新型风电风机轮毂安装用支承装置

韩中成 陈 凡 牟寿堂

青岛海西重机有限责任公司 青岛 266530

风电作为一种新型的环保绿色能源，受到全球各国的追捧[1]。风机的安装主要包括但不限于塔筒吊装、机舱与发电机安装后整体吊装、叶片轮毂组装、风轮吊装、附件与电器安装、完成全部风机高强栓的复检等[2]。现阶段，风电机组安装工艺复杂，吊装平台小、吊装物件构造大、质量重、施工难度大，故对起重吊装、高空作业安全施工要求高[3]。在保证安装质量的前提下采用最少的吊装次数可以大大降低安全风险。

将叶片在基础上组装成组件再整体吊装可以提高工作效率，使高空作业地面化以避免高空多次对接困难的问题。本文详细介绍的轮毂支承装置具有可回转调整、高强螺栓安装空间全部设置在室外敞开空间、具有多类型安装孔可适应多种机型风机的特点。

风机安装用起重机广泛应用于风电安装领域，是不可缺少的重大设备。本文设计的支承装置可更高效、安全地配合风机安装用起重机完成风机安装工作，为各安装单位提供一种新型的设计支承装置设计方案。

1 设计思路

风机头部轮毂存在4个较大的圆形法兰结构，其中1个为主轴承座，另外3个与3个叶片安装，本文设计一种支承装置使主轴承座处于水平状态，该支承装置顶端与主轴承座采用螺栓连接固定，另外3个与3个叶片连接的法兰结构的法兰所在平面垂直于水平面，此时再水平吊装风机叶片，风机叶片端部的法兰所在平面也与水平面垂直，则风机叶片即可对位连接，实现3个叶片的安装。叶片安装完毕后，拆除主轴承座连接螺栓，轮毂与3个叶片为一整体结构，一起整体吊装至风机最顶部，只在高空操作主轮毂主轴承座的对位及安装，从而实现高空作业地面化。在此作业过程中，需要解决4个问题。

1）新型风电风机轮毂安装用支承装置宜有回转功能，即可适当回转调整以配合叶片吊装起重机作业，提高工作效率。本文采用起重机常用的回转支承，该回转支承能承受较大的轴向压力和倾覆弯矩，从而实现固定作业可旋转调整。

2）新型风机轮毂安装用支承装置与风机轮毂的安装螺栓数量较大且需要提供预紧力，由于内部操作空间较狭小，且为密闭空间，不利于人员工作，故将螺栓预紧的操作工作设置在外部敞开空间是亟待解决的问题。本文采用锥形结构形式，将预紧螺栓空间设置在结构外部，从而达到了内部作业敞开外部化的目的。

3）现有风机轮毂类型较多，单一新型风电风机轮毂安装用支承装置应具有安装多种轮毂类型的功能。本文采用在较大环形重磅钢板上设置多类型安装孔的形式，则任意轮毂形式均有与之适应的轮毂安装孔，从而解决了一机多用的问题，最大限度节约了制造成本。

4）减少新型风电风机轮毂安装用支承装置的钢材用量，在满足高度需求的前提下，减小底部基础的占用面积。例如支座需求高度较高时，可在底部设置直段圆筒结构与上部锥形结构底部连接，以减少支承结构底部与基础的接触面积，从而最大限度地节约材料。

其他问题主要是各构件之间的连接形式，实际使用者可根据自身的需求采用螺栓、焊接等常规形式自由选择。载荷的大小、支座尺寸的要求等均可以本文的设计方案进行计算并根据实际需求确定。

2 方案设计

基于以上设计思路，本文采用一种新型的设计方案，通过简单且特殊的结构形式，给出详细的方案设计。为实现预期目的，完整的设计部件如图1、图2所示，图1为本支承装置的详细组成构件。

图1 支承装置主剖视图

图2 主视图中各向视图

2.1 结构组成

采用上下连接板和其之间的锥形支撑板组合焊接，锥形支撑板上口小、下口大，使各类型轮毂安装孔分布在整个结构顶部圆周外部范围，方便施工。上下连接板以及之间的用于支承两者的锥形环支撑板为核心特殊形状结构件，如图1中的件1、件2和件8所示。

锥形环支撑板的底端半径大于顶端半径且外侧布设若干辐射型的支撑筋板，如图2d所示剖视图。在上连接板与锥形环支撑板连接处的外圆周环带空间设有多类型轮毂安装孔，下连接板用于连接固定设置的基础结构，在作业过程中，采用上连接板的多类型轮毂安装孔与对应的轮毂安装法兰连接。

为实现一机多用的目的，在上连接板上设置第1轮毂安装孔和第2轮毂安装孔，可在不更换支承装置的前提下适应各类型风机，如图2a所示。轮毂安装孔的类型不仅限于第1轮毂安装孔和第2轮毂安装孔，实际制作中可根据轮毂型号不同，制作带有不同轮毂安装孔的支撑装置以适应多种风机轮毂。在不改变上连接板所采用材料大小的前提下尽可能多地设置多种类型轮毂安装孔，以实现可满足各类型风机轮毂安装的目的。

上下连接板设计为较厚的重磅板，通过设置上下连接板和锥形环支撑板配合结构，辅之若干辐射型的支撑筋板，满足支撑装置的强度、刚度、防倾覆性能，并且加强了锥形环支撑板的局部稳定性。

下连接板设置回转支承与支撑筒采用圆周方向均布的高强螺栓连接，使下连接板及以上所有支承装置可以360°范围转动，以便在后续实际操作叶片安装于轮毂的过程中能更好地配合风机叶片起重机进行回转方向的位置调整，使风机叶片和风机轮毂更高效地对位，提高了叶片安装于轮毂工作在各种苛刻作业环境下的施工效率，详见图1中的件7回转支撑。

