專利名稱：一種風力發電塔裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于風力發電技術領域，涉及一種風力發電塔裝置。
背景技術：
目前常見的風力發電塔架，塔身一般由幾段鋼錐筒通過法蘭盤拼接建成，每段錐筒采用鋼材卷板焊接制作。這種錐筒塔具有安全穩固、構造簡單、外形美觀的優點；但隨著風電機組增大、塔架增高，錐筒形鋼塔表現出用材浪費、運輸困難等問題。例如，當底部直徑超過5米的錐筒塔段在公路運輸時，由于橋梁底部凈高度的限制而存在過橋困難，從而制約了錐筒形鋼塔架的幾何尺寸和建造高度；研究還表明超過85米的鋼錐筒塔架存在結構振動方面的挑戰；另外，在錐筒形鋼塔的現場安裝需采用重型超高起重機械進行吊裝，施工難度大。基于以上原因，風電裝備產業提出了塔架結構優化創新的需求。近年來出現利用復合材料(Polyzois, D. J. , Raftoyiannis, I. G. , Ungkurapinan, N.Static and dynamic characteristics of multi-cell jointed GFRP wind turbinetowers. Composite Structures, 2009, 90:34-42)、鋼筋混凝土或預應力混凝土(一種張拉式多段混凝土風電塔架遼寧，CN202017584U[P]. 2011-10-26;預應力圓柱式混凝土風電塔架遼寧，CN201933507U[P]. 2011-08-17;后張拉式預應力多段混凝土風電塔架遼寧，CN201963021U[P], 2011-09-07)發展的錐筒型塔架；或采用底部混凝土錐筒和上部鋼錐筒的組合(預應力混凝土鋼結構復合風電塔架遼寧，CN201962693U[P], 2011-09-07; 一種混凝土-鋼結構復合風電塔架遼寧，CN202031370U[P]. 2011-11-09);也有提出多棱管塔架(多棱管組合式風電塔架黑龍江，CN101994662A[P]. 2011-03-30)和鋼管混凝土格構風電塔架(劉香，王敏，李建.格構式鋼管混凝土風力發電塔架的受力分析.武漢理工大學學報，2010，32(9) : 175-177)。由于鋼材質量易于控制，鋼結構便于工業化設計生產，全鋼塔架仍是高聳構筑物的主要結構型式。
發明內容
本發明目的是提供一種風力發電塔裝置，該裝置可以節約材料，運輸方便。本發明的技術方案如下本發明提供了一種風力發電塔裝置，該裝置包括框架承重結構、外部維護結構和基礎；外部維護結構通過連接件和框架承重結構連接，基礎的底部位于地表以下土層中，頂部和框架承重結構連接。所述的頂部和框架承重結構連接是采用螺栓連接。所述的框架承重結構上設置有振動控制裝置、健康監測系統中的一種或兩種。所述的振動控制裝置包括懸掛質量阻尼器、粘滯阻尼器中的一種或兩種；其中懸掛質量阻尼器采用單擺、復擺或顆粒阻尼系統；質量由固體或液體提供；懸掛質量阻尼器通過連接桿懸掛于框架承重結構頂部；粘滯阻尼器為液體粘滯阻尼器或粘彈性阻尼器；粘滯阻尼器位于頂部四層中的一層或幾層框架結構單元的對角線位置，和框架結構單元采用螺栓連接。所述的健康監測系統由測量應變、位移、加速度參量的傳感器組成；傳感器固定位于框架承重結構應力集中的連接節點、最大位移部位的構件上。所述的框架承重結構沿著地面向上從底層到頂層，由一個至最多一百個框架結構單元通過柱端連接而成。