CN107806396A - 一种塔筒分段、塔筒及风力发电机组 - Google Patents

一种塔筒分段、塔筒及风力发电机组 Download PDF

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程林志
苏凤宇
李成晨
吴敏
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郭向南
李金磊
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    • Y02E10/70—Wind energy
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Abstract

本发明涉及一种塔筒分段、塔筒及风力发电机组。塔筒分段包括周向首尾拼接的至少两片塔筒分片，塔筒分片周向的两端具有连接段，相邻塔筒分片相连的对应端通过其中一个连接段的内表面与另一个连接段的外表面相向叠合并固定。由于相邻塔筒分片之间采用其中一个的内侧面与另一个的外侧面相向叠合连接，其连接段的折弯角度对塔筒分片的力学性能影响较小，即不会出现应力十分集中的尖锐区域，从而可以防止连接段因折弯角度过大而造成的应力集中、力学性能受到较大损害的情况；同时，内、外侧面叠合的形式可减小径向体积占用，从而避免对塔筒内附件的安装位置造成影响，也方便防腐喷涂；而且相对于竖向的螺栓穿孔的对孔精度和吊装精度方面也有较大改进。

Description

一种塔筒分段、塔筒及风力发电机组
技术领域
本发明涉及一种塔筒分段、塔筒及风力发电机组。
背景技术
目前在风电行业中，主流的大型风力发电机组塔架是由钢板卷制焊接而成的圆柱（锥）筒状塔架，也称钢制塔筒。塔筒的水平截面呈圆形，每段塔筒由多个小段组成，每小段为钢板经卷板机卷制后再进行纵向焊接成的圆筒。由于大多数卷板机的卷板长度不超过3米，需要把这些小段圆筒拼焊起来制作成几十米长的塔筒段。每段塔筒段的两端焊接盘型法兰，在车间进行防腐处理后运输至风场安装，采用高强螺栓组件通过盘型法兰将塔筒段连接成整体。但焊接过程中产生的水平与竖直焊缝会成为塔筒疲劳强度薄弱的地方，同时由于运输工装及道路限高、限宽、限重的影响，塔筒最大底部直径通常只能做到4.5m。
随着风电行业的快速发展及国家政策的调整，在我国，风电场的开发区域逐渐从风资源较好的“三北”地区转向风资源较为匮乏的内陆地区。为了既能满足内陆运行环境条件又能提高风能利用率，以及满足在风切变化大的区域对高空风能利用的需求，各大风电主机厂商在不断增大机组容量的同时，又在追求更长的叶片长度及更高的轮毂高度。所以增加塔筒的高度越来越迫切，对于主流塔筒来说，塔筒高度的增加势必会增加塔筒壁厚和增大塔底直径。而当塔筒直径受到运输限制无法增加时，只能增加塔筒壁厚来保证塔筒的刚度。塔筒高度的增加会使整体的固有频率降低，同样需要加大塔筒壁厚来避免共振的发生。这样以来，钢板厚度会增加得非常大，造成塔筒重量大幅增加，导致钢铁材料浪费严重，也加大了钢板卷圆难度，经济性很差。
针对主流塔筒以上种种弊端，目前国内外均在开发新型分片式塔筒来解决大直径运输受限的问题。常用的方法是对圆筒进行切割形成弧形分片，在弧形分片两侧焊接竖向连接法兰。或者如申请公布号为CN203978728U及CN106438212A的中国专利所公开的折拼式分片塔筒设计及组装方法中，都采用折弯形式的塔筒分片，并对折弯分片的两侧再进行一次折弯、开孔，进而与相邻分片形成竖向连接法兰结构。但是近似于90°角的折弯会给钢板的力学性带来较大的损害。同时采用该连接结构组装形成的塔筒内壁表面不够平滑美观，对平台、爬梯、电缆夹等内附件的安装位置造成严重影响，不利于整体喷涂防腐。在风场组装时，竖向连接结构的对孔精度会给分片制造的精度与吊装精度提出较高的要求，不利于降低成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种塔筒分段，以解决现有技术的折弯式塔筒分片接近90°折弯造成的力学性能差、接合处体积占用大而影响内附件安装布置的技术问题；本发明的目的还在于提供一种使用上述塔筒分段的塔筒和风力发电机组。
为实现上述目的，本发明的塔筒分段采用如下的技术方案：
技术方案1：塔筒分段包括周向首尾拼接的至少两片塔筒分片，塔筒分片周向的两端具有连接段，相邻塔筒分片相连的对应端通过其中一个连接段的内表面与另一个连接段的外表面相向叠合并固定。
有益效果：由于相邻塔筒分片之间采用其中一个的内侧面与另一个的外侧面相向叠合连接，其连接段的折弯角度对塔筒分片的力学性能影响较小，即不会出现应力十分集中的尖锐区域，从而可以防止连接段因折弯角度过大而造成的应力集中、力学性能受到较大损害的情况；同时，内、外侧面叠合的形式可减小径向体积占用，从而避免对塔筒内附件的安装位置造成影响，也方便防腐喷涂；而且相对于竖向的螺栓穿孔的对孔精度和吊装精度方面也有较大改进。
技术方案2：在技术方案1的基础上，塔筒分片周向两端的连接段中至少有一个向内或向外弯折。
