一种水平轴风力发电机组自吊装置及其自吊方法与流程

1.本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种水平轴风力发电机组自吊装置及其自吊方法。


背景技术：

2.风电是可再生能源领域中最具大规模开发价值和商业化发展前景的发电方式，可利用的风能在全球范围内分布广泛、储量巨大。
3.风力发电机组利用叶片驱动叶轮转动，最终通过发电机将机械能转化为电能。伴随着机组的大型化，叶片长度不断增加，机组的容量以及需要承受的载荷不断提高，因此机舱的重量从风电刚开始发展的几十吨，已增加到现在的上百吨。陆地风电机组的机舱重量在不久的将来很可能突破两百吨，海上机组很容易便可达到五百吨以上。同时，由于垂直风剪切效应，高海拔处拥有更高的风速。因此，机组轮毂中心的高度逐渐的增加。目前轮毂中心高度超过100米已经成为了常规的配置，在不久的将来会很快提升至140米以上。传统的风电机组吊装方法是利用吊车将塔筒、机舱及叶轮吊起，未来这种吊装方法必将面临吊装高度和重量两个方面的巨大挑战，直接的解决办法是建造吊臂更长且吊装吨位更强的吊车，但对应的花费将大幅增加。一个陆地风电项目可能仅在吊装一项就花费数百万，这对风电项目的成本控制影响巨大。进一步的，未来的机组轮毂中心将会达到200米以上，建造吊臂超过200米的吊车在工程可实现性及经济性方面都不是最优选择。
4.cn 202545121 u，cn 211310597 u，cn 201395498 y以及cn 103303807 b都提出了自带吊车的技术方案，但这些方案仅适用于吊装完成的机组后期维护。
5.cn 101492143 b提出了一种吊装装置和吊装方法，但仅适用于机舱的吊装。
6.cn201660378 u提出垂直轴风电机组的塔吊装置，但不适合水平轴风电机组。
7.cn 112780496 a提出了一种可以自提升的塔筒以及提升塔筒的方案，该方案加大了位于下方整个筒节的外径，通过两端筒节的外径差制造了凸台作为提升装置的支撑点。该方案不能实现机舱及叶轮的自吊，同时增大整个筒节的外径会带来成本的增加。
8.cn 108533461 a提出了一种风电机组自提升吊装设备及其吊装方法。该方法利用抱紧闸瓦将吊装平台抱紧在塔筒外壁上作为提升装置的支撑。该发明提出的装置过于复杂，拆卸起来耗时长，同时依靠摩擦力提供支撑是一种非常不可靠的方案。此外，由于塔筒壁较薄，为了制造巨大摩擦力对塔筒外壁施加过大的压力可能会造成筒节形成局部压溃或屈曲。


技术实现要素：

9.有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种水平轴风力发电机组自吊装置及其自吊方法，以解决背景技术中的至少一个技术问题。
10.为达上述目的，第一方面提供一种水平轴风力发电机组自吊装置，其包括：主支腿、固定臂、顶盖、顶升支腿、起重臂、平移小车、卷扬机、起重吊钩、绳索以及滑轮；
所述固定臂与所述主支腿联接，所述主支腿的顶端与所述顶盖联接，所述顶升支腿和起重臂与所述顶盖联接，所述主支腿的数量不少于2个，所述固定臂和顶升支腿的长度能够被调节；所述起重臂设置有轨道，所述平移小车能够沿所述轨道在所述起重臂上水平移动；所述顶盖、所述平移小车和所述起重臂上安装有滑轮，所述绳索绕过这些所述滑轮联接所述起重吊钩与位于风力发电机组塔架底部的所述卷扬机。
11.第二方面，提供一种水平轴风力发电机组自吊装置的自吊方法，其包括如下步骤：s1、将第一段筒体通过吊车安装在风力发电机组的基础或塔架上；s2、将自吊装置的顶升支腿收起到最小长度，调节固定臂的长度，使固定臂与筒体支撑法兰面对接后将自吊装置固定；s3、将平移小车移动至下一段筒体上方，启动卷扬机，将起重吊钩放下；s4、用起重吊钩勾住下一段筒体，启动卷扬机，将下一段筒体吊起到接近平移小车的高度；s5、将平移小车移动至顶盖的近似正下方，同时也是上一段筒体的近似正上方，启动卷扬机，将起重吊钩放下；s6、将两段筒体通过螺栓联接，调节顶升支腿长度至与新近吊装的筒体顶端法兰面对接，将顶升支腿与筒体顶端法兰面通过螺栓联接；s7、调节固定臂长度至最小长度，解除固定臂与筒体的支撑法兰面的对接；s8、调节顶升支腿长度，顶起顶盖、起重臂、主支腿以及固定臂，当固定臂与新近吊装的筒体顶部的支撑法兰近似处于对接高度时停止，调节固定臂长度至固定臂与新近吊装的筒体的支撑法兰面对接；s9、拆除顶升支腿与筒体顶端法兰面的螺栓联接，调节顶升支腿长度至最小长度；s10、依照步骤s3至步骤 s9所述的步骤完成剩余筒体与机舱的吊装。
