桁架式塔的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于在高载荷条件下致动的桁架式塔(lattice tower)，更具体地，涉及一种用于风力涡轮机和其他应用的桁架式塔。
【背景技术】
[0002]用于支撑高载荷的竖直结构，例如，用于支撑风力涡轮机、输电线路和其他应用的塔等，在现有技术中是众所周知的。这种竖直结构的结构设计、部件和材料随着应用的不同而变化。
[0003]在最近数十年已经受到特殊关注的一种类型的竖直结构是用于风力涡轮机或其他高载荷的竖直结构。
[0004]风能已经变成一种非常引人注意的能源，这不仅是由于发电机的效率增加，而且是由于对清洁且可再生能源的市场需求增加。风能发电机的效率的增加与技术多方面增强的巨大成就相关，这些技术包括与风能发电机部件的设计和制造相关的许多方面，其中，这些风能发电机部件包括转子叶片、发电机、塔和控制系统。
[0005]在兆瓦级应用(目前在大约I丽至5丽的范围内变化)中使用的大多数风力涡轮机具有水平轴风力涡轮机(HAWT)构造，该构造的塔顶部具有主转子轴和发电机，并且转子轴线定向至风的流入方向，其中三个叶片逆风(upwind)定位。
[0006]逆风设计的主要优点是，避免风遮(wind shade)以及在塔后面产生的湍流。目前，大多数大型风力涡轮机采用逆风设计；然而，此设计具有多种缺点，例如，由于叶片的弯曲而需要在塔和叶片之间具有一定距离，以及需要调向机构(yaw mechanism)来保持转子面向风。偏航机构通常具有通过电子控制器与偏航驱动装置相联的风力传感器，偏航驱动装置包括一个或多个液压马达或电马达和用于增加扭矩的大齿轮箱，并且偏航机构包括偏航轴承。偏航轴承在塔和风力涡轮机的舱体(nacelle)之间提供了可旋转连接。偏航机构通常包括额外的部件，例如与液压马达或电马达配合工作的制动器，以避免由于在转子根据风向定向的过程中的反冲而在风力涡轮机部件上产生磨损和高疲劳载荷。由于风力涡轮机将通常具有使电流从发电机通过塔向下传送的线缆，线缆可能由于偏航机构的旋转而变得缠绕在一起。因此，风力涡轮机可装配有线缆测绕器，该线缆测绕器与偏航机构电子控制器相关联，以通过偏航机构来确定解绕线缆的需求。
[0007]如果转子和舱体具有使舱体被动地随着风向的合适设计，利用风力以自然地调节风力涡轮机相对于风的定向，那么，顺风设计(通过该设计，将转子放置在下风面(leeside)上，风从该下风面吹入塔)原则上会避免偏航机构的需求。这种理论上的优点在大兆瓦级风力涡轮机中是不确定的，因为如果转子在相同方向上连续转动，则通常仍需要解绕线缆。另外，该设计存在机械问题，例如由于风向的突然变化而产生的强载荷所引起的部件的疲劳。然而，顺风设计在机器的结构动力学方面仍具有重要优点，该优点是允许转子和塔的更好的平衡。在较大的风力涡轮机转子(目前该转子具有达到大约120米(大约393.6英尺)或更大的直径)的情况下，在转子叶片的设计中获得更大的灵活性是必要的。
[0008]然而，转子直径的增加通常涉及更重的转子，并且因此塔高度的增加，进而使用额外的制造塔的材料(例如钢)。
[0009]因此，由于塔通常代表风能发电机的成本的大约15%至30%，所以非常需要以更低的成本获得更高且更坚固的塔。
[0010]近二十年中制造的具有高于一兆瓦功率输出的大多数大型风力涡轮机采用管状钢塔(通常叫做“单管塔(monopoles)”)作为优选选择。该单管塔通常从底部向顶部或接近于顶部逐渐缩小，具有通过螺栓连接法兰(bolted flange)连接在一起的模块。与单管塔相关的约束是限制区段的直径的道路运输限制。例如，在许多国家，具有大于大约4米(大约13英尺)的直径的管状区段可能无法在道路上运输。
[0011]桁架式塔通常需要比单管塔更少的材料(例如更少的钢)，但是要求较大数量的部件和螺栓连接件。这些螺栓连接件承受变化的疲劳载荷，因此，螺栓连接件具有更高维护需求的缺点。
[0012]技术问题
[0013]一个关于竖直结构(例如用于支撑高载荷(例如大型风轮发电机)的塔等)的具体的技术问题是，垂直载荷向量和水平载荷向量沿着竖直结构的延伸部的应力和应变分布之间缺少平衡。由于这种平衡的缺少，塔区段设计为在一些区段中具有明显的材料损失，或设计为具有导致需要复杂的制造、运输和安装的组件。
[0014]待考虑的其他问题是，弯曲模式和扭转模式的较低的固有频率，以及风在塔中产生的振动和颤动的级别。
