CN105697243A - 一种大型风力发电机塔架的免维护联接装置及联接方法 - Google Patents

一种大型风力发电机塔架的免维护联接装置及联接方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大型风力发电机塔架的免维护联接装置及联接方法，包括：用于承受风的倾覆力矩以及风机运行中各种振动共同作用下对风机塔架引起的横向载荷的联接件，该联接件设置于风机塔架的螺栓联接组合中。本发明的优点是：操作简便，其能够完全消除联接螺栓与螺栓孔壁之间的间隙，并形成一定的过盈量。同时，在联接螺栓与螺栓孔壁之间产生了巨大的压紧力，实现可靠联接，以此承受横向载荷。同时，制造安装成本显著降低，应用于塔架法兰之间形成了联结，塔架法兰之间没有任何相对位移，等同于将两个对接法兰铆接成为一个整体。这样，塔架受的静载荷、动载荷、风的倾覆力矩以及各种振动都不会引起联接松动，从根本上解决螺栓松动问题，风机连续使用寿命20年内，无需对联接螺栓进行检查维护。

Description

一种大型风力发电机塔架的免维护联接装置及联接方法
技术领域
本发明涉及一种大型风力发电机塔架的免维护联接装置及联接方法。
背景技术
风电是潜力巨大的绿色能源，预计未来很长一段时间内都将保持高速发展的趋势。功率在百千瓦级以上的风电机组称为大型风电机组(以下简称风机)；大型风机的塔架通常是用带锥度的钢管制成的。塔架的功能是将发电系统支撑到空中，塔架越高，风机获取的风能越多，大型风机的塔架有几十米甚至上百米高。为了制造、运输和安装方便，大型塔架一般分成几段，以功率1500千瓦、高度80米的风机塔架为例，分为上中下三段。上段与机舱相连、下段与基础相连。各部分之间，采用螺栓联接。塔架受力复杂，承受风机重力静载荷、风作用下的拉压扭弯组合动载荷，还承受风轮旋转引起的振动、风引起的顺风向振动和横风向振动。风机的使用寿命为正常连续工作20年，对联接螺栓要求非常高，。螺栓联接结构在振动环境下，一方面，夹紧力容易下降，导致被联接件的松动；严重情况下，造成螺栓断裂，引起重大安全事故。
现有技术高强度螺栓与螺栓孔之间有缝隙，只能依靠很大的预紧力产生的摩擦力矩来承受风的倾覆力矩以及风机运行中各种振动共同作用下对风机塔架引起的横向载荷，使用的螺栓强度等级高、直径大、数量多，使用的连接法兰特别厚，法兰孔特别密集，即便如此，仍然不能克服螺栓联接松动的问题。对螺纹联接结构松动过程的研究，是国内外工程领域长期研究的热点。同济大学建筑设计研究院研发的反向平衡技术主要是通过增加螺栓长度减小螺栓刚度，改善螺栓的受力，但仍不能从根本上解决风机塔架联接螺栓的松动和免维护问题。另外，现有技术也有以下显著缺点：使用的螺栓强度等级高、直径大、数量多，使用的连接法兰特别厚，法兰孔特别密集制造成本高，螺栓联接容易松动，维护成本高。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种大型风力发电机塔架的免维护联接装置，其结构可靠操作简便，能够彻底解决螺栓联接的松动难题，降低高强度螺丝的等级、减小数量和尺寸规格，减小法兰的厚度尺寸，从而降低制造费用，还节省了高昂的维护费用。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种大型风力发电机塔架的免维护联接装置，其特征在于，包括：用于承受横向载荷的联接件，该联接件设置于风机塔架的螺栓联接组合中。
本发明相对于现有技术具有以下突出的实质性特点和显著的进步：
结构简单操作简便，包括：用于承受横向载荷的联接件，该联接件设置于风机塔架的螺栓联接组合中。其能够完全消除联接螺栓与螺栓孔壁之间的间隙，并形成一定的过盈量。同时，在联接件与螺栓孔壁之间产生了巨大的压紧力，挤压应力不低于150Mpa，从而实现可靠联接，以此承受风的倾覆力矩以及风机运行中各种振动共同作用下对风机塔架引起的横向载荷。同时，制造成本显著降低，其加工和安装方便，对螺栓孔的加工要求，没有铰制孔螺栓要求的那样高，而且应用于塔架法兰之间形成了联结，塔架法兰之间没有任何相对位移，跟铆接到一起一样行成一个整体。这样，塔架受的静载荷、动载荷、风的倾覆力矩以及各种振动都不会引起联接松动，从根本上解决螺栓松动问题，安装合格的风机塔架，风机使用寿命20年内，无需对联接螺栓进行检查维护。而且，因为胀紧套跟螺栓孔之间挤压在一起不生锈，加上螺纹副之间没有摩擦导致的损坏，重要的是胀紧螺栓的胀紧套之间是锥面接触，相比普通高强度螺栓来说，拆卸非常容易！这一点也是风电塔架所需要的。
