一种适用于海上风电塔筒结构的连接节点的制作方法

1.本实用新型涉及风电塔筒结构工程技术领域，具体涉及一种适用于海上风电塔筒结构的连接节点。


背景技术：

2.从2019年起，新增的集中式陆上风电和海上风电均通过竞争方式确定上网电价，预示着标杆电价的时代即将过去，对风电机组的后评估要求更高。竞价时代，发电量和性能显得尤为重要，而风电机组大型化、海上风电所面临的恶劣环境，也对机组零部件的可靠性提出了更高要求。风电塔筒在风力发电机组中主要起支撑作用，同时吸收机组震动，法兰节点作为风电塔筒结构重要连接部件，随着风电机组单机容量逐渐增加，意味着机组宽度、高度及重量随之加大，导致对塔筒的要求不断提高，从而对于法兰节点的可靠性以及力学性能的要求也越来越高，因为只有保证塔筒足够的可靠性以及优良的力学性能才能保证风力发电机组在设计寿命内安全平稳运行。
3.目前，国内风电机组使用的法兰节点多采用传统设计的l型厚法兰或者反向平衡法兰。传统设计的l型厚法兰存在体积庞大，生产条件不足，主要依靠进口，并且传统法兰只能通过增加法兰板厚度来增加刚强度，以满足风电行业发展趋势对法兰系统更好的可靠性及更高的力学性能要求，而增加法兰板厚度也增加了材料成本及加工成本，不利于风电行业的长远发展，过厚的大尺寸传统法兰又容易出现横向撕裂的问题，在施工中也不利于螺栓拧紧，容易引发螺栓断裂的安全隐患，使得整个结构的安全度不能得到保证；反向平衡法兰我国拥有自主知识产权，完全国产化的新型法兰，因为其生产加工成本低、周期短，所以该项技术作为大直径钢管结构新的连接形式在风力发电领域得到应用。但由于反向平衡法兰对于施工要求的精度高、施工难度大且不易维修与刚度较大，成为制约其发展的重要因素。
4.因此，有必要研发一种能解决上述问题的连接节点。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的是提供一种采用多重预应力、多重节点抗力机制，具有优良的抗疲劳特性、施工便利、装配化程度好、极限承载力高且可监测在风、浪等疲劳荷载作用下海上风电机组塔筒连接处的应力应变情况的海上风电塔筒结构的连接节点。
6.为实现本实用新型目的而采用的技术方案是这样的，一种适用于海上风电塔筒结构的连接节点，包括上节点、下节点和若干预应力索。
7.所述上节点包括筒节段ⅰ和扇形内衬ⅰ。
8.所述筒节段ⅰ为内部中空且上下端敞口的圆台结构，筒节段ⅰ的内部空腔呈圆台状，筒节段ⅰ的侧壁上设置有若干螺栓孔。
9.所述筒节段ⅰ的内壁上设置有内法兰板ⅰ，内法兰板ⅰ的下表面与筒节段ⅰ的下表面齐平。所述内法兰板ⅰ呈圆环状，内法兰板ⅰ上设置有若干螺栓孔。
10.所述扇形内衬ⅰ为弧形筒体结构，扇形内衬ⅰ的外弧面设置有与筒节段ⅰ内壁相匹配的楔形截面，扇形内衬ⅰ的侧壁上设置有若干螺栓孔。
11.所述扇形内衬ⅰ的内壁上设置有外法兰板ⅰ，外法兰板ⅰ的上表面与扇形内衬ⅰ的上表面齐平，外法兰板ⅰ呈扇环状，外法兰板ⅰ上设置有若干供预应力索穿过的通孔。
12.若干所述扇形内衬ⅰ安装到筒节段ⅰ内，扇形内衬ⅰ的楔形截面与筒节段ⅰ的内壁贴合形成楔形摩擦副，扇形内衬ⅰ的下表面与内法兰板ⅰ的上表面接触，扇形内衬ⅰ的上表面与筒节段ⅰ的上表面齐平。
13.若干高强螺栓穿过所述筒节段ⅰ和扇形内衬ⅰ上的螺栓孔，每个高强螺栓旋入螺母。
14.所述下节点包括筒节段ⅱ和扇形内衬ⅱ。
