CN114165390B - 一种单壁与双壁组合塔筒结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单壁与双壁组合塔筒结构，属于高塔设计与施工技术领域。组成塔筒结构的塔筒双壁段和塔筒单壁段分别由多节筒节连接而成；各筒节之间设有K形法兰；塔筒双壁段和塔筒单壁段之间设有K形法兰。通过本发明将单筒壁塔筒的等效径厚比大幅度降低，从而提高了筒壁的允许临界屈曲应力水平，较大限度地平衡了高塔筒壁的材料强度裕度与屈曲能力问题，降低了材料用量，节约了工程造价，拓展了全钢柔性塔筒的应用范围。采用K形法兰连接，提高了塔筒连接节点的整体刚度和强度，通过远端法兰板的变形，可在高强螺栓内建立一定的超拉预应力，在设计弯矩作用下，塔筒受压侧螺栓仍维持拉应力，从而降低螺栓疲劳应力幅，提高其抗疲劳强度。

Description

一种单壁与双壁组合塔筒结构

技术领域

本发明涉及一种单壁与双壁组合塔筒结构，属于高塔设计与施工技术领域。本发明方向的定义以水平面向上的方向为上，以水平面向下的方向为下。

背景技术

在“3060”碳达峰和碳中和目标的指引下，全国风电发展势头迅猛。但近年来，随着风电用地越来越困难，不得不把风电用地设置于低风速地区。为了在低风速地区保障风机的发电量，加长风机叶片，并通过提高塔筒高度来抬升轮毂高度，从而捕获更多的风能成为行业追求的目标。全球范围内高塔筒技术已研制多年，具有多种技术路线，比如全钢柔性塔架、混凝土塔架、钢混塔架、桁架结构塔架、斜拉索结构塔架等。经过多年的发展，现在较多应用的有全钢柔性塔筒、混凝土结构(全混和半混均有批量应用)、桁架结构等，各种技术路线的对比如下：

1、全钢柔性塔筒：

生产制造运输工艺成熟。生产制造质量能够充分保障，供应链成熟，运输方便，吊装效率高，主要用于轮毂高度不大于90m的风机建设，其经济性能和安全性较优。

2、混凝土结构塔筒：

结构刚度大，阻尼比高，结构稳定，材料成本较低。但现浇混凝土现场施工周期长，预制混凝土结构件现场施工工艺复杂，模具成本高，工厂预制运输繁琐，现场预制质量较难控制。

3、桁架结构塔筒：

桁架结构效率高、刚度大，与全钢柔性塔筒相比，用钢量节省，运输便利，经济性较好。但现场安装工序繁琐，周期较长，螺栓的紧固工作量很大，爬塔舒适性较差。另外，其美观性不佳，所以有些国家地区禁止采用该类塔。

混凝土结构塔筒和桁架结构塔筒是目前实现高塔的主要技术路线，对于全钢柔性塔筒来说，90米的传统塔筒重量约300吨，而120米的传统塔筒重量则接近600吨，要达到140米以上高度，传统塔筒在这非线性的增长下会达到更大重量。为此，寻求经济可靠的高塔形式成为当下行业的难点。

全钢柔性塔筒为圆柱形壳体结构，其承载能力主要是由临界应力控制，即由是否弹塑性或弹性屈曲失稳控制，而非材料强度控制。圆柱形壳体结构的临界应力与其塔筒的径厚比有直接关系。对于直径较大的高塔来讲，需要较大筒壁厚度来降低塔筒的径厚比，从而提高筒壁的临界应力，以满足筒壁由屈曲控制的承载能力要求。但较大的筒壁厚度，使得材料的截面抗压强度会有较大富裕，造成材料强度利用率较低，增加了工程造价与成本。

为了解决高塔成本高这一问题，本发明提出一种单壁与双壁组合塔筒结构，较大限度地平衡了高塔筒壁的材料强度裕度与屈曲能力问题，降低了材料用量，节约了工程造价，拓展了全钢柔性塔筒的应用范围。