技术方案3：在技术方案2的基础上，塔筒分片周向两端的连接段中至少有一个向内弯折，向内弯折的连接段呈“之”字形。“之”字形的结构可使两个连接段搭接处不会直接凸出塔筒的外表面，而是有一个内收的结构，从而确保塔筒外表面的平整性，减小风阻及风沙的积累。
技术方案4：在技术方案3的基础上，“之”字形的首尾两段错位距离等于塔筒分片的厚度。使塔筒外表面更加平整。
技术方案5：在技术方案1的基础上，塔筒分段的横截面为多边形。多边形的各塔筒分片只需折出一条或几条折痕即可相对于圆筒形更容易加工。
技术方案6：在技术方案5的基础上，塔筒分段的横截面为正多边形。
技术方案7：在技术方案5或6的基础上，塔筒分片两个连接段之间的部分具有竖向折弯以形成塔筒分段的多边形的角。
技术方案8：在技术方案7的基础上，相邻两个塔筒分片的连接处位于多边形的边的中部。使塔筒分片的连接处避开多边形的拐角，可防止拐角处的应力过度集中，从而提高了结构强度，同时，连接处位于多边形的边的中部也方便螺栓的布置和连接。
技术方案9：在技术方案1-6任意一项的基础上，塔筒分片之间通过螺栓组件连接。
技术方案10：在技术方案9的基础上，螺栓组件的螺栓的轴线穿过塔筒分段的轴心设置。使得塔筒的受力集中于轴线处，并使力相互抵消，从而提高了塔筒的整体承载能力。
本发明的塔筒采用如下的技术方案：
技术方案1：塔筒包括至少两个上下对接的塔筒分段，塔筒分段包括周向首尾拼接的至少两片塔筒分片，塔筒分片周向的两端具有连接段，相邻塔筒分片相连的对应端通过其中一个连接段的内表面与另一个连接段的外表面相向叠合并固定。
有益效果：由于相邻塔筒分片之间采用其中一个的内侧面与另一个的外侧面相向叠合连接，其连接段的折弯角度对塔筒分片的力学性能影响较小，即不会出现应力十分集中的尖锐区域，从而可以防止连接段因折弯角度过大而造成的应力集中、力学性能受到较大损害的情况；同时，内、外侧面叠合的形式可减小径向体积占用，从而避免对塔筒内附件的安装位置造成影响，也方便防腐喷涂；而且相对于竖向的螺栓穿孔的对孔精度和吊装精度方面也有较大改进。
技术方案2：在技术方案1的基础上，塔筒分片周向两端的连接段中至少有一个向内或向外弯折。
技术方案3：在技术方案2的基础上，塔筒分片周向两端的连接段中至少有一个向内弯折，向内弯折的连接段呈“之”字形。“之”字形的结构可使两个连接段搭接处不会直接凸出塔筒的外表面，而是有一个内收的结构，从而确保塔筒外表面的平整性，减小风阻及风沙的积累。
技术方案4：在技术方案3的基础上，“之”字形的首尾两段错位距离等于塔筒分片的厚度。使塔筒外表面更加平整。
技术方案5：在技术方案1的基础上，塔筒分段的横截面为多边形。多边形的各塔筒分片只需折出一条或几条折痕即可相对于圆筒形更容易加工。
技术方案6：在技术方案5的基础上，塔筒分段的横截面为正多边形。
技术方案7：在技术方案5或6的基础上，塔筒分片两个连接段之间的部分具有竖向折弯以形成塔筒分段的多边形的角。
技术方案8：在技术方案7的基础上，相邻两个塔筒分片的连接处位于多边形的边的中部。使塔筒分片的连接处避开多边形的拐角，可防止拐角处的应力过度集中，从而提高了结构强度，同时，连接处位于多边形的边的中部也方便螺栓的布置和连接。
技术方案9：在技术方案1-6任意一项的基础上，塔筒分片之间通过螺栓组件连接。
技术方案10：在技术方案9的基础上，螺栓组件的螺栓的轴线穿过塔筒分段的轴心设置。使得塔筒的受力集中于轴线处，并使力相互抵消，从而提高了塔筒的整体承载能力。
本发明的风力发电机组采用如下的技术方案：
技术方案1：风力发电机组包括塔筒以及安装在塔筒上的机组，塔筒包括至少两个上下对接的塔筒分段，塔筒分段包括周向首尾拼接的至少两片塔筒分片，塔筒分片周向的两端具有连接段，相邻塔筒分片相连的对应端通过其中一个连接段的内表面与另一个连接段的外表面相向叠合并固定。
有益效果：由于相邻塔筒分片之间采用其中一个的内侧面与另一个的外侧面相向叠合连接，其连接段的折弯角度对塔筒分片的力学性能影响较小，即不会出现应力十分集中的尖锐区域，从而可以防止连接段因折弯角度过大而造成的应力集中、力学性能受到较大损害的情况；同时，内、外侧面叠合的形式可减小径向体积占用，从而避免对塔筒内附件的安装位置造成影响，也方便防腐喷涂；而且相对于竖向的螺栓穿孔的对孔精度和吊装精度方面也有较大改进。
技术方案2：在技术方案1的基础上，塔筒分片周向两端的连接段中至少有一个向内或向外弯折。
技术方案3：在技术方案2的基础上，塔筒分片周向两端的连接段中至少有一个向内弯折，向内弯折的连接段呈“之”字形。“之”字形的结构可使两个连接段搭接处不会直接凸出塔筒的外表面，而是有一个内收的结构，从而确保塔筒外表面的平整性，减小风阻及风沙的积累。
技术方案4：在技术方案3的基础上，“之”字形的首尾两段错位距离等于塔筒分片的厚度。使塔筒外表面更加平整。
技术方案5：在技术方案1的基础上，塔筒分段的横截面为多边形。多边形的各塔筒分片只需折出一条或几条折痕即可相对于圆筒形更容易加工。
技术方案6：在技术方案5的基础上，塔筒分段的横截面为正多边形。