12.上述技术方案的有益效果包括：本发明实施例通过筒体突起的支撑法兰为自吊装置的主支腿提供支撑，利用起重臂、平移小车、起重吊钩、滑轮组和位于塔架底部的卷扬机完成机组塔架、机舱和叶轮的吊装，同时自吊装置能够在机组吊装的过程中自动提升高度。自吊装置易组装、易拆卸，机组的吊装无需使用常规大型吊车，大幅降低了项目建设成本，特别适合大容量、高塔架的风力发电机组。
附图说明
13.图1为本发明实施例的一种水平轴风力发电机组自吊装置的示意图；图2为本发明实施例的一种水平轴风力发电机组自吊装置提升示意图；图3为本发明实施例的一种水平轴风力发电机组自吊装置的局部示意图；图4为本发明实施例的一种水平轴风力发电机组塔架筒体的示意图；图5为本发明实施例的一种水平轴风力发电机组塔架筒体的剖视图；图6为本发明实施例的一种水平轴风力发电机组的两种塔架结构示意图；图7为本发明实施例的一种水平轴风力发电机组自吊装置拆卸后的示意图；
图8是本发明实施例的一种水平轴风力发电机组自吊装置的自吊方法的流程图第一部分；图9是本发明实施例的一种水平轴风力发电机组自吊装置的自吊方法的流程图第二部分。
14.附图标号说明：1、筒体；2、筒节；3、支撑法兰；4、联接法兰； 5、螺栓孔；6、主支腿；7、固定臂；8、拉杆；9、顶盖；10、顶升支腿；11、起重臂；12、平移小车；13、卷扬机；14、起重吊钩；15、绳索；16、滑轮；17、机舱；18、底座；19、下放吊钩；20、提升机；21、支架；22、风电机组的基础；23、桁架。
15.值得注意的是上述附图是用于说明本发明的特征，并非旨在展示任何实际结构或反映各种部件的尺寸，相对比例等等细节信息。为了更清楚的展示本发明的原理，并且为了避免不必要的细节使本发明的原理变得模糊，各图中示例已经经过简化处理。这些图示对于相关领域的技术人员在理解本发明时不会带来不便，而实际的水平轴风力发电机组塔架和自吊装置可以包括更多的部件。
具体实施方式
16.为使本发明实施例的目的、技术方案更加清楚，下面结合本发明实施例的相关附图，对本发明实施例进行完整的描述。本专利描述的仅是一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
17.如图1图3所示，一种水平轴风力发电机组自吊装置包括：主支腿6、固定臂7、顶盖9、顶升支腿10、起重臂11、平移小车12、卷扬机13、起重吊钩14、绳索15以及滑轮16。
18.固定臂7与主支腿6联接，主支腿6的顶端与顶盖9联接，顶升支腿10和起重臂11都与顶盖9联接。其中，主支腿6的数量不少于2个；主支腿6与顶盖9，顶升支腿10和起重臂11与顶盖9的联接是可拆卸的，可以通过相应的工装完成组装和拆卸工作。顶升支腿10的延伸方向是沿竖直方向，其数量可以是多个；起重臂11的延伸方向是沿水平方向；主支腿6的延伸方向（长度方向）是沿竖直方向。
19.顶盖9同时与多个零部件联接，是主要承受来自于筒体和机舱重力载荷的部件。顶盖9的外形与主支腿6的数量相关，在一些实施例中，为了达到稳定支撑的目的，主支腿6的数量可以是4个，顶盖9可以采用具有一定厚度的立方体型结构。主支腿6分别与顶盖9的4个角联接。顶盖9采用可拆分式设计，便于吊装完成后的拆卸与放下。
20.固定臂7和顶升支腿10的长度可以调节，在一些实施例中，可以通过液压系统实现长度的调节。固定臂7和顶升支腿10的液压系统可以设计为独立的，如液压站等设备分别设置在主支腿6及顶盖9上。
