，在塔筒基座的周边更靠外与各个辅立柱相对应的位置各设置一个主立柱，4个主立柱与塔筒基座的轴心的距离相同，每组相互对应的主立柱和辅立柱的轴心与塔筒基座的轴心在同一个平面上，所述的主立柱的上端之间通过4个周边水平支撑相互连接，下端部之间也通过4个周边水平支撑相互连接。每个辅立柱和与其相对应的主立柱之间通过多层水平撑杆相连，形成整体框架结构。本发明可将风机载荷通过套筒经连接结构由上至下合理有效的传递到导管架基础，保证整体支撑效果。

Description

海上风力发电机塔筒与导管架基础的筒式连接结构
所属技术领域
本发明涉及一种新型海上风力发电机塔筒与导管架基础的筒式连接结构
背景技术
近年来，我国海上风力发电产业取得了快速发展，风力发电机组也逐步向大型化方向发展，风电行业竞争日益激烈，这对我国风力发电机组系统的设计水平和制造能力提出了更为高难的要求。为了降低风电机组的成本同时又能保证整个风机零部件的安全可靠性，就需要运用新颖的、有效的设计方法和技术进行设计分析。塔筒是风力发电机组重要的承载部件之一，而法兰连接系统又是连接塔筒与基础部分的重要部件，因此连接的可靠性和安全性对整个风电机组的正常运行有着不可估量的作用。在风机运行过程中，风轮将吸收的风能转化为机械能并通过主轴一部分传递给发电机，另外一部分通过主机架传递给塔顶法兰系统，进而传递到塔筒上，并由基础进行支撑。
发电成本是制约风电发展的主要瓶颈。对于海上风电，风机基础的投入成本就占总成本的有很大一部分。欧洲研究报告指出，在海上风电场的总投资中，基础费用占20%左右。海上风机基础成本投入随海水深度的增加而增加，有时占总成本的30％左右。因此，大力发展比较经济的基础结构是降低海上风电成本的一个主要途径。另外，海上风机基础结构具有海洋结构工程、高耸结构基础、动力设备基础和复杂软土地基等4种特性，各种特性的组合增加了基础设计的难度，再加恶劣的海上工作环境等因素，由于基础体系原因而导致海上风力发电机组损坏的比例最大，达到了18%，使得基础结构成为了风电投资中主要的成本风险。在满足安全的前提下，如何降低成本且施工方便，成为基础结构设计的关键技术难题，也是海上风电场研究开发的主要课题之一。
海上风力发电机组的基础有单桩(Monopile)、三脚架(Tripod)、导管架式基础(Jacket)、重力基础(Gravity based)、负压桶基(Suction Bucket)和浮动平台结构(Floating type)等几种。
(1)单桩基础。单桩基础是最简单的基础结构,单桩基础通过侧面土地的压力传输风机负载,单桩基础的深度与土壤强度有关。单桩基础由焊接钢管组成,根据安装方式不同,桩和塔架之间的连接可以是焊接法兰连接,也可以是套管法兰连接。
(2)三脚架基础。三脚架基础采用标准的三腿支撑结构,由圆柱钢管构成,在海洋油气工业中常见。这种概念由单塔架结构简化演变而来,同时增强了周围结构的刚度和强度。三脚架的中心轴提供风力机塔架的基本支撑,类似单桩结构,三脚架可以采用垂直或倾斜管套。
(3)导管架基础。典型的导管架式基础为三腿或四腿结构,由圆柱钢管构成。导管架下部与钢管桩之间采用灌浆连接，上部与塔筒之间采用法兰相连，导管架同时起到基础调平的作用，导管架可以适应各种水深。
(4)重力基础。重力基础从结构上看,相当于一个塔架固定安放在重力基础上,主要设计考虑是协调重力基础和海床间的浮力,这点通过施加足够的压载物达到,所以重力基础在几种基础结构中重量较大。有时考虑到减少冰载荷,可以采用锥形形状。
(5)负压桶基。负压桶基是一种新的基础结构概念,所谓负压是指用来安装桶基时用的方法,目的是负压效应可以部分地承担动态峰值负载。这种方法是传统桩基和重力基础的结合。
(6)浮动平台结构。浮动平台结构,如张力腿平台(tension leg platforms)、SPAR、半潜式平台和锚链固定平台都是海洋油气工业常用的结构形式,但它们在海上风电行业的应用还是首次,安装水深可达到1000m以上。
