CN218376728U - 一种新型铸钢管节点格构式风电支撑结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种新型风电支撑结构。一种新型铸钢管节点格构式风电支撑结构，包括沿高度方向依次连接的桩基础、铸钢管节点格构式塔架、塔架转换节点和钢制塔筒；铸钢管节点格构式塔架由顶层塔节、若干段中间塔节和底层塔节组成；顶层塔节、若干段中间塔节和底层塔节分别由结构相同的格构式单元组成；格构式单元包括若干支撑柱及柱间连接杆；每一根支撑柱由TT型节点与塔柱组成；柱间连接杆包括斜杆和横杆；相邻的TT型节点之间通过横杆连接；相邻支撑柱的上端和下端通过斜杆交叉连接。本实用新型采用的铸钢管节点格构式风电支撑结构，具有较高的强度和抗弯刚度，可以有效发挥材料的力学性能，降低现场的施工难度，大幅度缩短工期并减少成本。

Description

一种新型铸钢管节点格构式风电支撑结构

技术领域

本实用新型属于风电设备技术领域，具体涉及一种新型风电支撑结构。

背景技术

风能作为一种清洁的可再生能源，因其分布广泛、储量丰富、安全可靠等优点而备受瞩目。风力发电是最成熟的新能源技术之一，塔架作为风电机组的支撑结构，承担着将风机荷载安全可靠地传递至地基的任务，一旦损坏将会威胁整个机组相关设备的安全，风电并网之后，单塔事故甚至将会威胁整个电网的安全平稳运行。

随着单管式塔筒的不断增大，其直径已接近甚至超过我国公路运输最大限高4.5m，对大型塔筒段的运输、加工和制造等也提出了较大挑战。若保持底段塔筒外径恒定，增大壁厚抵御荷载效应，则由于前述的结构效率降低，这将会使得塔筒材料体积近乎翻倍，导致建设成本显著上升。

格构式空间结构体系具有截面开展、抗弯刚度大和自重轻等优点，在大弯矩和侧向力的作用下，材料的力学性能能够得到更好的发挥。模块化格构式风电塔架作为一种高度集成化的装配形式，建造质量易于控制，便于机械化施工和工业化生产，结构安全稳定，得到了广泛的应用和关注。

风电结构在服役期间一直承受着复杂的交变应力，管节点的极限强度和疲劳强度是结构设计中主要的控制准则，因此连接节点在格构式空间结构体系中起着至关重要的作用。传统的连接节点主要包括螺栓连接、焊接连接和预应力连接等几种方式。随着结构型式的多样化，构件之间的连接方式和力学性能日趋复杂，传统钢结构的连接方式难以从制作工艺和构造要求上保证复杂受力体系的安全性，已经无法适应现代结构的发展需要。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了解决现有的风电支撑结构存在的问题，提供一种新型铸钢管节点格构式风电支撑结构，采用铸钢节点能够有效减小节点间的应力集中、便于公路运输、施工方便经济和力学性能优越的新型铸钢管节点格构式风电支撑结构，可以满足风电机组高轮毂化、大直径化和大型化的要求，并且制造方便、施工便捷，可以有效降低施工成本。

为实现上述目的，本分明采用的技术方案是：一种新型铸钢管节点格构式风电支撑结构，包括沿高度方向依次连接的桩基础、铸钢管节点格构式塔架、塔架转换节点和钢制塔筒；所述的铸钢管节点格构式塔架由顶层塔节、若干段中间塔节和底层塔节组成；所述顶层塔节、若干段中间塔节和底层塔节分别由结构相同的格构式单元组成；所述的格构式单元包括若干支撑柱及柱间连接杆；每一根支撑柱由TT型铸钢节点、塔柱组成；柱间连接杆包括斜杆和横杆；相邻的TT型铸钢节点之间通过横杆连接；相邻支撑柱的上端和下端通过斜杆交叉连接。

优选地，顶层塔节与塔架转换节点之间通过树形节点连接；所述树形节点由钢管及钢管上设置的六个连接柱组成；六个连接柱包括一个斜上连接柱、两个水平连接柱、一个斜下连接柱和两个下斜连接柱；斜上连接柱、斜下连接柱位于两个水平连接柱之间。

