CN112302890B

CN112302890B - 固定装置、塔架及风力发电机组

Info

Publication number: CN112302890B
Application number: CN201910703123.4A
Authority: CN
Inventors: 侯赛恩·山诺瓦; 尤尔根·格鲁姆瑟·尼尔森
Original assignee: Beijing Goldwind Science and Creation Windpower Equipment Co Ltd
Current assignee: Beijing Goldwind Science and Creation Windpower Equipment Co Ltd
Priority date: 2019-07-31
Filing date: 2019-07-31
Publication date: 2023-09-29
Anticipated expiration: 2039-07-31
Also published as: CN112302890A

Abstract

本发明涉及一种固定装置、塔架及风力发电机组，该固定装置包括：固定附件，设置为矩形六面体的板体，其具有至少两个焊接部，相邻的两个焊接部之间形成有沿第一方向贯穿的通槽，第一方向为固定附件的厚度方向；焊接体，形成为角焊缝，焊接部通过焊接体焊接至基板，使得固定附件附接于基板。本发明通过在固定附件上设置通槽，在减轻重量的同时还可以具有足够的抗疲劳性能，有利于降低成本。

Description

固定装置、塔架及风力发电机组

技术领域

本发明涉及钢结构的抗疲劳设计技术领域，具体涉及一种固定装置、塔架及风力发电机组。

背景技术

风力发电机组的塔架通常采用钢结构形成，塔架内部通常具有平台、梯子、照明装置、电力电缆固定装置、升降机固定和安装装置等，这些部件如果直接焊接在塔架的内壁上，会极大地破坏塔架内壁的完整性从而影响塔架本身的支撑稳定性；一般会将这些部件焊接至塔架内壁的附件上，但传统的附件与塔架内壁的焊接会导致塔架不可避免地产生焊接缺陷，造成焊接点处应力集中，降低了塔架的稳定性，并且传统的附件为提高附件的连接强度从而能够支撑足够重量的装置，往往会增大附件的体积或与塔架内壁的焊接长度，这就进一步对塔架造成了更多的焊接缺陷。

为了补偿或者抵消这种稳定性的降低，通常需要增大塔架壁厚，但该方法明显会增加用钢量，进而增加塔架的重量及因此相关的如运输、设备安装以及基础设施等方面的费用。

发明内容

本发明的目的是提供一种固定装置、塔架及风力发电机组，该固定装置可以作为附件固定至塔架内壁，通过合理的结构设置，并经过严格的仿真计算，满足固定装置的疲劳强度，同时减少了与塔架内壁的焊接长度，减小了固定装置本身的体积和重量，也从一个侧面减少了塔架的钢结构用量。

一方面，本发明实施例还提出了一种固定装置，其包括：固定附件，设置为矩形六面体的板体，其具有至少两个焊接部，相邻的两个焊接部之间形成有沿第一方向贯穿的通槽，第一方向为固定附件的厚度方向；焊接体，形成为角焊缝，焊接部通过焊接体焊接至基板，使得固定附件附接于基板。

根据本发明实施例的一个方面，至少两个焊接部为参数相同的焊接部。

根据本发明实施例的一个方面，固定附件具有第一表面，基板具有第二表面，第一表面与第二表面基本上彼此垂直，焊接体在第一表面与第二表面之间形成焊桥。

根据本发明实施例的一个方面，通槽在固定附件中形成有依次连接的第一内壁、第二内壁和第三内壁，其中，第二内壁与基板的第二表面相对设置。

根据本发明实施例的一个方面，固定附件的第二内壁上还设置有朝向通槽凸出的连接部。

根据本发明实施例的一个方面，焊接体沿第二方向的焊接长度为la，且la≤50mm，第二方向为固定附件的宽度方向。

根据本发明实施例的一个方面，固定附件沿第一方向的厚度尺寸t_a与基板沿第三方向的厚度尺寸t_b之间的比值满足t_a/t_b＝0.6～0.8，其中，第三方向为固定附件垂直于基板延伸的高度方向。