15.所述筒节段ⅱ为内部中空且上下端敞口的圆台结构，筒节段ⅱ上端的外径与筒节段ⅰ下端的外径相等。所述筒节段ⅱ的内部空腔呈倒置圆台状，筒节段ⅱ的侧壁上设置有若干螺栓孔。
16.所述筒节段ⅱ的内壁上设置有内法兰板ⅱ，内法兰板ⅱ的上表面与筒节段ⅱ的上表面齐平。所述内法兰板ⅱ呈圆环状，内法兰板ⅱ上设置有若干螺栓孔。
17.所述扇形内衬ⅱ为弧形筒体结构，扇形内衬ⅱ的外弧面设置有与筒节段ⅱ内壁相匹配的楔形截面，扇形内衬ⅱ的侧壁上设置有若干螺栓孔。
18.所述扇形内衬ⅱ的内壁上设置有外法兰板ⅱ，外法兰板ⅱ的下表面与扇形内衬ⅱ的下表面齐平，外法兰板ⅱ呈扇环状，外法兰板ⅱ上设置有若干供预应力索穿过的通孔。
19.若干所述扇形内衬ⅱ安装到筒节段ⅱ内，扇形内衬ⅱ的楔形截面与筒节段ⅱ的内壁贴合形成楔形摩擦副，扇形内衬ⅱ的上表面与内法兰板ⅱ的下表面接触，扇形内衬ⅱ的下表面与筒节段ⅱ的下表面齐平。
20.若干高强螺栓穿过所述筒节段ⅱ和扇形内衬ⅱ上的螺栓孔，每个高强螺栓旋入螺母。
21.所述上节点安装到下节点的上端面上，内法兰板ⅰ与内法兰板ⅱ贴合，若干高强螺栓穿过内法兰板ⅰ与内法兰板ⅱ上的螺栓孔，每个高强螺栓ⅱ旋入螺母形成第一道法兰连接。若干所述预应力索穿过外法兰板ⅰ和外法兰板ⅱ上的通孔并锚固，形成第二道法兰连接。
22.进一步，所述筒节段ⅰ的下表面、内法兰板ⅰ的下表面、筒节段ⅱ的上表面以及内法兰板ⅱ的上表面经铣平处理。
23.进一步，所述预应力索上设置有应力监测装置。
24.进一步，所述筒节段ⅰ的内壁上设置有环形槽ⅰ，环形槽ⅰ靠近内法兰板ⅰ。
25.所述扇形内衬ⅰ的楔形截面上设置有与环形槽ⅰ相匹配的弧形凸缘ⅰ，弧形凸缘ⅰ靠近扇形内衬ⅰ的下表面，弧形凸缘ⅰ嵌入环形槽ⅰ内。
26.进一步，所述筒节段ⅱ的内壁上设置有环形槽ⅱ，环形槽ⅱ靠近内法兰板ⅱ。
27.所述扇形内衬ⅱ的楔形截面上设置有与环形槽ⅱ相匹配的弧形凸缘ⅱ，弧形凸缘ⅱ靠近扇形内衬ⅱ的上表面，弧形凸缘ⅱ嵌入环形槽ⅱ内。
28.进一步，所述扇形内衬ⅰ和扇形内衬ⅱ的内壁上均设置有若干加劲板。
29.本实用新型的有益效果在于：
30.1.筒节段与扇形内衬间的楔形拼合面形成楔形摩擦副，不仅能减小筒节段与扇形内衬间的环向拉力，使筒节段与扇形内衬的接触面以受剪为主，并且剪力方向为楔形摩擦副产生的摩擦力方向相反(为环向拉力的一个分力)，从而显著减少所使用的高强螺栓的疲劳损伤，还能在筒节段与扇形内衬因受力发生相对变形时，提高横向布置的高强螺栓的被动螺栓紧力，从而提高了节点的刚度与耗能性；此外，高强预应力索进一步加强了筒节段与扇形内衬间的摩擦力，从而进一步有效的减小了在正常使用阶段的环向拉力，再一次提高了高强螺栓的抗疲劳性能；
31.2.本实用新型连接节点采用了多重预应力、多重节点抗力机制的形式，不仅具有优良的抗疲劳特性，适用于海上的严酷环境，而且有很强的支撑加固作用，简化了施工难度；同时，多重预应力、多重节点抗力机制的形式为施工精确度的掌握提供了多样化的施工顺序，使得现场实际施工有多样化的选择；不需要在工厂中将所有筒体加工好，形成巨大构件后再运向施工现场，可以只将存在法兰部分的塔筒在工厂加工好，并与其他筒体一同运向施工现场，通过竖向吊装由下向上施工，有益于运输，也更有益于筒体于筒体间的平整焊接，节约吊装现场为校正法兰形变而产生的材料成本和人工成本；
32.3.本实用新型采用的楔形拼合面与预应力锚索使得连接法兰以及塔架全部为柔性连接，不容易发生因风机的刚度突变进而导致风机频率的变化；并且大大减少了加劲板的个数，施工过程简单、精确；