发明内容

本发明的目的是为解决如何降低全钢柔性高塔的建设成本的技术问题，充分发挥全钢柔性塔筒的优势，在合理经济指标的前提下，大幅度提高传统全钢柔性塔筒的应用范围。

为达到解决上述问题的目的，本发明所采取的技术方案是提供一种单壁与双壁组合塔筒结构，包括塔筒双壁段和塔筒单壁段，塔筒双壁段和塔筒单壁段各由多节筒节连接而成；各筒节之间设有K形法兰；塔筒双壁段和塔筒单壁段之间设有K形法兰。

优选地，所述塔筒双壁段包括外筒壁和穿设于外筒壁中的内筒壁；内筒壁和外筒壁之间设有用于连接内外筒壁的格构式腹板或实腹式腹板；塔筒双壁段和塔筒单壁段之间还设有塔筒过渡段。

优选地，所述塔筒双壁段的内筒壁和外筒壁之间设有空腔，空腔内设有K形法兰；内筒壁上设有螺栓安装孔；设于内筒壁外侧上的K形法兰与设于外筒壁内侧上的K形法兰之间设有连接板。

优选地，所述塔筒双壁段的内筒壁和外筒壁之间为实腹式腹板时，塔筒双壁段的筒节之间设有的K形法兰分别设于外筒壁的外侧和内筒壁的内侧。

优选地，所述K形法兰沿塔筒轴向设于筒壁，由一对呈镜像布置的刚性法兰组成；K形法兰包括一对抵近法兰板、一对远端法兰板和若干个位于抵近法兰板与远端法兰板之间的加劲板；抵近法兰板的宽度小于或等于远端法兰板的宽度。

优选地，所述抵近法兰板和远端法兰板沿塔筒圆周的径向设于筒壁上；靠近筒节连接处设有抵近法兰板，远离筒节连接处设有远端法兰板；相邻筒节的远端法兰板形成同一个K形法兰上下两端的端部；同一个K形法兰上下两端的远端法兰板之间设有预应力高强螺栓。

优选地，所述塔筒单壁段的K形法兰设于塔筒单壁段筒壁的内侧。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1.本发明提供的一种单壁与双壁组合塔筒结构，将现有技术中的单筒壁塔筒的等效径厚比大幅度降低，从而提高了筒壁的允许临界屈曲应力水平，较大限度地平衡了高塔筒壁的材料强度裕度与屈曲能力问题，降低了材料用量，节约了工程造价，拓展了全钢柔性塔筒的应用范围。

2.本发明提供的一种单壁与双壁组合塔筒结构，直径越大，其经济优势越突出，特别适合在陆上中低风速区域或海上的高塔建设。大直径分片式技术可解决陆上运输问题。

3.本发明提供的一种单壁与双壁组合塔筒结构，采用连接，通过远端法兰板的变形，可在高强螺栓内建立一定的超拉预应力，在设计弯矩作用下，塔筒受压侧螺栓仍维持拉应力，从而降低螺栓疲劳应力幅，提高其抗疲劳强度。相较现有塔筒法兰技术，K形法兰具有刚度大、抗疲劳能力强等优势。

附图说明

图1为本发明一种单壁与双壁组合塔筒结构立面图；

其中a)图为单壁与格构式双壁组合塔筒，b)图为单壁与实腹式双壁组合塔筒；

图2为图1的节点A立面图；

图3为图1的节点B立面图，为“K”形法兰剖面图；

图4为图1的节点C立面图；

图5为图1的E-E剖视图；

图6为图1的F-F剖视图；

图7是图2中I-I剖视图；

图8是图2中II-II剖视图；

图9是图4中III-III剖视图；

图10是图3中IV-IV剖视图；

图11是图3中V-V剖视图；

图12是图1的节点A三维透视图。

附图标记：1.塔筒双壁段；2.塔筒过渡段；3.塔筒单壁段；4.外筒壁；5.内筒壁；6.格构式腹板；7.实腹式腹板；8.远端法兰板；9.抵近法兰板；10.加劲板；11.预应力高强螺栓；12.螺栓安装孔；13.加劲肋；14.连接板。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下：

