CN109185386A - 一种应用于高耸塔架分段式筒身和筒身连接的摇摆减震装置 - Google Patents

一种应用于高耸塔架分段式筒身和筒身连接的摇摆减震装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种应用于高耸塔架的分段式筒身和筒身连接的摇摆减震装置，所述风力发电塔架由多段塔架筒身(4)通过法兰接头(3)连接而成，筒身和筒身连接处形成筒身连接单元，所述筒身连接单元包括上段筒身(11)、与所述上段筒身(11)一体连接的上段筒身连接法兰(12)、下段筒身(16)、与所述下段筒身(16)一体连接的下段筒身连接法兰(17)；地震时所述摇摆减震装置能够使得分段式筒身和筒身之间的预紧界面发生分离产生摇摆运动。本发明提供的摇摆减震装置简单高效，结构新颖，安装简单，便于维护，安全可靠，可以有效提高诸如风力发电塔架等高耸塔架的抗震能力。

Description

一种应用于高耸塔架分段式筒身和筒身连接的摇摆减震装置
技术领域
本发明涉及一种高耸塔架筒身连接的摇摆减震装置，具体涉及一种应用于高耸塔架分段式筒身和筒身连接的摇摆减震装置。
背景技术
风力发电作为清洁的可再生能源，具有显著的社会和环保效益，对于推动我国可再生能源发展有着重要意义，国家支持和鼓励对风电的开发。我国风力资源丰富，据国家气象局统计，我国全国风能密度约为100W/m2，风能资源储量约为1.6x105MW，开发潜力巨大。与此同时，我国也是地震多发的国家。从附图1中国有效风功率密度分布图和附图2中国地震动峰值加速度区划图的对比可以看出，我国青海、山东、东北和东南沿海等许多地区既蕴含着丰富的风能，也面临着较高的地震危险性。如何减轻地震作用对风电机组可能造成的损坏，是在我国相关地区发展风能必须面对的问题。
风力发电机组是将风能转化为电能的设备，主要包括三叶片、轮毂、机舱和钢塔架，属于一种高耸结构；在风电机组中，风电机组塔架用于连接风电机组机舱和地基基础，是风机的主要承载部件，承担风力发电机运行时的水平力、竖向力和弯矩。由塔架和基础构成的底部固支悬臂结构体系将风力发电机支撑于60～100m的高空以获取充足稳定的风能，是风机安全运行的基础。根据结构形式的不同，塔架主要分为锥台型塔筒和格构式塔架两种。
锥台型塔筒是目前大型风机市场中应用典型的结构形式，从外观上看，由若干段长20-30m的锥筒通过法兰连接而成，由底向上直径逐渐减少，整体呈圆台状，因此也称此类塔架为圆台式塔架。格构式塔架与输电塔架外观相似，在早期小型风机中大量使用，在大型风机中逐渐被锥台型塔架替代。
随着越来越多的风机塔架在地震活跃地区兴建，地震作用可能成为风机塔架结构的控制荷载之一，相比于风荷载、波浪荷载，地震作用对风机塔架等长周期的高耸结构的破坏更加严重；而且，随着风机塔架结构的大型化发展，长细比增大、刚度减小、自振频率降低，总体结构变得柔性化，地震作用带来的危害更加不可忽视。在地震作用下塔架的分段式筒身和筒身的连接部位和其上的某些机舱构件会产生疲劳破坏，从而导致塔架材料的强度大大降低，缩短塔架使用寿命；因此，对风机塔架结构进行有效地减振控制十分必要。如何通过减震措施对风力发电塔架等类似的高耸塔架进行振动控制，有效降低风塔的动力响应，提高服役性能，延长疲劳寿命，是本发明亟需要解决的技术问题。
现有技术中关于高耸塔架分段式筒身和筒身连接的减震装置诸如中国专利CN202402220U，其技术方案是：塔筒由第一塔筒1、第二塔筒2和第三塔筒3组成，所述第一塔筒1、第二塔筒2连接处设有第一橡胶圈7，第二塔筒2、第三塔筒3连接处设有第二橡胶圈8。再诸如中国专利申请CN104747385A，其技术方案是：所述装置包括过渡段1、连接环4、橡胶层5、钢板层6和高强螺栓7，叠层环形橡胶部分由环形橡胶层5和环形钢板层6交替叠加而成，通过硫化作用使得二者紧密相连。
