变截面的装配式风电塔筒及风电塔筒的施工方法

技术领域

本发明涉及风电塔筒技术领域，特别是涉及一种变截面的装配式风电塔筒及风电塔筒的施工方法。

背景技术

风电塔筒是风力发电机组的重要组成部分，其作用是支撑机舱和风轮，将风轮举到相应的高度运行，获取足够风能动力以驱动发电机组发电。随着风力发电产业的不断成熟，国内对于低风速地区、中东部地区的风能资源的开发已经日趋激烈，在风切变指数较好的地方增大轮毂高度可以有效提高风力发电机组的发电量，因此，增大风电塔筒的高度已成为主要趋势。但是，目前国内的风电塔筒多数是钢制塔筒，钢制塔筒存在制作成本高(钢制塔筒的成本随高度成指数规律增加)、易腐蚀、维护成本高、运输安装困难等问题。此外，由于钢制塔筒承压能力和承拉能力有限，塔筒的高度较大时，钢制塔筒的底部容易出现承受应力过载而发生开裂和屈曲现象，存在较大的安全性隐患。

发明内容

本发明的目的是：提供一种变截面的装配式风电塔筒及风电塔筒的施工方法，底部承载能力较强，同时运输及安装简便快捷，减轻作业人员的工作负担。

为了实现上述目的，本发明提供了一种变截面的装配式风电塔筒，包括：由上至下依次连接的第一筒段、第二筒段以及第三筒段；所述第二筒段的一端与所述第一筒段的一端可拆卸连接，所述第二筒段的另一端与所述第三筒段的一端连接；

在从所述第三筒段与所述第二筒段连接的一端往所述第三筒段的自由端的方向上，所述第三筒段的横截面面积逐渐增大；所述第三筒段的侧壁上设置有镂空部。

进一步地，所述第三筒段包括多个沿预设直线依次环绕的支撑墙；任意相邻两个支撑墙之间间隔设置以形成所述镂空部；

各所述支撑墙的一端分别与所述第二筒段的一端通过浇筑工艺固定连接。

进一步地，各所述支撑墙沿所述预设直线周向环绕以使所述第三筒段呈圆台状筒体结构。

进一步地，所述第三筒段还包括用于连接相邻两个所述支撑墙的连接梁。

进一步地，所述支撑墙和所述连接梁均为混凝土材质。

进一步地，所述第一筒段为圆台状筒体结构，所述第一筒段横截面较大的一端端面与所述第二筒段的一端端面通过法兰连接。

进一步地，所述第一筒段为钢铁材质。

进一步地，所述第二筒段为圆柱状筒体结构。

进一步地，所述第二筒段为混凝土材质。

为了实现上述目的，本发明还提供了一种风电塔筒的施工方法，包括以下步骤：

S1、分别预制内部中空的第一筒段、内部中空的第二筒段、多个呈平板状的支撑墙，以及呈圆台状的模架；其中，第一筒段为钢铁材质，第二筒段和支撑墙分别为混凝土材质；

S2、将模架端面面积较大的一端置于地面，多个支撑墙沿模架的侧壁周向环绕，并使任意相邻两个支撑墙相隔一定间距；

S3、根据任意两个支撑墙的间距预制多个连接梁；其中，连接梁为混凝土材质；

S4、将任意相邻两个支撑墙与连接梁浇筑成一体，且多个连接梁沿模架的周向间隔设置；

S5、将第二筒段的一端与多个支撑墙在远离地面的一端浇筑一体；

S6、将第一筒段的一端端面与第二筒段在远离支撑墙的一端端面通过法兰连接。

本发明实施例一种变截面的装配式风电塔筒及风电塔筒的施工方法与现有技术相比，其有益效果在于：

本发明实施例的变截面的装配式风电塔筒在运输过程中，将第一筒段和第二筒段拆分成两部分，分别将第一筒段和第二筒段运输到安装地点后再拼接起来，便于运输。

进一步地，第二筒段是采用承压能力较强的材料制成，如混凝土，可通过增大第二筒段的长度以增大风电塔筒的整体高度，以实现风力发电机组获取更多风能动力来提高发电量的目的，同时第二筒段由于预应力钢绞线的存在不会发生开裂现象，结构牢固，提高风电塔筒的整体安全性。