根据本发明实施例的一个方面，固定附件的第二内壁的壁厚Hb的取值范围为Hb＝15mm～35mm。

根据本发明实施例的一个方面，通槽沿第二方向的宽度尺寸lb的取值范围为lb＝60mm～70mm，其中，第二方向为固定附件的宽度方向。

根据本发明实施例的一个方面，通槽沿第三方向的高度尺寸Ha的取值范围为Ha＝25mm～100mm，第三方向为固定附件垂直于基板延伸的高度方向。

另一方面，本发明实施例还提供了一种塔架，该塔架为钢结构，其壁部设置有固定装置，该固定装置为如前所述的任一种固定装置。

另一方面，本发明实施例还提供了一种风力发电机组，其包括如前所述的任一种塔架。

本发明实施例提供的固定装置，通过在固定附件上设置通槽，通过合理的结构设计，在减轻重量的同时还可以具有足够的抗疲劳性能。另外，本发明实施例提供的塔架及风力发电机组，采用钢结构塔架，将如前所述的固定装置应用于塔架，从一个侧面来讲，可以降低塔架的钢材料用量，节省塔架的制作成本，具有较高的经济效益。

附图说明

下面将参考附图来描述本发明示例性实施例的特征、优点和技术效果。

图1是本发明实施例提供的一种固定装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的另一种固定装置的结构示意图；

图3是具有已知抗疲劳值的一种参考固定装置的结构示意图；

图4是本发明实施例的固定附件的焊接长度与抗疲劳值的关系示意图；

图5是本发明实施例的固定附件和基板的厚度比值与抗疲劳值的关系示意图；

图6是本发明实施例的固定附件和基板(与图6的厚度不同)的厚度比值与抗疲劳值的关系示意图；

图7是本发明实施例的固定附件(与图7的焊接长度不同)和基板的厚度比值与抗疲劳值的关系示意图；

图8是本发明实施例的固定附件的通槽的宽度尺寸与抗疲劳值的关系示意图；

图9是本发明实施例的固定附件的通槽的厚度尺寸与抗疲劳值的关系示意图；

图10是本发明实施例的固定附件的通槽的厚度尺寸(与图9的通槽的宽度不同)与抗疲劳值的关系示意图；

图11是本发明实施例的固定附件的通槽的高度尺寸与抗疲劳值的关系示意图。

其中：

A-焊接附件；B-基板；C-焊料；Z-第一方向；X-第二方向；Y-第三方向；1-第一表面；2-第二表面；10-固定附件；11-焊接部；12-通槽；121-第一内壁；122-第二内壁；123-第三内壁；13-连接部；20-焊接体。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明的更好的理解。在附图和下面的描述中，至少部分的公知结构和技术没有被示出，以便避免对本发明造成不必要的模糊；并且，为了清晰，可能夸大了部分结构的尺寸。此外，下文中所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。

下述描述中出现的方位词均为图中示出的方向，并不是对本发明的具体结构进行限定。在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸式连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参阅图1，本发明实施例提供了一种固定装置，其包括固定附件10和焊接体20。

固定附件10设置为板体，其具有至少两个焊接部11，相邻的两个焊接部11之间形成有沿第一方向Z贯穿的通槽12，第一方向Z为固定附件10的厚度方向，第二方向X与第一方向Z相交设置，第三方向Y与第一方向Z和第二方向X相交设置。可选地，第一方向Z、第二方向X与第三方向Y相互垂直设置，即，第一方向表示固定附件10的厚度方向，第二方向X表示固定附件10的宽度方向，第三方向表示固定附件10垂直于基板B延伸的高度方向。

焊接体20形成为角焊缝，焊接部11通过焊接体20焊接至基板B，使得固定附件10附接于基板B。

固定附件10为板体，焊接体20的角焊缝表面与焊接部11和基板B的交界处分别形成有焊趾。热点是疲劳裂纹的起源部位，焊接结构中常取焊趾为热点，因其是最容易发生疲劳破坏的部位。

固定附件10在相邻的两个焊接部11之间形成的通槽12具有如下有益效果：一方面，通槽12赋予固定附件10一定程度的柔性，使之能够吸收或者缓冲特定的高峰载荷，从而使这些高峰载荷不被引入到固定附件10与基板B之间的焊接体20，这就使得基板B在焊接部位区域的载荷减小，从而可以降低焊趾处的集中应力值，进而提高固定装置的抗疲劳性能；另一方面，固定附件10由于通槽12的设置，其与基板B的接触边沿线相对于未设置通槽12时的边沿线减短，即减小了传统的不设置通槽12的固定附件10与基板B的焊接的长度，避免了与基板B焊接过长的应力集中问题，并且减小了对基板B的焊接损伤问题；通槽12可以作为固定附件10的减重槽，从而减轻固定装置的重量，节约材料用量。