上述专利均直接在分段式筒身和筒身之间设置减震垫，地震时减震垫的减震效果有限，减震垫也缺乏摇摆机制，无法通过往复摇摆运动相伴随的局部碰撞，耗散地震输入能量，其减小塔架上部结构的地震反应、保证上部结构安全的能力也有限。
此外，中国专利CN206600242U中还涉及一种连接风力发电机20和立柱12的减震器，可以满足风力发电机20安装以及运行过程中的减震要求，满足居民楼房上设置风力发电机的要求，该减震器包括上端盖1、下凸台9和蜂窝减震套3，所述上端盖1和所述下凸台9通过螺栓4连接在一起，所述上端盖1和下凸台9之间设置金属橡胶减震垫8，所述上端盖1的下端部设置上法兰盘，所述下凸台9的上部设置有下法兰盘，所述上法兰盘和所述下法兰盘通过所述螺栓4连接在一起，所述螺栓4的上部设置金属压环7，所述螺栓4外还套设有金属橡胶套5，所述金属橡胶套5夹在所述金属压环7和所述上法兰盘之间；该技术方案虽然在螺栓上部和上法兰盘之间设置金属压环7和金属橡胶套5形成的隔振装置，但是该减震方案并非针对地震，而是针对普通振动，也非针对地震中塔架分段式筒身和筒身连接的减震，是用以连接风力发电机20和立柱12以满足风力发电机安装以及运行过程中的减震要求且减小房屋所受振动强度，满足在居民楼房上设置风力发电机的要求。而且该减震方案也无摇摆机制，金属压环7和金属橡胶套5形成的隔振装置并非变刚度单元，该减震方案无法通过往复摇摆运动相伴随的局部碰撞，耗散地震输入能量，地震时该方案减小塔架上部结构的地震反应、保证上部结构安全的能力也有限。
发明内容
针对现有风力发电塔架分段式筒身和筒身连接减震装置所存在的各种缺陷，本发明的目的在于提供一种结构新颖，安装简单，便于维护，安全可靠，可以有效提高诸如风力发电塔架等高耸塔架抗震能力的装置。
本发明的技术方案如下：
一种应用于高耸塔架的分段式筒身和筒身连接的摇摆减震装置，所述风力发电塔架由多段塔架筒身4通过法兰接头3连接而成，筒身和筒身连接处形成筒身连接单元，所述筒身连接单元包括上段筒身11、与所述上段筒身11一体连接的上段筒身连接法兰12、下段筒身16、与所述下段筒身16一体连接的下段筒身连接法兰17；所述摇摆减震装置由用于锚固在塔架上段筒身连接法兰12与下段筒身连接法兰17之间的若干变刚度单元构成；所述变刚度单元包括预紧的高强螺栓8、螺母9和隔震装置10；所述上段筒身连接法兰12的圆周均匀开设有供预紧的高强螺栓8穿过的若干第一通孔13，相应地，所述下段筒身连接法兰17的圆周也均匀开设有若干供预紧的高强螺栓8穿过的第二通孔14，隔震装置10中部也开设可供预紧的高强螺栓8穿过的第三通孔15，当分段式筒身和筒身连接锚固时，若干第一通孔13、第二通孔14、第三通孔15形成对接孔供预紧的高强螺栓8穿过，所述隔震装置10被压紧锚固于上段筒身连接法兰12/下段筒身连接法兰17和螺母9之间；所述隔震装置10为蝶型弹簧组或普通压簧组；地震时所述摇摆减震装置能够使得分段式筒身和筒身之间的预紧界面发生分离产生摇摆运动。
优选地，所述碟型弹簧组或普通压簧组中的弹簧可以并联/串联设置。
优选地，所述高耸塔架可以为风力发电塔架、单管式通讯塔架或单管式输电线塔架。
优选地，当所述上段筒身连接法兰12和下段筒身连接法兰17连接时，若干第一通孔13、第二通孔14、第三通孔15形成的所述对接孔供预紧的高强螺栓8穿过，螺母9将隔震装置10压紧锚固于上段筒身连接法兰12/下段筒身连接法兰17与螺母9之间。
