1、1高强特强塔筒连接结构与高强特强风机塔筒 文章对于当前风机塔筒连接结构中存在的以螺栓为主的薄弱环节的形成原因进行了全面系统的分析，介绍了通过采用内衬连接套筒与塔筒壁套装并螺栓紧固形成的“高强特强塔筒连接结构与高强特强风机塔筒”发明专利技术结构的优势，其可使塔筒连接结构由最薄弱的层面变为强化塔筒强度的骨架，并将影响形成塔筒抗拒水平推力与其形成的杠杆撬动拉力能力的极大提高，成为风电机组的安全基础，适合在逐渐大型化的风电建设中应用。 关键词：风机塔筒 脆弱 倒塌 螺栓 高强 对于风机塔筒的能力要求核心是安全稳定，塔筒连接结构过去主要关注承载垂直压力的能力，当前由于风机功率的持续加大、叶片长度的持续加
2、长导致大型化的风机塔筒持续加长加高，从而形成了超乎寻常的“由顶部巨大水平推力超高塔筒长度配合”形成的杠杆撬动基础部位的侧推拉伸效应，使处于塔筒下部与最底部的连接结构在疾风时刻承载的撬动拉力数值数倍高于顶部，也数倍高于垂直压力，因此当前更应该关注塔筒连接结构能够抵抗撬动性拉力的形成能力。对于塔筒连接结构来讲承接压力与承接拉力相比结构能力有着本质性的区别，当前普遍采用的上下法兰配合并用螺栓在塔筒内部法兰上形成“串”字形紧固的风机塔筒连接结构对于承接压力表现优异，而对于承接撬动性拉力从多方面论证就明显形成弱势，而使相同抗拉弱势结构在塔筒上、中、下部完全一致通用设置将导致处于中部下部的连接结构难于承受
3、巨大撬动拉力而破损，发生风机倒塌的整体毁灭事故。2我们在此讨论的塔筒强度问题不单纯涉及因塔筒钢板壁设计强度的不足导致的从塔筒壁中间整体变形折损式倒塌事故的形成原因，因其只需加强塔筒强度与厚度即可轻易解决；而通过对于更多呈现的因塔筒连接结构断裂造成的风机倒塌现象的细致研究分析发现， “串”字形连接结构存有易发或诱发拉断性破坏的 5 个危险因素形成：在法兰与塔筒的钢板焊口上易发撕裂性断裂风机全部拉力压力均由塔筒壁钢板承担，而法兰与塔筒壁钢板形成了承受拉力角度性质的拉力，此外采用与法兰形成完整圈形焊接的结构设计与加工方式容易导致塔筒钢板在焊口热影响区发生焊接性脆化或焊接性裂纹、焊接性内应力，在焊接脆
4、性变化区有可能难于长期承接巨大压力、拉力与震动，在运动性疲劳与超低温叠加的情况下法兰与塔筒壁的连接焊口处易发撕裂性断裂。在法兰与钢板的焊口上易发脱焊断裂事实上风机全部拉力又均作用在同一个法兰的上下 2 条与塔筒钢板连接的焊口上，因此焊接强度与质量关系风机命运，由于不同规格钢材材质相互焊接性的弱势及不同厚度材质的热胀冷缩变化难于一致，在低温环境下焊接更易导致产生脆性裂纹与内应力、导致焊接变形、开焊拉断与局部脱焊。如果说以上两个问题还不足以为忧的话，那么：螺栓连接结构已经成为最薄弱的连接层面，极易大面积拉断多方面因素导致螺栓及其紧固连接层面结构业已成为塔筒连接系统中最薄弱的部分，主要形成原因包括：
5、风机全部拉力通过法兰传递又全部作用于在同一平面上分布排列的较细 形成焊口开裂3螺栓上，全部拉力要由各个螺栓承担，而螺栓连接层面与塔筒壁比较其强度、能力、截面等均数倍弱化。当前的“串”字形塔筒连接结构的螺栓紧固形态是以形成间隔距离的“压力影响方式”实现的，即：通过法兰形成“弓”字形的撬动拉力后传递到螺栓紧固压力区域，螺栓是以非直接的方式承担拉力，因此由于长期震动极易形成运动性疲劳而裂断（对于刚性螺栓哪怕是撬动一毫米就已断裂） 。螺栓的材质刚度与柔韧性性能设计难于两全其美共存，自然界难有既刚硬又柔韧的材料，尤其是在超低温应用的环境下过于强调刚硬的细小螺栓更容易发生疲劳、脆裂、折断，而过于强调柔韧性