所述的框架結構單元的高度為一米至十米高度；框架結構單元包括鋼柱、鋼梁和鋼斜撐；鋼柱在平行于地表的平面內沿圓周均勻分布，地表處的第一層框架結構單元的每根鋼柱在地面位置和基礎進行連接；第一層框架結構單元的每根鋼柱頂面和第二層框架結構單元的每根鋼柱進行連接；第二層以上框架結構單元的每根鋼柱與相鄰層框架結構單元的鋼柱均對接；除地面高度外，每個框架結構單元的層高部位的相鄰鋼柱由鋼梁在平行于地表的平面內連接；每個框架結構單元相鄰鋼柱上層和下層對角線節點由鋼斜撐進行連接。 所述的鋼柱沿著圓周分布四個或者四個以上的偶數個數，鋼柱在地面位置和基礎進行連接采用柱腳螺栓或者采用鋼柱和基礎預埋構件插接的連接方式；鋼柱在相鄰框架結構單元豎向的連接方式采用螺栓連接或者插接的連接；鋼柱為圓鋼管、方鋼管、工字型鋼、槽鋼或槽鋼螺栓拼接、角鋼或角鋼螺栓拼接或熱軋或者冷彎型鋼。所述的鋼柱從底層到頂層采用不同截面尺寸，也可以采用相同截面尺寸。所述的鋼梁在除地面高度以外的每個框架結構單元在平行于地面的平面內沿著圓周連接相鄰的鋼柱，組成封閉多邊形；鋼梁和鋼柱在每個框架結構單元水平面的連接采用螺栓連接或者插接的連接方式；鋼梁為圓鋼管、方鋼管、工字型鋼、槽鋼或槽鋼螺栓拼接、角鋼或角鋼螺栓拼接或熱軋或者冷彎型鋼。所述的鋼梁從底層到頂層采用不同截面尺寸，也可以采用相同截面尺寸。所述的鋼斜撐在每個框架結構單元沿著對角線連接相鄰柱，采用斜桿型或交叉型；鋼斜撐和鋼柱的連接采用端板螺栓連接或者插接的連接方式；鋼斜撐為圓鋼管、方鋼管、工字型鋼、槽鋼或槽鋼螺栓拼接、角鋼或角鋼螺栓拼接或熱軋或者冷彎型鋼。所述的鋼斜撐從底層到頂層采用不同截面尺寸，也可以采用相同截面尺寸。所述的外部維護結構上設置有太陽能光伏發電板；外部維護結構和太陽能光伏發電板通過連接件連接；外部維護結構在底部開設門洞；外部維護結構采用薄金屬板或者薄非金屬板材；形狀為圓形或多邊形。所述的門洞沿地面向上為一米或者一米到第一層框架結構單元高度之間的高度；寬度為O. 9米到第一層框架結構單元相鄰兩個鋼柱之間的距離。所述的基礎在底層框架結構單元每根鋼柱下布置，沿著平行于地表的圓周分布四個或者四個以上的偶數個數，設置數量和底層框架結構單元的鋼柱的個數相同；基礎為預制鋼筋混凝土基礎或現澆鋼筋混凝土基礎；基礎在每根柱子之間通過鋼筋混凝土連梁在地表處連接。 所述的風力發電塔裝置上設有自起吊設備。所述的自起吊設備包括鋼架、提升裝置、纜繩；鋼架和已建框架承重結構連接，提升裝置位于鋼架頂部，纜繩連接提升裝置，用于起吊吊裝框架結構和風力發電機組。本發明與現有技術相比，具有以下優點和有益效果
I、本發明采用新型框架結構，在主體構件可以選用型鋼，不需大量的卷板焊接工序，大大降低了制造難度，并且相比傳統錐筒型塔架更能發揮各鋼材材料性能；塔架幾何尺寸不受運輸條件的限制，可以搭建更高塔架(>100m)，支撐更大風電機組，獲取更多的風能，在風力不強的地方也能使用，并且適合于海洋發電機組。2、本發明風電塔架維護結構不參與承重，底部門洞尺寸可以較大，從而方便檢修人員、設備進出風塔內部； 同時對底部直徑較大的塔架，風塔內部可以安裝風力發電其他設備，減少了風場輔助用房的建設。3、本發明塔架基礎設計施工上可以采用柱下獨立基礎，大大降低了鋼筋混凝土用量，節約資源，施工便捷，保護環境。4、本發明塔架合理設計利用光伏太陽能板作為外部維護，增加了發電能力。