地基基础一般为陆地混凝土或船舶钢结构，实际使用过程中因风机叶片离地需有一定高度，为保证该高度，与之相对应地设计等截面的底部支撑筒，在支撑筒顶端设计支撑上法兰，便于通过支承上法兰与回转支撑螺栓连接。支撑筒底端设有支承下法兰并与基础结构采用高强螺栓连接。

等截面底部支撑筒（见图1件4）除了满足安装高度外，还可以减少材料的使用量。因上连接板圆半径一定，在满足相同安装高度的前提下，采用一段等截面圆筒比圆锥形更经济。并且可最大程度地降低占用基础的面积，给地基或船舶让出更多其他施工空间。

2.2 可变结构设计

在无回转工况要求的前提下，也可不设置回转支承，下连接板直接与支撑筒结构焊接或螺栓连接。

对于各构件连接方式：支承上法兰与回转支承螺栓连接，支承下法兰与基础结构螺栓连接，回转支承与下连接板螺栓连接，螺栓采用高强度螺栓，螺栓连接是一种可拆卸的连接方式，可使装配更灵活和方便。对于无拆卸要求的场景，支撑筒底端也可直接与基础结构焊接，使结构永久可靠地固结于基础。若安装高度满足可不设置底部支撑筒，支座直接与基础结构焊接或螺栓连接。

2.3 注意事项

1）制造中应保证上连接板的平面度要求，便于与风机轮毂的贴合，并且要严格保证上连接板上的轮毂安装孔必须与实际风机型号的轮毂孔完全对应，便于安装高强度螺栓。

2）为保证风机轮毂安装螺栓打预紧扭矩的空间，设计中要特别注意辐射型的支撑筋板间距及锥形环支撑板上口的大小尺寸，避免与打螺栓预紧的工具干涉。

3）如需动力驱动机构，可根据需要设置回转机构以便驱动下连接板以上的支承装置回转，此时回转支承应注意采用外齿式，回转机构配以小齿轮与之啮合。

4）对于长时间暴露的使用场景，应特别注意在支撑筒底部设置漏水孔以便雨水等及时排除，避免整个结构内部积水造成支座腐蚀，影响其使用寿命。

5）对于需要移位的支承装置，需要在设计时考虑与基础的脱离及移位后的安装，最好采用与基础螺栓连接的形式，避免焊缝破除及重新安装的焊接工作量。

6）因风机叶片为3片顺序依次安装于风机轮毂，支承需要承受较大弯矩，所以地基基础需要做加强处理，设计时需要提供相关载荷给土建基础设计者或船舶结构设计者以满足地基强度要求。

3 使用方法

首先将叶片安装用风机轮毂支承装置底端安装于基础结构，然后将风机叶片的轮毂安装于上连接板对应的轮毂安装孔上，在叶片安装用风机轮毂支承装置的作用下，依次将3片风机叶片安装在轮毂上（叶片与风机轮毂的安装在地面上进行更容易对位及紧固操作），安装完成后利用吊装设备将风机叶片与轮毂一起吊离。

当支承装置上带有回转装置时，回转支承可以带动下连接板转动，实现支承装置的旋转，从而实现风机轮毂绕竖直轴旋转，能更好地配合吊装风机叶片的起重机进行叶片调整，使风机叶片和风机轮毂对位更高效。

4 性能特点

支承采用锥形结构，将安装螺栓空间全部暴露在室外，这样紧固螺栓的作业在外部进行，从而提高了可操作性和安全性。锥形结构可以实现在上连接板上最大数量的设置风机轮毂安装孔类型，实现同一支承适应更多的风机安装，实现一机多用，避免了整体支承装置更换的弊端，最大限度地节约了制造成本。采用回转支承装置安装于中间部位，在叶片对位轮毂过程中，可以适当旋转调整位置，更高效率地完成3只叶片分别在轮毂上的安装工作。支承装置拆卸方便，便于基础恢复其空间以便进行其他工作作业。

5 实现效果

1）采用了锥形结构，高强螺栓处于室外，最大限度地降低了密闭空间作业的安全问题，可提高施工质量和作业效率；

2）轮毂安装孔设置有多种类型，单个支承装置即可实现目前多种主流风机的基础支承工作，可循环使用，最大限度地节约了成本；

3）具有回转功能，起重机吊起叶片向轮毂对位时，支承装置可以回转调整，更快地实现对位，提高工作效率；

4）因支承装置采用活连接，与传统的支承装置相比，该装置拆除、移位、恢复都比较方便。

5）锥形钢结构辅以放射筋板，强度、刚度、稳定性都满足的前提下最大限度地节约了钢材用量。

6 结语

本文详细介绍了一种新型风电风机轮毂安装用支撑装置设计方案，同一支承装置可以适用于多型号主流风机的叶片安装于风机轮毂的工作。其新型结构形状使高强栓预紧空间外露室外方便作业，其回转功能可实现配合起重机吊装过程旋转调整以实现叶片与风机轮毂的高效对位组装。

该设计方案结构简单、紧凑、方便安装、拆卸及移位，更适用于陆地基础及海洋船舶基础。实现了风电风机安装的高空作业地面化、内部作业敞开外部化、固定作业可旋转调整化和同一支承装置适用多类型风机轮毂的一机多用化，占用空间小，节约成本。为风电风机的安装实施提供了一种效率更高、风险更低、成本更低的风机轮毂安装用支承装置设计方案。