6、则螺栓的抗拉伸强度与抗变形强度将下降。法兰与螺栓配合结构相互抑制均难强大如果使螺栓加粗设计将导致法兰开孔加大、强度下降，还导致螺栓紧固的压力心中区更加偏离塔筒壁边沿对接的实际承拉位置，从而形成更大距离的杠杆撬动作用。此外，在法兰同一平面上采用较高密度开孔加密螺栓设计实现螺栓结构层面强化的方式将导致法兰抗变形强度与抗断裂能力的降低，法兰变形折断将使塔筒整体失去节段骨架支撑效应，易发塔筒变形性引发的折断倒塌。反之，细小与较为稀疏分布的且处于单一平面存过于稀疏与细小的螺栓分布螺孔过于密集导致法兰支撑强度降低被杠杆撬动力拉断的螺栓4在的螺栓紧固层将成为整个塔筒结构中最为薄弱的层面。易断结构一线式串联易
7、连锁式崩溃事实上，在巨大撬动拉力下导致的各个描述易损脆弱结构还形成了一线式相互串联依存的关联，因此如果其中哪怕一个环节发生破损均将导致如同雪崩一样连锁式激发，通过对某一特定塔筒倒塌现场塔筒破损结构的观察，钢板与法兰焊口撕裂、法兰脱焊、法兰变形折断、螺栓被拉断均参与了爆发后坍塌过程中的表现。“千里之堤毁于蚁穴” ，螺栓及其受力方式的问题不解决，貌似强大的塔筒结构“软肋”就难于根除，较大程度地形成了基础性安全隐患，从纯粹技术的角度客观地讲：能否崩溃、何时爆发没有合理的技术结构解释，全凭运气的好坏。2011 年发明专利技术创新结构要实现的目标与要达成的创新优势包括：可有效回避消除当前塔筒连接结构中存
8、在的各个易损结构及其形成因素与其相互依存的串联关联。可大幅度形成强化抗拒因风机塔筒顶部巨大水平推力导致的杠杆式撬动拉力对于塔筒中部底部连接结构形成的破坏力的结构与强度。可大幅度形成强化抗拒由塔筒形态支撑结构脆弱变形破坏引发的塔筒整体折断式的形成结构（即：同时优化了法兰的支撑结构与其支撑强度） 。可为各种不同高度及承载水平推力需求的风机塔筒及同一塔筒在不同高度强化不同受力强度与安全牢固度设计安排的需要提供出多种不同强度等级与强度级别差别的连接结构设计选择。5提供采用上述连接结构及其不同强度等级级别搭配组合形成的高强特强风机塔筒设计及其制造安装方法，其可全面优质化地满足风电机组持续加大的出力能力设
9、计与持续加高设计后对于塔筒各种连接部位强度的需求，并且结构简捷，容易加工，方便运输安装，还不会导致塔筒的外美观性破坏与成本的增加（多数情况或许还将导致制造难度与成本的降低） 。发明目的是通过高强风机塔筒连接结构、特强风机塔筒连接结构及采用不同连接结构强度等级、强度级别的设计组合形成的高强特强风机塔筒及其最佳制造、运输、安装方法实现的。高强风机塔筒连接结构（简称：高强结构）是通过与塔筒壁钢板厚度强度相当或更多情况是高于塔筒壁厚度的内衬连接套筒与塔筒壁形成内外配合紧密贴近的套装插接，再在内衬连接套筒与塔筒壁上形成内外完全相互对应的开孔，并用加粗螺栓横向穿过各个开孔实现塔筒壁与内衬连接套筒的紧固；螺
10、栓排数的组合依照不同强度等级的设计需求可选择 1 排或 2 排或 3 排设置且使排与排之间形成一定的间隔距离，同排螺栓之间也留有一定的间距并使相邻 2 排螺栓的开孔位置间距形成上下相互等距离间隔交叉的设置，同时使螺栓的外径与开孔的内径实现规格相当不应该存留间隙的紧密配合。在内衬连接套筒内设置 1 个空心圆“”形的塔筒整体形态结构支撑体（简称：结构支撑体）或设置 2 个并列的结构支撑体。特强风机塔筒连接结构（简称：特强结构）是在高强结构内衬塔筒的内部设置复合内衬套筒并与内衬连接套筒形成紧密贴近的插接配合，在复合内衬套筒内设置 1 个或 2 个结构支撑体并与复合内衬套筒分布焊接，特强连接结构通常在