技术方案7：在技术方案5或6的基础上，塔筒分片两个连接段之间的部分具有竖向折弯以形成塔筒分段的多边形的角。
技术方案8：在技术方案7的基础上，相邻两个塔筒分片的连接处位于多边形的边的中部。使塔筒分片的连接处避开多边形的拐角，可防止拐角处的应力过度集中，从而提高了结构强度，同时，连接处位于多边形的边的中部也方便螺栓的布置和连接。
技术方案9：在技术方案1-6任意一项的基础上，塔筒分片之间通过螺栓组件连接。
技术方案10：在技术方案9的基础上，螺栓组件的螺栓的轴线穿过塔筒分段的轴心设置。使得塔筒的受力集中于轴线处，并使力相互抵消，从而提高了塔筒的整体承载能力。
附图说明
图1为本发明的风力发电机组的具体实施例中的塔筒分段的结构示意图；
图2为图1中单个塔筒分片的结构示意图；
图3为图1中的塔筒分段的水平横截面示意图；
图4为图3中A处的局部放大图；
图5为图1中的相邻两个塔筒分片连接时的结构示意图；
图6为图5中B处的局部放大图；
图中：1-塔筒分段，11-塔筒分片，111-第一连接段，112-第二连接段，12-螺栓组件。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。
本发明的风力发电机组的具体实施例，包括机组和塔筒，机组的结构以及机组与塔筒的连接结构为现有技术，不再介绍。塔筒由多段塔筒分段1上下对接而成横截面为多边形的结构，本实施例中采用在塔筒分段1顶边和底边上设置分段环形法兰，通过分段环形法兰进行连接。如图1所示，塔筒分段1为组合拼接式结构，是由多片（图中为8片）塔筒分片11首尾通过螺栓连接而成，其中塔筒分片11采用如下方式制作：首先根据塔筒直径大小、塔筒多边形的形状和边数、塔筒分段1的长度选取合适尺寸和厚度的钢板，如图2所示，然后沿钢板长度方向进行折弯，在折弯板的一侧边再进行两次折弯，从而形成“之”字形的第一连接段111，如图3、4所示，第一连接段111向折弯板的内侧弯折，即向塔筒内部的一侧弯折，“之”字形的第一连接段111向内弯折或者错开的距离刚好等于钢板的厚度。而塔筒分片11的另一侧边形成第二连接段112，相邻两块塔筒分片11分别通过其第一连接段111的外侧面与第二连接段112的内侧面贴合，以形成重叠段，通过在该重叠面处将第一连接段111和第二连接段112连接固定即可实现相邻两块塔筒分片11之间的连接固定。本实施例中是通过在第一连接段111和第二连接段112上开设竖向的多个螺栓穿孔，并通过螺栓组件12进行连接。
本发明的风力发电机组的塔筒在拼装及使用时：首先根据塔筒直径、塔筒多边形的边数、塔筒段长度选取合适大小和厚度的钢板，然后通过设定参数对钢板进行折弯，折弯时使钢板形成塔筒多边形的至少一个边，然后在钢板的两侧边中的一个依次向内和往外两次折弯形成向内错位的“之”字形第一连接段111，钢板的另一侧边形成第二连接段112，第一连接段111向内错位的距离刚好等于钢板的壁厚，并在第一连接段111和第二连接段112上竖向开设多个螺栓穿孔，然后在车间进行各个塔筒分片11的内附件安装及防腐喷涂，至此完成塔筒分片11的加工；然后在风场装配时，进行相邻塔筒分片11的组合装配，如图5、6所示，使塔筒分片11的“之”字形的第一连接段111与相邻塔筒分片11的第二连接部进行重叠，重叠时是第一连接段111的外侧面与第二连接段112的内侧面贴合，由于第一连接段111向内错位的距离刚好等于塔筒分片11的厚度，故可以尽可能保证塔筒外周的平滑性，通过工装夹具保证两塔筒分片11之间的竖向连接尺寸，并通过螺栓组件12通过对应的螺栓穿孔实现紧固连接，完成一个多边形的塔筒分段1的拼装。然后再进行塔筒分段1与塔筒分段1、塔筒分段1与基础或塔筒分段1与机组等的连接，最终形成塔筒及风力发电机组。由于相邻塔筒分片11之间采用其中一个的内侧面与另一个的外侧面贴合并螺栓连接，其第一连接段111的折弯角度对塔筒分片11的力学性能影响较小，即不会出现应力十分集中的尖锐区域，从而可以防止第一连接段111和第二连接段112因折弯角度过大而造成的应力集中、力学性能受到较大损害的情况，同时，“之”字形的结构相对于传统两片的外表面相互贴合并弯折接近90°的情况来说，具有体积占用小的特点，从而避免对塔筒内附件的安装位置造成影响，也方便防腐喷涂；而且相对于竖向的螺栓穿孔的对孔精度和吊装精度方面也有较大改进。
在其他实施例中：该组合式塔筒结构不限于风力发电机组使用，也可在电视塔、信号塔等上使用；塔筒分片上也可在左侧和右侧均设置“之”字形的第一连接段；第一连接段和第二连接段上也可不设置螺栓穿孔，而是通过焊接方式连接；组合式塔筒的塔筒分段的数量根据使用需要设置，可以仅有两段拼接而成，也可由几十节拼接而成；塔筒分段的形状也不限于上述的多边形结构，也可为非正多边形结构、椭圆形或者圆形；第一和第二连接段即可向塔筒内侧弯折而形成“之”字形或者其他形状的弯折，也可朝向塔筒外侧弯折。
本发明的塔筒的实施例与本发明的风力发电机组的各实施例中的塔筒的各实施例相同，不再赘述。
本发明的塔筒分段的实施例与本发明的风力发电机组的各实施例中的塔筒分段的各实施例相同，不再赘述。

