技术领域
[0001] 本公开涉及
风力发电领域，更具体地，涉及一种塔筒结构、海上风力
发电机组以及安装海上
风力发电机组的方法。
背景技术
[0002] 目前，海上风电发展已经进入了一个全新的时期。在已建成的海上风
电场中，多使用单桩
基础、重力式基础、
导管架基础及其他形式的基础组合
钢制塔筒、
混凝土塔筒或钢混塔筒(包括钢制塔筒段和混凝土塔筒段)作为
支撑结构。这些塔筒结构安装慢、海上作业时间长，这导致大型吊装设备的使用
费用升高，推高了单机组造价。此外，为了提高塔筒的使用寿命，还需要对塔筒进行防腐、防
水处理，这进一步增加了单机组的造价成本。
发明内容
[0003] 因此，本发明的目的在于提供一种能够降低塔筒结构的成本并且能够提供稳定支撑的用于
海上风力发电机组的塔筒结构。
[0004] 根据本发明的一方面，用于海上风力发电机组的塔筒结构包括从下到上依次安装的塔筒基础、混凝土塔筒段以及钢制塔筒段，该塔筒结构还包括：混凝土过渡段，混凝土过渡段安装在混凝土塔筒段与塔筒基础之间并具有截面积从上到下逐渐增大的筒状，其中，混凝土过渡段具有非恒定
曲率的曲线型
母线并且混凝土过渡段的底部截面积为顶部截面积的2倍以上。
[0005] 优选地，曲线型母线的曲率可从上到下逐渐增大或者先逐渐增大再逐渐减小。
[0006] 优选地，混凝土过渡段的底部截面积可以为顶部截面积的6倍以下。
[0007] 优选地，混凝土过渡段的截面可以为圆形，混凝土过渡段的顶部直径可在8m到15m的范围内，混凝土过渡段的底部直径可在20m到35m的范围内，混凝土过渡段的高度可在20m到40m的范围内。
[0008] 优选地，混凝土过渡段的截面可以为多边形。
[0009] 优选地，塔筒基础的截面可以为圆形，塔筒基础的直径可在30m到45m的范围内。
[0010] 优选地，混凝土塔筒段的高度可占钢制塔筒段和混凝土塔筒段的高度之和的30％～70％。
[0011] 优选地，塔筒结构还可包括分布在混凝土过渡段的筒壁和混凝土塔筒段的筒壁中的预
应力部，预应力部的上端可锚固在钢制塔筒段的与混凝土塔筒段连接的
位置处，预应力部的下端可锚固在塔筒基础上。
[0012] 优选地，预应力部可以为一体式预应力束，或者预应力部可包括第一预应力束和第二预应力束，第一预应力束的上端可锚固在钢制塔筒段的与混凝土塔筒段连接的位置处，第二预应力束的下端可锚固在塔筒基础上，并且第一预应力束的下端和第二预应力束的上端均锚固在混凝土过渡段的内表面上。
[0013] 优选地，混凝土过渡段的与混凝土塔筒段连接的部分的壁厚可从上到下逐渐变薄，其中，混凝土塔筒段可以为预制式混凝土部件。
[0014] 优选地，塔筒基础可以为吸力筒基础或重力式基础。
[0015] 根据本发明的另一方面，还提供一种包括如上所述的塔筒结构的海上风力发电机组。
[0016] 根据本发明的又一方面，还提供一种安装如上所述的海上风力发电机组的方法，该方法包括：在塔筒基础上用混凝土浇筑混凝土过渡段；待混凝土过渡段的混凝土强度达到设计强度后，将塔筒基础和混凝土过渡段拖入待泊区域；将混凝土塔筒段吊装至混凝土过渡段上，同时调节塔筒基础的排水量以达到平衡；将钢制塔筒段吊装至混凝土塔筒段上，同时调节塔筒基础的排水量以达到平衡。
[0017] 优选地，该方法还可包括：待混凝土过渡段的混凝土强度达到设计强度后，将预应力部的一部分安装在混凝土过渡段中；在将混凝土塔筒段吊装至混凝土过渡段上之后，将预应力部的另一部分安装在混凝土塔筒段中。
[0018] 优选地，该方法还可包括：在安装完钢制塔筒段之后在待泊区域安装并调试海上风力发电机组的其他部件；将海上风力发电机组整体拖曳出港至机位点下沉安装。