优选地，所述隔震装置10位于所述上段筒身连接法兰12和所述下段筒身连接法兰17连接界面的单侧或两侧。
一种采用本发明的摇摆减震装置连接的高耸塔架分段式筒身和筒身的锚固部分，包括所述摇摆减震装置和筒身连接单元；所述摇摆减震装置设置在筒身连接单元中。
本发明与现有技术相比，优点在于：
1本发明以风力发电塔架分段式筒身和筒身连接的减震结构为引申，在类似高耸塔架分段式筒身和筒身连接处设计结构独特的摇摆减震装置，起到摇摆减震作用，填补了国内高耸塔架分段式筒身和筒身摇摆抗震的设计空白。
2本发明的摇摆减震装置通过多个均匀布置的变刚度单元实现刚度的多级变化，以满足高耸塔架在不同外力作用状态下的性能需求。在正常使用状态下，摇摆减震装置具有与传统连接相同的刚度，保证高耸塔架的正常工作；在设防地震或更加强烈的地震作用下，摇摆减震装置中受拉侧的变刚度单元的预紧界面发生分离，刚度显著降低，从而使塔架发生的一侧压紧、另一侧抬起的摇摆运动，如附图7所示。
3在设防地震或更加强烈的地震作用下，一方面，塔架的自振周期得以延长，从而避开地震地面运动的卓越周期，减小地震能量输入；另一方面通过与往复摇摆运动相伴随的局部碰撞，耗散地震输入能量，可进一步减小塔架上部结构的地震反应，从而保证上部结构的安全。
4本发明的变刚度单元包括预紧的高强螺栓、螺母和隔震装置；所述隔震装置设置于上/下段筒身连接法兰和螺母之间，所述隔震装置可以为蝶形弹簧组或普通压簧组，通过蝶形弹簧组或普通压簧组实现摇摆减震，本发明结构新颖，安装简单，便于维护，安全可靠。
5本发明可以根据抗震设计所需，合理设计碟型弹簧组或普通压簧组中弹簧的数量，而且碟型弹簧组或普通压簧组可位于上/下段筒身连接法兰的连接界面的单侧或两侧；碟型弹簧组或普通压簧组中的弹簧可以并联设置，也可以串联设置，使得使用更加灵活高效。
附图说明
图1中国有效风功率密度分布图；
图2中国地震动峰值加速度区划图；
图3风力发电塔架与基础连接锚固部分示意图；
图4摇摆减震装置的变刚度单元剖面图；
图5摇摆减震装置的变刚度单元俯视图；
图6筒身摇摆减震装置示意图；
图7地震作用下塔架发生摇摆运动示意图；
图8摇摆减震装置变刚度单元受拉行为示意图。
附图标记说明：发电机舱1、叶片2、法兰接头3、塔架筒身4、基座5、地面6、基础7、高强螺栓8、螺母9、隔震装置10、上段筒身11、上段筒身连接法兰12、第一通孔13、第二通孔14、第三通孔15、下段筒身16、下段筒身连接法兰17、受压侧高强螺栓18、受拉侧高强螺栓19、受拉侧基座抬起距离S、传统高强螺栓连接受拉曲线a、变刚度单元受拉曲线b、预紧界面分离点c、弹簧组压紧点d、高强螺栓屈服点e、正常使用极限状态点f、设防地震作用性能点g、罕遇地震作用性能点h。
具体实施方式
下面结合具体实施例来对本发明进行进一步说明，但并不将本发明局限于这些具体实施方式。本领域技术人员应该认识到，本发明涵盖了权利要求书范围内所可能包括的所有备选方案、改进方案和等效方案。
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：
如附图3所示，为一个典型的风力发电塔架和基础连接锚固部分示意图，所述风力发电塔架由多段塔架筒身4通过法兰接头3连接而成，所述风力发电塔架上端连接发电机舱1和叶片2组成的风力发电机组；所述风力发电塔架下端为基座5，所述基座5通过钢制的基础环或锚栓结构连接位于地面6以下的钢筋混凝土基础7。
通过在附图3所示的风力发电塔架分段式筒身和筒身连接界面设置本发明的摇摆减震装置，可以允许塔架分段式筒身和筒身之间在强烈地震作用下发生往复摇摆运动，达到减震的目的。所述摇摆减震装置设置于塔架分段式筒身和筒身之间。
