一种混钢塔架及风力发电机组的制作方法

本发明涉及风电装备，尤其涉及一种混钢塔架及风力发电机组。

背景技术：

众所周知，在近地面，风速随着高度增加而增大，因此风力发电领域一直以来都在试图将风力发电机架的更高，以获得更多的风能。若能将风电塔架高度再度增高，那么风能丰富的地区发电量将会大幅增加(发电量与风速的三次方正相关)，一些风能相对较弱的地区也可以开发出风电场。

目前常规塔架是利用法兰将一段一段的钢制筒节连接堆叠而成，在顶部与风机连接。这种方法制成的塔架高度一般很难超过百米高度，因为一旦超过这个高度，成本将急剧上升。原因主要有以下几个：其一，目前所有塔架安装是采用从下到上吊装安装的，随着高度增加，自振带来的影响越大，再加上风力的影响，越往高处，已安装筒节的顶端振幅越大，吊装时法兰对接难度很大；其次，超过百米高度塔架的最底层的筒节直径一般就会超过5米甚至更大，而钢板厚度也会增加，制造成本急剧增加，运输成本要么成倍增加，要么根本无法实现运输。

技术实现要素：

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种由预制混凝土筒节和钢制筒节组合使用的混钢塔架，利用该塔架，能够解决背景技术中的问题，使风力发电机塔架的高度能得到显著提高。

本发明还提供一种风力发电机组，采用上述的混钢塔架，塔架安装更加方便安全，且塔架的架设高度能显著增高，风力发电的效率明显提升。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种混钢塔架，包括沿高度方向由低向高依次拼接的拼装筒节段、整体筒节段和钢制筒节段，所述拼装筒节段由多个筒节组件沿高度方向相互拼接而成，所述筒节组件由多个预制构件沿圆周方向拼接而成；所述整体筒节段由多个一体式筒节沿高度方向相互连接而成；所述钢制筒节段由多个钢制筒节沿高度方向相互连接而成。将塔架底部直径尺寸大的筒节设置成沿圆周方向拼接的筒节组件，将塔架中部直径尺寸适中的筒节设置成一体式，将塔架上部直径尺寸小的筒节设置成钢制筒节，通过三种筒节结构的拼接组装形成整体的塔架，塔架组装过程更为简单安全方便，且能更简便的完成运输，不会增加运输的负担。

所述预制构件顶部设有多个预埋连接件，预制构件底部设有多个预留插孔，上下相邻的预制构件的预留插孔和预埋连接件相连接。设置预埋连接件和预留插孔，在上下组装筒节组件时，直接进行插接就可以完成上下筒节组件的连接，拼接方式简单可靠。

优选的，沿高度方向拼接的所述预制构件还通过第一连接件紧固连接；沿圆周方向拼接的所述预制构件通过第二连接件紧固连接。将沿圆周方向和沿高度方向拼接的预制构件间通过连接件紧固连接起来，使预制构件间连接更加可靠，塔架整体更加安全。

进一步的，所述预制构件的上端部、下端部和侧端部均设有连接部件。通过设置连接部件，将相邻的预制构件连接起来，连接部件可以采用法兰等结构。

优选的，所述预制构件的顶端设置吊点结构。设置吊点结构可以在拼接组装时，方便的完成吊装拼接。

优选的，所述预制构件为钢筋混凝土制成。采用钢筋混凝土制作预制构件，保证塔架下部结构的稳固性，同时能将塔架基础提高，降低塔架上部在对接时的振幅。

优选的，最底部的所述筒节组件下部连接有法兰盘。通过法兰盘的设置，可以很好的实现与下部基础或地面的连接，保证组装拼接的整个塔架更加牢固。

所述一体式筒节顶部设有多个预埋连接件，一体式筒节底部设有多个预留插孔，上下相邻的一体式筒节的预留插孔和预埋连接件相连接。设置预埋连接件和预留插孔，在上下组装一体式筒节时，直接进行插接就可以完成上下一体式筒节的连接，拼接方式简单可靠。

