CN108049394A - 风力发电机组安装结构及其安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种海上风力发电装置的桩体，该桩体包括主体及设于所述主体两端的连接件，所述主体沿轴向开设有贯穿该主体的张拉孔，所述主体采用混凝土制成。所述主体的两端设有连接件，便于所述桩体与其他装置连接，贯穿所述主体的张拉孔也可用于将所述桩体与其他装置连接，并稳固所述桩体。另外，所述主体采用混凝土制成，相对于使用钢材制作而言，其成本大大减小，因此制作成本较低。此外，本发明还提供了一种海上风力发电装置的支撑柱及其安装方法，以及一种承台和海上风力发电装置。

Description

风力发电机组安装结构及其安装方法

技术领域

本发明涉及风力发电工程领域，尤其涉及一种风力发电机组安装结构及其安装方法，更特别地，涉及一种海上风力发电装置的桩体，相应的海上风力发电装置及支撑柱、承台，以及所述支撑柱的安装方法。

背景技术

海上风力发电装置的基础结构，一般分为重力式基础，桩基础和负压桶型基础三类，其中第一类和第三类应用较少，只有极个别的样机使用，大规模的批量化装机主要使用第二种，其中第二种又可以细分为单桩基础和多桩基础。其中，单桩基础可分为有过渡段和无过渡段两种，无过渡段的单桩基础由于施工速度快，无需进行结构焊接以及等待过渡段粘接时间，效率高的施工特点，在国内大规模广泛使用。

目前使用的海上风电无过渡段单桩基础，主要由钢板焊接而成，材料成本和焊接成本都非常高。对于4MW级别的风机来说，单根钢管桩的重量大约800-1000吨，直径5-6米不等，长度根据不同地质情况，大约50-80米长，成本500-800万元每根，因此海上风机的成本，钢管桩占了很大一部分。另外，现有海上风力发电装置单桩基础的钢管桩全部都是整体运输安装，安装运输都十分困难，对海上吊车的要求也非常高，海上运输以及海上安装难度都非常大。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种海上风力发电装置的桩体，其特点是两端设有连接件，安装和连接都较为方便，并且采用混凝土制作，制作成本较低，质量相对较小以便于运输。

本发明的另一目的是提供一种海上风力发电装置的支撑柱，包括至少两段所述桩体，各桩体可分开运输，因此便于安装和运输，制作成本较低。

本发明的另一目的是提供一种支撑柱的安装方法，运用于所述支撑柱中，采用分段的方式安装所述支撑柱。

本发明的又一目的是提供一种海上风力发电装置的承台，所述承台运用了所述支撑柱，便于安装和连接，制作成本较低。

本发明的另一目的是提供一种海上风力发电装置，运用了所述支撑柱或所述承台，制作成本较低，便于安装。

为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供一种海上风力发电装置的桩体，包括主体及设于所述主体两端的连接件，所述主体沿轴向开设有贯穿该主体的张拉孔，所述主体采用混凝土制成。

进一步地，所述主体的一端设有限位凹槽，另一端设有限位凸部。

较佳地，其特征在于，所述连接件为法兰，所述法兰用于连接桩尖、安装打桩机、连接风力发电机组和/或用作吊装的吊耳。

较佳地，所述主体内部开设有空心结构，所述空心结构关于所述主体的中心轴线对称。

相应地，本发明还提供一种海上风力发电装置的支撑柱，包括至少两段如上述任一项技术方案所述的桩体，任意两相邻所述桩体通过所述连接件固接，各所述桩体的张拉孔正相对设置以便于通过钢丝绳依次串接各所述张拉孔而固定各所述桩体；所述支撑柱底端的桩体沉桩固定后，该桩体顶端的连接件能够露出海面。

进一步地，所述支撑柱底端的桩体的一端固接有桩尖，以便于安装所述支撑柱。

可选地，所述桩尖采用混凝土制作或采用金属制作。

较佳地，各所述桩体包括至少两个所述张拉孔，各所述张拉孔关于所述主体的中心轴线对称。

相应地，本发明还提供一种支撑柱的安装方法，运用于上述任一项技术方案所述的海上风力发电装置的支撑柱，包括如下步骤：将其中一段所述桩体进行沉桩固定并使得所述桩体顶端的连接件露出海面；基于各所述桩体上的连接件依次安装其余各所述桩体，调整各所述桩体以使任意两相邻所述桩体的张拉孔正相对设置，通过钢丝绳依次串接各所述桩体的张拉孔以固定各所述桩体。

