专利名称：大型风力发电机塔架的制作方法
技术领域：
本发明涉及风力发电机领域，特别是涉及一种大型风力发电机塔架。
背景技术：
目前，全球风电市场发展的特点是风力发电机组单机容量不断扩大，2-3MW级风机已是国际市场的主流机组，丹麦部分风电场已在使用容量为5MW的风机，塔架高度都在80m 以上。陆上风电单机容量已达到6MW，海上风电已经达到10MW，且更大容量的风机正在研发中。大容量风机意味着风机重量、叶片长度的增加，作用在塔架上荷载增加，就需要塔架拥有更大的强度、刚度和高度。导致传统的钢椎管塔架直径越来越大，壁厚增加，钢材用量大幅增加，如3MW风电机安装轮觳高度为80m时，塔架重160吨，如果塔架升到105m，重量将达到285吨，大大增加了塔架的材料、制造、运输和安装等费用。对于现代大型风力发电机组通常采用钢制锥筒式塔架，一般由若干段20-30m的锥筒用法兰连接而成，塔架由底向上直径逐渐减小，整体呈圆台状。该类塔架的优点是具有良好抵抗各个方向荷载的能力，安全性能好，良好的视觉效果，并且安装省时，维修比较方便。但随着风电机单机容量增加，不断需要增加塔架的强度、刚度以及高度，这就需要增加塔架的直径、塔壁的厚度。塔架直径和壁厚的增加，带来的问题是大大增加了材料费用、运输费用和加工安装费用。特别是在陆地运输方面，当塔架直径超过4. 2m时，很难通过一些道路隧道；塔壁的增厚，使钢板的卷曲和焊接变的困难。且由于整体稳定性要求，限制了高强钢材的应用。另外，大型风机塔架一般设计成柔性塔架，为防止共振，其一阶固有频率需避开风轮激振频率，工程上一般要求控制在士 10%左右。而钢管塔架阻尼较小，动力性能较差，水平荷载作用下变形较大，易造成疲劳破坏。传统钢锥管塔架接头一般采用L型法兰式连接方式，法兰一般焊接在内部，上、下塔筒法兰用预拉高强螺栓连接。大多数法兰直径在3m-4. 5m，宽度根据不同连接螺栓一般在 100mm-300mm，底部塔筒法兰厚度要达到IOOmm以上。螺栓一般采用M36-M42。目前钢管塔筒法兰采用铸造或钢板卷制而成，对法兰面平整度有较高的要求，如一般直径3m，平整度误差控制在0.8mm以内，否则会影响塔架的连接和垂直度。如果焊接中影响到法兰平面的平整度，还需要进一步的机械加工，故法兰制作加工成本较高。另外，法兰采用螺栓连接，在风机反复振动荷载作用下，螺栓容易产生应力集中从而导致疲劳破坏，某一螺栓破坏，会导致一系列螺栓破坏，从而导致整个塔架倒塌。所以塔架法兰连接的高强预紧螺栓需要定期检查，防止螺栓锈蚀和预紧力损失，日常维护费用较高。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种大型风力发电机塔架，塔架上部采用传统的钢椎管塔架，下部采用中空夹层钢管自应力免振混凝土结构，通过灌浆连接上部与下部，有效减少接头处应力集中，增加了接头处的承载能力和抗疲劳性能。本发明的技术解决方案如下一种大型风力发电机塔架，该塔架为锥形，从上至下分成上部和下部二个区段，该上部为钢椎管结构，其特点在于，所述的下部为中空夹层钢椎管自应力免振混凝土结构；
所述的上部和下部之间为灌浆连接，所述的上部底部的内径比所述的下部顶部的外径大，使该下部的顶部部分嵌入上部的底部中，在上部底部和下部顶部的重叠环形间隙之间填充有灌浆材料；
所述的中空夹层钢椎管自应力免振混凝土结构包括内层钢管和外层钢管，在所述内层钢管和外层钢管之间填充有混凝土。优选的，所述的混凝土为自应力免振混凝土。优选的，所述的环形间隙底部设有挡板，防止施工时灌浆材料渗流。优选的，所述上部底部和下部顶部的重叠环形间隙部分高为所述上部底部外径长的1.3 1.6倍。优选的，所述的灌浆材料为水泥基高强无收缩材料。由于风机塔架是个悬臂结构，结构设计控制部位在塔架下部，故本发明仅需考虑增强塔架结构下部的抗力性能，塔架上部还采用传统的钢椎管塔架结构。与现有技术相比本发明的有益效果如下