附图说明
图1为本发明的大型风力发电机塔架的免维护联接装置的第一实施例结构示意图；
图2为本发明的大型风力发电机塔架的免维护联接装置的第二实施例结构示意图；
图3为本发明的安装结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
请参照图1，本发明的大型风力发电机塔架的免维护联接装置包括：用于承受横向载荷的联接件100，该联接件设置于风机塔架的螺栓联接组合中。在风机塔架的螺栓联接中，增加能承受风的倾覆力矩以及风机运行中各种振动共同作用下对风机塔架引起的横向载荷的联接件，该联接件的胀紧套为带锥度的结构，既能满足塔架对接螺栓孔加工尺寸精度不高的使用条件，又能保证塔架联接螺栓不松动，稳定度提升100％，达到风机塔架联接螺栓免维护的目的。
优选地，所述联接件100包括：一联接螺栓110，在所述联接螺栓110外面套装一组或多组带有圆锥结合面的胀紧螺栓。
优选地，所述接合面的剖面倾角在10-15度为最佳使用效果。
优选地，所述胀紧螺栓包括：设置于联接螺栓外层的内胀套114和外胀套113，内外胀套具有高强度高弹性高硬度特性。
优选地，在所述联接螺栓110的至少一个端部耦合有挤压螺母119，拧在挤压螺母119外圆的是紧固螺母117，挤压螺母119是高强度螺母，紧固螺母也是高强度螺母。
优选地，在紧固螺母117与挤压螺母119之间设置间距，能够有效增强使用性能。
优选地，所述紧固螺母117的内侧设有垫圈115，增强紧固性能。
优选地，所述垫圈的直径大于紧固螺母的直径，能够有效增强使用性能。
作为具体的实施例，旋转挤压螺母使胀套沿径向向外扩张，直到外胀套紧紧挤压到孔壁上，消除联接螺栓与孔壁之间的间隙，胀套完全胀紧塞满螺栓孔，并形成一定的过盈量。外胀套与螺栓孔壁之间产生不低于150MPa的挤压应力，实现可靠联接，以此承受风的倾覆力矩以及风机运行中各种振动共同作用下对风机塔架引起的横向载荷。同时，紧固螺母和现有技术使用的高强度螺栓的螺母作用一样以承受轴向力为主，同时靠摩擦力承受部分横向载荷。这种胀紧螺栓加工和安装方便，对螺栓孔的加工要求，没有铰制孔螺栓要求的那样高；安装时，先将挤压螺母松开，内外胀套缩小，很轻松地插入孔内，然后将挤压螺母和紧固螺母分别按要求的力矩拧紧即可达到胀紧连接目的。
请参照图2，本发明的大型风力发电机塔架的免维护联接装置包括：用于承受风的倾覆力矩以及风机运行中各种振动共同作用下对风机塔架引起的横向载荷的联接件300，该联接件设置于风机塔架的螺栓联接组合中。在风机塔架的螺栓联接中，增加能承受横向载荷的联接件300，该联接件为双头结构，既能满足塔架对接螺栓孔加工尺寸精度不高的使用条件，又能保证塔架联接螺栓不松动，稳定度提升100％，达到风机塔架联接螺栓免维护的目的。
优选地，所述联接件300包括：一联接螺栓310，在所述联接螺栓310外面套装一组或多组带有圆锥结合面的胀紧螺栓。
优选地，所述胀紧螺栓包括：设置于联接螺栓外层的内胀套314和外胀套313，内外胀套具有高强度高弹性高硬度特性。
优选地，在所述联接螺栓310的至少一个端部耦合有挤压螺母319，拧在挤压螺母319外圆的是紧固螺母317，挤压螺母319是高强度螺母，紧固螺母也是高强度螺母。
优选地，所述紧固螺母317的内侧设有垫圈315，增强紧固性能。
作为具体的实施例，旋转挤压螺母使胀套沿径向向外扩张，直到外胀套紧紧挤压到孔壁上，消除联接螺栓与孔壁之间的间隙，胀套完全胀紧塞满螺栓孔，并形成一定的过盈量。外胀套与螺栓孔壁之间产生了不低于150MPa的挤压应力，实现可靠联接，以此承受风的倾覆力矩以及风机运行中各种振动共同作用下对风机塔架引起的横向载荷。同时，紧固螺母和现有技术使用的高强度联接螺栓中的螺母的作用一样以承受轴向力为主，同时靠摩擦力承受部分横向载荷。这种胀紧螺栓加工和安装方便，对螺栓孔的加工要求，没有铰制孔螺栓要求的那样高；安装时，只需将挤压螺母松开，内外胀套缩小，就能很轻松地插入孔内，然后将挤压螺母和紧固螺母分别按要求的力矩拧紧即可达到胀紧目的。
本实施例中，所述联接件沿塔架法兰中心圆间隔均布，具体数量规格跟高强度螺栓的数量规格相对应。