[0019] 通过采用根据本发明的塔筒结构，可在提供稳定且鲁棒的支撑的同时显著降低海上风电建设项目的塔筒结构的成本，并充分利用混凝土的防水、防腐特性以提高塔筒结构的耐久性，从而满足大功率的海上风力发电机组的塔筒结构的工程建设成本不断下降的需求，并保障海上风力发电机组安全、可靠及稳定地运行。
[0020] 另外，通过采用根据本发明的安装方法安装塔筒结构，在将塔筒基础和混凝土过渡段在码头进行组装之后再整体拖拽到待泊区域，可提升安装速率，缩短海上作业时间，并减少大型设备的使用。
附图说明
[0021] 下面结合附图对本发明进行详细描述，本发明的上述和其它目的、特征和优点将会被更清楚地理解，在附图中：
[0022] 图1是根据本发明的第一
实施例的塔筒结构的示意图，其中，混凝土过渡段具有抛物线型母线；
[0023] 图2是沿着图1中的线A-A截取的截面图，示出了形成在混凝土过渡段的筒壁中的预应力孔；
[0024] 图3是一体式预应力束安装在图2中示出的预应力孔中的图示；
[0025] 图4是沿着图1中的线A-A截取的截面图，示出了形成在混凝土过渡段的筒壁中的预应力孔和形成在混凝土过渡段的内表面上的第一锚固体和第二锚固体；
[0026] 图5是第一预应力束和第二预应力束安装在图4中示出的预应力孔中并通过第一锚固体和第二锚固体固定在混凝土过渡段的内表面上的图示；
[0027] 图6是根据本发明的第二实施例的塔筒结构的示意图，其中，混凝土过渡段具有椭圆曲线型母线；
[0028] 图7是根据本发明的第三实施例的塔筒结构的示意图，其中，混凝土过渡段具有样条曲线型母线；
[0029] 图8是根据本发明的第四实施例的塔筒结构的示意图，其中，混凝土过渡段具有分段式曲线型母线。
[0030] 附图标号说明：
[0031] 10：塔筒基础，20：混凝土塔筒段，201：
门，30：钢制塔筒段，40、40-1、40-2和40-3：混凝土过渡段，50：预应力部，51：预应力孔，52：一体式预应力束，53：第一预应力束，531：第一锚固体，54：第二预应力束，541：第二锚固体。
具体实施方式
[0032] 现在，将参照附图详细地描述根据本发明的实施例，其示例在附图中示出，其中，相同的标号始终表示相同的组件。
[0033] 参见图1、图6至图8，用于海上风力发电机组的塔筒结构可采用钢混塔筒结合塔筒基础的形式，即，塔筒结构包括从下到上依次安装的塔筒基础10、混凝土塔筒段20以及钢制塔筒段30。如图1所示，根据本发明的示例性实施例的塔筒结构还包括混凝土过渡段40，混凝土过渡段40安装在混凝土塔筒段20与塔筒基础10之间并具有截面积从上到下逐渐增大的筒状，其中，混凝土过渡段40具有非恒定曲率的曲线型母线并且混凝土过渡段40的底部截面积为顶部截面积的2倍以上。
[0034] 进一步地，在根据本发明的实施例中，曲线型母线的曲率可从上到下逐渐增大或者先逐渐增大再逐渐减小，以使混凝土过渡段40的截面积的增大速率从上到下逐渐增大。具体地，图1、图6至图8示出了具有非恒定曲率的曲线型母线的示例。图1中示出的塔筒结构的混凝土过渡段40和图6中示出的塔筒结构的混凝土过渡段40-1分别具有抛物线型母线和椭圆曲线型母线，该抛物线型母线和椭圆曲线型母线的曲率均从上到下逐渐增大。图7中示出的根据本发明的第三实施例的塔筒结构的混凝土过渡段40-2具有样条曲线型母线，样条曲线型母线的曲率可从上到下逐渐增大或者先逐渐增大再逐渐减小。另外，图8中示出的根据本发明的第四实施例的塔筒结构的混凝土过渡段40-3具有分段式曲线型母线，该分段式曲线型母线具有上部分、中间部分和下部分，上部分和下部分可为直线或曲率较小的曲线，中间部分为曲率较大的曲线，因此分段式曲线型母线的曲率从上到下先逐渐增大再逐渐减小。可选地，曲线型母线的曲率可在1/10到1/200的范围内，例如，1/11到1/34、1/36到1/59或1/61到1/200。
