新型風電風機輪轂安裝用支承裝置

韓中成 陳 凡 牟壽堂

青島海西重機有限責任公司 青島 266530

風電作為一種新型的環(huán)保綠色能源，受到全球各國的追捧[1]。風機的安裝主要包括但不限于塔筒吊裝、機艙與發(fā)電機安裝后整體吊裝、葉片輪轂組裝、風輪吊裝、附件與電器安裝、完成全部風機高強栓的復檢等[2]?，F(xiàn)階段，風電機組安裝工藝復雜，吊裝平臺小、吊裝物件構(gòu)造大、質(zhì)量重、施工難度大，故對起重吊裝、高空作業(yè)安全施工要求高[3]。在保證安裝質(zhì)量的前提下采用最少的吊裝次數(shù)可以大大降低安全風險。

將葉片在基礎(chǔ)上組裝成組件再整體吊裝可以提高工作效率，使高空作業(yè)地面化以避免高空多次對接困難的問題。本文詳細介紹的輪轂支承裝置具有可回轉(zhuǎn)調(diào)整、高強螺栓安裝空間全部設(shè)置在室外敞開空間、具有多類型安裝孔可適應多種機型風機的特點。

風機安裝用起重機廣泛應用于風電安裝領(lǐng)域，是不可缺少的重大設(shè)備。本文設(shè)計的支承裝置可更高效、安全地配合風機安裝用起重機完成風機安裝工作，為各安裝單位提供一種新型的設(shè)計支承裝置設(shè)計方案。

1 設(shè)計思路

風機頭部輪轂存在4個較大的圓形法蘭結(jié)構(gòu)，其中1個為主軸承座，另外3個與3個葉片安裝，本文設(shè)計一種支承裝置使主軸承座處于水平狀態(tài)，該支承裝置頂端與主軸承座采用螺栓連接固定，另外3個與3個葉片連接的法蘭結(jié)構(gòu)的法蘭所在平面垂直于水平面，此時再水平吊裝風機葉片，風機葉片端部的法蘭所在平面也與水平面垂直，則風機葉片即可對位連接，實現(xiàn)3個葉片的安裝。葉片安裝完畢后，拆除主軸承座連接螺栓，輪轂與3個葉片為一整體結(jié)構(gòu)，一起整體吊裝至風機最頂部，只在高空操作主輪轂主軸承座的對位及安裝，從而實現(xiàn)高空作業(yè)地面化。在此作業(yè)過程中，需要解決4個問題。

1）新型風電風機輪轂安裝用支承裝置宜有回轉(zhuǎn)功能，即可適當回轉(zhuǎn)調(diào)整以配合葉片吊裝起重機作業(yè)，提高工作效率。本文采用起重機常用的回轉(zhuǎn)支承，該回轉(zhuǎn)支承能承受較大的軸向壓力和傾覆彎矩，從而實現(xiàn)固定作業(yè)可旋轉(zhuǎn)調(diào)整。

2）新型風機輪轂安裝用支承裝置與風機輪轂的安裝螺栓數(shù)量較大且需要提供預緊力，由于內(nèi)部操作空間較狹小，且為密閉空間，不利于人員工作，故將螺栓預緊的操作工作設(shè)置在外部敞開空間是亟待解決的問題。本文采用錐形結(jié)構(gòu)形式，將預緊螺栓空間設(shè)置在結(jié)構(gòu)外部，從而達到了內(nèi)部作業(yè)敞開外部化的目的。

3）現(xiàn)有風機輪轂類型較多，單一新型風電風機輪轂安裝用支承裝置應具有安裝多種輪轂類型的功能。本文采用在較大環(huán)形重磅鋼板上設(shè)置多類型安裝孔的形式，則任意輪轂形式均有與之適應的輪轂安裝孔，從而解決了一機多用的問題，最大限度節(jié)約了制造成本。

4）減少新型風電風機輪轂安裝用支承裝置的鋼材用量，在滿足高度需求的前提下，減小底部基礎(chǔ)的占用面積。例如支座需求高度較高時，可在底部設(shè)置直段圓筒結(jié)構(gòu)與上部錐形結(jié)構(gòu)底部連接，以減少支承結(jié)構(gòu)底部與基礎(chǔ)的接觸面積，從而最大限度地節(jié)約材料。

其他問題主要是各構(gòu)件之間的連接形式，實際使用者可根據(jù)自身的需求采用螺栓、焊接等常規(guī)形式自由選擇。載荷的大小、支座尺寸的要求等均可以本文的設(shè)計方案進行計算并根據(jù)實際需求確定。

2 方案設(shè)計

基于以上設(shè)計思路，本文采用一種新型的設(shè)計方案，通過簡單且特殊的結(jié)構(gòu)形式，給出詳細的方案設(shè)計。為實現(xiàn)預期目的，完整的設(shè)計部件如圖1、圖2所示，圖1為本支承裝置的詳細組成構(gòu)件。