优选地，通过利用钢丝绳连接所述桩体两端的所述连接件以便于移动或翻转所述桩体。

相应地，本发明还提供一种海上风力发电装置的承台，包括承重平台和至少三个如上述任一项技术方案所述的支撑柱，所述支撑柱用于支撑所述承重平台。

较佳地，所述支撑柱相对于海面按预设角度倾斜设置。

相应地，本发明还提供一种海上风力发电装置，包括风力发电机组及如上述任一项技术方案所述的支撑柱或上述任一项技术方案所述的承台，所述风力发电机组设于所述支撑柱或所述承台上。

相比现有技术，本发明的方案具有以下优点：

本发明的桩体中，所述主体的两端设有连接件，便于所述桩体与其他装置连接，贯穿所述主体的张拉孔也可用于将所述桩体与其他装置连接，并且有助于稳固所述桩体。另外，所述主体采用混凝土制成，相对于使用钢材制作而言，其成本大大减小，因此制作成本相对较低。

本发明的桩体中，所述主体两端分别设有限位凹槽和限位凸部，因此可将一段所述桩体的限位凸部嵌入另一段所述桩体的限位凹槽中，便于将两所述桩体进行连接。

本发明的桩体中，所述主体内的空心结构关于所述主体的中心轴线对称，有利于所述桩体保持平衡，也进一步减少了所述桩体的制作材料，进一步降低了制作成本。

本发明的支撑柱由至少两段所述桩体连接而成，由于采取了分段式连接，每段所述桩体的质量相对较小，因此便于对所述支撑柱进行运输，也便于所述风力发电机组的安装。各所述桩体的张拉孔正相对设置，因此可通过钢丝绳或其他连接部件依次串接各张拉孔从而进一步固定各所述桩体，增强所述支撑柱的稳固性。并且，由于所述支撑柱底端的桩体在沉桩固定后该桩体顶端的连接件露出海面，可便于安装其他桩体。另外，由于所述桩体的主要原料是混凝土，因此制作成本也相对较小。

本发明的支撑柱的一端固接有所述桩尖，可大大减小安装所述支撑柱时所受到的外界阻力。并且，所述桩尖既可以采用混凝土制作，也可以采用金属制作，而采用混凝土制作时可降低其制作成本。

本发明的支撑柱的安装方法用于安装所述支撑柱，采取了分段式安装方法安装各所述桩体，简化了安装步骤，所述支撑柱安装后较为牢固。

本发明的承台采用了所述支撑柱，因此具有所述支撑柱的优点。

本发明的海上风力发电装置运用了所述支撑柱或所述承台，因此具有所述支撑柱或所述承台的优点。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明的海上风力发电装置的桩体的一种实施例的结构示意图；

图2为本发明的海上风力发电装置的支撑柱的一种实施例的结构示意图；

图3为本发明的海上风力发电装置的支撑柱的安装方法的流程示意图；

图4为本发明的海上风力发电装置的支撑柱的安装方法中起吊所述桩体的示意图；

图5为本发明的海上风力发电装置的支撑柱的安装示意图。

图6为本发明的海上风力发电装置的一种实施例的结构示意图；

图7为图6中的海上风力发电装置安装在海面的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

请参阅图1，本发明的桩体10用于海上风力发电装置中，包括主体1和分别设于所述主体1顶端、底端的连接件2(以附图1为基准)。优选地，所述主体1的顶端设有两个所述连接件2，并且两个所述连接件2关于所述主体1的中心轴线对称；同理，所述主体10的底端设有两个所述连接件2，并且两个所述连接件2关于所述主体10的中心轴线对称。所述主体1上沿轴向还开设有贯穿该主体1的张拉孔3。较佳地，所述主体1采用混凝土制成。

上述设计中，通过在所述主体1两端设置所述连接件2可便于所述桩体10与其他装置连接，同时贯穿所述主体1的张拉孔3也可用于将所述桩体10与其他装置连接，并稳固所述桩体10。另外，相对于使用钢材制作而言，所述主体1采用混凝土制成，其成本大大减小，因此制作成本较低。通过在所述主体1的顶端、底端分别设置两个关于该主体1中心轴线对称的连接件2，可确保所述桩体10与外接装置连接时受力均衡，不易损坏。