本发明实施例提供的固定装置，通过在固定附件10上设置通槽12，通过合理的结构设计，在减轻重量的同时还可以具有足够的抗疲劳性能。对于采用钢结构塔架的风力发电机组来说，如果将该固定装置用于塔架，从一个侧面来讲，可以降低塔架的钢材料用量，节省塔架的制作成本，具有较高的经济效益。

再次参阅图1，固定附件10具有第一表面1，基板B具有第二表面2，第一表面1与第二表面2基本上彼此垂直，焊接体20在第一表面1与第二表面2之间形成焊桥。“基本上彼此垂直”指的是，第一表面1与第二表面2之间的夹角满足一定的公差要求，例如90°±10°。

焊接体20以电弧焊接工艺制造，包括铜基焊料、镍基焊料、钴基焊料和铁基焊料中的一种或者多种。焊接体20可具有至少900℃和/或至多1200℃的熔化温度。例如，CuSi3具有910-1025℃的熔化范围，而CuAl8具有熔化范围为1030-1040℃。固定附件10或者基板B可以为钢材料或者铝材料，优选为钢材料，其熔化温度至少为1400℃，故焊接体20可以熔化而不会损坏固定附件10或者基板B。

进一步地，通槽12在固定附件10中形成有依次连接的第一内壁121、第二内壁122和第三内壁123，其中，第二内壁122与基板B的第二表面2相对设置。通槽12的形状不限，第一内壁121、第二内壁122和第三内壁123可以为平面，也可以为弧形面等曲面。

优选地，固定附件10为矩形六面体，焊接部11和通槽12形成固定附件10的两个支腿，并且优选地，两个焊接部11的形状、尺寸结构等参数均相同。第一内壁121平行于第三内壁123设置，并且第二内壁122平行于基板B设置，连接第一内壁121与第三内壁123。当固定附件10固定至基板B时，两个支腿相隔通槽12的宽度分别固定于基板B，两个焊接部11可以相对于基板B水平地设置，也可以是相对于基板B在竖直方向上下设置，还可以与水平方向呈一定角度地固定于基板B。

参阅图2，本发明实施例还提供了一种固定装置，其与图1所示的固定装置结构类似，进一步优选地，固定附件10的第二内壁122上还设置有朝向通槽12凸出的连接部13。

由于连接部13远离焊接部11，并且经过计算，其对焊趾处的应力的影响可忽略不计，则设置凸出的该连接部13，该凸出的连接部13优选为弧形的凸出部，其可以设置螺纹孔、通孔或者作为焊接点等，用于连接和支撑其它部件，减小支撑其它部件时对固定附件10的强度的影响。例如，塔架采用该固定装置10，在连接部13上设置螺纹孔或者通孔，可以将平台、梯子等部件设置螺栓或者销子，固定至固定附件10，从而固定至塔架的壁部；当然，也可以直接将部件放置于多个固定附件10上支撑这些部件。实际应用中，可以根据实际需要设计连接部13的形状及尺寸等。

根据国际焊接学会标准(IIW)的《焊接接头与部件的疲劳设计》标准，焊接接头的结构应力大小与焊接结构的整体几何形状以及受载条件有关，但不包括焊缝尺寸与焊接缺陷等局部因素引起的应力集中。焊接接头的抗疲劳性能基于名义应力来评估，每条疲劳强度曲线通过200万个循环的细节的特征疲劳强度来识别，该值为抗疲劳值FAT(FatigueClasss)。

本发明实施例提供的固定装置的抗疲劳值FAT可以根据具有已知抗疲劳值FAT的参考固定装置来获得，并且参考固定装置应具有与本发明实施例提供的固定装置尽可能相似的结构细节。

图3示出了具有已知抗疲劳值FAT的参考固定装置，其包括焊接附件A和焊料C，焊接附件A通过焊料C焊接至基板B上。在这里，焊接附件A可以代表传统的已知的结构的固定装置，是整体成型的完整的不带通槽结构的矩形六面体板件结构，其根部与基板B的表面之间形成有焊趾。焊接附件A与本发明的固定装置的固定附件10具有相同的厚度t_a，二者的整体高度相同，且均焊接至具有相同厚度t_b的基板B上，焊接体20与焊料C采用相同的焊接类型，例如均为角焊缝。