5、本發明塔架的健康監測系統，實現了風塔運行安全預警，降低風電塔維護中人工巡檢的主觀性和勞動強度。6、本發明通過合理組合使用懸掛質量阻尼器、粘滯阻尼器，實現對塔架振動的寬頻帶控制，增強風電塔架的安全穩定。7、本發明塔架在施工安裝上采用自起吊裝置，無需重型超長起重機設備，可以實現更高塔架(>100m)的方便安裝。
圖I是本發明風力發電塔裝置框架承重結構I、基礎3、振動控制裝置4、健康監測系統5示意圖。圖2是本發明加裝外部維護結構2的風力發電塔裝置示意圖。圖3是本發明加裝太陽能光伏發電板6的風力發電塔裝置示意圖。圖4是本發明具有斜桿型鋼斜撐的框架結構單元9示意圖。圖5是本發明具有交叉型鋼斜撐的框架結構單元9示意圖。圖6是本發明風力發電塔裝置圓形外部維護結構2截面示意圖。圖7是本發明風力發電塔裝置多邊形外部維護結構2截面示意圖。圖8是本發明風力發電塔裝置吊裝框架結構14吊裝施工示意圖。其中1為框架承重結構、2為外部維護結構、3為基礎、4為振動控制裝置、5為健康監測系統、6為太陽能光伏發電板、7為門洞、8為自起吊設備、9為框架結構單元、10為鋼柱、11為鋼梁、12為鋼斜撐、13為已建框架承重結構、14為吊裝框架結構、15為風力發電機組。
具體實施例方式以下結合附圖所示實施例對本發明作進一步的說明。實施例圖I是本發明風力發電塔裝置框架承重結構I、基礎3、振動控制裝置4、健康監測系統5示意圖。一種風力發電塔裝置，該裝置包括框架承重結構I、外部維護結構2和基礎3 ;外部維護結構2通過連接件和框架承重結構I連接，基礎3的底部位于地表以下土層中，頂部和框架承重結構I通過螺栓連接。框架承重結構I上設置有振動控制裝置4、健康監測系統5中的一種或兩種。振動控制裝置4包括懸掛質量阻尼器、粘滯阻尼器中的一種或兩種；其中懸掛質量阻尼器采用單擺、復擺或顆粒阻尼系統；質量由固體或液體提供；懸掛質量阻尼器通過連接桿懸掛于框架承重結構I頂部；粘滯阻尼器為液體粘滯阻尼器或粘彈性阻尼器；粘滯阻尼器位于頂部四層中的一層或幾層框架結構單元9的對角線位置，和框架結構單元9采用螺栓連接。健康監測系統5由測量應變、位移、加速度參量的傳感器組成；傳感器固定位于框架承重結構I應力集中的連接節點、最大位移部位的構件上。框架承重結構I沿著地面向上從底層到頂層，由一個至最多一百個框架結構單元9通過柱端連接而成。 圖4是本發明具有斜桿型鋼斜撐的框架結構單元9示意圖；圖5是本發明具有交叉型鋼斜撐的框架結構單元9示意圖。框架結構單元9的高度為一米至十米高度；框架結構單元9包括鋼柱10、鋼梁11和鋼斜撐12;鋼柱10在平行于地表的平面內沿圓周均勻分布，地表處的第一層框架結構單元9的每根鋼柱10在地面位置和基礎3進行連接；第一層框架結構單元9的每根鋼柱10頂面和第二層框架結構單元9的每根鋼柱10進行連接；第二層以上框架結構單元9的每根鋼柱10與相鄰層框架結構單元9的鋼柱10均對接；除地面高度外，每個框架結構單元9的層高部位的相鄰鋼柱10由鋼梁11在平行于地表的平面內連接；每個框架結構單元9相鄰鋼柱10上層和下層對角線節點由鋼斜撐12進行連接。鋼柱10沿著圓周分布四個或者四個以上的偶數個數，鋼柱10在地面位置和基礎3進行連接采用柱腳螺栓或者采用鋼柱和基礎預埋構件插接的連接方式；鋼柱10在相鄰框架結構單元9豎向的連接方式采用螺栓連接或者插接的連接；鋼柱10為圓鋼管、方鋼管、工字型鋼、槽鋼或槽鋼螺栓拼接、角鋼或角鋼螺栓拼接或熱軋或者冷彎型鋼。鋼柱10從底層到頂層采用不同截面尺寸，也可以采用相同截面尺寸。