(1) 由于下部采用钢管混凝土结构，使整体阻尼大于上部的纯钢管结构，塔架长期承受动力荷载，结构阻尼对减小其动力响应，增加其抗疲劳性能。(2) 由于在外层钢管和内层钢管之间浇筑有混凝土，因为混凝土的存在，约束了钢管的侧向变形，增加了其稳定性，可以有效的减小钢管壁厚，有利于使用高强钢材；同时混凝土的存在，中空夹层混凝土结构侧向刚度较大，可以有效的减小塔架底部的直径。(3) 由于采用具有较高工作性能的自应力免振混凝土，解决了普通混凝土难以保证施工质量的问题，外层钢管有效约束了膨胀混凝土的膨胀变形，有效解决普通混凝土收缩等引起的钢一混组合界面的粘结问题，从而保证两者协调工作，并且使得混凝土的内部结构更加密实，钢管充分利用了膨胀混凝土的膨胀能，能够产生较大的化学应力，为核心混凝土提供较高的侧向预应力。(4)由于采用灌浆连接，在塔架上部、下部和下部之间的环形间隙中填充水泥浆等灌浆材料来连接上部与下部、下部与下部，通过填充材料凝固后的剪切强度来传递轴力。(5)由于采用水泥基高强无收缩材料作为灌浆材料，结构体无收缩、强度高，连接效果可靠，可以满足极端工况条件下塔架的受力。(6)由于采用底部灌浆，灌浆体较密实，与钢管粘结效果好，不存在较大的空隙。(7)本发明具有结构简单，节约成本，制造方便，便于运输的特点。
图1是本发明大型风力发电机塔架实施方式示意图。图2是图1中A部分的局部放大剖面图。图3是图2的横截面图。图中I-上部；II-下部；1-风机和叶片；2-灌浆材料；3-挡板；4-内层钢管； 5-混凝土 ；6-外部钢管；7-水面；8-泥面；9-桩下部。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述，但不应以此限制本发明的保护范围。请先参阅图1和图2，图1是本发明大型风力发电机塔架实施方式示意图，图2是图1中A部分的局部放大剖面图。由图可知，一种大型风力发电机塔架，该塔架为锥形，从上至下分成上部I和下部II 二个区段，该上部为钢椎管结构，所述的下部为中空夹层钢椎管混凝土结构，包括内层钢管4和外层钢管6，在所述内层钢管4和外层钢管6之间填充有自应力免振混凝土 5。所述的上部I和下部II之间为灌浆连接，所述的上部I底部的内径比所述的下部 II顶部的外径大，使该下部II的顶部部分嵌入上部I的底部，在所述上部底部和下部顶部的重叠环形间隙之间填充有水泥基高强无收缩材料2，在所述的环形间隙底部设有挡板3。本发明的制造是根据塔架的高度，分别在工厂加工塔架上部和下部。当需要加工 IOOm高的塔架时，一般将下部的中空夹层钢椎管混凝土结构设计为30-40m长，首先分别加工内层钢管和外层钢管，然后组装定位，并采用自应力免振混凝土浇筑，浇筑完成后预留一定混凝土养护时间。上部的钢锥管结构设计为30-35m长的两段，其中间采用传统法兰连接。塔架的上部和下部加工完成后，运输到风机建造现场，将塔架下部中空夹层钢管混凝土与基础采用灌浆式连接，待浆体有足够承载力后，吊装上部塔架。
权利要求
1.一种大型风力发电机塔架，该塔架为锥形，从上至下分成上部(I)和下部(II)二个区段，该上部(I)为钢椎管结构，其特征在于，所述的下部(I)为中空夹层钢椎管混凝土结构；所述的上部(I)和下部(II)之间为灌浆连接，所述的上部(I)底部的内径比所述的下部(II)顶部的外径大，使该下部(II)的顶部部分嵌入上部(I)的底部，在所述上部底部和下部顶部的重叠环形间隙之间填充有灌浆材料(2 )。
2.根据权利要求1所述的大型风力发电机塔架，其特征在于，所述的中空夹层钢椎管混凝土结构包括内层钢管(4)和外层钢管(6)，在所述内层钢管(4)和外层钢管(6)之间填充有混凝土(5)。
3.根据权利要求2所述的大型风力发电机塔架，其特征在于，所述的混凝土(5)为自应力免振混凝土。
4.根据权利要求1或2所述的大型风力发电机塔架，其特征在于，所述上部(I)底部和下部(II)顶部的重叠环形间隙高为所述上部(I)底部外径长的1. 3^1. 6倍。
5.根据权利要求1或2所述的大型风力发电机塔架，其特征在于，所述的环形间隙底部设有挡板(3)。
6.根据权利要求1所述的大型风力发电机塔架，其特征在于，所述的灌浆材料为水泥基高强无收缩材料。
全文摘要
一种大型风力发电机塔架，该塔架为锥形，从上至下分成上部和下部二个区段，上部为钢椎管结构，下部为中空夹层钢椎管混凝土结构，包括内层钢管和外层钢管，在所述内层钢管和外层钢管之间填充有混凝土；上部和下部之间为灌浆连接，上部底部的内径比所述的下部顶部的外径大，在上部底部和下部顶部的重叠环形间隙之间填充有灌浆材料。本发明具有结构简单，降低成本，制造方便，便于运输的特点。
文档编号F03D11/04GK102269136SQ20111023199
公开日2011年12月7日 申请日期2011年8月15日 优先权日2011年8月15日
发明者马宏旺 申请人:上海交通大学