11、塔筒下部与最底部采用。以上所述的连接结构多种强度级别的形成差别与差别形成方式是：将高强6与特强塔筒连接结构的形成结构强度区分称为“等级”差别，而将在相同等级下的不同延伸变化设计形成的强度区分称为“级别”差别，逐步加强相同“等级”下的强度“级别”差别的设计的手段可通过以下方式体现：适当加厚内衬连接套筒与复合内衬套筒钢板的厚度；适当加长内衬连接套筒与复合内衬套筒的长度规格；适当增加塔筒结构支撑体的设置数量及其宽度规格与厚度；适当增加固定螺栓的排列排数；适当增加螺栓紧固内衬连接套筒与复合内衬套筒的位置范围与紧固的螺栓数量；适当增加螺栓直径的规格设计等。由此可见，可通过至少 6 种强化强度方式的变化及
12、其相互交叉组合设置实现强化不同塔筒连接结构强度的设计，因此其加强方式与结构可以多元化设计选择，在实际工程中通常应该按照连接处处于塔筒的高低位置、风机高度设计、风机功率设计、应用环境（海上还是陆地） 、安装地区年度极端风力强度及用户偏好进行不同强度等级连接结构强度的选择设计。高强连接结构风机塔筒（简称：高强塔筒）是采用不同级别的高强连接结构等级结构或可在塔筒上部采用法兰螺栓的连接结构配合共同实现各个节段塔筒的串联连接形成高强塔筒整体结构，其可使连接结构的强度均达到或者超过塔筒壁本身，并通过不同强度级别的强度设计形成满足与影响塔筒部位及影响整体结构支撑强度的作用。在制造时通常是将一个节段的高强塔筒
13、的一端在加工车间预先实现塔筒壁与内衬连接套筒的配合插接制造装配与完成螺栓紧固且完成表面装饰，并使一半内衬连接套筒形成凸出待配合插接的状态，使凸出的内衬连接套筒的端口形成向内的角度倾斜方便对接插接；而在塔筒的另一端处于待内衬连接套筒配合插接与待螺钉紧固的活动式状态，待运送到风电场塔基位置通过吊装对位插接7实现待插入端塔筒壁与凸出的内衬连接套筒的配合对位插接后用螺栓紧固即可。特强风机塔筒连接结构在多数情况下没有必要在同一塔筒的上、中、下部均采用，其通常是与不同强度级别的高强塔筒连接结构混合应用，因此提出了“高强特强连接结构风机塔筒”这一最常用应用类型塔筒结构。高强特强塔筒连接结构风机塔筒（简称：高
14、强特强塔筒；或简称：特强塔筒）是由部分采用特强塔筒连接结构、部分采用高强塔筒连接结构与上部采用法兰与螺栓结构实现各个节段塔筒的相互连接构成的整体风机塔筒， 【中高等级特强设计方案是为未来更大功率风机采用的连接结构作出的技术铺垫，在目前风机功率设计下通常无需采用】 。由于描述的相同塔筒在不同部位可以采用不同强度级别等级的连接结构设计，因此同一塔筒节段的两端插接对接结构或许不同，但在同一塔筒上不建议采用超过 3 种以上不同结构规格设置的塔筒连接结构。超强特强塔筒连接结构导致螺栓由原来“大致完全承受拉伸受力的方式”转变成为“大致完全承受切削受力的方式” ；从原来“有间距的弓形非直接承担撬动式拉力的受
15、力方式”转变成为“无间距的直接承担形直线切削式拉力的受力方式” ，因此对于螺栓帽的横向水平移动方向的受力强度由“极大”变为“极小” ，这就为了螺栓装饰美观需求提供了力学原理保障。提出的装饰螺栓的螺栓帽顶部可为立体梯形圆面装饰螺栓形态，其是与通过扩展塔筒壁开孔表面形成的凹形圆面结构配合实现螺栓紧固后塔筒壁表面无痕迹的螺栓帽嵌入装饰；或采用薄型圆弧装饰螺栓（更加推荐采用） ，其表面为薄形的螺栓帽，其与塔筒壁配合过度后观察没有明显突出阶梯变化痕迹为宜。8高强与特强塔筒连接结构与高强特强塔筒全面系统地消除了前述脆弱结构及其形成因素，并且达成 5 大强度能力优势，解析如下：（1）用内衬连接套筒连接结构消