以焊接附件A为钢件为例，参考固定装置的抗疲劳值FAT如下：

当焊接长度L≤50mm时，FAT＝80；

当焊接长度50mm<L≤80mm时，FAT＝71；

当焊接长度80mm<L≤100mm时，FAT＝为63；

当焊接长度L>100mm时，FAT＝56。

即，对于不同焊接长度的固定装置，应当满足不同的最低抗疲劳值才能满足应用要求。

对于焊接长度L≤50mm的焊接附件A来说，考虑到基板B的尺寸效应，可以通过降低焊趾处的应力集中来获得较高的抗疲劳值，例如FAT＝90或者等效的FAT值：90×(25/t_b)^0.2，其中，t_b为基板B的厚度。

本发明实施例提供的固定装置的焊趾处的应力集中根据基板B的厚度t_b、固定附件10的厚度t_a、焊接长度la和固定附件10的设计细节而变化。由于固定附件10的通槽12导致固定附件10的结构不连续，而热点应力法仅和热点处的应力值有关，而与具体的结构形式无关，因此具有广泛的适用性。

本发明实施例采用热点应力法对固定装置进行疲劳强度分析，固定装置的焊趾处的热点应力值采用结构FEM(Finite Element Method)分析结合适当的结果后处理来确定，应用较多的是表面外推法。在热点明显非线性结构应力增加的情况下，通常在0.4t，0.9t和1.4t的三个网格单元长度参考点处评估节点应力，并采用如下方程进行二次外推：

σ₁＝2.52×σ_0.4t-2.24×σ_0.9t+0.72×σ_1.4t

从而获取固定装置的抗疲劳值FAT₁。

其中，σ_hs,ref为参考固定装置的热点应力值，σ_hs,asses为本发明提供的固定装置的热点应力值，FAT₀为参考固定装置的抗疲劳值。对于焊接长度L≤50mm的焊接附件A来说，FAT₀＝80。如果FAT₁＝90，则

如前所述，固定附件10的焊趾处的应力集中根据基板B的厚度t_b、固定附件10的厚度t_a、焊接长度la和通槽12的设计参数而变化。下面以焊接长度L≤50mm的固定装置为例，结合图4至图11分析上述各参数对抗疲劳值FAT的灵敏度。

(1)焊接长度la与抗疲劳值的关系

固定装置的各个参数如下：固定附件10的厚度t_a＝12mm、通槽12的宽度lb＝70mm，通槽12的高度Ha＝55mm，固定附件10具有通槽12后的腹板高度Hb＝35mm。基板B的厚度优选为通常的塔架的厚度t_b，一般选择为10mm～55mm，则焊接长度la与抗疲劳值FAT的关系如图4所示。

可见，焊接长度la是决定抗疲劳值FAT的驱动参数之一，焊接长度la与固定装置的抗疲劳值FAT呈反比例线性变化关系，焊接长度la越小，抗疲劳值FAT越高。例如，la＝12mm时，抗疲劳值FAT＝1.125×80＝90。

(2)固定附件10与基板B的厚度比值与抗疲劳值FAT的关系

为了确定该厚度比值与抗疲劳值FAT的关系，针对两种不同厚度的基板B分别进行检查。例如，图5中的基板B采用较厚的厚度t_b，例如30mm～55mm时，la＝10mm；图6中的基板B采用较薄的厚度t_b，例如10mm～30mm时，la＝10mm；图7中的基板B也同样采用较薄的厚度t_b，例如10mm～30mm时，la＝12.5mm，其余参数与图5中的参数相同。

从图5、图6和图7中可以看出，固定附件10与基板B的厚度比值满足如下关系式时：t_a/t_b＝0.6～0.8，固定装置可以获得最大的抗疲劳值FAT。并且，如图5中的基板B采用较厚的厚度t_b，la＝10mm时，可以获得最大的抗疲劳值FAT＝1.107×80＝88.5。当然，通过减小焊接长度la，也可以获得较大的抗疲劳值FAT。

该固定装置应用于钢结构的塔架时，基板B即为塔架的壁部，由此，可以通过改进的固定装置的抗疲劳值FAT，提高塔架壁部的疲劳强度，从而塔架壁部可以更薄，重量更轻。

(3)通槽12的宽度lb与抗疲劳值FAT的关系

从图8可以看出，通槽12的宽度lb取值范围为：lb＝40mm～60mm，固定装置的抗疲劳值FAT随着通槽12的宽度lb的增大而逐渐增大。通槽12的宽度尺寸lb的取值范围为：lb＝60mm～70mm，随着宽度lb的增加，抗疲劳值FAT有所增加，但数值基本保持稳定。因此，可以根据具体的应用场景设计通槽12的宽度lb，使之不会影响固定装置的抗疲劳值FAT。可选地，宽度尺寸lb的取值范围为：lb＝60mm～70mm。