[0035] 在混凝土过渡段40具有曲线型母线的情况下，混凝土过渡段40可具有喇叭状(截面为圆形)或者侧面为内凹弧形面的棱台状(截面为多边形)。例如，混凝土过渡段40的截面可以为带倒圆
角的多边形，与尖锐的
倒角相比，倒圆角可避免应力集中和被
海水冲击
腐蚀的情况发生。
[0036] 此外，混凝土过渡段40的底部截面积与顶部截面积的比率可在1.5至20的范围内，以保证提供鲁棒的支撑。通过考虑机组功率和风资源条件来确定混凝土过渡段40的底部截面积与顶部截面积的比率以及塔筒结构在海平面以上和在海平面以下的高度。经过实验认证和计算分析，混凝土过渡段40的底部截面积与顶部截面积的比率最好在2至6之间。一般来说，机组功率越大，比率越大。然而，根据本发明的实施例不限于此，混凝土过渡段40的底部截面积与顶部截面积的比率还可以为3、4、5、7、8、10、12或15等。
[0037] 另外，混凝土过渡段40的在海平面以上的高度根据浪溅区的最高高度而设置一定的安全区域，以确保混凝土塔筒段20与混凝土过渡段40之间的连接位置(针对图2至图3的实施例，下文将进行详细描述)或第一锚固体531和第二锚固体541(针对图4至图5的实施例，下文将进行详细描述)在海平面以上。优选地，混凝土塔筒段20与混凝土过渡段40之间的连接位置比浪溅区的最高高度高1.5m到2.5m。此外，混凝土过渡段40的在海平面与塔筒基础10之间的高度根据风力发电机组安装机位点的水深来确定。
[0038] 以某大功率的海上风力发电机组为例，塔筒结构的各部分尺寸如下：塔筒基础10的直径可以在30m到45m的范围内，优选为35m；高度可以在8m到15m的范围内，优选为10m。混凝土过渡段40的高度可在20m到40m的范围内，优选为22.2m；顶部直径可在8m到15m的范围内，优选为10.36m；底部直径可在20m到35m的范围内，优选为24m。
[0039] 此外，为了在混凝土过渡段40的底部与塔筒基础10之间建立较强的连接强度，混凝土过渡段40的底部直径可仅比塔筒基础10的直径小8m到12m，并且混凝土过渡段40的筒壁的壁厚也可沿着从上到下的方向逐渐增大。
[0040] 另外，混凝土过渡段40的上部的横截面可与混凝土塔筒段20的下部的横截面配合对接，以便于将这两者固定在一起。例如，混凝土过渡段40的上部具有一段横截面为圆形的圆筒部，圆筒部与混凝土塔筒段20的下部的圆形横截面配合对接。优选地，混凝土过渡段40的与混凝土塔筒段20连接的部分的壁厚从上到下逐渐变薄，以增大连接位置的
载荷承受能力。
[0041] 钢制塔筒段30和混凝土塔筒段20的高度根据风资源情况来确定，其中混凝土塔筒段20的高度可占钢制塔筒段30和混凝土塔筒段20的高度之和的30％～70％。
[0042] 进一步地，塔筒结构还可包括预应力部50，预应力部50的上端锚固在钢制塔筒段30的与混凝土塔筒段20连接的位置处，预应力部50的下端锚固在塔筒基础10上。通过预应力部50对塔筒基础10、混凝土过渡段40、混凝土塔筒段20和钢制塔筒段30施加预应力，可将塔筒结构的各个部分连接在一起以为海上风力发电机组提供结构
刚度较强、结构更加稳定且可靠的支撑结构。
[0043] 此外，为了在塔筒结构内安装预应力部50，在混凝土过渡段40的筒壁和混凝土塔筒段20的筒壁中沿着从上到下的方向形成有预应力孔51，从而预应力部50可延伸穿过该预应力孔51以对塔筒结构施加预应力。