21.起重臂11设置有轨道，平移小车12能够沿轨道在起重臂11上水平移动。顶盖9、平移小车12和起重臂11上安装有滑轮16，绳索15绕过这些滑轮16联接起重吊钩14与位于风力发电机组塔架底部的卷扬机13。起重吊钩14与平移小车12不采用直接联接的方式，起重吊钩14位于平移小车12的下方。其中一种可能的方案是，绳索15一端固定在平移小车12上，另一端绕过起重吊钩14和多个滑轮16与卷扬机13联接；另一种可能的方案是：绳索15一端联接卷扬机13，绳索15的另一端联接起重吊钩14，中间绕过位于起重臂11、顶盖9和平移小车
12上的多个滑轮16。平移小车12对于起重吊钩14而言相当于是一个可以移动的滑轮。因此，上述两种方案都可以总结成：绳索15的一端联接卷扬机13，绳索15的另一端联接起重吊钩14，中间绕过位于起重臂11、顶盖9和平移小车12上的滑轮16。
22.如图4和图5所示，一种水平轴风力发电机组塔架中所包含的塔架包含至少1段筒体1。若包含多段筒体，相邻的两段筒体1通过螺栓联接，每段筒体1包含筒节2和两个法兰；筒节2的顶部和和支撑法兰3联接，筒节2的底部和联接法兰4联接。支撑法兰3的外径大于筒节2与该支撑法兰3联接处的外径，在筒体1的外侧制造出一圈平台，能够为主支腿6和固定臂7提供支撑点。联接法兰4的外径近似等于筒节2与该法兰联接处的外径，与常规筒节近似。联接法兰4和支撑法兰3的螺栓孔位置位于筒体1的内侧。
23.由于支撑法兰位于筒体1外侧的部分用来为主支腿6和固定臂7提供支撑，支撑法兰3的螺栓孔5位置只能位于筒体1的内侧。
24.在一些实施例中，自吊装置还包括长度调节部件，用于调节固定臂7的长度，使固定臂7与支撑法兰3对接。通过调节固定臂7长度，实现固定臂7与支撑法兰3的对接。每个主支腿6联接的固定臂7的数量有多个，通过这些多个固定臂7分别与支撑法兰3的多个面（例如顶面、侧面、底面）的对接来实现主支腿6的固定，主支腿6的数量不少于2个，这种配置为整个自吊装置提供可靠的支撑。
25.在一些实施例中，起重臂11可分为多段组装或拆卸，起重臂11与顶盖9之间设置有若干拉杆8或拉索联接。拉杆8或拉索一端与顶盖9联接，另一端与起重臂11联接，起重臂11的拉杆8或拉索联接点可以有多个，即拉杆8或拉索的一端可以固定在起重臂11的某一段上，而不是特定的一段上。
26.在一些实施例中，固定臂7，用于将主支腿6固定在筒体1的支撑法兰3上；主支腿6，用于支撑顶盖9；顶升支腿10的长度可以通过长度调节部件调节，用于顶起顶盖9及与顶盖9联接的主支腿6和起重臂11，使得自吊装置实现高度提升，顶升支腿10的最大长度近似与主支腿6长度相等；平移小车12，用于移动至被吊装部件和安装位置的上方；起重吊钩14，用于勾住被吊装部件，能够与平移小车12一起移动；卷扬机13，用于通过起重吊钩14和绳索15将被吊装部件从风力发电机组塔架底部吊起，或者将被吊装部件放下至塔架底部。其中，被吊装部件包括：风力发电机组塔架的筒体1、风力发电机组的机舱17、风力发电机组的轮毂或风力发电机组的叶片；其中，安装位置包括：筒体1、风力发电机组的机舱17或风力发电机组的轮毂。
27.顶升支腿10的液压杆可以包含固定端和移动端两部分，一端与筒体1的支撑法兰3抵接，另一端与顶盖9固连。这联接的两端中一端是固定端，另一端是移动端，固定端和移动端可以根据具体方案变化互换位置，只要能发生相对移动即可。通过相对移动（液压产生的反作用力）将自吊装置顶起。
28.在一些实施例中，主支腿6的长度要近似等于顶升支腿10，即液压杆伸出的最大长度，这样才能保证自吊装置提升高度后，主支腿6能够重新固定在支撑法兰3上。顶盖9到已安装好的支撑法兰3的距离要大于第一段筒体的高度（因为风电机组第一段筒体的高度和宽度都大于其他筒体以及机舱）。通常情况下，第一段筒体的高度在20～30米之间，外径接近5米。主支腿6的长度越小越好，假如第一段筒体有26米高，主支腿的高度大约在28米就足够了。也就是说，将新的筒体吊装完成后（假设新筒体也有26米），那么顶盖9下端距离新筒
体的支撑法兰只有2米。顶升支腿10的液压杆缩进到最小长度后，其底端距离新筒体的支撑法兰的距离应小于2米，否则吊装时会出现干涉。如果同时还要满足顶升支腿10的液压杆伸出后能达到28米左右，液压缸只能位于顶盖9的上方，但不一定全部在上方，至少是很大一部分在上方。