33.4.对于预应力锚索的数据监测，可较直观的了解塔筒的受力情况，对于预防事故的发生起着十分重要的作用。
附图说明
34.图1为本实用新型的连接节点示意图；
35.图2为图1的a
‑
a剖视图；
36.图3为筒节段ⅰ示意图；
37.图4为扇形内衬ⅰ的第一示意图；
38.图5为扇形内衬ⅰ的第二示意图；
39.图6为上节点示意图；
40.图7为预应力索示意图；
41.图8为筒节段ⅱ示意图；
42.图9为扇形内衬ⅱ的第一示意图；
43.图10为扇形内衬ⅱ的第二示意图；
44.图11为下节点示意图；
45.图12为本实用新型节点在实际工程中的应用示意图。
46.图中：上节点1、筒节段ⅰ101、扇形内衬ⅰ102、外法兰板ⅰ1021、内法兰板ⅰ103、下节点2、筒节段ⅱ201、扇形内衬ⅱ202、外法兰板ⅱ2021、内法兰板ⅱ203、预应力索3、环形槽ⅰ4、弧形凸缘ⅰ5、应力监测装置6、环形槽ⅱ7、弧形凸缘ⅱ8和加劲板9。
具体实施方式
47.下面结合实施例对本实用新型作进一步说明，但不应该理解为本实用新型上述主
203的下表面接触，扇形内衬ⅱ202的下表面与筒节段ⅱ201的下表面齐平。若干所述扇形内衬ⅱ202可沿筒节段ⅱ201的周向紧密布置，也可根据设计需要间隔布置。
64.参见图8，所述筒节段ⅱ201的内壁上设置有环形槽ⅱ7，环形槽ⅱ7靠近内法兰板ⅱ203。参见图10，所述扇形内衬ⅱ202的楔形截面上设置有与环形槽ⅱ7相匹配的弧形凸缘ⅱ8，弧形凸缘ⅱ8靠近扇形内衬ⅱ202的上表面，弧形凸缘ⅱ8嵌入环形槽ⅱ7内。
65.若干高强螺栓穿过所述筒节段ⅱ201和扇形内衬ⅱ202上的螺栓孔，每个高强螺栓旋入螺母。所述扇形内衬ⅰ102和扇形内衬ⅱ202的内壁上均设置有若干加劲板9。
66.组装时，先将所述筒节段ⅰ101的下表面、内法兰板ⅰ103的下表面、筒节段ⅱ201的上表面以及内法兰板ⅱ203的上表面进行铣平处理。再将所述上节点1安装到下节点2的上端面上，内法兰板ⅰ103与内法兰板ⅱ203贴合，若干高强螺栓穿过内法兰板ⅰ103与内法兰板ⅱ203上的螺栓孔，每个高强螺栓ⅱ旋入螺母形成第一道法兰连接。若干所述预应力索3穿过外法兰板ⅰ1021和外法兰板ⅱ2021上的通孔并锚固，形成第二道法兰连接，高强螺栓与预应力索3错位布置。
67.参见图2，所述预应力索3上设置有应力监测装置6，所述应力监测装置6可以为应变片或拉力监测仪等，可实时监测预应力索3的应力，有利于使用阶段的运维、检修。
68.本实施例公开的连接节点应用于海上风电塔筒时，需先将所述连接节点运输至塔筒加工工厂；再拆除连接所述上节点1和下节点2的高强螺栓和预应力索3；将所述上节点1和下节点2分别焊接到对应的塔筒筒体上，其中，所述筒节段ⅰ101外壁、筒节段ⅱ201外壁和塔筒外壁的倾斜度一致，筒节段ⅰ101上端的外径与所焊接的塔筒外径一致，筒节段ⅱ201下端的外径与所焊接的塔筒外径一致；之后将上节点1、下节点2以及对应连接的塔筒筒体运输至安装地点；再将所述上节点1和下节点2吊装对齐，采用若干预应力索3将上节点1和下节点2预连接并纠偏，待上节点1和下节点2完全对齐后，使用若干高强螺栓将上节点1和下节点2进一步连接；待所有所述高强螺栓与预应力索3连接完成后，最后对预应力索3施加预应力，完成施工。
69.参见图12，为所述连接节点在实际工程中的应用示意图，其中椭圆圈出的部分即为该连接节点。