如附图3、4、5、6所示，所述风力发电塔架由多段塔架筒身4通过法兰接头3连接而成，筒身和筒身连接处形成一个筒身连接单元，所述筒身连接单元包括上段筒身11、与所述上段筒身11一体连接的上段筒身连接法兰12、下段筒身16、与所述下段筒身16一体连接的下段筒身连接法兰17。
所述摇摆减震装置由用于锚固在塔架上段筒身连接法兰12与下段筒身连接法兰17之间的若干变刚度单元构成；所述变刚度单元包括预紧的高强螺栓8、螺母9和隔震装置10，所述隔震装置10可以为蝶形弹簧组或普通压簧组；所述上段筒身连接法兰12的圆周均匀开设有供预紧的高强螺栓8穿过的若干第一通孔13，相应地，所述下段筒身连接法兰17的圆周也均匀开设有若干供预紧的高强螺栓8穿过的第二通孔14，隔震装置10中部也开设可供预紧的高强螺栓8穿过的第三通孔15，所述隔震装置10设置于上段筒身连接法兰12/下段筒身连接法兰17和螺母9之间。当所述上段筒身连接法兰12和下段筒身连接法兰17连接时，若干第一通孔13、第二通孔14、第三通孔15形成对接孔供预紧的高强螺栓8穿过，最后用螺母9将隔震装置10卡紧锚固于上段筒身连接法兰12/下段筒身连接法兰17与螺母9之间。
需要说明的是，根据抗震设计所需，技术人员可以合理设计碟型弹簧组或普通压簧组中弹簧的数量，碟型弹簧组或普通压簧组可位于所述上段筒身连接法兰12和所述下段筒身连接法兰17连接界面的单侧未图示，也可位于所述上段筒身连接法兰12和所述下段筒身连接法兰17连接界面的两侧如附图4所示。此外，根据抗震设计所需、以及预紧力和摇摆位移的大小，碟型弹簧组或普通压簧组中的弹簧可以并联设置，也可以串联设置。
如附图6所示，为本发明的摇摆减震装置应用于高耸塔架分段式筒身和筒身连接锚固的示意图：一种采用摇摆减震装置连接的高耸塔架分段式筒身和筒身连接锚固部分，包括摇摆减震装置和筒身连接单元；所述筒身连接单元包括上段筒身11、与所述上段筒身11一体连接的上段筒身连接法兰12、下段筒身16、与所述下段筒身16一体连接的下段筒身连接法兰17；所述摇摆减震装置设置在所述上段筒身连接法兰12和所述下段筒身连接法兰17之间；其中，所述摇摆减震装置包括若干变刚度单元；上段筒身连接法兰12沿圆周均匀布置有若干第一通孔13，相应地，下段筒身连接法兰17也沿圆周均匀布置有若干第二通孔14，当所述上段筒身连接法兰12和所述下段筒身连接法兰17上下对接锚固时，若干所述变刚度单元均匀布置在第一通孔13和第二通孔14形成的对接孔内。
本发明的摇摆减震装置通过多个均匀布置的变刚度单元实现刚度的多级变化，以满足风力发电塔架在不同外力作用状态下的性能需求。在正常使用状态下，摇摆减震装置具有与传统连接相同的刚度，保证风力发电塔架的正常工作；在设防地震或更加强烈的地震作用下，如附图7所示，摇摆减震装置中受拉侧的变刚度单元的预紧界面发生分离参见受拉侧高强螺栓19，刚度显著降低，从而使塔架发生的一侧压紧参见受压侧高强螺栓18、另一侧抬起参见受拉侧基座抬起距离S的摇摆运动。在此状态下，一方面，塔架的自振周期得以延长，从而避开地震地面运动的卓越周期，减小地震能量输入；另一方面通过与往复摇摆运动相伴随的局部碰撞，耗散地震输入能量，可进一步减小塔架上部结构的地震反应，从而保证上部结构的安全。
如附图8所示，为本发明摇摆减震装置变刚度单元受拉行为示意图，参照此图，对本发明的机理阐述如下：