16、除了整体完全90 度结构焊接的需求高强特强结构通过内衬连接套筒承担抗击撬动式拉力与实现稳固对接的连接结构消除了法兰与塔筒壁形成的整圈环绕式完全焊接的连接结构设置需求，消除了因90 度连接结构导致的撬动受力及其对于焊接区域的影响问题。（2）内衬连接套筒与螺栓共同抗拒杠杆式撬动拉力高强特强塔筒连接结构及其适当幅度延长内衬连接套筒与复合内衬套筒的设置结构可导致绝大部分因侧向水平推力形成的杠杆撬动拉力均由拥有强大整体结构的、甚至高于塔筒壁厚度强度的内衬连接套筒分担，而通过内衬套筒又可完全限制塔筒连接位置的水平移动与振动位移，导致螺栓承受拉力、压力、位移的受力程度成倍降低。（3）多方破解最难解决的螺栓薄
17、弱问题除内衬连接套筒的大力助力与基本完全承担连接拉力之外，解决螺栓承担拉力强度不足问题的另一最佳途径是大幅度乃至成倍增加螺栓的直径设计并且加多螺栓设置数量，并使螺栓的紧固位置与乘接受力的方式发生了本质性的改变，如前所述这一最佳解决方案在法兰与螺栓形成的“串”字形连接紧固结构下难于两全其美地实现。高强特强塔筒连接结构采用的多排螺栓且相邻排列位置形成相互间隔交叉的结构，可使螺栓在非同一塔筒壁直线平面内间隔交叉排列分布存在，消除了因密集开孔导致相同环绕层面钢板强度过度下降的问题，而螺栓开孔紧固区间也恰恰是塔筒壁与内衬连接套筒的插接重叠复合存在区域，从而实现塔筒壁结构强度设置的“减一补二、补三” ，从
18、而成倍加强了因为开孔导致的塔筒壁的相9对薄弱强度，因此螺栓的设置数量与螺栓设计直径可较大幅度增加。此外，因为螺钉连接紧固压力是直接作用在塔筒壁上的，螺栓承接侧向切向拉力的强度与能力也远大于承担直接纵向撬动拉伸的强度，也消除了通过法兰传递撬动形成的非直线传导受力所导致的诱发螺栓疲劳断裂的问题，从而多方面消除了“螺栓问题”的困局。（4）内衬连接套筒支撑结构导致塔筒整体抗击水平推力的强度提高通过宽幅结构内衬连接套筒与结构支撑体的配合的节节上下分布形成的骨架支撑效应，及塔筒壁与内衬连接套筒交叉重叠的结构加强作用，可以大幅度形成强化塔筒壁整体抗拒侧向推力的能力，可将过去塔筒中最为薄弱的连接部位结构转变成
19、为整体塔筒中最为强大的支撑结构。（5）消除了各个脆弱结构的关联，形成多重全新综合优势发明技术结构从根本上消除了 4 大薄弱结构的一线式串联关联形成条件，其将影响塔筒整体结构对应“拉、压、推及变形”能力的全面提升，通过提升塔筒整体强度更可导致在相同设计功率与塔筒高度设计下的塔筒直径规格体积的缩小设计，从而实现减少材料消耗，方便加工制造（由于消除了法兰制造与其大面积焊接导致的变形问题等，因此制造更加容易） 、方便运输、安装、减小塔筒乘风阻力、减轻塔筒效应影响，并形成风机整体协调美观的多方优势效果。结语通过以上分析过程显见，当前威胁大型化风机安全的核心问题是持续加大的塔筒顶部水平推力，而从以上多次重
20、复强调的各种抗击水平推力的能力提高的描述中可见，超强特强风机塔筒结构应对各种危险形成能力均表现了全面的综合优势性能组合，因此其将成为风机功率拓展的技术基础，成为风电产业规10模化发展的安全基础。 【文章的格式与内容摘自专利说明书文件】北京净技佳环保技术研究所 电话： 010-62052221； 13611188834 邮箱： 撰稿联系人：陈晓通 附图说明【摘自专利附图】文件 图中：1内衬连接套筒； 2螺钉与螺孔（位置） ； 3风机塔筒壁； 4结构支撑体； 5复合内衬套筒； 6梯形凹面装饰螺栓； 7薄型圆弧装饰螺栓。 A A2 4 1 3在内衬连接套筒内设置 1 个结构支撑体的高强塔筒连接结构示意图A A