鋼梁11在除地面高度以外的每個框架結構單元9在平行于地面的平面內沿著圓周連接相鄰的鋼柱10，組成封閉多邊形；鋼梁11和鋼柱10在每個框架結構單元9水平面的連接采用螺栓連接或者插接的連接方式；鋼梁11為圓鋼管、方鋼管、工字型鋼、槽鋼或槽鋼螺栓拼接、角鋼或角鋼螺栓拼接或熱軋或者冷彎型鋼。鋼梁11從底層到頂層采用不同截面尺寸，也可以采用相同截面尺寸。鋼斜撐12在每個框架結構單元9沿著對角線連接相鄰柱，采用斜桿型或交叉型；鋼斜撐12和鋼柱10的連接采用端板螺栓連接或者插接的連接方式；鋼斜撐12為圓鋼管、方鋼管、工字型鋼、槽鋼或槽鋼螺栓拼接、角鋼或角鋼螺栓拼接或熱軋或者冷彎型鋼。鋼斜撐12從底層到頂層采用不同截面尺寸，也可以采用相同截面尺寸。圖2是本發明加裝外部維護結構2的風力發電塔裝置示意圖；圖3是本發明加裝太陽能光伏發電板6的風力發電塔裝置示意圖；圖6是本發明風力發電塔裝置圓形外部維護結構2截面示意圖；圖7是本發明風力發電塔裝置多邊形外部維護結構2截面示意圖。外部維護結構2上設置有太陽能光伏發電板6 ;外部維護結構2和太陽能光伏發電板6通過連接件連接；外部維護結構2在底部開設門洞7 ;外部維護結構2采用薄金屬板或者薄非金屬板材；形狀為圓形或多邊形。門洞7沿地面向上為一米或者一米到第一層框架結構單元9高度之間的高度；寬度為O. 9米到第一層框架結構單元9相鄰兩個鋼柱10之間的距離。基礎3在底層框架結構單元9每根鋼柱10下布置，沿著平行于地表的圓周分布四個或者四個以上的偶數個數，設置數量和底層框架結構單元9的鋼柱10的個數相同；基礎3為預制鋼筋混凝土基礎或現澆鋼筋混凝土基礎；基礎3在每根柱子之間通過鋼筋混凝土連梁在地表處連接。圖8是本發明風力發電塔裝置吊裝框架結構14吊裝施工示意圖。 風力發電塔裝置上設有自起吊設備8。自起吊設備8包括鋼架、提升裝置、纜繩；鋼架和已建框架承重結構13連接，提升裝置位于鋼架頂部，纜繩連接提升裝置，用于起吊吊裝框架結構14和風力發電機組15。 本發明的風力發電塔裝置分為框架承重結構I、外部維護結構2、基礎3三大部分。框架承重結構I上設置有振動控制裝置4、健康監測系統5中的一種或兩種。外部維護結構2可以加裝太陽能光伏發電板6。外部維護結構2在底部開設門洞7。本發明的風電塔裝置可以采用常規風電塔架建造方式，利用外部起吊裝備進行安裝；或者采用本發明提出自起吊設備8進行安裝。基礎3嵌入承重地層，基礎3支撐底層框架結構單元9的鋼柱10，從而使框架承重結構I重量完全傳入地基。在基礎3頂面沿著圓周均勻布置鋼柱10，相鄰鋼柱10在柱頂平行于地表的平面內通過鋼梁11相互連接，在豎向通過鋼斜撐12沿著對角線連接，從而構建底部第一層框架結構單元9。以第一層框架結構單元9作為支撐結構，利用外部起吊設備或者自起吊設備8，吊裝第二層框架結構單元9的鋼柱10并安裝在第一層框架結構單元9每根鋼柱10的頂面，吊裝第二層框架結構單元9的鋼梁11和鋼斜撐12，按照第一層框架結構單元9的連接方式完成第二層框架結構單元9的建造。按照這樣順序，逐層向上進行風電塔裝置框架承重結構I的安裝。對于第一層框架結構單元9以上結構的安裝，在需吊裝的一層框架結構單元9或多個框架結構單元9組成的吊裝框架結構14的重量不超過外部起吊設備或者自起吊設備8的起吊能力以及已建框架承重結構13的承載力要求時，可以在地面進行鋼柱10、鋼梁11、鋼斜撐12的連接完成一個框架結構單元9或多個框架結構單元9組成的吊裝框架結構14的拼裝，然后對一個框架結構單元9或多個框架結構單元9組成的吊裝框架結構14進行整體吊裝，并對吊裝的一個框架結構單元9或多個框架結構單元9組成的吊裝框架結構14和已建框架承重結構13對應的鋼柱10的在柱端進行連接而完成拼裝。