29.在一些实施例中，风力发电机组的机舱17设置有可拆卸的机舱罩体；或者机舱17设置有能够沿顶部移动的机舱罩体。
30.如图7所示，在一些实施例中，一种水平轴风力发电机组自吊装置还包括：支架21，用于在全部筒体1和风力发电机组的机舱17吊装完成后，安装在顶盖9的下方，顶部与顶盖9联接，底部与风力发电机组的机舱17中的底座18联接；安装工装，用于将主支腿6、固定臂7、顶盖9、顶升支腿10、起重臂11、平移小车12、卷扬机13、起重吊钩14、绳索15以及滑轮16按联接关系进行组装，组成水平轴风力发电机组自吊装置；也用于在全部筒体1和风力发电机组的机舱17吊装完成后，将支架21、顶盖9和风力发电机组底座18按联接关系进行组装；拆卸工装，用于筒体1和风力发电机组的机舱17吊装完成后，将主支腿6与顶盖9进行拆解，或者将起重臂11与顶盖9进行拆解，或者将起重臂11与平移小车12以及起重吊钩14进行拆解；下放吊钩19，通过绳索15与卷扬机13连接，用于勾住主支腿6、部分起重臂11（即起重臂11的第一分段组件）、平移小车12以及起重吊钩14；以及，提升机20，用于在主支腿6、部分起重臂11（起重臂的第一分段组件）、平移小车12以及起重吊钩14被放下至风力发电机组塔架底部后，将支架21、顶盖9、剩余起重臂11（起重臂的第二分段组件）、绳索15以及滑轮16 放下至风力发电机组塔架底部。例如，起重臂11在塔架和机舱吊装完成后可以先拆一半，剩下一半用作下方主支腿、平移小车等部件的支撑。
31.参阅图8-图9，水平轴风力发电机组自吊装置实现吊装的工作原理和工作过程包括如下步骤：s1、将第一段筒体1通过吊车（可以使用普通的汽车吊）安装在风电机组的基础22或塔架上。如图6的右侧附图所示，如果风电机组仅采用塔筒作为支撑，则第一段筒体1直接固定在基础22上；如图6的左侧附图所示，如风电机组采用混合塔架，则第一段筒体1可以安装在下方已经提前装好的塔架的桁架23上。在风电里，“塔筒”一般指钢制圆筒塔，而塔架是一个更广义的名称，不仅仅指钢制圆筒塔，还可以是桁架塔，混凝土塔，或者混合型的塔等等。在本实施例中，卷扬机13等装置放置在地面，但是第一段筒体1不一定在地面，有可能是放在一个桁架23上面，此时桁架23的高度有可能已经达到几十米。
32.s2、利用吊车和安装工装将主支腿6、固定臂7、顶盖9、顶升支腿10、起重臂11、平移小车12、卷扬机13、起重吊钩14、绳索15以及滑轮16按照联接关系进行拼装，得到风力发电机组自吊装置，顶升支腿10收起到最小长度，调节固定臂7的长度，使固定臂7与筒体1的支撑法兰3对接后将自吊装置固定。
33.s3、将平移小车12移动至下一段筒体1上方，启动卷扬机13，将起重吊钩14放下；s4、用起重吊钩14勾住下一段筒体1，启动卷扬机13，将下一段筒体1吊起到接近平移小车12的高度。
34.s5、将平移小车12移动至顶盖9的近似正下方，同时也是上一段筒体1的近似正上方，启动卷扬机13，将起重吊钩14放下。
35.s6、将两段筒体1通过螺栓联接，调节顶升支腿10长度至与新近吊装的筒体1顶端
支撑法兰3对接，如有需要，可以在顶升支腿10与支撑法兰3之间添加固定用的工装，将顶升支腿10与筒体顶端支撑法兰3通过螺栓联接。
36.s7、调节固定臂7长度至最小长度，解除固定臂7与筒体1的支撑法兰3的对接。
37.s8、调节顶升支腿10长度，顶起顶盖9、起重臂11、主支腿6以及固定臂7，当固定臂7与新近吊装的筒体1顶部的支撑法兰3近似处于对接高度时停止，调节固定臂7长度至固定臂7与新近吊装的筒体1的支撑法兰3对接。
38.s9、拆除顶升支腿10与筒体1顶端支撑法兰3的螺栓联接，调节顶升支腿10长度至最小长度。
39.s10、依照s3
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s9的步骤完成剩余筒体1和/或机舱的吊装。
