一种海上风力发电机组钢套筒式混凝土塔筒结构的制作方法

1.本发明涉及一种海上风力发电机组钢套筒式混凝土塔筒结构，适用于海上风力发电行业。


背景技术：

2.新能源技术作为一项关键的绿色能源技术早已成为能源转型重要的一环。随着海上风电的高速发展，风电场区离岸越来越远，风电机组功率越来越大，轮毂高度越来越高，塔筒尺寸越来越大且越来越长，现有钢塔筒柔性越来越大，这使得风机机头位移和转角越来越大，一定程度上影响了发电效率。针对大功率风电机组，现有钢塔筒高且柔，迫使海上风力发电结构整体一阶频率降低，其对应周期接近沿海波浪平均周期，这即将成为制约大功率风电机组发展的因素。以海上风电常用的单桩基础为例，由于大功率发电机组的钢塔筒高且柔，塔筒固端一阶频率较小，为满足整机一阶频率要求，单桩基础桩径大，壁厚厚，单桩直径又制约钢塔筒底部直径，塔筒底部直径大，产生了风电机组叶片尾部触碰塔筒的风险。


技术实现要素：

3.鉴于以上所述，为了解决现有技术在应用中的局限性，并考虑经济性，本发明提出一种海上风力发电机组钢套筒式混凝土塔筒结构，与传统的钢塔筒相比，相同尺寸的钢套筒式混凝土塔筒刚性更大，塔底固端频率更高，塔顶的风机机头位移和转角更小，更容易满足整机一阶频率要求。为此，本发明采用以下技术方案：
4.一种海上风力发电机组钢套筒式混凝土塔筒结构，适用于海上风电尤其是大功率风电机组。其特征在于：包括钢套筒式混凝土塔筒，所述钢套筒式混凝土塔筒由多个钢套筒式混凝土塔筒节通过法兰连接构成；每个钢套筒式混凝土塔筒节有内外两层钢套筒，两层钢套筒上、下两端位置都通过环向布置的多个竖直肘板连接成一个整体，两层钢套筒之间灌注高强度混凝土，进一步增加结构整体性和刚性，提高结构整机一阶频率，减小风机机头位移和转角，满足大功率风力发电机组的要求。
5.在采用上述技术方案的基础上，本发明还可采用以下进一步的技术方案，或对这些进一步的技术方案组合使用：
6.钢套筒式混凝土塔筒下端通过法兰连接海上风电基础，上端通过法兰连接钢塔筒，钢塔筒连接风电机组。
7.每个钢套筒式混凝土塔筒节的上下端都设置法兰结构，具有极强的兼容性，所述法兰结构设置半径小于内层钢套筒半径的连接部分，并在连接部分上沿环形布置螺栓孔。所述兼容性是指钢套筒式混凝土塔筒与钢塔筒或风机基础直接通过法兰结构和螺栓组件连接，无需设置专门的过渡段或复杂的转换装置，降低结构制作和施工成本且提高施工速率，缩短海上施工时间，降低工程风险。
8.每层钢套筒都属于壳结构，钢套筒板材壁厚很薄，在板材朝向混凝土一侧纵横方
向布置多组加劲肋，所述加劲肋同时起到剪力键的作用。
9.内外两层钢套筒上、下两端位置环向布置的多个竖直肘板，肘板焊接连接两层钢套筒；肘板长度大于内外两层钢套筒间隙，方向指向套筒圆心，肘板与钢套筒端部平齐，肘板一端焊接在外层钢套筒内壁，另一端穿过内层钢套筒开槽并焊接，穿过内层钢套筒的肘板部分与法兰焊接，增加法兰盘的焊接面积，增强塔筒连接段结构强度。
10.在每节钢套筒式混凝土塔筒的内层钢筒底部开孔并焊接灌浆管，在顶部开孔焊接出浆管，出浆管高度与钢套筒式混凝土塔筒高度平齐。从下部灌浆管灌注高强度混凝土，直至出浆管流出混凝土并持续一定时间，确保高强度混凝土灌满钢套筒间隙。
11.由于采用本发明的技术方案，本发明的海上风力发电机组钢套筒式混凝土塔筒，具有以下有益效果：
12.1.本发明突破了传统钢塔筒柔性大、一阶频率低的限制，减小机头运动幅度，提高结构整机一阶频率，可适应不同的轮毂高度和功率风电机组。与传统的钢塔筒相比，相同尺寸的钢套筒式混凝土塔筒刚性更大，塔底固端频率更高，塔顶的风机机头位移和转角更小，更容易满足整机一阶频率要求，因此相比传统的钢塔筒，钢套筒式混凝土塔筒利于减小塔筒底部的直径，同时又提供稳固的塔筒结构。