圖1 支承裝置主剖視圖

圖2 主視圖中各向視圖

2.1 結(jié)構(gòu)組成

采用上下連接板和其之間的錐形支撐板組合焊接，錐形支撐板上口小、下口大，使各類型輪轂安裝孔分布在整個結(jié)構(gòu)頂部圓周外部范圍，方便施工。上下連接板以及之間的用于支承兩者的錐形環(huán)支撐板為核心特殊形狀結(jié)構(gòu)件，如圖1中的件1、件2和件8所示。

錐形環(huán)支撐板的底端半徑大于頂端半徑且外側(cè)布設(shè)若干輻射型的支撐筋板，如圖2d所示剖視圖。在上連接板與錐形環(huán)支撐板連接處的外圓周環(huán)帶空間設(shè)有多類型輪轂安裝孔，下連接板用于連接固定設(shè)置的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，在作業(yè)過程中，采用上連接板的多類型輪轂安裝孔與對應的輪轂安裝法蘭連接。

為實現(xiàn)一機多用的目的，在上連接板上設(shè)置第1輪轂安裝孔和第2輪轂安裝孔，可在不更換支承裝置的前提下適應各類型風機，如圖2a所示。輪轂安裝孔的類型不僅限于第1輪轂安裝孔和第2輪轂安裝孔，實際制作中可根據(jù)輪轂型號不同，制作帶有不同輪轂安裝孔的支撐裝置以適應多種風機輪轂。在不改變上連接板所采用材料大小的前提下盡可能多地設(shè)置多種類型輪轂安裝孔，以實現(xiàn)可滿足各類型風機輪轂安裝的目的。

上下連接板設(shè)計為較厚的重磅板，通過設(shè)置上下連接板和錐形環(huán)支撐板配合結(jié)構(gòu)，輔之若干輻射型的支撐筋板，滿足支撐裝置的強度、剛度、防傾覆性能，并且加強了錐形環(huán)支撐板的局部穩(wěn)定性。

下連接板設(shè)置回轉(zhuǎn)支承與支撐筒采用圓周方向均布的高強螺栓連接，使下連接板及以上所有支承裝置可以360°范圍轉(zhuǎn)動，以便在后續(xù)實際操作葉片安裝于輪轂的過程中能更好地配合風機葉片起重機進行回轉(zhuǎn)方向的位置調(diào)整，使風機葉片和風機輪轂更高效地對位，提高了葉片安裝于輪轂工作在各種苛刻作業(yè)環(huán)境下的施工效率，詳見圖1中的件7回轉(zhuǎn)支撐。

地基基礎(chǔ)一般為陸地混凝土或船舶鋼結(jié)構(gòu)，實際使用過程中因風機葉片離地需有一定高度，為保證該高度，與之相對應地設(shè)計等截面的底部支撐筒，在支撐筒頂端設(shè)計支撐上法蘭，便于通過支承上法蘭與回轉(zhuǎn)支撐螺栓連接。支撐筒底端設(shè)有支承下法蘭并與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)采用高強螺栓連接。

等截面底部支撐筒（見圖1件4）除了滿足安裝高度外，還可以減少材料的使用量。因上連接板圓半徑一定，在滿足相同安裝高度的前提下，采用一段等截面圓筒比圓錐形更經(jīng)濟。并且可最大程度地降低占用基礎(chǔ)的面積，給地基或船舶讓出更多其他施工空間。

2.2 可變結(jié)構(gòu)設(shè)計

在無回轉(zhuǎn)工況要求的前提下，也可不設(shè)置回轉(zhuǎn)支承，下連接板直接與支撐筒結(jié)構(gòu)焊接或螺栓連接。

對于各構(gòu)件連接方式：支承上法蘭與回轉(zhuǎn)支承螺栓連接，支承下法蘭與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)螺栓連接，回轉(zhuǎn)支承與下連接板螺栓連接，螺栓采用高強度螺栓，螺栓連接是一種可拆卸的連接方式，可使裝配更靈活和方便。對于無拆卸要求的場景，支撐筒底端也可直接與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)焊接，使結(jié)構(gòu)永久可靠地固結(jié)于基礎(chǔ)。若安裝高度滿足可不設(shè)置底部支撐筒，支座直接與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)焊接或螺栓連接。

2.3 注意事項

1）制造中應保證上連接板的平面度要求，便于與風機輪轂的貼合，并且要嚴格保證上連接板上的輪轂安裝孔必須與實際風機型號的輪轂孔完全對應，便于安裝高強度螺栓。

2）為保證風機輪轂安裝螺栓打預緊扭矩的空間，設(shè)計中要特別注意輻射型的支撐筋板間距及錐形環(huán)支撐板上口的大小尺寸，避免與打螺栓預緊的工具干涉。

3）如需動力驅(qū)動機構(gòu)，可根據(jù)需要設(shè)置回轉(zhuǎn)機構(gòu)以便驅(qū)動下連接板以上的支承裝置回轉(zhuǎn)，此時回轉(zhuǎn)支承應注意采用外齒式，回轉(zhuǎn)機構(gòu)配以小齒輪與之嚙合。