优选地，顶层塔节与中间塔节之间、及中间塔节内部、中间塔节和底层塔节之间均通过KK型节点连接；所述KK型节点由钢管及钢管上设置的两个斜上连接柱和两个斜下连接柱组成，斜上连接柱、斜下连接柱与钢管的夹角相等；斜上连接柱、斜下连接柱分别与斜杆连接。

优选地，底层塔节与桩基础之间通过YY型节点连接，所述YY型节点由钢管及钢管上设置的两个斜上连接柱组成；斜上连接柱与斜杆连接。

优选地，所述的TT型铸钢节点为TT型节点，所述TT型节点由钢管及钢管上设置的两个水平连接柱组成；水平连接柱与横杆连接。

优选地，相邻支撑塔柱之间的斜杆和横杆通过米字型节点连接。

优选地，所述的转换节点由铸钢节点塔筒、上斜撑、下斜撑、水平撑组成；其中铸钢节点塔筒由钢管和钢管上设置的斜下连接柱和斜上连接柱组成；所述斜下连接柱和斜上连接柱分别沿钢管周向均匀布置；斜下连接柱位于斜上连接柱的上方；上斜撑与斜下连接柱连接；下斜撑与斜上连接柱连接。

优选地，所述铸钢管节点格构式塔架沿高度方向采用上下等直径的直立形式或分段变径锥台形式；其中分段变径锥台形式从下至上直径逐渐变小。

优选地，所述桩基础采用单桩形式或群桩形式。

本实用新型与现有技术相比，有益效果体现在：

1、与现有钢制塔筒和普通格构式风电塔架相比，本实用新型提供了一种新型铸钢管节点格构式风电支撑结构，塔架组成的构件和节点均在工厂预制，现场仅需要装配即可。模块化生产和组装，可有效提高施工效率，减少施工成本。

2、本实用新型采用整体锻造铸钢节点作为主要连接节点，通过对接焊缝取代相贯焊缝，取消管板焊缝，因此焊缝分散，并且可以减少焊接量，从而减小节点的应力集中，提升结构的抗疲劳性能，解决了当前工程中管节点疲劳设计的难点。

3、本实用新型采用的铸钢管节点格构式风电支撑结构，具有较高的强度和抗弯刚度，可以有效发挥材料的力学性能，降低现场的施工难度，大幅度缩短工期并减少成本。

4、下部采用钢管节点格构式风电支撑结构，上部采用钢制塔筒，在保证风电机组安全稳定运行的前提下，可以大幅度提高风电机组的轮毂高度，可以达到160米及以上，满足低风速区高轮毂和大直径的要求，有效利用低风速区的风资源，为低风速区超高塔架的发展提供了一种新的结构型式。

附图说明

图1为本实用新型的一种新型铸钢管节点格构式风电支撑结构实施例的整体三维图；

图2为本实用新型的一种新型铸钢管节点格构式风电支撑结构实施例的整体正视立面图；

图3为本实用新型实施例中塔架转换节点的示意图；

图4为本实用新型实施例中铸钢节点塔筒的示意图；

图5为本实用新型实施例中树型铸钢节点的示意图；

图6为本实用新型实施例中顶层塔节的示意图；

图7为本实用新型实施例中TT型铸钢节点的示意图；

图8为本实用新型实施例中KK型铸钢节点的示意图；

图9为本实用新型实施例中米字型铸钢节点的示意图；

图10为本实用新型实施例中中间塔节的示意图；

图11为本实用新型实施例中底层塔节的示意图；

图12为本实用新型实施例中YY型铸钢节点的示意图；

图13为本实用新型实施例中桩基础的示意图；

图14为本实用新型实施例中钢制塔筒和风机叶片的示意图；

图中：1-塔架转换节点；2-铸钢节点塔筒；3-树型铸钢节点；4-上斜撑；5-下斜撑；6-水平撑；7-顶层塔节；8- TT型铸钢节点；9-塔柱；10-横杆；11-斜杆；12-KK型铸钢节点；13-米字型铸钢节点；14-中间塔节；15-底层塔节；16- YY型铸钢节点；17-桩基础；18-风机叶片；19-钢制塔筒；21-第一斜下连接柱；22-第一斜上连接柱；31-第二斜上连接柱；32-第二斜下连接柱；33-第一水平连接柱；34-第一下斜连接柱；81-第二水平连接柱；121-第一上斜连接柱；122-第二下斜连接柱；161-第二上斜连接柱。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面结合附图和具体实施例，对本实用新型进行更详细的说明。附图中给出了本实用新型的较佳的实施例。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本实用新型公开内容的理解更加透彻全面。