目前，国内外大多数的海上风电场均采用单桩基础、三脚架基础以及导管架基础。对于单桩基础以及三脚架基础，其核心载荷均由位于基础中心的桩柱来承载，势必导致桩柱的直径以及壁厚都会相应的增大，费用升高；同时，极限载荷以及疲劳破坏都会使桩柱损毁，更换桩柱成本过高，经济价值受损。且随着水深的不断增加，单桩直径会变得很大，其承载力设计和安装技术尚无经验。对于导管架基础，虽是由空间导管架结构进行支撑，但目前的研究成果并不是将塔筒与导管架基础直接连接，均在塔筒与导管架基础之间设立中间连接机构进行承载与连接，载荷承载机制不连贯，分布不均匀，易导致导管架基础局部载荷过高，损毁构件。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种海上风力发电机塔筒与导管架基础的连接结构。本发明是以导管架结构为基础，提出的连接结构，可将风机载荷通过套筒经连接结构由上至下合理有效的传递到导管架基础，保证整体支撑效果。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种海上风力发电机塔筒与导管架基础的筒式连接结构，包括塔筒基座，在塔筒基座的周边均匀分布有若干个辅立柱，每个辅立柱与塔筒基座之间通过连贯腹板相连接，在塔筒基座的周边更靠外与各个辅立柱相对应的位置各设置一个主立柱，每个主立柱与塔筒基座的轴心的距离相同，每组相互对应的主立柱和辅立柱的轴心与塔筒基座的轴心在同一个平面上，所述的主立柱的上端之间通过多根周边水平支撑相互连接，下端部之间也通过多根周边水平支撑相互连接。每个辅立柱和与其相对应的主立柱之间通过多层水平撑杆相连，形成整体框架结构。
本发明的有益效果如下：
（1）本发明以导管架为基础，适用水深范围较广，能够有效起到支撑作用。
（2）本发明在载荷承载机制上更为连贯。可将风机载荷通过套筒经连接结构由上至下合理有效的传递到导管架基础，保证整体支撑效果。本连接结构满足刚度、强度的要求，在减轻结构重量，降低建造成本的同时，还可降低主桩损毁的可能性，使构件受力分布更加均匀，避免局部应力过大，损毁构件。
（3）本装置的结构形式简单，有利于工业上的大规模批量生产，简化制造工艺，降低制造成本。
（4）本装置安装工艺简单，可以实现标准化安装，提高工作效率，降低施工成本。
附图说明
图1是筒式连接结构的正视图；
图2是筒式连接结构的俯视图；
图3是筒式连接结构的B-B图；
图4是筒式连接结构的C-C图。
图中标号说明：
1塔筒基座；2连贯腹板；3辅立柱；4主立柱；5周边水平支撑；6水平撑杆
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行说明。
本发明基于导管架基础结构，提出的一种新型风机塔筒与基础连接结构，整体材料宜采用Q235型或更高等级钢材。如图1所示，上部采用塔筒基座连接结构通过法兰与风机塔筒相连接，在塔筒基座1长度方向设置四根纵向辅立柱3，辅立柱3与塔筒基座1通过连贯腹板2进行连接，在四根辅立柱3靠外平行位置均匀设置四根纵向主立柱4，同时通过设置多层水平撑杆6将四根主立柱4与各自相对应的辅立柱3连接起来，四根主立柱的上端部之间通过4根周边水平支撑5相互连接，下端部之间也通过4根周边水平支撑5相互连接，形成整体框架式结构。整体连接结构的四根主立柱4和四根辅立柱3，可与导管架基础焊接连接，以保证结构的连贯性和传力合理性。
本发明是介于导管架基础与风机塔筒之间的筒式连接结构，该结构在陆地场地预制后，在海上进行整体安装。当导管架基础完成安装后，该结构通过驳船运至预定安装地点，经整体吊装至导管架基础上部的安装位置，进行定位、焊接连接，使其与导管架基础构成连贯的整体，形成连贯的传力机制。连接完成后，可将风机塔筒底部与连接结构顶部的塔筒基座进行法兰链接，进而完成海上风机的安装工作。

Claims (1)

1.一种海上风力发电机塔筒与导管架基础的筒式连接结构，包括塔筒基座，其特征在于，在塔筒基座的周边均匀分布有若干个辅立柱，每个辅立柱与塔筒基座之间通过连贯腹板相连接，在塔筒基座的周边更靠外与各个辅立柱相对应的位置各设置一个主立柱，每个主立柱与塔筒基座的轴心的距离相同，每组相互对应的主立柱和辅立柱的轴心与塔筒基座的轴心在同一个平面上，所述的主立柱的上端之间通过多根周边水平支撑相互连接，下端部之间也通过多根周边水平支撑相互连接。每个辅立柱和与其相对应的主立柱之间通过多层水平撑杆相连，形成整体框架结构。
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