如图1-12所示，本发明提供一种单壁与双壁组合塔筒结构，包括塔筒双壁段1和塔筒单壁段3，塔筒双壁段1和塔筒单壁段3分别由多节筒节连接而成；各筒节之间设有K形法兰；塔筒双壁段1和塔筒单壁段3之间设有K形法兰。塔筒双壁段1包括外筒壁4和穿设于外筒壁4中的内筒壁5；内筒壁5和外筒壁4之间设有用于连接内外筒壁的格构式腹板6或实腹式腹板7；塔筒双壁段1和塔筒单壁段3之间还设有塔筒过渡段2。塔筒双壁段1的内筒壁5和外筒壁4之间设有空腔，空腔内设有K形法兰；内筒壁5上设有螺栓安装孔12；设于内筒壁5外侧上的K形法兰与设于外筒壁4内侧上的K形法兰之间设有连接板14。塔筒双壁段1的内筒壁5和外筒壁4之间为实腹式腹板7时，塔筒双壁段1的筒节之间设有的K形法兰分别设于外筒壁4的外侧和内筒壁5的内侧。K形法兰沿塔筒轴向设于筒壁，由一对呈镜像布置的刚性法兰组成；K形法兰包括一对抵近法兰板9、一对远端法兰板8和若干个位于抵近法兰板9与远端法兰板8之间的加劲板10；抵近法兰板9的宽度小于或等于远端法兰板8的宽度。抵近法兰板9和远端法兰板8沿塔筒圆周的径向设于筒壁上；靠近筒节连接处设有抵近法兰板9，远离筒节连接处设有远端法兰板8；相邻筒节的远端法兰板8形成同一个K形法兰上下两端的端部；同一个K形法兰上下两端的远端法兰板8之间设有预应力高强螺栓11。塔筒单壁段的K形法兰设于塔筒单壁段筒壁的内侧。

本发明提供了一种单壁与双壁组合塔筒结构，即塔筒所受内力较大的下部区域采用双壁塔筒，所受内力较小的上部区域采用传统的单壁塔筒，单壁与双壁衔接区域采用过度段。双壁塔筒包括内筒壁5和外筒壁4，内外筒壁之间采用腹板连接，从而增加了筒壁局部刚度，加大了筒壁“等效厚度”，降低了塔筒径厚比，提高了塔筒临界允许应力，在相同筒壁重量或更小重量的前提下，获得更高的承载能力。

内外筒壁连接腹板为格构式或实腹式。内外筒壁连接腹板为沿塔筒圆周方向均匀布置。单壁塔筒筒节和双壁塔筒筒节的内外筒壁均采用K形法兰连接。单壁塔筒采用内法兰连接，双壁塔筒采用内法兰或外法兰连接。

K形法兰为一对呈镜像布置的刚性法兰组成，包括一对抵近法兰板9、一对远端法兰板8、和位于抵近法兰板9与远端法兰板8之间的加劲板10。K形法兰的抵近法兰板9宽度小于或等于远端法兰板8的宽度。K形法兰在安装预应力高强螺栓11时，通过远端法兰板8的变形，在高强螺栓11内建立一定的超拉预应力，在设计弯矩作用下，塔筒受压侧螺栓仍维持拉应力，从而降低螺栓疲劳应力幅，提高其抗疲劳强度。

双壁塔筒的筒节连接螺栓在内外筒壁空腔内连接，内筒壁5开设螺栓安装孔12。在安装孔区域外，内外筒壁的K形法兰均设置在空腔内，并通过连接板14连接。

双壁塔筒的内外壁K形法兰可分别采用内法兰或外法兰连接。

单壁与双壁组合塔筒的外形立面坡度为均匀变化，或采用变坡度筒节组合。

单壁与双壁组合塔筒在直径较大时，采用分片现场组装方式，以解决运输问题。

K形法兰可用于钢烟囱筒壁连接。

如图1-12所示，本发明提供一种单壁与双壁组合塔筒结构，包括塔筒双壁段1、塔筒过渡段2和塔筒单壁段3。塔筒双壁段1是由外筒壁4、内筒壁5和格构式腹板6或实腹式腹板7组成。格构式腹板6或实腹式腹板7沿圆周方向均设置，其中，格构式腹板6通过固定于外筒壁4内侧和内筒壁5外侧上的加劲肋13进行安装。塔筒双壁段1的外筒壁4及内筒壁5均采用K形法兰连接，塔筒单壁段3的筒节连接采用内部的K形法兰连接。K形法兰为一对呈镜像布置的刚性法兰组成，是由一对抵近法兰板9、一对远端法兰板8、和若干个位于抵近法兰板9与远端法兰板8之间的加劲板10组成，其中抵近法兰板9的宽度小于或等于远端法兰板8的宽度。