框架承重結構I安裝完成后，在最頂層沿著圓周設置剛性法蘭，在法蘭上部安裝風力發電機組15。利用外部起吊設備或者自起吊設備8從上向下逐漸降落，依次從頂層到底層逐層吊裝外部維護結構2并和框架承重結構I連接；也可以在自下而上安裝框架承重結構I的同時利用外部起吊設備或者自起吊設備8同步逐層吊裝外部維護結構2。需要加裝太陽能光伏發電板6的風力發電塔裝置，在外部維護結構2吊裝的施工中利用外部起吊設備或者自起吊設備8逐層掛裝太陽能光伏發電板6 ;太陽能發電和風力發電機組15產生的電能一起輸送。需要加裝振動控制裝置4的風力發電裝置，在框架承重結構I安裝過程中，利用外部起吊設備或者自起吊設備8，吊裝懸掛質量阻尼器或粘滯阻尼器或懸掛質量阻尼器和粘滯阻尼器的組合；從而實現對框架承重結構I振動的控制。
需要加裝健康監測系統5的風力發電裝置，在框架承重結構I安裝過程中，在框架承重結構I應力集中連接節點、塔架最大位移部位安裝傳感器；從而實現對框架承重結構I的健康監測。上述的對實施例的描述是為便于該技術領域的普通技術人員能理解和應用本發明。熟悉本領域技術的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應用到其他實施例中而不必經過創造性的勞動。因此，本發明不限于這里的實施例，本領域技術人員根據本發明的揭示，不脫離本發明范疇所做出的改進和修改都應該在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種風力發電塔裝置，其特征在于該裝置包括框架承重結構(I)、外部維護結構(2 )和基礎(3 );外部維護結構(2 )通過連接件和框架承重結構(I)連接，基礎(3 )的底部位于地表以下土層中，頂部和框架承重結構(I)連接。
2.根據權利要求I所述的風力發電塔裝置，其特征在于所述的頂部和框架承重結構(I)連接是采用螺栓連接；所述的框架承重結構(I)上設置有振動控制裝置(4)、健康監測系統(5)中的一種或兩種。
3.根據權利要求2所述的風力發電塔裝置，其特征在于所述的振動控制裝置(4)包括懸掛質量阻尼器、粘滯阻尼器中的一種或兩種；其中懸掛質量阻尼器采用單擺、復擺或顆粒阻尼系統；質量由固體或液體提供；懸掛質量阻尼器通過連接桿懸掛于框架承重結構(I)頂部；粘滯阻尼器為液體粘滯阻尼器或粘彈性阻尼器；粘滯阻尼器位于頂部四層中的 一層或幾層框架結構單元(9)的對角線位置，和框架結構單元(9)采用螺栓連接； 所述的健康監測系統(5)由測量應變、位移、加速度參量的傳感器組成；傳感器固定位于框架承重結構(I)應力集中的連接節點、最大位移部位的構件上。
4.根據權利要求I所述的風力發電塔裝置，其特征在于所述的框架承重結構(I)沿著地面向上從底層到頂層，由一個至最多一百個框架結構單元(9)通過柱端連接而成。
5.根據權利要求4所述的風力發電塔裝置，其特征在于所述的框架結構單元(9)的高度為一米至十米高度；框架結構單元(9)包括鋼柱(10)、鋼梁(11)和鋼斜撐(12);鋼柱(10)在平行于地表的平面內沿圓周均勻分布，地表處的第一層框架結構單元(9)的每根鋼柱(10)在地面位置和基礎(3)進行連接；第一層框架結構單元(9)的每根鋼柱(10)頂面和第二層框架結構單元(9)的每根鋼柱(10)進行連接；第二層以上框架結構單元(9)的每根鋼柱(10)與相鄰層框架結構單元(9)的鋼柱(10)均對接；除地面高度外，每個框架結構單元(9)的層高部位的相鄰鋼柱(10)由鋼梁(11)在平行于地表的平面內連接；每個框架結構單元(9)相鄰鋼柱(10)上層和下層對角線節點由鋼斜撐(12)進行連接。