13.2.本发明为一种海上风力发电机组钢套筒式混凝土塔筒，结构简单，设计合理，制作简易，结构整体性强、刚度大、稳定性好、兼容性强，运输、安装简便快捷，尤其适用于大功率风力发电机组海上风力发电场
14.3.本发明利用钢结构加工厂现有设备可直接制作，且制作时不需要定制专门的混凝土定型模具，节约制作成本，减小制作周期。
15.4.本发明钢套筒式混凝土塔筒上、下两端连接段采用法兰结构，使钢套筒式混凝土塔筒下端在海上与海上风机基础、上端在陆上与钢塔筒通过法兰结构和螺栓组件连接，无需特定的过渡段或复杂的转换装置，降低结构制作成本且海上安装施工快捷方便，缩短海上施工周期，降低海上施工风险。
16.5.本发明解决了钢套筒式混凝土塔筒两端连接段焊接面积小，结构强度不足的缺陷。钢套筒上、下两端位置环向布置的竖直肘板不仅将两层钢套筒连接为一个整体，穿过内层钢套筒的肘板部分与法兰结构焊接，增加法兰盘的焊接面积，增强结构整体性和稳定性，提高塔筒连接段结构强度。两层钢套筒之间灌注高强度混凝土，进一步提升钢套筒式混凝土塔筒的整体性和刚性，提高塔筒的一阶频率。
17.6.本发明钢套筒式混凝土塔筒适用于各种海上风机基础，包括但不限于单桩基础、高桩承台基础、导管架基础和浮式风机基础。
18.7.本发明钢套筒式混凝土塔筒与钢塔筒的组合塔筒海上运输方便，海上施工时可沿用现有的钢塔筒吊装船机设备直接吊装安装，不需要更新现有的船机设备和施工方案，降低工程隐形成本。
附图说明
19.图1为本发明钢套筒式混凝土塔筒结构整体结构图。
20.图2为本发明钢套筒式混凝土塔筒单节剖面图。
21.图3为本发明钢套筒式混凝土塔筒端部横截面图。
22.图4为本发明钢套筒式混凝土塔筒肘板焊接示意图。
23.图5为本发明钢套筒式混凝土塔筒法兰结构示意图。
24.图6为本发明钢套筒混凝土侧展开图。
具体实施方式
25.下面结合附图对本发明做进一步说明。
26.如图1所示，本发明提供的海上风力发电机组钢套筒式混凝土塔筒结构，包含若干节钢套筒式混凝土塔筒节3，若干节钢套筒式混凝土塔筒节3依次连接构成钢套筒式混凝土塔筒。
27.如图2所示，每节钢套筒式混凝土塔筒上、下两端连接端采用法兰结构3-1，法兰结构3-1与肘板3-2，外层钢套筒3-3和内层钢套筒3-4焊接成一个钢结构整体。采用本发明方案的海上风力发电机组塔筒由钢塔筒2和若干节钢套筒式混凝土塔筒3构成，钢塔筒位于钢套筒式混凝土塔筒3的顶部，风电机组1安装在钢塔筒2的顶部。钢套筒式混凝土塔筒3与钢塔筒2的组合，海上运输和施工可沿用传统钢塔筒的船机设备，无需研发配置新型船机设备，节约工程隐形成本。
28.上端和下端的法兰结构3-1将外层钢套筒3-3和内层钢套筒3-4之间的钢套筒环形空腔封闭。内、外两层钢套筒之间的环形空腔灌注高强混凝土材料3-5，灌浆操作从内层钢套筒3-4下部设置的灌浆管3-7贯入高强混凝土材料3-5，直至从内层钢套筒3-4顶部设置的顶部出浆管3-6溢出混凝土并持续一定时间，确保高强度混凝土3-5灌满钢套筒间隙。
29.如图2和图3所示，每节钢套筒式混凝土塔筒上、下两端位置环向布置的竖直肘板3-2，增强结构整体性，提高连接段强度，强化塔筒抗剪切和抗扭能力，减小塔筒变形。灌注高强混凝土材料3-5之前，完成结构焊接制作，如图4和图5，肘板3-2分别与外层钢套筒3-3和内层钢套筒3-4焊接。法兰结构3-1分别与外层钢套筒3-3、内层钢套筒3-4及肘板3-2焊接成为钢结构整体，法兰结构3-1与肘板3-2焊接注意避开法兰结构3-1的螺栓孔位置。