曲线a为传统高强螺栓连接受拉曲线；曲线b为变刚度单元受拉曲线；当风力发电塔架处于正常使用状态时，摇摆减震装置受到的弯矩作用较小时，受拉侧变刚单元受到的拉力小于其初始预紧力，连接界面处于压紧状态，变刚度单元具有很大的受拉刚度；当塔架在地震等短期侧力作用下超越正常使用极限状态点f时，变刚度单元受到的拉力大于其初始预紧力，参见预紧界面分离点c，连接界面此时发生分离，变刚度单元的受拉刚度显著下降，并在较大的变形范围内表现出线性行为参见设防地震作用性能点g。如果外部作用进一步加大参见罕遇地震作用性能点h，蝶型弹簧组或普通压簧组被完全压紧参见弹簧组压紧点d，变刚度单元的受拉刚度会有显著增大，直至高强螺栓受拉屈服参见高强螺栓屈服点e。与传统的高强螺栓连接相比，变刚度单元显著提高了连接处的变形能力，推迟了高强螺栓的屈服。
应当理解的是，本发明描述的方法的步骤仅仅是示例性的描述，对其先后进行的时间顺序没有特殊的要求，除非其本身有必然的先后顺序关系。
如上所示，本发明虽然已参照有限的实施例和附图进行了说明，但在本发明所属领域中具备通常知识的人均可以从此记载中进行各种修改和变形。由此，其他实施例及权利要求书与等同物均属于权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种应用于高耸塔架的分段式筒身和筒身连接的摇摆减震装置，其特征在于，所述高耸塔架由多段塔架筒身(4)通过法兰接头(3)连接而成，筒身和筒身连接处形成筒身连接单元，所述筒身连接单元包括上段筒身(11)、与所述上段筒身(11)一体连接的上段筒身连接法兰(12)、下段筒身(16)、与所述下段筒身(16)一体连接的下段筒身连接法兰(17)；所述摇摆减震装置由用于锚固在塔架上段筒身连接法兰(12)与下段筒身连接法兰(17)之间的若干变刚度单元构成；所述变刚度单元包括预紧的高强螺栓(8)、螺母(9)和隔震装置(10)；所述上段筒身连接法兰(12)的圆周均匀开设有供预紧的高强螺栓(8)穿过的若干第一通孔(13)，相应地，所述下段筒身连接法兰(17)的圆周也均匀开设有若干供预紧的高强螺栓(8)穿过的第二通孔(14)，隔震装置(10)中部也开设可供预紧的高强螺栓(8)穿过的第三通孔(15)，当分段式筒身和筒身连接锚固时，若干第一通孔(13)、第二通孔(14)、第三通孔(15)形成对接孔供预紧的高强螺栓(8)穿过，所述隔震装置(10)被压紧锚固于上段筒身连接法兰(12)/下段筒身连接法兰(17)和螺母(9)之间；所述隔震装置(10)为蝶型弹簧组或普通压簧组；地震时所述摇摆减震装置能够使得分段式筒身和筒身之间的预紧界面发生分离产生摇摆运动。
2.根据权利要求1所述的摇摆减震装置，其特征在于：所述蝶型弹簧组或普通压簧组中的弹簧可以并联/串联设置。
3.根据权利要求1-2任一项所述的摇摆减震装置，其特征在于：所述高耸塔架可以为风力发电塔架、单管式通讯塔架或单管式输电线塔架。
4.根据权利要求1-3任一项所述的摇摆减震装置，其特征在于：当所述上段筒身连接法兰(12)和下段筒身连接法兰(17)连接时，若干第一通孔(13)、第二通孔(14)、第三通孔(15)形成的所述对接孔供预紧的高强螺栓(8)穿过，螺母(9)将隔震装置(10)压紧锚固于上段筒身连接法兰(12)/下段筒身连接法兰(17)与螺母(9)之间。
5.根据权利要求1-4任一项所述的摇摆减震装置，其特征在于：所述隔震装置(10)位于所述上段筒身连接法兰(12)和所述下段筒身连接法兰(17)连接界面的单侧或两侧。
6.一种采用权利要求1-5任意一项所述的摇摆减震装置连接的高耸塔架分段式筒身和筒身的锚固部分，包括所述摇摆减震装置和筒身连接单元；其特征在于，所述摇摆减震装置设置在筒身连接单元中。
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