进一步地，第二筒段的底部连接有第三筒段，在从所述第三筒段与所述第二筒段连接的一端往所述第三筒段的自由端的方向上，所述第三筒段的横截面面积逐渐增大，以使第三筒段呈“变截面”结构，增大风电塔筒与地面的接触面积以提高风电塔筒的整体稳定性；同时第三筒段的侧壁上设置有镂空部，镂空部可在确保第三筒段满足支撑第一筒段及第二筒段的需求下减轻重量负载，减少用材且确保整体结构牢固。第三筒段的材质与第二筒段的材质相同，可以为混凝土材质，第二筒段和第三筒段可以在安装地点采用浇筑工艺形成一体化结构，结构牢固且使运输更加便捷。

此外，本发明的风电塔筒的施工方法是将第三筒段离散成多个支撑墙和连接梁，采用免模装配一体化施工技术，先在工厂分别预制支撑墙和连接梁构件，将构件运输至现场后拼装，相邻两片支撑墙之间通过连接梁浇筑成一体，以固定相邻两个支撑墙之间的位置关系，这种施工方式无需支模，施工周期短，构件运输方便，施工安全、便利，节约成本，主要工作在工厂完成，绿色、环保。第二筒段可在现场支模，现场绑扎钢筋或工厂预制钢筋，运至现场后拼装，采用爬模施工；也可在工厂预制成混凝土模壳，运至现场后拼装并浇筑混凝土。两种方式都能够极大地保证施工质量，缩短工期。

附图说明

图1是本发明的变截面的装配式风电塔筒的结构示意图；

图2是本发明的第二筒段和第三筒段的结构示意图；

图3是本发明的第一筒段和第二筒段拆分示意图；

图4是图3中A部分的放大图；

图5是本发明的变截面的装配式风电塔筒的一个模型的楼层位移曲线图。

图中，1－第一筒段、11－法兰盘；

2－第二筒段、21－预埋螺栓、22－孔道、23－预应力钢绞线；

3－第三筒段、31－镂空部、32－支撑墙、33－连接梁。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

实施例1

在本发明中，下述筒段或筒体是指内部中空且两端带开口的结构，包括圆筒或方筒等，优选为圆筒结构。

如图1所示，本发明优选实施例的一种变截面的装配式风电塔筒的结构示意图。具体地，变截面的装配式风电塔筒包括由上至下依次连接的第一筒段1、第二筒段2以及第三筒段3；第二筒段2的一端与第一筒段1的一端可拆卸连接，第二筒段2的另一端与第三筒段3的一端连接；在从第三筒段3与第二筒段2连接的一端往第三筒段3的自由端的方向上，第三筒段3的横截面面积逐渐增大；第三筒段3的侧壁上设置有镂空部31。

其中，本发明的“变截面”是指第三筒段3的各处横截面面积不相同，且第三筒段3横截面面积最大的一端用于放置地面上。

进一步地，第一筒段1为金属材质，其用于连接风力发电机组的机舱和风轮，起支撑固定的作用，因此第一筒段1可选为钢铁材质，通过焊接的方式将机舱与风轮固定在第一筒段1上。第二筒段2采用承压能力较强的材料制成，可选为混凝土材质，通过增大第二筒段2的长度以增大风电塔筒的整体高度，以实现风力发电机组获取更多风能动力来提高发电量的目的，同时第二筒段2不会发生开裂现象，结构牢固，提高风电塔筒的整体安全性。第三筒段3的材质与第二筒段2的材质相同，可选为混凝土材质，第二筒段2和第三筒段3可以在安装地点采用浇筑工艺形成一体化结构，结构牢固且使运输更加便捷。

进一步地，参考图3，第一筒段1优选为圆台状筒体结构，在满足机舱和风轮在第一筒段1的安装需求下，减小第一筒段1的受风面积，可提高第一筒段1和第二筒段2的连接稳定性。

由于第二筒段2是风电塔筒的主要支撑部位，长度尺寸较大，变径的第二筒段2在吊装及运输过程中较为麻烦，因此第二筒段2优选为圆柱状筒体结构，第二筒段2的横截面面积均匀相同，加工时，先将第二筒段2分割成多个尺寸相同的子筒段(或者是统一标准尺寸的子筒段)并在工厂预制，随后将子筒段运输至安装地点后拼接成第二筒段2。长度尺寸较小的子筒段可大大降低运输难度。