实施例 以一座轮毂高度为180米的超高塔架为例，风轮直径180米，本实施例提供的新型铸钢管节点格构式风电支撑结构如图1和图2所示，为四腿支撑，其中上部为90米的传统钢制塔筒19和风轮叶片18，如图14所示，中间6米为塔架转换节点1，下部为铸钢管节点格构式塔架，由一段高度为12米的顶层塔节7、5段高度均为12米的中间塔节14和一段高度为12米的底层塔节15组成，各段均采用模块化预制装配而成。

如图3所示，塔架转换节点1由铸钢节点塔筒2、树型铸钢节点3、上斜撑4、下斜撑5和水平撑6组成。塔架转换节点1上部在铸钢节点塔筒2顶部采用法兰和上部钢制塔筒19进行连接，下部通过树型铸钢节点3与顶层塔节7进行连接，连接方式可采用焊接或法兰连接。

如图4所示，铸钢节点塔筒2上包含沿钢管周向布置的第一斜下连接柱21和第一斜上连接柱22。如图5所示，树型铸钢节点3包含六个连接柱，分别是：1个第二斜上连接柱31，1个第二斜下连接柱32；两个第一水平连接柱33，两个第一下斜连接柱34。

本实施例中，铸钢节点塔筒2通过四根上斜撑4、四根下斜撑5、四根水平撑6与四个树型铸钢节点3进行连接，具体连接关系为：上斜撑4一端与铸钢节点塔筒2上的第一斜下连接柱21连接，另一端与树型铸钢节点3上的第二斜上连接柱31连接；下斜撑5一端与铸钢节点塔筒2上的第一斜上连接柱22连接，另一端与树型铸钢节点3上的第二斜下连接柱32连接；水平撑6的两端分别与相邻的两个树型铸钢节点3上的第一水平连接柱33连接。

如图6、如7、图8和图9所示，顶层塔节7包括四根支撑柱，每两根相邻的支撑柱之间由斜杆11、横杆10和米字型节点13形成柱间平面网格结构。每一根支撑柱由两根塔柱9和一个TT型铸钢节点8在轴向上串连组成。支撑柱的顶部通过树型铸钢节点3和塔架转换节点1连接，支撑柱的底部通过KK型铸钢节点12和中间塔节14连接。

周向上相邻的两个TT型铸钢节点8之间通过两根横杆10连接，一个支撑柱顶部的树型铸钢节点3 通过两根斜杆11与相邻支撑柱底部的KK型铸钢节点12进行交叉连接，具体为：一根斜杆的一端与树型铸钢节点3上的第一下斜连接柱34连接，另一根斜杆的一端与KK型铸钢节点12上的第一上斜连接柱121连接；两根斜杆相近的一端通过米字型节点13连接；一根横杆的一端与其中一个TT型铸钢节点8上的第二水平连接柱81连接；另一根横杆的一端与相邻的另一个TT型铸钢节点上的第二水平连接柱81连接；两根横杆相近的一端通过米字型节点13连接，两根斜杆、两根横杆与米字型节点13共同形成了两根支撑柱之间的平面网格结构。

中间塔节14由五段结构相同的塔节组成。每一段中间塔节的结构与顶层塔节7的结构类似，如图10所示，也是包括四根支撑柱，每两根相邻的支撑柱之间由斜杆11、横杆10和米字型节点13形成柱间平面网格结构。每一根支撑柱由两根塔柱9和一个TT型铸钢节点8在轴向上串连组成。周向上相邻的两个TT型铸钢节点8之间通过两根横杆10连接。