70.值得说明的是，本实施例所述的海上风电塔筒结构的连接节点，由于采用了多重预应力、多重节点抗力机制的形式，使得本身不仅具有优良的抗疲劳特性，适用于海上的严酷环境，而且本实用新型由于构造的特点使得其自身就有很强的支撑加固作用，简化了施工难度；多重预应力、多重节点抗力机制的形式为施工精确度的掌握提供了多样化的施工顺序，使得现场实际施工有拉了多样化的选择；不需要在工厂中将所有筒体加工好，形成巨大构件后再运向施工现场，可以只将存在法兰部分的塔筒在工厂加工好，并与其他筒体一同运向施工现场，通过竖向吊装由下向上施工，有益于运输，也更有益于筒体于筒体间的平整焊接，节约吊装现场为校正法兰形变而产生的材料成本和人工成本，给企业带来效益。此外，含有楔形筒壁的筒节段与由扇形内衬组成的法兰环间的楔形拼合面形成楔形摩擦副不仅能减小筒节段与扇形内衬间的环向拉力，使筒节段与扇形内衬间的接触面以受剪为主，并且剪力方向为楔形摩擦副产生的摩擦力方向相反，从而显著减少所使用的高强螺栓的疲劳损伤，还能在筒节段与扇形内衬因受力发生相对变形时提高横向布置的高强螺栓的被动螺栓紧力，从而提高了节点的刚度与耗能性。可布置监测装置的高强预应力索在施加预应
力后进一步加强了筒节段与扇形内衬之间产生的楔形摩擦副的摩擦力，从而进一步有效的减小了在正常使用阶段的环向拉力，再一次提高了高强螺栓的抗疲劳性能，最终真正形成多重预应力、多重节点抗力机制的形式，从而使得本实用新型具有优良的抗疲劳特性，适用于海上的严酷环境；便于对接且不易发生变形，有利于现场施工时的实际操作；在使用阶段可以有效的监测受力情况，为更换螺栓、预应力索提供超前的预警值，并且本实用新型形式可以有效的降低运维过程中的加固成本。同时，本实用新型的加劲板位于法兰板与塔筒之间，较传统设计的l型厚法兰来说，采用通过增高加劲板高度来增加螺栓长度，法兰厚度不变，方便螺栓预紧力的施加，保证塔筒抗弯刚度；较反向平衡法兰来说，本专利采用的楔形拼合面与预应力锚索使得连接法兰以及塔架全部为柔性连接，不容易发生因风机的刚度突变进而导致风机频率的变化。并且大大减少了加劲板的个数，采用的多重预应力、多重节点抗力机制的形式不像反向平衡法兰的施工，需要非常精确。最后，对于预应力锚索的数据监测，可较直观的了解塔筒的受力情况，对于预防事故的发生起着十分重要的作用。而且由于本专利对于螺栓的位置设计也使得在运维、修理的过程中可实现某些零部件的更换特别与智慧化工程时代的要求相契合。
71.实施例2：
72.参见图1，本实施例公开了一种适用于海上风电塔筒结构的连接节点，包括上节点1、下节点2和若干预应力索3。
73.参见图6，所述上节点1包括筒节段ⅰ101和扇形内衬ⅰ102。
74.所述筒节段ⅰ101为内部中空且上下端敞口的圆台结构，筒节段ⅰ101的内部空腔呈圆台状，筒节段ⅰ101的侧壁上设置有若干螺栓孔。
75.参见图3，所述筒节段ⅰ101的内壁上设置有内法兰板ⅰ103，内法兰板ⅰ103的下表面与筒节段ⅰ101的下表面齐平。所述内法兰板ⅰ103呈圆环状，内法兰板ⅰ103上设置有若干螺栓孔。
76.参见图4或5，所述扇形内衬ⅰ102为弧形筒体结构，扇形内衬ⅰ102的外弧面设置有与筒节段ⅰ101内壁相匹配的楔形截面，扇形内衬ⅰ102的侧壁上设置有若干螺栓孔。
77.所述扇形内衬ⅰ102的内壁上设置有外法兰板ⅰ1021，外法兰板ⅰ1021的上表面与扇形内衬ⅰ102的上表面齐平，外法兰板ⅰ1021呈扇环状，外法兰板ⅰ1021上设置有若干供预应力索3穿过的通孔。参见图7，为所述预应力索3的示意图。