优选的，沿高度方向连接的所述一体式筒节还通过第三连接件紧固连接。将沿高度方向拼接的一体式筒节间通过连接件紧固连接起来，使一体式筒节间连接更加可靠，塔架整体更加安全。

进一步的，所述一体式筒节的上端部和下端部均设有连接部件。通过设置连接部件，将相邻的预制构件连接起来，连接部件可以采用法兰等结构。

优选的，所述一体式筒节的顶端设置吊点结构。设置吊点结构可以在拼接组装时，方便的完成吊装拼接。

所述钢制筒节的上端部和下端部均设有预留连接孔，上下相邻的钢制筒节通过第四连接件穿过预留连接孔相连接。通过设置预留连接孔，在上下钢制筒节连接时，通过在预留连接孔内穿入连接件即可完成连接，连接方式简便可靠。

优选的，所述钢制筒节的顶端设置吊点结构。设置吊点结构可以在拼接组装时，方便的完成吊装拼接。

一种风力发电机组，包含上述的混钢塔架。

本发明的有益效果为：

本发明塔架下部采用钢筋混凝土筒节将整个塔架的基础提高，降低顶端对接时的振幅，从而使整个塔架能在更高的环境下施工。

本发明塔架下部为预制构件拼接而成，且塔架整体上也是由各个筒节段拼接而成，可以在解决运输问题的前提下提高风力发电设备整体高度，提高了单位风机的发电量，也使许多原本不具备发电条件的地区具备风力发电条件，有巨大的经济效益和社会效益。

本发明塔架下部采用钢筋混凝土筒节，取代了传统的厚钢板，超强的防腐蚀能力在提高了塔架的使用寿命的同时也降低了制造成本。

附图说明

图1为本发明塔架底部筒节组件的预制构件示意图；

图2为本发明处于拼装筒节段中部的筒节组件示意图；

图3为本发明下接筒节组件的一体式筒节的示意图；

图4为本发明处于整体筒节段中部的一体式筒节示意图；

图5为本发明处于整体筒节段顶部的一体式筒节示意图；

图6为本发明钢制筒节的示意图；

图中，1.接地法兰盘；2.接地法兰孔；3.对接法兰Ⅰ；4.对接法兰孔Ⅰ；5.筒节上端面；6.预埋钢筋；7.对接法兰Ⅱ；8.对接法兰孔Ⅱ；9.混凝土；10.纵向主筋；11.横向主筋；12.预埋吊耳；13.预制构件；14.紧固件；15.对接法兰Ⅲ；16.对接法兰孔Ⅲ；17.预留插孔；18.一体式筒节；19.预埋螺栓；20.下端法兰；21.下端法兰孔；22.钢制筒节；23.上端法兰；24.上端法兰孔；25.筒节下端面，26.筒节纵向端面。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例1：

如图1-图6所示，一种混钢塔架，包括沿高度方向由低向高依次拼接的拼装筒节段、整体筒节段和钢制筒节段，拼装筒节段由多个筒节组件沿高度方向相互拼接而成，筒节组件由多个预制构件沿圆周方向拼接而成；整体筒节段由多个一体式筒节沿高度方向相互连接而成；钢制筒节段由多个钢制筒节沿高度方向相互连接而成。

整个塔架底部直径较大的筒节采用钢筋混凝土预制构件拼组形成拼装筒节段，拼装筒节段上部采用预制混凝土一体式筒节拼组形成整体筒节段，整体筒节段上部采用钢制筒节拼组形成钢制筒节段，拼装筒节段、整体筒节段和钢制筒节段三种筒节之间分别连接，用以保证整个塔架的安全稳固。

塔架底部直径较大的筒节(尺寸或重量会超过运输允许范围)比如基础筒节采用预制构件13拼组而成。预制构件13拼组的筒节作为整个塔架基础时(如图1所示)，还需要在筒节下端面25增设接地法兰盘1，接地法兰盘1上开有两排接地法兰孔2，以便和基础连接。预制构件13的钢筋部分包括纵向主筋10、横向主筋11以及辅助钢筋，混凝土9需在特制的模具中浇筑，在浇筑过程中需要不断的振动混凝土9，使混凝土浇筑更加密实。接地法兰盘1与预制构件13中的纵向主筋10焊接。接地法兰盘1优先选用锻件，且开设两排接地法兰孔。混凝土9，为高强度混凝土，标号应不低于C60。