中间塔节与顶层塔节7所不同的是，每一段中间塔节的顶部和底部均通过KK型铸钢节点12进行连接，具体为：KK型铸钢节点12上的第一上斜连接柱121通过斜杆与高度方向上相邻的另一个KK型铸钢节点12上的第二下斜连接柱122连接，依次类推。需要说明的是：高度方向上相邻的两个KK型铸钢节点12是指位于对角线上的两个KK型铸钢节点，而不能是位于同一轴线上的两个KK型铸钢节点12。

如图11和图12所示，底层塔节15的结构与中间塔节14或顶层塔节7的结构类似，也是包括四根支撑柱，每两根相邻的支撑柱之间由斜杆11、横杆10和米字型节点13形成柱间平面网格结构。每一根支撑柱由两根塔柱9和一个TT型铸钢节点8在轴向上串连组成。周向上相邻的两个TT型铸钢节点8之间通过两根横杆10连接。

底层塔节15与中间塔节或顶层塔节7所不同的是，底层塔节15的顶部通过KK型铸钢节点12与中间塔节的最下一节连接，底层塔节15的底部通过YY型铸钢节点16与桩基础17连接，如图13所示，具体为：其中一根斜杆的一端与底层塔节15顶部的KK型铸钢节点12上的第二下斜连接柱122连接，另一根斜杆的一端与底层塔节15底部的YY型铸钢节点16上的第二上斜连接柱161连接。

本实施例中，铸钢节点塔筒2、树型铸钢节点3、TT型铸钢节点8、KK型铸钢节点12、YY型铸钢节点16均为整体锻造结构。均在工厂批量预制，现场只需通过拼接装配，连接方式可采用焊接或法兰连接。

本实施例中，由顶部塔节7、中间塔节14和底部塔节15构成的铸钢管节点格构式塔架沿高度方向采用上下等直径的直立四棱柱形式。在本实用新型的其他实施例中，也可以采用从下至上直径逐渐变小的分段式锥台形式。铸钢管节点格构式塔架的截面形状形还可以采用圆形、多边形等，在不脱离本实用新型的实用新型构思的前提下，对相应结构稍作调整即可实现。例如可以通过调整各种铸钢节点上连接柱之间的夹角可实现多边形；通过将横杆从直线形变为弧形，可以实现圆形等。

建造前，先在工厂按照设计图纸预制各种类型的铸钢节点和连接杆件。铸钢节点选材时，应考虑结构的荷载特性、节点类型和铸造工艺等因素，选择合理且可靠的铸钢材料，并对铸钢节点在多种不利工况下进行静力强度分析，以保证节点满足受力的安全性要求。

建造时，塔架各节采用分段组装然后进行组对总装的方式，条件允许时，可多个塔节分段组装，以便充分利用施工场地内的作业面，总装时，通过建造基地上的两条滑道采用卧式总装的方式进行施工。

底层塔节的组装方式为：

第一步，将4个YY型铸钢节点16固定在四个桩基础17上。

第二步，将四根塔柱9通过吊装的方式分别与四个YY型铸钢节点16进行组对焊接。

第三步，将四个TT型铸钢节点8分别与四个塔柱9进行组对焊接。

第四步，将KK型铸钢节点8分别与四个塔柱9进行组对焊接。

第五步，将一组斜杆11、横杆10和米字型铸钢节点13进行组对焊接。

第六步，将第五步组对焊接的四组米字型斜腹杆和第一步~第四步的四组塔柱节点进行组对焊接。

采用同样的方式可完成中间塔节14、顶层塔节7和塔架转换节点1的现场装配和组对焊接，这里不再赘述。中间塔节14和顶层塔节7均采用分节组装，然后采用履带式起重机吊装的方式分节吊装进行组对焊接，最终将各段塔节总装成一个整体。带底部塔架总装完成后，将塔架转换节点1通过吊装的方式和底部塔架结构焊接成一个整体，完成底部塔架的建造步骤，最后再将组装好风机叶片18的钢制塔筒19与塔架进行连接安装。

需要注意的是，以上组对焊接过程，焊接前需要检查拼装质量，需保证定位准确，对准杆件圆孔和节点圆孔的形心，符合要求后再进行施焊。从试件组对、试件校正、预留焊接收缩量、焊接定位、焊前防护、清理、预热、焊接、保温和检验等工序进行严格控制。