6.根據權利要求5所述的風力發電塔裝置，其特征在于所述的鋼柱(10)沿著圓周分布四個或者四個以上的偶數個數，鋼柱(10)在地面位置和基礎(3)進行連接采用柱腳螺栓或者采用鋼柱和基礎預埋構件插接的連接方式；鋼柱(10)在相鄰框架結構單元(9)豎向的連接方式采用螺栓連接或者插接的連接；鋼柱(10)為圓鋼管、方鋼管、工字型鋼、槽鋼或槽鋼螺栓拼接、角鋼或角鋼螺栓拼接或熱軋或者冷彎型鋼； 所述的鋼梁(11)在除地面高度以外的每個框架結構單元(9)在平行于地面的平面內沿著圓周連接相鄰的鋼柱(10)，組成封閉多邊形；鋼梁(11)和鋼柱(10)在每個框架結構單元(9)水平面的連接采用螺栓連接或者插接的連接方式；鋼梁(11)為圓鋼管、方鋼管、工字型鋼、槽鋼或槽鋼螺栓拼接、角鋼或角鋼螺栓拼接或熱軋或者冷彎型鋼； 所述的鋼斜撐(12)在每個框架結構單元(9)沿著對角線連接相鄰柱，采用斜桿型或交叉型；鋼斜撐(12)和鋼柱(10)的連接采用端板螺栓連接或者插接的連接方式；鋼斜撐(12)為圓鋼管、方鋼管、工字型鋼、槽鋼或槽鋼螺栓拼接、角鋼或角鋼螺栓拼接或熱軋或者冷彎型鋼。
7.根據權利要求I所述的風力發電塔裝置，其特征在于所述的外部維護結構(2)上設置有太陽能光伏發電板(6);外部維護結構(2)和太陽能光伏發電板(6)通過連接件連接；外部維護結構(2)在底部開設門洞(7);外部維護結構(2)采用薄金屬板或者薄非金屬板材；形狀為圓形或多邊形。
8.根據權利要求7所述的風力發電塔裝置，其特征在于所述的門洞(7)沿地面向上為一米或者一米到第一層框架結構單元(9)高度之間的高度；寬度為0. 9米到第一層框架結構單元(9)相鄰兩個鋼柱(10)之間的距離。
9.根據權利要求I所述的風力發電塔裝置，其特征在于所述的基礎(3)在底層框架結構單元(9)每根鋼柱(10)下布置，沿著平行于地表的圓周分布四個或者四個以上的偶數個數，設置數量和底層框架結構單元(9)的鋼柱(10)的個數相同；基礎(3)為預制鋼筋混凝土基礎或現澆鋼筋混凝土基礎；基礎(3)在每根柱子之間通過鋼筋混凝土連梁在地表處連接； 所述的風力發電塔裝置上設有自起吊設備(8 )。
10.根據權利要求9所述的風力發電塔裝置，其特征在于所述的自起吊設備(8)包括鋼架、提升裝置、纜繩；鋼架和已建框架承重結構(13)連接，提升裝置位于鋼架頂部，纜繩連接提升裝置，用于起吊吊裝框架結構(14)和風力發電機組(15)。
全文摘要
本發明屬于風力發電技術領域，公開了一種風力發電塔裝置，該裝置包括框架承重結構(1)、外部維護結構(2)和基礎(3)；外部維護結構(2)通過連接件和框架承重結構(1)連接，基礎(3)的底部位于地表以下土層中，頂部和框架承重結構(1)連接。本發明采用新型框架結構，在主體構件可以選用型鋼，不需大量的卷板焊接工序，大大降低了制造難度，并且相比傳統錐筒型塔架更能發揮各鋼材材料性能；塔架幾何尺寸不受運輸條件的限制，可以搭建更高塔架，支撐更大風電機組，獲取更多的風能，在風力不強的地方也能使用，并且適合于海洋發電機組。
文檔編號F03D11/00GK102797643SQ20121026965
公開日2012年11月28日 申請日期2012年7月31日 優先權日2012年7月31日
發明者戴靠山 申請人:同濟大學