(4)固定附件10的第二内壁122的壁厚Hb与抗疲劳值FAT的关系

从图9和图10可以看出，随着壁厚Hb的减小，抗疲劳值FAT有所增加，但增量可忽略不计。因此，可以根据具体的应用场景设计壁厚Hb，而不会影响抗疲劳值FAT。可选地，壁厚Hb的取值范围为：Hb＝15mm～35mm。

(5)通槽12的高度Ha与抗疲劳值FAT的关系

从图11可以看出，随着通槽12的高度Ha的增加，抗疲劳值FAT增加至一定限度。由于该增量不太重要，可选地，通槽12的高度尺寸Ha的取值范围为：Ha＝25mm～100mm。

综上所述，焊接长度la、固定附件10与基板B的厚度比值对固定装置的抗疲劳值FAT影响较大，且抗疲劳值FAT至少大于80。通槽12的宽度lb及高度Ha在一定范围内取值时，对抗疲劳值FAT的影响不大，因此可以根据实际需要调整通槽12的尺寸。另外，相对于参考固定装置，本发明实施例提供的固定装置具有较高的抗疲劳值FAT，将其应用于钢结构塔架中，可以提高塔架壁部的疲劳强度，从而塔架壁部可以更薄，重量更轻。降低了塔架的材料用量和成本。

当然，在满足不同焊接长度所需满足的疲劳值的条件下，还可以采用至少两个焊接部11的结构形式，例如3个焊接部11或者4个焊接部11的结构形式。

另外，本发明实施例还提供了一种塔架，该塔架为钢结构，其壁部设置有固定装置，该固定装置为如前所述的任一种固定装置。该固定装置焊接至塔架的内壁或者外壁，其至少可以降低塔架的焊趾处的集中应力，并获得较高的抗疲劳值FAT，同时塔架的重量相对较轻，节省塔架的制作成本，具有较高的经济效益。

另外，本发明实施例还提供了一种风力发电机组，其包括如前所述的任一种塔架。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims

1.一种固定装置，用于固定至风力电机塔架内壁，其特征在于，包括：

固定附件（10），设置为矩形六面体的板体，其具有至少两个焊接部（11），相邻的两个所述焊接部（11）之间形成有沿第一方向（Z）贯穿的通槽（12），所述第一方向（Z）为所述固定附件（10）的厚度方向；

焊接体（20），形成为角焊缝，所述焊接部（11）通过所述焊接体（20）焊接至基板（B），使得所述固定附件（10）附接于所述基板（B），

其中，所述焊接体（20）沿第二方向（X）的焊接长度为la，且la≤ 50mm，所述第二方向（X）为所述固定附件（10）的宽度方向，

并且，所述固定附件（10）沿所述第一方向（Z）的厚度尺寸t_a与所述基板（B）沿第三方向（Y）的厚度尺寸t_b之间的比值满足t_a/t_b=0.6~0.8，其中，所述第三方向（Y）为所述固定附件（10）垂直于所述基板（B）延伸的高度方向，

所述通槽（12）在所述固定附件（10）中形成有依次连接的第一内壁（121）、第二内壁（122）和第三内壁（123），

所述固定附件（10）的所述第二内壁（122）的壁厚Hb的取值范围为Hb=15mm~35mm，

所述通槽（12）沿所述第二方向（X）的宽度尺寸lb的取值范围为lb=60mm~70mm，

所述通槽（12）沿所述第三方向（Y）的高度尺寸Ha的取值范围为Ha=25mm~100mm 。

2.根据权利要求1所述的固定装置，其特征在于，所述至少两个焊接部（11）为参数相同的焊接部。

3.根据权利要求1所述的固定装置，其特征在于，所述固定附件（10）具有第一表面（1），所述基板（B）具有第二表面（2），所述第一表面（1）与所述第二表面（2）基本上彼此垂直，所述焊接体（20）在所述第一表面（1）与所述第二表面（2）之间形成焊桥。

4.根据权利要求3所述的固定装置，其特征在于，所述第二内壁（122）与所述基板（B）的所述第二表面（2）相对设置。

5.根据权利要求4所述的固定装置，其特征在于，所述固定附件（10）的所述第二内壁（122）上还设置有朝向所述通槽（12）凸出的连接部（13）。

6.一种塔架，其特征在于，所述塔架为钢结构，其壁部设置有固定装置，所述固定装置为如权利要求1至5任一项所述的固定装置。

7.一种风力发电机组，其包括权利要求6所述的塔架。