另一种施工方式是根据第二筒段2的结构先在工厂预制钢筋笼，将钢筋笼运至现场拼装后采用爬模将第二筒段2浇筑成型。

作为本发明的一种实施例，第一筒段1横截面较大的一端端面与第二筒段2的一端端面通过法兰连接，以实现第二筒段2的一端与第一筒段1的一端可拆卸连接。具体地，参考图3、4，第一筒段1横截面较大的一端端面上一体成型有法兰盘11，第二筒段2的一端端面上通过浇筑工艺形成有一体成型的多根预埋螺栓21，预埋螺栓21的一端突出于第二筒段2的一端端面，第一筒段1和第二筒段2通过多根预埋螺栓21采用过盈配合一一对应地卡固在法兰盘11的通孔，以实现第一筒段1与第二筒段2之间的法兰连接。优选地，为了提高第二筒段2的整体结构强度，第二筒段2沿其周向间隔设置有多个孔道22，各孔道22内分别预埋有预应力钢绞线23，其中预应力钢绞线23通过锚固的方式固定在第二筒段2的端面，利用预应力钢绞线23有效提高第二筒段2的承拉能力。

进一步地，参考图2，第三筒段3包括多个沿预设直线环绕的支撑墙32；任意相邻两个支撑墙32之间间隔设置以形成镂空部31；各支撑墙32的一端分别与第二筒段2的一端通过浇筑工艺固定连接。其中预设直线为第二筒段2的中心轴线，任意相邻两个支撑墙32之间的间距优选相同，以使第三筒段3在各方向上受风阻力均匀稳定。支撑墙32的材质与第二筒段2的材质相同，支撑墙32可选为混凝土材质。

第三筒段3的施工方式有两种：一是在现场制模，现场绑扎钢筋或在工厂预制钢筋笼，钢筋运至现场后拼装，浇筑混凝土形成带镂空部31的第三筒段3。二是将第三筒段3离散化为支撑墙32和连接梁33，采用免模装配一体化施工技术，在工厂制作成为自平衡的笼模预制件，将支撑墙32和连接梁33分别运输至现场后拼装，相邻两片支撑墙32通过连接梁33连接，一层拼装完成后在笼模预制件内浇筑混凝土，以使支撑墙32和连接梁33浇筑成一体，这种施工方式无需支模，施工周期短，构件运输方便，施工安全、便利，节约成本，主要工作在工厂完成，绿色、环保。

第二筒段2与第三筒段3的安装方式有两种。第一种是：支撑墙32事先单独制成，支撑墙32在与第二筒段2连接的一端上设置有多根第一连接钢筋；第二筒段2在与支撑墙32连接的一端端面上设置有多根第二连接钢筋；随后支撑墙32和第二筒段2分开运输至安装地点，最后将支撑墙32的多根第一连接钢筋与第二筒段2的多根第二连接钢筋一一对应连接起来，并采用混凝土浇筑在第一连接钢筋和第二连接钢筋上，以使多个支撑墙32的一端分别与第二筒段2的一端固定起来。第二种是：第二筒段2的远离第一筒段1的端面上设置有多根间隔设置的固定钢筋，固定钢筋的轴线与第二筒段2的中心轴线相对倾斜，随后将固定钢筋分别放入用于制作支撑墙32的模体内并采用混凝土浇筑在模体中，以形成多个分别与第二筒段2一体成型的支撑墙32。上述两种安装方式均在安装地点现场施工，操作简便，可减小第二筒段2的预制长度以方便运输。

由于相邻两个支撑墙32相对间隔设置，使得所有支撑墙32相对零散，为了进一步提高支撑墙32承受载荷的能力，参考图2，第三筒段3还包括用于连接相邻两个所述支撑墙32的连接梁33，各连接梁33的侧壁分别与支撑墙32的侧壁固定连接。其中，连接梁33的材质与支撑墙32的材质相同，连接梁33可选为混凝土材质。通过浇筑工艺将支撑墙32和连接梁33形成一体化结构。通过多个连接梁33将零散的支撑墙32拼成一个紧凑的整体，进一步提高第三筒段3的稳固性。