请继续参阅图1，进一步地，所述主体1的一端设有限位凹槽4，所述主体1的另一端则设有限位凸部5。

基于上述设计，将两段具有相同结构的所述桩体10连接时，其中一段所述桩体10的限位凸部5能够嵌入另一段所述桩体10的限位凹槽4中，有助于对两段所述桩体10进行限位，从而便于将两所述桩体10进行连接。

优选地，所述连接件2为法兰，所述法兰2与所述主体1浇筑为一个整体，通常仅露出具有连接作用的部分。较佳地，所述法兰2采用金属或金属合金制作，以使所述法兰2具有较高的强度和韧性，从而确保将所述桩体10与外接装置连接或将两段相同所述桩体10进行连接后，增强二者之间的稳固性。所述法兰具有多种功能，例如用于连接桩尖、安装打桩机、连接风力发电机组以及用作吊装的吊耳。

较佳地，所述主体1内部开设有空心结构6，从而可进一步节省制作原料，即减少混凝土的使用量，因此可进一步降低制作成本。进一步地，所述空心结构6关于所述主体1的中心轴线对称，从而保证所述桩体10的整体关于其中心轴线对称，便于安装，同时也可确保其安装后保持较高的稳固性和平衡性。

另一种实施例中，所述主体1无所述空心结构6，换言之，所述主体1是实心的，与开设所述空心结构6相比，需要使用较多的制作原料，但制作技术要求相对较低，可简化制作过程。

请参阅图2，本发明还提供一种支撑柱100，同理，所述支撑柱100主要运用于海上风力发电装置中。具体地，所述支撑柱100包括至少两段所述桩体，例如，图2中所述支撑柱100包括沿所述支撑柱100轴向依次连接的桩体10、20，较佳地，所述桩体10、20皆为圆柱形桩体，直径范围为4-7米。可选地，相邻两所述桩体10、20之间采用焊接、铆接、螺栓连接或浇筑高强度混凝土等方式进行连接。优选地，使用焊接的方式将相邻两所述桩体进行连接，焊接是一种永久性的连接，操作速度快，方便控制。

由于所述桩体10、20的张拉孔正相对设置，因此在将所述桩体10、20连接后，可通过钢丝绳或其他连接部件依次串接各张拉孔3从而进一步固定所述桩体10、20，增强所述支撑柱100的稳固性。并且，由于所述支撑柱100底端的桩体10在沉桩固定后该桩体10顶端的连接件2露出海面，可便于安装所述桩体20。

以海上风力发电装置为例，在现有技术中，海上风力发电装置的支撑柱主要由钢板焊接而成，每吨钢材的材料成本大约为3000-4000元，焊接成本大约每吨为7000-8000元。对于4MW级别的风机来说，单根钢管支撑柱的重量大约800-1000吨，直径5-6米不等，长度根据不同地质情况确定，其长度范围通常为50-80米，因此成本可达500-800万元每根，故海上风电的成本中，桩基础(对应于本发明的支撑柱)占了很大一部分。由于所述支撑柱的长度较大，因此安装运输都十分困难，对海上吊车的要求也非常高。

而在本发明中，所述支撑柱100由至少两段所述桩体连接而成，由于采取了分段式连接，每段所述桩体的质量相对较小，因此便于对所述支撑柱100进行运输，也便于所述支撑柱100的安装。如直径4米长度60米的实心混凝土支撑柱，重量为4*3.14*60*2.6＝1960吨，可以分成两段或三段所述桩体，每段桩体的质量在约650吨-980吨范围之内；直径6米长70米的混凝土支撑柱，总量为9*3.14*70*2.6＝5143吨，同理也可分成多段所述桩体。受到安装船只承重能力的限制，较佳地，每段混凝土桩体的重量控制在800吨以内。

另外，由于所述桩体的主要原料是混凝土，一般而言，在其他条件相同的情况下，使用混凝土制作所述支撑柱100的成本为使用钢材制作所述支撑柱100的成本的三分之一，因此制作成本相对较小。

进一步地，所述支撑柱100还包括桩尖40，所述桩尖40与所述支撑柱100底端的所述桩体10固接。同理，所述桩尖40上设有连接件，以便于与所述桩体10上的连接件2连接。仍然以海上风力发电装置为例，对所述桩体10进行沉桩操作时，所述桩尖40可大大减小安装所述桩体10时所受到的外界阻力，从而有利于安装所述桩体10，并且，所述桩尖40还具有保护所述桩体10不受破坏的作用。