78.参见图6，若干所述扇形内衬ⅰ102安装到筒节段ⅰ101内，扇形内衬ⅰ102的楔形截面与筒节段ⅰ101的内壁贴合形成楔形摩擦副，扇形内衬ⅰ102的下表面与内法兰板ⅰ103的上表面接触，扇形内衬ⅰ102的上表面与筒节段ⅰ101的上表面齐平。
79.若干高强螺栓穿过所述筒节段ⅰ101和扇形内衬ⅰ102上的螺栓孔，每个高强螺栓旋入螺母。
80.参见图11，所述下节点2包括筒节段ⅱ201和扇形内衬ⅱ202。
81.参见图8，所述筒节段ⅱ201为内部中空且上下端敞口的圆台结构，筒节段ⅱ201上端的外径与筒节段ⅰ101下端的外径相等。所述筒节段ⅱ201的内部空腔呈倒置圆台状，筒节段ⅱ201的侧壁上设置有若干螺栓孔。
82.所述筒节段ⅱ201的内壁上设置有内法兰板ⅱ203，内法兰板ⅱ203的上表面与筒节段ⅱ201的上表面齐平。所述内法兰板ⅱ203呈圆环状，内法兰板ⅱ203上设置有若干螺栓
孔。
83.参见图9或10，所述扇形内衬ⅱ202为弧形筒体结构，扇形内衬ⅱ202的外弧面设置有与筒节段ⅱ201内壁相匹配的楔形截面，扇形内衬ⅱ202的侧壁上设置有若干螺栓孔。
84.所述扇形内衬ⅱ202的内壁上设置有外法兰板ⅱ2021，外法兰板ⅱ2021的下表面与扇形内衬ⅱ202的下表面齐平，外法兰板ⅱ2021呈扇环状，外法兰板ⅱ2021上设置有若干供预应力索3穿过的通孔。
85.参见图11，若干所述扇形内衬ⅱ202安装到筒节段ⅱ201内，扇形内衬ⅱ202的楔形截面与筒节段ⅱ201的内壁贴合形成楔形摩擦副，扇形内衬ⅱ202的上表面与内法兰板ⅱ203的下表面接触，扇形内衬ⅱ202的下表面与筒节段ⅱ201的下表面齐平。
86.若干高强螺栓穿过所述筒节段ⅱ201和扇形内衬ⅱ202上的螺栓孔，每个高强螺栓旋入螺母。
87.参见图2，所述上节点1安装到下节点2的上端面上，内法兰板ⅰ103与内法兰板ⅱ203贴合，若干高强螺栓穿过内法兰板ⅰ103与内法兰板ⅱ203上的螺栓孔，每个高强螺栓ⅱ旋入螺母形成第一道法兰连接。若干所述预应力索3穿过外法兰板ⅰ1021和外法兰板ⅱ2021上的通孔并锚固，形成第二道法兰连接。
88.实施例3：
89.本实施例主要结构同实施例2，进一步，所述筒节段ⅰ101的下表面、内法兰板ⅰ103的下表面、筒节段ⅱ201的上表面以及内法兰板ⅱ203的上表面经铣平处理。
90.实施例4：
91.本实施例主要结构同实施例3，进一步，参见图2，所述预应力索3上设置有应力监测装置6。
92.实施例5：
93.本实施例主要结构同实施例4，进一步，参见图3，所述筒节段ⅰ101的内壁上设置有环形槽ⅰ4，环形槽ⅰ4靠近内法兰板ⅰ103。
94.参见图5，所述扇形内衬ⅰ102的楔形截面上设置有与环形槽ⅰ4相匹配的弧形凸缘ⅰ5，弧形凸缘ⅰ5靠近扇形内衬ⅰ102的下表面，弧形凸缘ⅰ5嵌入环形槽ⅰ4内。
95.实施例6：
96.本实施例主要结构同实施例5，进一步，参见图8，所述筒节段ⅱ201的内壁上设置有环形槽ⅱ7，环形槽ⅱ7靠近内法兰板ⅱ203。
97.参见图10，所述扇形内衬ⅱ202的楔形截面上设置有与环形槽ⅱ7相匹配的弧形凸缘ⅱ8，弧形凸缘ⅱ8靠近扇形内衬ⅱ202的上表面，弧形凸缘ⅱ8嵌入环形槽ⅱ7内。
98.实施例7：
99.本实施例主要结构同实施例6，进一步，参见图2，所述扇形内衬ⅰ102和扇形内衬ⅱ202的内壁上均设置有若干加劲板9。