[0044] 图1、图6至图8仅示意性地示出预应力部50从钢制塔筒段30连续地延伸到塔筒基础10。在根据本发明的实施例中，预应力部50可以是一体式预应力束或两段式预应力束。下面将参照图2至图5描述这两种预应力束的具体结构。
[0045] 图2至图3描述了一体式预应力束52安装在预应力孔51中的实施例。具体地，如图2所示，在混凝土过渡段40的筒壁中沿着圆周方向形成有以相同的角间隔隔开的24个预应力孔51。此外，在混凝土塔筒段20的筒壁中也对应地形成有24个预应力孔(未示出)。一体式预应力束52穿过这些预应力孔51(如图3所示)并且其上下两端分别锚固在钢制塔筒段30与混凝土塔筒段20连接的位置(通常为连接
法兰)和塔筒基础10上，以将塔筒基础10、混凝土塔筒段20、混凝土过渡段40以及钢制塔筒段30固定在一起。一体式预应力束52适用于混凝土塔筒段20和混凝土过渡段40的高度较小的情况，能够提供较强的刚度或预应力强度。
[0046] 图4至图5描述了两段式预应力束安装在预应力孔51中的实施例。具体地，如图4所示，在混凝土过渡段40的筒壁中沿着圆周方向形成有以相同的角间隔隔开的24个预应力孔51。此外，在混凝土塔筒段20的筒壁中也对应地形成有24个预应力孔(未示出)。两段式预应力束包括穿过预应力孔51的第一预应力束53和第二预应力束54。第一预应力束53的上端锚固在钢制塔筒段30的与混凝土塔筒段20连接的位置(通常为连接法兰)处，下端通过第一锚固体531在靠近混凝土过渡段40与混凝土塔筒段20连接的位置处锚固在混凝土过渡段40的内表面上(如图5所示)。第二预应力束54的下端锚固在塔筒基础10上，上端与第一预应力束
53的下端锚固在相似的位置，但是第二锚固体541与第一锚固体531沿着塔筒结构的圆周方向间隔开以防止第一预应力束53与第二预应力束54彼此干扰。虽然在图5中示出了第一预应力束53与第二预应力束54彼此交叉，但是实际上根据塔筒结构的俯视图(参见图4)可以看出，第一锚固体531和第二锚固体541沿着圆周方向间隔开，因此第一预应力束53与第二预应力束54不会彼此干扰。
[0047] 虽然在图2至图5中仅描述了一体式预应力束和两段式预应力束的实施例，但是根据本发明的实施例不限于此，预应力部50还可以是三段式预应力束、四段式预应力束或具有更多段的多段式预应力束。预应力部50所包括的预应力束的段数可根据混凝土塔筒段20和混凝土过渡段40的高度以及塔筒结构的预应力强度或刚度需求而改变。通常来说，分段式预应力束适于混凝土塔筒段20和混凝土过渡段40的高度较高的情况，可便于预应力束的安装。
[0048] 此外，预应力孔51和穿过每个预应力孔51的预应力束的数量可根据塔筒结构的尺寸(例如，直径和/或高度)和结构刚度需求而改变。通常来说，预应力孔51的数量可大于或等于4个，穿过每个预应力孔51的预应力束的数量可大于或等于1个。进一步地，每个预应力束可由一根或更多根预应力钢绞线组成，或者由一根或更多根平行的钢丝成束索体组成。另外，虽然在图2和图4中示出了24个预应力孔51以相同的角间隔隔开，但是根据本发明的实施例不限于此，预应力孔51的数量可更多或更少，并且预应力孔51也可以以不同的角间隔隔开。例如，在塔筒结构的迎风侧面可设置更多个预应力孔51以安装更多个预应力部50，从而能承受更强的载荷。
[0049] 此外，为了方便工作人员进出塔筒结构，在混凝土塔筒段20的下部(即，浪溅区高度以上的部分)开设有门洞，在门洞上安装有门201。需注意的是，混凝土塔筒段20的开设有门洞的位置应避开用于安装预应力部的预应力孔51，以避免预应力束断开。然而，如果混凝土塔筒段20的开设有门洞的位置无法避开预应力孔51，那么断开的预应力束可通过如上所述的锚固体锚固在混凝土塔筒段20的内表面上。
