专利名称：低成本的可轨道运输式风力涡轮机塔架的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及风力涡轮机塔架的构造，并且更特别地涉及风力 塔架和它的构造方法，该方法允许用于大型塔架的部段的低成本轨道 运输。此外，它允许现有塔架升级，以能够处理较大的涡轮机。
背景技术：
许多年以来，已成为惯例的是在工场设备上分别地建造钢风力塔 架部段，并且然后将每一个完整的部段移动到指定位置，在该位置处 执行风力涡轮机塔架的安装。塔架部段典型地具有圓柱或者稍微锥形 的形状，并且部段中的每一个依次沿着轴线被分成足够个数的外壳。
由于对较大容量塔架的需求不断增加以及因此建造这种塔架所 需的所有零件的较大尺寸，所以出现了由基础设施所施加的物理局限 性，比如在桥下或者在地道里的空隙。
风力载荷以风速的平方而增加，并且因此涡轮机塔架越高，结构 的尺寸将越强，这又意味着或者壁厚将被增加或者直径将纟皮扩大。增 加塔架直径比增加钢板或者其它壁材料的厚度可更有利。当为了在桥 下通过并且穿过地道而使直径需要足够小以便限制车辆的高度时，增 加的厚度将意味着较高的材料成本和对于较重运输车辆，或者卡车、 火车、轮船或者直升飞机的需求。而且，较厚的钢坯较难于形成和加 工。
为了允许较大直径部段的运输以支持具有较大最大负载的较高 塔架，已经提出的是塔架部段沿着形成两个半圆柱外壳的垂直线4皮劈
开(Jensen的WO 2004/083633)。半圆柱外壳的大小与用于运输的最大 尺寸是一致的。螺栓结合凸缘沿着半圓柱外壳的轴向方向一皮提供，允
许运输之后在现场組装。然而，由于不利的地形和苛刻的环境条件， 希望的是限制在现场的组装。进一步地，额外接合处的产生潜在地使 得塔架经受额外的故障形式。
图iA和图m分别图解了在美国用卡车和轨道运输的可获得的最 大空间包络。轨道运输对于大型塔架部段是最不昂贵的运输形式。示
范性80米的塔架包括变化的直径和厚度的3个》荅架部段。该底部和 中部塔架部段具有14.11英尺的最大直径。该顶部部段具有11.5英尺 的最大直径。用于通过卡车运输的空间包络10是大约14+英尺，因此 允许大约该直径的管状部段20装配在空间包络中。用于通过轨道运 输的空间包络40在一侧上达到大约11英尺到13英尺，因此允许达 到大约该直径的管状部段50装配在空间包络中。因此，该顶部部鞋二 通过轨道运输。该底部和中部塔架部段超过了轨道包络。底部和中部 塔架部段必须由卡车来运输，并且一般大小在大约14+英尺的卡车运 送包络中。在美国以外的卡车和轨道运输也受到相似的对空间包络考 虑的限制，但是大小特定于现场。
因此，由于轨道运输的低成本，所以用于运输顶部部段的成本是 用于运输底部和中部塔架部^R的成本的大约50 % 。
从而，需要提供用于大型风力涡轮机塔架的所有塔架部段的构 造，其中部段的直径落在最大的轨道运输的直径内，但是其仍然具有 足够的强度，以承受施加在部段上的负载。
发明内容
本发明涉及一种用于通过构造落在用于轨道运输的允许空间包 络中的塔架部段而允许大型风力涡轮机塔架的部段通过轨道运输一皮 运输到风场(windfarm)位置的设备和方法。此外，它允许现有塔架升 级，以能够处理较大涡轮机。
筒要地，根据本发明的一个方面，风力涡轮机塔架被提供，其将 适应于风力涡轮机部段的轨道运输。风力涡轮机塔架包括多个轴向管
状部段，其中部段包括不大于指定的最大直径的外径；用于轴向部段
中的每一个的主结构元件，其中结构元件总体上是圆柱形状；和用于 主结构元件的边角加固部。边角加固部总体上等距地绕着主结构元件 的圆周设置并且以大约90度的方式4^分开。