Claims (10)

1.塔筒分段，包括周向首尾拼接的至少两片塔筒分片，其特征是，塔筒分片周向的两端具有连接段，相邻塔筒分片相连的对应端通过其中一个连接段的内表面与另一个连接段的外表面相向叠合并固定。
2.根据权利要求1所述的塔筒分段，其特征是，塔筒分片周向两端的连接段中至少有一个向内或向外弯折。
3.根据权利要求2所述的塔筒分段，其特征是，塔筒分片周向两端的连接段中至少有一个向内弯折，向内弯折的连接段呈“之”字形。
4.根据权利要求3所述的塔筒分段，其特征是，“之”字形的首尾两段错位距离等于塔筒分片的厚度。
5.根据权利要求1所述的塔筒分段，其特征是，塔筒分段的横截面为多边形。
6.根据权利要求5所述的塔筒分段，其特征是，塔筒分段的横截面为正多边形。
7.根据权利要求5或6所述的塔筒分段，其特征是，塔筒分片两个连接段之间的部分具有竖向折弯以形成塔筒分段的多边形的角。
8.根据权利要求7所述的塔筒分段，其特征是，相邻两个塔筒分片的连接处位于多边形的边的中部。
9.塔筒，包括至少两个上下对接的塔筒分段，塔筒分段包括周向首尾拼接的至少两片塔筒分片，其特征是，塔筒分片周向的两端具有连接段，相邻塔筒分片相连的对应端通过其中一个连接段的内表面与另一个连接段的外表面相向叠合并固定。
10.风力发电机组，包括塔筒以及安装在塔筒上的机组，塔筒包括至少两个上下对接的塔筒分段，塔筒分段包括周向首尾拼接的至少两片塔筒分片，其特征是，塔筒分片周向的两端具有连接段，相邻塔筒分片相连的对应端通过其中一个连接段的内表面与另一个连接段的外表面相向叠合并固定。
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