作为另一种实施例，如图3所示，沿所述塔架法兰中心圆间隔均布所述联接件100，300与联接螺栓200。所述的联接螺栓数量为100或几十个-150甚至更多个，所述联接件的数量为6-12，或更多个。优选地，联接螺栓数量为120-129个，所述联接件的数量为8-12个，紧固联接的效果最佳。
优选地，所述联接螺栓为抗拉强度σb≥1000，优选地大于1274MPa的螺栓，紧固效果增强。
优选地，所述内胀套和外胀套为60Si2Mn弹簧钢，增强紧固效果。
优选地，所述挤压螺母与紧固螺母为抗拉强度σb≥1000，优选地大于1274MPa，紧固效果增强。屈服强度σs≥900，优选地，大于1176MPa的螺母，紧固效果增强。
在实施时，联接件承受横向载荷的同时，还与高强度螺栓一起承受轴向载荷。步骤：计数并作标记，留出联接件的位置，装入高强度螺栓。用扭矩扳手拧紧高强度螺栓达到要求的预紧力矩，直到对接法兰之间的间隙都闭合为止。再安装联接件。按要求的力矩用扭矩扳手拧紧联接件。当达到设定的胀紧力矩值，停止拧紧挤压螺母，此时挤压螺母与胀套之间形成巨大的接触应力，阻止挤压螺母发生松动。最后拧紧紧固螺母达到规定的预紧力矩。使用联接件后，两种螺栓的预紧力都远远小于现有高强度螺栓的预紧力，试验表明，只有1.7％左右，从而大大增强了使用效果。
优选地，本实施例的高强度螺栓为性能等级8.8级以上、材质为低碳合金钢或中碳钢并经热处理(淬火、回火)的螺栓。胀紧力的检测试验：将要求达到的挤压应力，换算为扭矩扳手的扭矩值，高强度螺栓数量减少，节省了成本，联接件的直径尺寸、高强度螺栓的强度等级降低、尺寸规格减小，应用范围明显加大。
本发明因为增加了联接件，高强度螺栓主要承受轴向力，原设计的预紧力大大减小，联接螺栓尺寸规格可以减小，精度等级可以降低。还可以减少高强度螺栓的数量。法兰的加工成本、安装成本都随之降低，降低了制造成本。最重要的是实现风机塔架螺栓免维护联接。胀紧螺栓和高强度螺栓组合使用，完全消除了对接法兰之间的相互错动可能，而且，法兰之间形成了联结，塔架法兰之间没有任何相对位移，跟焊接到一起一样行成一个整体。这样，塔架受的静载荷、动载荷、风的倾覆力矩以及各种振动都不合引起联接松动，从根本上解决螺栓松动问题。安装合格的风机塔架，风机使用寿命20年内，无需对联接螺栓进行检查维护。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种大型风力发电机塔架的免维护联接装置，其特征在于，包括：用于承受横向载荷的联接件，该联接件设置于风机塔架的螺栓联接组合中。
2.如权利要求1所述的大型风力发电机塔架的免维护联接装置，其特征在于，所述联接件包括：一联接螺栓，在所述联接螺栓外面套装一组或多组带有圆锥结合面的胀紧螺栓。
3.如权利要求2所述的大型风力发电机塔架的免维护联接装置，其特征在于，所述胀紧螺栓包括：设置于联接螺栓外层的内胀套和外胀套。
4.如权利要求3所述的大型风力发电机塔架的免维护联接装置，其特征在于，在所述联接螺栓的至少一个端部耦合有挤压螺母，拧在挤压螺母外圆的是紧固螺母。
5.如权利要求2所述的大型风力发电机塔架的免维护联接装置，其特征在于，所述联接件沿塔架法兰中心圆间隔均布。
6.如权利要求2所述的大型风力发电机塔架的免维护联接装置，其特征在于，沿所述塔架法兰中心圆间隔均布所述联接件与联接螺栓。
7.如权利要求6所述的大型风力发电机塔架的免维护联接装置，其特征在于，所述的联接螺栓数量为120-129个，所述联接件的数量为8-12个。
8.如权利要求2所述的大型风力发电机塔架的免维护联接装置，其特征在于，所述胀紧螺栓的抗拉强度σb≥1274MPa。
9.如权利要求4所述的大型风力发电机塔架的免维护联接装置，其特征在于，所述挤压螺母与紧固螺母的抗拉强度为σb≥1274MPa，屈服强度σs≥1176MPa。
10.一种大型风力发电机塔架的免维护联接装置的联接方法，其特征在于，包括：
计数并作标记，留出联接件的位置，将联接件设置于风机塔架的螺栓联接中；装入联接螺栓。用扭矩扳手拧紧高强度螺栓达到要求的预紧力矩，直到对接法兰之间的间隙都闭合为止；再安装胀紧螺栓，按要求的力矩用扭矩扳手拧紧胀紧螺栓联接件；当达到设定的力矩值，停止拧紧挤压螺母，此时胀紧套与孔壁之间形成不低于150MPa的挤压应力，阻止联接发生松动；最后拧紧紧固螺母达到规定的预紧力矩。
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