4）對于長時間暴露的使用場景，應特別注意在支撐筒底部設(shè)置漏水孔以便雨水等及時排除，避免整個結(jié)構(gòu)內(nèi)部積水造成支座腐蝕，影響其使用壽命。

5）對于需要移位的支承裝置，需要在設(shè)計時考慮與基礎(chǔ)的脫離及移位后的安裝，最好采用與基礎(chǔ)螺栓連接的形式，避免焊縫破除及重新安裝的焊接工作量。

6）因風機葉片為3片順序依次安裝于風機輪轂，支承需要承受較大彎矩，所以地基基礎(chǔ)需要做加強處理，設(shè)計時需要提供相關(guān)載荷給土建基礎(chǔ)設(shè)計者或船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計者以滿足地基強度要求。

3 使用方法

首先將葉片安裝用風機輪轂支承裝置底端安裝于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，然后將風機葉片的輪轂安裝于上連接板對應的輪轂安裝孔上，在葉片安裝用風機輪轂支承裝置的作用下，依次將3片風機葉片安裝在輪轂上（葉片與風機輪轂的安裝在地面上進行更容易對位及緊固操作），安裝完成后利用吊裝設(shè)備將風機葉片與輪轂一起吊離。

當支承裝置上帶有回轉(zhuǎn)裝置時，回轉(zhuǎn)支承可以帶動下連接板轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)支承裝置的旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)風機輪轂繞豎直軸旋轉(zhuǎn)，能更好地配合吊裝風機葉片的起重機進行葉片調(diào)整，使風機葉片和風機輪轂對位更高效。

4 性能特點

支承采用錐形結(jié)構(gòu)，將安裝螺栓空間全部暴露在室外，這樣緊固螺栓的作業(yè)在外部進行，從而提高了可操作性和安全性。錐形結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)在上連接板上最大數(shù)量的設(shè)置風機輪轂安裝孔類型，實現(xiàn)同一支承適應更多的風機安裝，實現(xiàn)一機多用，避免了整體支承裝置更換的弊端，最大限度地節(jié)約了制造成本。采用回轉(zhuǎn)支承裝置安裝于中間部位，在葉片對位輪轂過程中，可以適當旋轉(zhuǎn)調(diào)整位置，更高效率地完成3只葉片分別在輪轂上的安裝工作。支承裝置拆卸方便，便于基礎(chǔ)恢復其空間以便進行其他工作作業(yè)。

5 實現(xiàn)效果

1）采用了錐形結(jié)構(gòu)，高強螺栓處于室外，最大限度地降低了密閉空間作業(yè)的安全問題，可提高施工質(zhì)量和作業(yè)效率；

2）輪轂安裝孔設(shè)置有多種類型，單個支承裝置即可實現(xiàn)目前多種主流風機的基礎(chǔ)支承工作，可循環(huán)使用，最大限度地節(jié)約了成本；

3）具有回轉(zhuǎn)功能，起重機吊起葉片向輪轂對位時，支承裝置可以回轉(zhuǎn)調(diào)整，更快地實現(xiàn)對位，提高工作效率；

4）因支承裝置采用活連接，與傳統(tǒng)的支承裝置相比，該裝置拆除、移位、恢復都比較方便。

5）錐形鋼結(jié)構(gòu)輔以放射筋板，強度、剛度、穩(wěn)定性都滿足的前提下最大限度地節(jié)約了鋼材用量。

6 結(jié)語

本文詳細介紹了一種新型風電風機輪轂安裝用支撐裝置設(shè)計方案，同一支承裝置可以適用于多型號主流風機的葉片安裝于風機輪轂的工作。其新型結(jié)構(gòu)形狀使高強栓預緊空間外露室外方便作業(yè)，其回轉(zhuǎn)功能可實現(xiàn)配合起重機吊裝過程旋轉(zhuǎn)調(diào)整以實現(xiàn)葉片與風機輪轂的高效對位組裝。

該設(shè)計方案結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、方便安裝、拆卸及移位，更適用于陸地基礎(chǔ)及海洋船舶基礎(chǔ)。實現(xiàn)了風電風機安裝的高空作業(yè)地面化、內(nèi)部作業(yè)敞開外部化、固定作業(yè)可旋轉(zhuǎn)調(diào)整化和同一支承裝置適用多類型風機輪轂的一機多用化，占用空間小，節(jié)約成本。為風電風機的安裝實施提供了一種效率更高、風險更低、成本更低的風機輪轂安裝用支承裝置設(shè)計方案。