为了保证焊接质量，确保焊接应力释放自由，减弱焊接约束，焊接采用从中间向四周、从下向上和先粗杆再细杆的顺序进行施焊。焊缝强度应与原结构材料等强或更高强度。焊接完成后应进行无损检测，当焊缝缺陷超标时，应立即进行返修。

以上实施方式均以米字型斜腹杆中作为示例，连接方式还可以采用法兰连接，即节点和连接杆件在工厂预制时焊接好法兰盘，在现场通过螺栓连接，这种方式需定期对螺栓进行维护。除此之外，铸钢管节点格构式塔架根据斜腹杆的不同组成还可采用不同组合的铸钢节点形式（如X字型、A字型和N字型等），均在本专利的保护范围之内。

虽然已经参照本实用新型的示例性实例具体示出和描述了本实用新型，但是本领域普通技术人员应该理解，在不脱离由权利要求限定的实用新型的精神和范围的情况下，对其进行型式和细节的各种改变，均在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种新型铸钢管节点格构式风电支撑结构，包括沿高度方向依次连接的桩基础、铸钢管节点格构式塔架、塔架转换节点和钢制塔筒；其特征在于：所述的铸钢管节点格构式塔架由顶层塔节、若干段中间塔节和底层塔节组成；所述顶层塔节、若干段中间塔节和底层塔节分别由结构相同的格构式单元组成；所述的格构式单元包括若干支撑柱及柱间连接杆；每一根支撑柱由TT型节点、塔柱组成；柱间连接杆包括斜杆和横杆；相邻的TT型节点之间通过横杆连接；相邻支撑柱的上端和下端通过斜杆交叉连接；相邻支撑柱之间的斜杆和横杆形成交叉网格结构。

2.根据权利要求1所述的新型铸钢管节点格构式风电支撑结构，其特征在于：顶层塔节与塔架转换节点之间通过树形节点连接；所述树形节点由钢管及钢管上设置的六个连接柱组成；六个连接柱包括一个斜上连接柱、两个水平连接柱、一个斜下连接柱和两个下斜连接柱；斜上连接柱、斜下连接柱位于两个水平连接柱之间。

3.根据权利要求1所述的新型铸钢管节点格构式风电支撑结构，其特征在于：顶层塔节与中间塔节之间，及中间塔节内部、中间塔节和底层塔节之间均通过KK型节点连接；所述KK型节点由钢管及钢管上设置的两个上斜连接柱和两个下斜连接柱组成，上斜连接柱、下斜连接柱与钢管的夹角相等；上斜连接柱、下斜连接柱分别与斜杆连接。

4.根据权利要求1所述的新型铸钢管节点格构式风电支撑结构，其特征在于：底层塔节与桩基础之间通过YY型节点连接，所述YY型节点由钢管及钢管上设置的两个上斜连接柱组成；上斜连接柱与斜杆连接。

5.根据权利要求1所述的新型铸钢管节点格构式风电支撑结构，其特征在于：所述的TT型节点由钢管及钢管上设置的两个水平连接柱组成；水平连接柱与横杆连接。

6.根据权利要求1所述的新型铸钢管节点格构式风电支撑结构，其特征在于：相邻支撑柱之间的斜杆和横杆通过米字型节点连接。

7.根据权利要求1所述的新型铸钢管节点格构式风电支撑结构，其特征在于：所述的转换节点由铸钢节点塔筒、上斜撑、下斜撑、水平撑组成；其中铸钢节点塔筒由钢管和钢管上设置的斜下连接柱和斜上连接柱组成；所述斜下连接柱和斜上连接柱分别沿钢管周向均匀布置；斜下连接柱位于斜上连接柱的上方；上斜撑与斜下连接柱连接；下斜撑与斜上连接柱连接。

8.根据权利要求1-7任一项所述的新型铸钢管节点格构式风电支撑结构，其特征在于：所述铸钢管节点格构式塔架沿高度方向采用上下等直径的直立形式或分段变径锥台形式；其中分段变径锥台形式从下至上直径逐渐变小。

9.根据权利要求1-7任一项所述的新型铸钢管节点格构式风电支撑结构，其特征在于：所述桩基础采用单桩形式或群桩形式。

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