下面为采用MIDAS软件对本发明的变截面的装配式风电塔筒进行建模分析其承受应力载荷的情况。

其中，本发明的变截面的装配式风电塔筒的参数优选如下：第一筒段1的竖直高度为10m、壁厚为25mm、直径为3500－5000mm，第二筒段2的竖直高度为70m、壁厚为500m、直径为5000mm，第三筒段3的竖直高度为40m、壁厚为500mm、直径为8000mm，任意相邻两个支撑墙32之间的间距为支撑墙32宽度的1/2，任意相邻两个连接梁33高度为1.5m。

对第一筒段1施加风机荷载、三个方向的力和三个方向的弯矩，其中，外部风场的参数为：基本风压为0.85kN/m

结果分析：参考图5，风电塔筒的变形为弯曲型，第一筒段1顶部的位移最大，为522mm，对应位移角为1/230，小于《风力发电机组预应力现浇式混凝土塔筒技术规范》(T/CEC 5007－2018)规定的位移角限值(1/200)，符合规范设计要求。同时，支撑墙32上部和第二筒段2底部的截面应力较大，但截面压应力均小于混凝土抗压强度。

综上，本发明实施例提供一种变截面的装配式风电塔筒，其在运输过程中，将第一筒段1和第二筒段2拆分成两部分，分别将第一筒段1和第二筒段2运输到安装地点后再拼接起来，便于运输。进一步的，第二筒段2是采用承压能力较强的材料制成，如混凝土，可通过增大第二筒段2的长度以增大风电塔筒的整体高度，以实现风力发电机组获取更多风能动力来提高发电量的目的，同时第二筒段2不会发生开裂现象，结构牢固，提高风电塔筒的整体安全性。进一步的，第二筒段2的底部连接有第三筒段3，在从第三筒段3与第二筒段2连接的一端往第三筒段3的自由端的方向上，第三筒段3的横截面面积逐渐增大，增大风电塔筒与地面的接触面积以提高风电塔筒的整体稳定性；同时第三筒段3的侧壁上设置有镂空部31，镂空部31可在确保第三筒段3满足支撑第一筒段1及第二筒段2的需求下减轻重量负载，减小用材且确保整体结构牢固。第三筒段3的材质与第二筒段2的材质相同，可以为混凝土材质，第二筒段2和第三筒段可以在安装地点采用浇筑工艺成一体化结构，结构牢固且使运输更加便捷。

实施例2

本实施例2是针对实施例1的变截面的装配式风电塔筒的一种优选制作方案。具体地，一种风电塔筒的施工方法，包括以下步骤：

S1、分别预制内部中空的第一筒段、内部中空的第二筒段、多个呈平板状的支撑墙，以及呈圆台状的模架；其中，第一筒段为钢铁材质，第二筒段和支撑墙分别为混凝土材质；

S2、将模架端面面积较大的一端置于地面，多个支撑墙沿模架的侧壁周向环绕，并使任意相邻两个支撑墙相隔一定间距；

S3、根据任意两个支撑墙的间距预制多个连接梁；其中，连接梁为混凝土材质；

S4、将任意相邻两个支撑墙与连接梁浇筑成一体，且多个连接梁沿模架的周向间隔设置；

S5、将第二筒段的一端与多个支撑墙在远离地面的一端浇筑一体；

S6、将第一筒段的一端端面与第二筒段在远离支撑墙的一端端面通过法兰连接。

本发明的风电塔筒的施工方法将第三筒段离散成多个支撑墙和连接梁，采用免模装配一体化施工技术，先在工厂分别预制支撑墙和连接梁构件，将构件运输至现场后拼装，相邻两片支撑墙之间通过连接梁浇筑成一体，以固定相邻两个支撑墙之间的位置关系，这种施工方式无需支模，施工周期短，构件运输方便，施工安全、便利，节约成本，主要工作在工厂完成，绿色、环保。第二筒段可在现场支模，现场绑扎钢筋或工厂预制钢筋，运至现场后拼装，采用爬模施工；也可在工厂预制成混凝土模壳，运至现场后拼装并浇筑混凝土。两种方式都能够极大地保证施工质量，缩短工期。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。