由于沉桩时，所述桩尖40收到很大的冲击力以及阻力，因此对所述桩尖40的强度要求较高，所述桩尖40既可以使用金属制作，也可以使用混凝土制作，采用混凝土制作可降低其制作成本。

较佳地，所说桩体10包括至少两个所述张拉孔3，各所述张拉孔3关于所述主体1的中心轴线对称。当依次连接所述桩体10、20时，各所述桩体的张拉孔3分别正相对设置，因此通过使用钢丝绳或其他连接部件依次穿过各所述桩体的张拉孔3，在确保对各所述桩体10、20进行连接和进一步固定的同时，使得各所述桩体10、20之间的连接更加牢固，增强所述支撑柱100的平衡性和稳固性。

由于各所述桩体上设有限位凹槽和限位凸部，例如，所述桩体10的一端设有限位凹槽4，而所述桩体20上与所述桩体10连接的一端设有限位凸部25，所述限位凸部25能够与所述限位凹槽4相嵌合。仍然以海上风力发电装置为例，由于海上风浪比较大，吊机起吊混凝土桩体时，已经固定的桩体10处于静止状态，而起吊中的桩体20处于缓慢晃动状态，通过将处于晃动状态中的桩体20的限位凸部25嵌入处于静止状态中的桩体的限位凹槽4中，可以便于的进行不同混凝土桩体10、20之间的对接。

请参阅图3，本发明相应提供了一种海上风力发电装置的支撑柱的安装方法，用于安装所述支撑柱100，该方法包括如下步骤：

步骤S1：将其中一段所述桩体进行沉桩固定并使得所述桩体顶端的连接件露出海面。

请结合图4和图5，在安装所述桩体10时，在所述桩体10上的各所述连接件2上连接钢丝绳，然后使用吊机移动或翻转所述桩体10，此时所述连接件2作为所述桩体10起吊和翻身的吊耳，由于所述桩体10长度为数米或者数十米，因此运输受到高度限制，只能将所述桩体10进行水平运输。将所述桩体10沿竖直方向摆放好后，将钢丝绳取下，并通过所述桩体10顶端的连接件2连接并安装打桩机。打桩机一般分为冲击打桩机和震动打桩机，这两种打桩机的基本原理都是扰动海底的沙土，在短时间内使沙土的承载能力降低，方便沉桩施工，这两种沉桩设备都可以用于混凝土桩体的沉桩施工。

对于海上风力发电装置而言，要确保将所述桩体10沉桩后，所述桩体10顶端的连接件2仍能露出海面，以便于安装其他桩体，因此可根据不同地质情况设计所述桩体10的高度。

步骤S2：基于各所述桩体上的连接件依次安装其余各所述桩体，调整各所述桩体以使任意两相邻所述桩体的张拉孔正相对设置，通过钢丝绳依次串接各所述桩体的张拉孔以固定各所述桩体。

安装时，需要将所述桩体20、30依次起吊、移动并翻转后与已经安装好混凝土桩体10进行对接，以及沉桩施工。同理，翻转的吊具需要连接到所述连接件2上。

依次将所述桩体10、20、30的张拉孔3调整成正相对位置后，使用钢丝绳依次穿过所述桩体10、20、30上的张拉孔3，然后进行紧固处理，以增强各所述桩体10、20、30之间的稳固性。

当然，所述支撑柱100***海底泥土中的部分也可以包括若干段所述桩体，例如所述桩体10完全***海底泥土中，所述桩体20部分***海底泥土中，而其顶端面的连接件露出海面，以连接或固定其他装置。

相应地，本发明还提供一种承台，所述承台可以是导管架基础、混凝土承台基础等。所述承台包括承重平台和至少三个如上述任一项技术方案所述的支撑柱100，各所述支撑柱100用于支撑所述承重平台。优选地，所述支撑柱100为圆柱，其直径为0.6米-2.0米。

对于导管架基础而言，导管架结构使用金属结构焊接而成，对于这种基础来说，只需使用3个以上(一般为3个至8个)所述支撑柱100对导管架进行支撑，所述导管架底部设有与所述支撑柱100顶端的桩体上的连接件2相配合的连接件，以便于将所述支撑柱100和所述导管架连接以形成导管架基础。