实施例1：

参照图1中a图所示，塔筒双壁段1的立面轮廓为均匀坡度变化，塔筒双壁段1采用格构式腹板6连接，内筒壁5开设螺栓安装孔12，外筒壁4上的K形法兰设置在外筒壁4的筒壁内侧，在非螺栓安装孔区域，内筒壁5的K形法兰设置在内筒壁5的筒壁外侧，外筒壁4和内筒壁5之间通过连接板14及预应力高强螺栓11将内外筒壁上的K形法兰予以连接。

本实施例的具体实施步骤如下：

1)分别制作外筒壁4和内筒壁5，将内筒壁5套设于外筒壁4内部，并采用限位板令二者为同心圆位置。

2)分片制作格构式腹板6，并将其采用高强螺栓固定于内外筒壁上，完成双壁筒节制作。

3)将各个双壁筒节采用K形法兰连接，完成塔筒双壁段1。

4)制作塔筒单壁段3的各个筒节，并依次吊装，采用K形法兰连接，完成整个塔筒单壁段3的连接工作。

实施例2：

参照图1中b图所示，塔筒双壁段1的立面轮廓采用变坡度外形，塔筒双壁段1采用实腹式腹板7，外筒壁4的K形法兰设置在外筒壁4的筒壁外侧，内筒壁5的K形法兰设置在内筒壁5的筒壁内侧，内外筒壁上的K形法兰分别连接(如图9)。

本实施例的具体实施步骤如下：

1)分别制作外筒壁4和内筒壁5，将内筒壁5套设于外筒壁4内部，并采用限位板令二者为同心圆位置。

2)分片制作实腹式腹板7，并将其采用高强螺栓固定于内外筒壁上，完成双壁筒节。

3)将各个双壁筒节采用K形法兰连接，完成塔筒双壁段1。

4)制作并吊装塔筒过渡段2，并与塔筒双壁段1连接。

5)制作塔筒单壁段3各个筒节，并依次吊装，采用K形法兰连接，完成整个塔筒单壁段3的连接工作。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (4)

1.一种单壁与双壁组合塔筒结构，其特征在于，包括塔筒双壁段和塔筒单壁段，塔筒双壁段和塔筒单壁段分别由多节筒节连接而成；各筒节之间设有K形法兰；塔筒双壁段和塔筒单壁段之间设有K形法兰，所述塔筒双壁段包括外筒壁和穿设于外筒壁中的内筒壁；内筒壁和外筒壁之间设有用于连接内外筒壁的格构式腹板或实腹式腹板；塔筒双壁段和塔筒单壁段之间还设有塔筒过渡段，所述塔筒双壁段的内筒壁和外筒壁之间设有空腔，空腔内设有K形法兰；内筒壁上设有螺栓安装孔；设于内筒壁外侧上的K形法兰与设于外筒壁内侧上的K形法兰之间设有连接板；所述K形法兰沿塔筒轴向设于筒壁，由一对呈镜像布置的刚性法兰组成；K形法兰包括一对抵近法兰板、一对远端法兰板和若干个位于抵近法兰板与远端法兰板之间的加劲板；抵近法兰板的宽度小于或等于远端法兰板的宽度。

2.如权利要求 1所述的一种单壁与双壁组合塔筒结构，其特征在于：所述塔筒双壁段的内筒壁和外筒壁之间为实腹式腹板时，塔筒双壁段的筒节之间设有的K 形法兰分别设于外筒壁的外侧和内筒壁的内侧。

3.如权利要求1所述的一种单壁与双壁组合塔筒结构，其特征在于：所述抵近法兰板和远端法兰板沿塔筒圆周的径向设于筒壁上；靠近筒节连接处设有抵近法兰板，远离筒节连接处设有远端法兰板；相邻筒节的远端法兰板形成同一个K形法兰上下两端的端部；同一个K形法兰上下两端的远端法兰板之间设有预应力高强螺栓。

4.如权利要求1所述的一种单壁与双壁组合塔筒结构，其特征在于：所述塔筒单壁段的K 形法兰设于塔筒单壁段筒壁的内侧。