[0015]同样地，不管是逆风设计还是顺风设计，如果转子轴线基本上未定位成风的流入方向，那么存在所谓的偏航误差角，导致风中更小部分的能量流过转子区域。通常，损失功率的部分与偏航误差角的余弦成比例。此外，偏航误差在转子的最接近风源的部分处产生更大的弯曲扭矩，导致转子趋向于与风相对地偏航，且对于转子的每转导致叶片在转子的每一转时趋向于在拍打方向(flapwise)(或平放方向(flatwise))上前后弯曲。因此，一方面，风力涡轮机转子相对于风的充分对准对于获得良好的风能提取性能和低风力涡轮机部件磨损来说是必要的，而另一方面，需要具有顺风设计的优点的一种低成本的偏航机构。
[0016]解决方案
[0017]为了克服上述缺点和问题以及本文未提到的其他缺点，根据本发明的如下所述的目的，本发明的一个基本方面涉及一种用于在高载荷条件下致动的桁架式塔。
[0018]有益效果
[0019]本发明具有多个超越现有技术的优点。与现有技术的竖直结构相比，根据具体情况的设计要求，本发明能够使金属结构的重量显著减小大约40%。该结构的总重量的这种明显减小的一个原因是，竖直结构的每个腿均具有与单管塔类似的应力和应变性能，而没有单个单管塔竖直结构的大直径的限制。该金属结构的重量的减小伴随着该结构的总成本的有利的减小，该总成本包括制造、运输和安装的成本。
[0020]重量减小的优点伴随着进一步的制造、运输和安装的优点，并能够使用于高的且关键的应用的新类型的竖直结构，例如，具有高于100米(高于328英尺)的塔并具有高于3MW的功率输出的风力涡轮机。
[0021]而且，本发明的一个实施方式的另一方面允许转子的竖直和水平对准，而不会总是需要偏航机构的全部的力，同时也对暴风或极端风进行吸收并提供阻尼效果。
[0022]而且，本发明的一个实施方式的另一方面提供了一种相对于标准舱体的尺寸的大型平台，允许使用具有用于顺风应用的具有低影子风(shadow wind)和湍流的替代塔设计，使得叶片的设计明显灵活，大幅度降低成本并改进了性能。
【附图说明】
[0023]参考附图，通过详细描述示例性实施方式，上述的和其他示例性方面和/或优点将变得更显而易见，这些附图并非必须按比例绘制。在附图中，各附图中所示的多个相同或几乎相同的部件可用相应的参考标号表示。为了清楚的目的，并没有在每张附图中均标记每个部件。
[0024]图1示出了根据本发明的一个实施方式的用于支撑载荷的桁架式塔的一个实例的立体图。
[0025]图2A是根据本发明的一个实施方式的桁架式塔的一个实例的侧视图。
[0026]图2B是根据本发明的一个实施方式的支撑件相对于桁架式塔的每个腿的中心轴线以β 2的角度倾斜的局部细节视图。
[0027]图3Α是根据本发明的一个实施方式的桁架式塔的俯视图。
[0028]图3Β是根据本发明的一个实施方式的桁架式塔的仰视图。
[0029]图4是根据本发明的一个实施方式的中心纵向轴线、塔的竖直轴线和腿的锥度之间的倾斜度的局部放大示意图。
[0030]图5Α是根据本发明的一个实施方式的桁架式塔的一个实例的侧视图，用作参考以示出塔腿沿着其高度的横截面的不同构造。
[0031]图5Β是根据本发明的一个实施方式的腿沿着桁架式塔的第三部分长度的截面图(放大了倾斜度和锥度，并且不成比例)。
[0032]图5C是根据本发明的一个实施方式的腿沿着桁架式塔的第三部分长度的局部示意图(放大了倾斜度和锥度，并且不成比例)。
[0033]图f5D是根据本发明的一个实施方式的腿沿着桁架式塔的第二部分长度的截面图(放大了倾斜度和锥度，并且不成比例)。
[0034]图5E是根据本发明的一个实施方式的腿沿着桁架式塔的第二部分长度的局部示意图(放大了倾斜度和锥度，并且不成比例)。
[0035]图5F根据本发明的一个实施方式的腿沿着桁架式塔的第一部分长度的截面图(放大了倾斜度和锥度，并且不成比例)。
[0036]图5G是根据本发明的一个实施方式的腿沿着桁架式塔的第一部分长度的局部示意图(放大了倾斜度和锥度，并且不成比例)。
[0037]图6A是根据本发明的一个实施方式的一个示例性的多边形横截面形状的视图。
[0038]图6B是根据本发明的一个实施方式的一个示例性的减小的腹板(web，连结板)轮廓横截面形状和整流罩的视图。
[0039]图7是根据本发明的一个实施方式的桁架式塔长度的模块的一个示例性连接的细节图。
[0040]图8是根据本发明的一个实施方式的具有内管状接合部的支撑平台的立体图，该支撑平台用以执行与现有技术的细长舱体相似的功能。
[0041]图9是根据本发明的一个实施方式的具有内管状接合部的支撑平台的侧视图。
[0042]图10是根据本发明的一个实施方式的具有内管状接合部的支撑平台的前视图。
[0043]图11是根据本发明的一个实施方式的具有内管状接合部的支撑平台的后视图。
[0044]图12是根据本发明的一个实施方式的具有用于线缆的通道的内管状接