对于混凝土承台基础，在使用3个以上(一般为3个至8个)的所述支撑柱100施工完成后，在所述支撑柱100顶部进行承台施工，将多个所述支撑柱100浇筑在一个承台内，即，将各所述支撑柱100连接在一起，形成一个承台，即可形成海上风力发电装置的混凝土承台基础。

较佳地，对于所述承台而言，通常需要使得所述支撑柱100与海面形成预设倾斜角度，以提供一定的抗侧向推力的能力，所述预设倾斜角度根据实际需要确定。因此，所述支撑柱100在沉桩施工时，可根据需要沿着打桩机的桩架倾斜一定的角度进行沉桩。

请结合图6和图7，相应地，本发明还提供一种海上风力发电装置1000。所述海上风力发电装置1000包括风力发电机组200和上述任一项技术方案所述的支撑柱100，所述风力发电机组200设于所述支撑柱100上；或者，所述海上风力发电装置包括风力发电机组和上述任一项技术方案所述的承台，所述风力发电机组设于所述承台上。

由于所述海上风力发电装置运用了所述支撑柱100或所述承台，因此具有所述支撑柱100或所述承台的优点，故不再赘述。

以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种海上风力发电装置的桩体，其特征在于，包括主体(1)及设于所述主体(1)两端的连接件(2)，所述主体(1)沿轴向开设有贯穿该主体(1)的张拉孔(3)，所述主体(1)采用混凝土制成。

2.根据权利要求1所述的海上风力发电装置的桩体，其特征在于，所述主体(1)的一端设有限位凹槽(4)，另一端设有限位凸部(5)。

3.根据权利要求1所述的海上风力发电装置的桩体，其特征在于，所述连接件(2)为法兰，所述法兰用于连接桩尖、安装打桩机、连接风力发电机组和/或用作吊装的吊耳。

4.根据权利要求1所述的海上风力发电装置的桩体，其特征在于，所述主体(1)内部开设有空心结构(6)，所述空心结构(6)关于所述主体(1)的中心轴线对称。

5.一种海上风力发电装置的支撑柱，其特征在于，包括至少两段如权利要求1-4中任一项所述的桩体(10,20,30)，任意两相邻所述桩体(10,20,30)通过所述连接件(2)固接，各所述桩体(10,20,30)的张拉孔(3)正相对设置以便于通过钢丝绳依次串接各所述张拉孔(3)而固定各所述桩体(10,20,30)；所述支撑柱(100)底端的桩体(10)沉桩固定后，该桩体(10)顶端的连接件(2)能够露出海面。

6.根据权利要求5所述的海上风力发电装置的支撑柱，其特征在于，所述支撑柱(100)底端的桩体(10)的一端固接有桩尖(40)，以便于安装所述支撑柱(100)。

7.根据权利要求6所述的海上风力发电装置的支撑柱，其特征在于，所述桩尖(40)采用混凝土制作或采用金属制作。

8.根据权利要求5所述的海上风力发电装置的支撑柱，其特征在于，各所述桩体(10,20,30)包括至少两个所述张拉孔(3)，各所述张拉孔(3)关于所述主体(1)的中心轴线对称。

9.一种支撑柱的安装方法，其特征在于，运用于权利要求5-8中任一项所述的海上风力发电装置的支撑柱，包括如下步骤：

将其中一段所述桩体进行沉桩固定并使得所述桩体顶端的连接件露出海面；

基于各所述桩体上的连接件依次安装其余各所述桩体，调整各所述桩体以使任意两相邻所述桩体的张拉孔正相对设置，通过钢丝绳依次串接各所述桩体的张拉孔以固定各所述桩体。

10.根据权利要求9所述的支撑柱的安装方法，其特征在于，通过利用钢丝绳连接所述桩体两端的所述连接件以便于移动或翻转所述桩体。

11.一种海上风力发电装置的承台，其特征在于，包括承重平台和至少三个如权利要求5-8中任一项所述的支撑柱(100)，所述支撑柱(100)用于支撑所述承重平台。

12.根据权利要求11所述的海上风力发电装置的承台，其特征在于，所述支撑柱(100)相对于海面按预设角度倾斜设置。

13.一种海上风力发电装置，其特征在于，包括风力发电机组(200)及权利要求5-8中任一项所述的支撑柱(100)或权利要求11-12中任一项所述的承台，所述风力发电机组(200)设于所述支撑柱(100)或所述承台上。