40.在进一步的实施例中，参阅图9所示，当需要吊装风力发电机组的其他零部件时，还包括如下步骤：s11、将平移小车12移动至位于风电机组塔架底部的机舱17上方，启动卷扬机13，将起重吊钩14放下，将支架21、下放吊钩19、安装工装、转动工装、拆卸工装及提升机20提前放置在机舱17中。
41.s12、因为机舱17的重量比前述吊装的筒体1要大，此时可以给卷扬机13增加一些配重（如铁块等），保证自吊装置的起吊重量。然后，使用起重吊钩14勾住机舱17，启动卷扬机13，将机舱17吊起到接近平移小车12的高度。
42.s13、将平移小车12移动至顶盖9的下方，同时也是最上方一段筒体1支撑法兰3的上方，将机舱17中底座18底部的法兰与筒体1的支撑法兰3对齐，启动卷扬机13，将起重吊钩14放下。
43.s14、完成风力发电机组底座18与筒体支撑法兰3的联接。
44.s15、按照与步骤s11-步骤s13近似的方法完成轮毂和叶片的吊装。
45.s16、如图6所示，打开机舱17顶部的机舱罩，将支架21的底部与机舱17中的底座18联接，支架21顶部与顶盖9联接, 断开绳索15与起重吊钩14的联接，将绳索15绕过顶盖9上方的滑轮16与下放吊钩19联接，让下放吊钩19位于顶盖9侧面。由于卷扬机13位于顶盖9后方的地面，而下放吊钩19位于顶盖9的侧面。因此，在一些实施例中，为了完成绳索15在运动过程中近似90度的变向，顶盖9顶端至少需要一个由3个滑轮组成的滑轮组。如图7所示，3个滑轮中：第1个滑轮转轴与顶盖9近似平行并且与平移小车12运动方向（即机舱17前后方向）近似垂直；第2个滑轮转轴与顶盖近似垂直；第三个滑轮转轴与顶盖9近似平行并且与平移小车12运动方向（即机舱17前后方向）近似平行。按照这种布置，绳索15依次绕过3个滑轮，可以实现近似90度的变向。
46.s17、利用拆卸工装将联接在顶盖9上的顶升支腿10拆下，将平移小车12与起重吊钩14从起重臂11上拆下，将部分起重臂11拆解，通过下放吊钩19以及卷扬机13将部分起重臂11、平移小车12以及起重吊钩14放下至风力发电机组塔架底部。
47.s18、通过下放吊钩19勾住主支腿6，利用拆卸工装将主支腿6与顶盖9拆解，启动卷扬机13将主支腿6放下至风力发电机组塔架底部。为了完成顶盖9两侧主支腿6的拆卸和下放，需要在完成顶盖9一侧主支腿6的下放后，按照s16中描述的内容，将下放吊钩19安装到顶盖9的另一侧。
48.s19、可以将下放吊钩19放下到风力发电机组塔架底部后，断开绳索15与下放吊钩
19的联接，利用拆卸工装将顶盖9、剩余起重臂11以及支架21拆解。
49.s20、利用提升机20通过机舱吊物孔或机舱17顶部将顶盖9、剩余起重臂11、绳索15、滑轮16以及支架21放下至风力发电机组塔架底部。
50.本发明中所涉及的技术特征对应的技术效果有：1．筒体顶端带有外径大于筒节的支撑法兰，能够在吊装筒体的过程中为自吊装置提供支撑；2．顶升支腿的长度可以调节，在吊装过程中通过调节自身长度使得自吊装置实现自提升的效果；3．主支腿带有长度调节的固定臂，能够为主支腿与支撑法兰提供联接，同时也能调节长度避免在自吊装置（通过顶升支腿）自提升的过程中避免与支撑法兰的干涉；4．通过卷扬机、绳索、滑轮、支撑臂、平移小车和起重吊钩实现将地面的被吊装物（如筒体和机舱）吊起至空中，同时也可以实现将塔顶的自吊装置中的部分零部件放下至塔架底部；5．利用拆卸工装、支架、下方吊钩以及提升机实现吊装完成后在塔顶将自吊装置拆除并下放至塔架底部。
51.在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”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、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
52.本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
53.虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。