沿圆周方向相互拼接的预制构件13通过连接件连接起来，预制构件13上端部、侧端部均设置连接部件，本实施例连接部件采用对接法兰，侧端部的对接法兰3设有对接法兰孔Ⅰ4，且对接法兰3与预制构件13中的横向主筋11相焊，筒节上端面5设有预埋钢筋6、对接法兰Ⅱ7、预埋吊耳12，其中预埋钢筋6、对接法兰Ⅱ7、预埋吊耳12均与筒体中的钢筋部分焊接，对接法兰Ⅱ7设有对接法兰孔Ⅱ8。拼组时，接地法兰盘1上的接地法兰孔2对准基础螺杆，且用专用螺栓紧固；圆周方向相邻预制构件13的对接法兰孔Ⅰ4通过紧固件14穿过并紧固；位于上部的筒节组件的预留插孔17对准下部筒节组件的预留钢筋6套入，下部筒节组件对接法兰孔Ⅱ8与上部的筒节组件的对接法兰孔对齐，用紧固件14紧固。拼组完成后，纵向拼组缝隙和横向缝隙均需要进行防水处理。对接法兰Ⅰ3，法兰平面需与预制构件13的筒节纵向端面在同一平面，当预制构件拼组时对接法兰Ⅰ应能紧密贴合。对接法兰Ⅰ3，与预制构件13的钢筋笼部分焊接，在筒节纵向端面上可以是整体连续的(一个长法兰)也可以是多个法兰组成的。

预制构件13不作为整个塔架基础而作为中间过渡筒节组件时(即位于拼装筒节段中部)(如图2所示)，需要在构件成型时在筒节下端面25增设预留插孔17，预留插孔17，深度为600mm，直径略大于预埋钢筋6的直径。筒节下端面25设置对接法兰Ⅲ15，对接法兰Ⅲ15上设有对接法兰孔Ⅲ16，对接法兰Ⅲ15，与对接法兰Ⅱ7一致，安装在筒节下端面。预制构件13的筒节上端面5设有预埋钢筋6、对接法兰Ⅱ7、预埋吊耳12，其中预埋钢筋6、对接法兰Ⅱ7、预埋吊耳12均与筒体中的钢筋部分焊接，对接法兰Ⅱ7设有对接法兰孔Ⅱ8。拼组时，预留插孔17套入下部筒节的预埋钢筋6，对接法兰孔Ⅲ16与下部筒节的对接法兰孔Ⅱ8对齐，用紧固件14紧固；左右相邻预制构件13的对接法兰孔Ⅰ4通过紧固件14穿过并紧固；其上部筒节的预留插孔17对准其预留钢筋6插入，对接法兰孔Ⅱ8与上部筒节的对接法兰孔Ⅲ16对齐，用紧固件14紧固。拼组完成后，纵向拼组缝隙和横向缝隙均需要进行防水处理。预埋钢筋6，与预制构件13的钢筋笼部分焊接，埋入预制构件13的部分不宜小于1000mm，伸出端面部分为500mm。对接法兰Ⅱ7，与筒节预制构件13的钢筋笼部分焊接，应与上、下端面在同一水平面，使上下筒节连接时能紧密贴合。预埋吊耳12，与筒节预制构件的钢筋笼部分焊接，应在筒节上端面开凹槽设置，确保在不需吊装时，能够低于整个上端面平面，用以确保上下端面对接。

本实施例中预制构件13截面为弧形，也可以根据塔架的要求，设置成多边形等。本实施例中预制构件13的高度不宜超过4m，以便运输，在不超过高度限制的情况下，预制构件数越少越好。