30.如图6所示，内、外两层钢套筒板材很薄，为增加板材结构强度，在板材朝向高强混凝土材料3-5一侧，布置纵横方向加劲肋3-8，加劲肋3-8同时起到剪力键的作用，提升高强混凝土材料3-5抗剪能力。
31.所述钢套筒式混凝土塔筒3，两端连接段采用法兰结构3-1，无需特定过渡段或复杂的转换装置，即可适用目前各种海上风机基础4。海上施工时，海上风机基础4施工完成之后，将各节钢套筒式混凝土塔筒3运输至已施工完成的风机基础附近，利用海上施工船舶按照自下而上的顺序逐节吊装钢套筒式混凝土塔筒3并通过法兰结构3-1及连接螺栓组件逐节安装，最上层钢套筒式混凝土塔筒3顶部与钢塔筒2连接，钢塔筒2顶部固定风电机组1。
32.以上实施例仅为本发明的一种较优技术方案，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明的原理和本质情况下可以对实施例中的技术方案或参数进行修改或者替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种海上风力发电机组钢套筒式混凝土塔筒结构，其特征在于：包括钢套筒式混凝土塔筒，所述钢套筒式混凝土塔筒由多个钢套筒式混凝土塔筒节通过法兰连接构成；每个钢套筒式混凝土塔筒节有内外两层钢套筒，两层钢套筒上、下两端位置都通过环向布置的多个竖直肘板连接成一个整体，两层钢套筒之间灌注高强度混凝土。2.如权利要求1所述的一种海上风力发电机组钢套筒式混凝土塔筒结构，其特征在于：钢套筒式混凝土塔筒下端通过法兰连接海上风电基础，上端通过法兰连接钢塔筒，钢塔筒连接风电机组。3.如权利要求1所述的一种海上风力发电机组钢套筒式混凝土塔筒结构，其特征在于：每个钢套筒式混凝土塔筒节的上下端都设置法兰结构，具有极强的兼容性，所述法兰结构设置半径小于内层钢套筒半径的连接部分，并在连接部分上沿环形布置螺栓孔。4.如权利要求1所述的一种海上风力发电机组钢套筒式混凝土塔筒结构，其特征在于：每层钢套筒都属于壳结构，钢套筒板材壁厚很薄，在板材朝向混凝土一侧纵横方向布置多组加劲肋，所述加劲肋同时起到剪力键的作用。5.如权利要求1所述的一种海上风力发电机组钢套筒式混凝土塔筒结构，其特征在于：内外两层钢套筒上、下两端位置环向布置的多个竖直肘板，肘板焊接连接两层钢套筒；肘板长度大于内外两层钢套筒间隙，方向指向套筒圆心，肘板与钢套筒端部平齐，肘板一端焊接在外层钢套筒内壁，另一端穿过内层钢套筒开槽并焊接，穿过内层钢套筒的肘板部分与法兰焊接，增加法兰盘的焊接面积，增强塔筒连接段结构强度。6.如权利要求1所述的一种海上风力发电机组钢套筒式混凝土塔筒结构，其特征在于：在每节钢套筒式混凝土塔筒的内层钢筒底部开孔并焊接灌浆管，在顶部开孔焊接出浆管。

技术总结
本发明提供了一种海上风力发电机组钢套筒式混凝土塔筒结构，包括钢套筒式混凝土塔筒，所述钢套筒式混凝土塔筒由多个钢套筒式混凝土塔筒节通过法兰连接构成；每个钢套筒式混凝土塔筒节有内外两层钢套筒，两层钢套筒上、下两端位置都通过环向布置的多个竖直肘板连接成一个整体，两层钢套筒之间灌注高强度混凝土。本发明与传统的钢塔筒相比，相同尺寸的钢套筒式混凝土塔筒刚性更大，塔底固端频率更高，塔顶的风机机头位移和转角更小，更容易满足整机一阶频率要求，因此相比传统的钢塔筒，钢套筒式混凝土塔筒利于减小塔筒底部的直径，同时又提供稳固的塔筒结构。同时又提供稳固的塔筒结构。同时又提供稳固的塔筒结构。


技术研发人员：陈金忠 熊根 郇彩云 姜贞强 赖踊卿 朱彬彬 祝周杰
受保护的技术使用者：中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司
技术研发日：2023.05.16
技术公布日：2023/10/7