[0050] 优选地，塔筒基础10可以为吸力筒基础、吸力沉箱或重力式基础，或者可以为能够安装混凝土过渡段40的其它类型的基础(例如，导管架基础或多桩型基础)，以适应海上的基础环境。
[0051] 此外，根据本发明的上述实施例可知，如上所述的塔筒结构适用于风力发电机组。下面将参照图1至图5描述根据本发明的风力发电机组的安装方法，该方法包括：
[0052] 在塔筒基础10上用混凝土浇筑混凝土过渡段40；
[0053] 待混凝土过渡段40的混凝土强度达到设计强度后，将塔筒基础10和混凝土过渡段40拖入待泊区域；
[0054] 将混凝土塔筒段20吊装至混凝土过渡段40上，同时调节塔筒基础10的排水量以达到平衡；
[0055] 将钢制塔筒段30吊装至混凝土塔筒段20上，同时调节塔筒基础10的排水量以达到平衡。
[0056] 该方法还可包括：待混凝土过渡段40的混凝土强度达到设计强度后，将预应力部50的一部分安装在混凝土过渡段40中；在将混凝土塔筒段20吊装至混凝土过渡段40上之后，将预应力部50的另一部分安装在混凝土塔筒段20中。优选地，在安装完首节钢制塔筒段
30后，应保障预应力部50建立完成。
[0057] 该方法还可包括：在安装完钢制塔筒段30之后在待泊区域安装并调试风力发电机组的其他部件(例如，主机、
轮毂、
叶片等)；将风力发电机组整体拖曳出港至机位点下沉安装。
[0058] 上述安装方法，对图6至图8所示结构同样适用。
[0059] 在根据本发明的上述实施例中，塔筒基础10和混凝土塔筒段20都可以为预制式生产构件，尤其是可以将塔筒基础10在工厂或码头预制连接后整体拖入待泊区域，待风力发电机组整体安装调试后，将风力发电机组整体拖曳出港，至机位点下沉，实现了机位点的整体
塔架快速安装方法，从而可缩短安装塔筒结构的时间(尤其是海上作业时间)并减少大型吊装设备的使用。
[0060] 与传统的锥台形式的塔筒结构或者具有恒定曲率的弧形母线的过渡结构相比，在同等载荷设计且混凝土过渡段的底部截面积不变的情况下，通过如上的方式设计混凝土过渡段的结构，可使混凝土过渡段的截面积的增大速率从上到下逐渐增大，从而增大混凝土过渡段与塔筒基础的
接触面积并增大混凝土过渡段的顶部尺寸的设计裕度，以为混凝土塔筒段、钢制塔筒段以及风力发电机组的其它部件提供更加可靠且鲁棒的支撑。另外，通过将混凝土过渡段安装在混凝土塔筒段与塔筒基础之间，能够充分利用混凝土的低成本、防水和防腐特性以显著降低海上风力发电机组建设的成本并提高塔筒结构的耐久性。
[0061] 因此，通过采用根据本发明的具有上述结构的塔筒结构，可在提供鲁棒的支撑的同时显著降低海上风电建设项目的塔筒结构的成本，并充分利用混凝土防水、防腐特性以提高塔筒结构的耐久性，从而满足大功率的海上风力发电机组的塔筒结构的工程建设成本不断下降的需求，并保障海上风力发电机组安全、可靠及稳定地运行。
[0062] 另外，通过采用根据本发明的安装方法安装塔筒结构，在将塔筒基础和混凝土过渡段在码头进行组装之后再整体拖拽到待泊区域，可提升安装速率，缩短海上作业时间，并减少大型设备的使用。
[0063] 虽然已表示和描述了本发明的一些实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由
权利要求及其等同物限定其范围的本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行
修改。