筒节上端面5、筒节下端面25以及筒节纵向端面26表面均需做平整处理并满足一定粗糙度，以便筒节的拼组。处理方法优先选用表面打磨，表面粗糙度不宜超过Ra12.5。

紧固件14，指的是通用的紧固标准件，具体型号和规格根据实际情况选用，此处为泛指。

预制构件13的主要制作工艺流程如下：

1.作为基础的筒节组件时的制作流程如下：

制作模具→编制钢筋笼→将纵向主筋与接地法兰焊接→将横向主筋与对接法兰焊接→将预埋钢筋与钢筋笼焊接→浇筑混凝土→端面处理。

2.作为中部过渡筒节组建时的制作流程如下：

制作模具→编制钢筋笼→将横向主筋与对接法兰焊接→放入预制插孔模具→将预埋钢筋与钢筋笼焊接→浇筑混凝土→端面处理。

对直径稍小可以满足运输条件的部分筒节，采用一体式筒节18。拼装筒节段上部设置整体筒节段，整体筒节段由多个一体式筒节18沿高度方向相互连接而成。

一体式筒节18的下接筒节为预制构件筒节组件，上接筒节为一体式筒节时，即整体筒节段的最底部的一体式筒节18，如图3所示，一体式筒节18下接预制构件13筒节组件时，由于要考虑到对下部预制构件拼组筒节的加强作用，预留插孔17的数量一般不小于12且与预制构件13上的预埋钢筋6一一对应，与下部预制构件13筒节连接处的对接法兰孔Ⅱ8一一对应，并用紧固件14紧固，上部筒节为一体式筒节，不用考虑过多的加强作用，因此上部的预埋钢筋6数量为4，上部一体式筒节的预留插孔数也为4个，与上部筒节连接处的对接法兰Ⅲ15一一对应，并用紧固件14紧固。筒节上端面上同样设有预埋吊耳12，各部件的连接方式与预制构件类似。

一体式筒节18的下接筒节和上接筒节均为一体式筒节时，即整体筒节段中部的一体式筒节18，如图4所示，上下连接筒节均为一体式筒节18时，不需要考虑到对下部一体式筒节的加强作用，一体式筒节18上下端面的预留插孔17的数量均为4个，同时预埋钢筋6也均为4根；上部筒节的对接法兰Ⅲ15与下部筒节的对接法兰孔Ⅱ8一一对应，并用紧固件14紧固，筒节上端面上同样设有预埋吊耳12，各部件与筒节的连接方式与预制构件类似。

一体式筒节18的下接筒节为一体式筒节，上接筒节为钢制筒节时，即整体筒节段顶部的一体式筒节18，如图5所示，下部筒节为一体式筒节18时，与上述整体筒节段中部的一体式筒节类似，上部筒节为钢制筒节22时，考虑到钢制筒节的特性，其下端法兰孔21的数量一般不小于80个，一体式筒节18上端面设置预埋螺栓19，保证一体式筒节的上端面预埋螺栓19与钢制筒节的下端法兰孔21一一对应，另外一体式筒节18的上端面可以不再需要设置对接法兰。预埋螺栓19，与筒节的金属笼焊接，车有螺纹，直径能够穿过钢制筒节的法兰盘，伸出高度为300mm。

一体式筒节的主要制作流程为：

整体筒节段上部连接钢制筒节段，钢制筒节段由多个钢制筒节沿高度方向相互连接而成。

钢制筒节制作技术较为成熟，一般主要制作工艺如下：

下料→卷焊筒节→组焊法兰。

如图6所示，钢制筒节22下端设置下端法兰20，下端法兰20上具有下端法兰孔21，钢制筒节22上端设置上端法兰23，上端法兰23具有上端法兰孔24，钢制筒节22上部与一体式筒节18连接时，其下端法兰孔21与一体式筒节18的预埋螺栓19对应连接，钢制筒节22上下连接筒节均为钢制筒节22时，上下端法兰通过紧固件对接连接即可。钢制筒节22材料为Q345D。下端法兰20为锻件，直径与钢制筒节配套。上端法兰23为锻件，直径与钢制筒节配套。

拼装筒节段、整体筒节段和钢制筒节段三种筒节连接后，应保证塔架筒节外端面连续，没有明显的突变。

实施例2：

一种风力发电机组，包含实施例1的混钢塔架。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。