根据本发明的另一个方面，支持系统被提供用于先前构造的风力 涡轮机塔架，该塔架包括具有用于轴向部段中的每一个的主结构元件 的多个轴向管状部段，结构元件总体上是圓柱形状。支持系统包括边 角加固部以用于多个轴向管状部段中的至少一个的主结构元件。边角 加固部总体上等距地绕着主结构元件的内表面或者外表面上的主结 构元件的圓周设置，并且边角加固部进一步地可^支包括在一侧上适应 于轨道运输的最大尺寸的包络中。然而，考虑到^支装配在运送包络的 边角中的开放空间中，所以用于在现有塔架上的修理、翻新或者升级 的边角加固部不需要在大小上受到限制，这是因为它们主要在场地上 被组装。
提供了 一种用于为风力涡轮机塔架提供结构支持以允许塔架部 段被装配在用于轨道运输的设计空间包络中的方法。该方法包括提供 多个轴向管状部段，其中部段包括不大于指定的最大直径的外径；成 形用于多个轴向管状部段中的每一个的主结构元件，其总体上是圆柱 形状；形成用于连到用于多个轴向管状部段中的至少一个的主结构元 件上的边角加固部，以建立用于在一侧上适应于轨道运输的不大于指 定尺寸的组合的空间包络；和连上用于主结构元件的至少一个的边角 加固部。边角加固部在每一个边角处等距地绕着主结构元件的圆周#皮 连上。进一步地，该方法包括当边角加固部延伸到管状轴向部段的邻 接端部时，连接边角加固部的邻接端部。边角加固部可或者在主结构 元件的外侧上或者在内侧上。考虑到被装配在运送包络的边角中的开 放空间中，所以用于在现有塔架上的修理、翻新或者升级的边角加固 部不需要在大小上受到限制，这是因为它们主要在场地上被组装。
当参考附图阅读下面详细的描述时，本发明的这些和其它的特 征、方面和优点将变得更好理解，在整个附图中相似的标号表示相似
的部件，其中
图1A和图IB图解了在美国用于运输的最大可获得的空间包络；
图2图解了示范的发明性风力涡轮机塔架；
图3A和图3B图解了示范性塔架部段，其中在边角中有边角加固
部；
图4A图解了用于风力涡轮机塔架的内部加固的示范性布置； 图4B图解了在修理、翻新或者升级期间用于风力涡轮机塔架的 外部加固的示范性布置，其不需要被限制在用于轨道运输的空间包络
中；
图5图解了用于风力涡轮机塔架的边角支持部的示范性布置；和 图6图解了用于等长的塔架主结构元件的轨道运输。
部件列表
10卡车运送空间包络
20塔架管状部段
30边角空间
40轨道运送空间包络
50塔架管状部段
60边角空间
100风力涡轮机塔架
110顶部部段
120中部塔架部段
130底部部l爻
135主结构元件
140圓柱壁厚
145主结构元件的长度
150边角加固部
155连接件
160塔架部段的外径
165管状轴向部段的邻接端部
170边角支持部的底端
175地基
180主结构元件的外表面
185主结构元件的内表面
190边角支持部
191边角支持部的连接端部
192边角支持部的支持端部
193桩基
194主地基
195空间包络
197 —侧上的最大尺寸
310轨道运输包络
320边角空间
330 v形边角加固部
340边角空间
350主结构元件
360铁路运输空间包络
370 v形中的空腔
380 h形中的空腔
410外部边角加固部
420内部边角加固部
430轨道运输空间包络
610机车
620-640有轨电车
650用于顶部部段的主结构元件
660用于中部塔架和底部部段的主结构元件
670铁路运输底部部段
680主结构元件的长度
具体实施例方式
本发明的下列实施例具有许多优点，包括允许具有先前所需的用 于结构完整性的大直径的风力涡轮机塔架结合落在用于轨道运输的 允许空间包络中的缩小直径。用于轴向管状部段的结构完整性可通过 边角加固部被提供，装配在绕着管状部段的可获得的空间中，但是在 用于轨道运输的空间包络中。用于塔架结构的进一步支持可通过边角 支持部3皮提供，在一个端部上^^皮连到边角加固部上并且在相对端部上 被连到地基上。当修理、升级或者翻新时，用于现有风力涡轮机塔架 的结构完整性也可通过增加的边角加固部和边角支持部一支增强。
图2图解了示范的发明性风力涡轮机塔架。结合了本发明的风力 涡轮机塔架100可包括多个轴向管状部段。尽管本发明可^L应用到具 有较少或者较多数量的部段的风力涡轮机塔架上，但是在示范性风力 涡轮机塔架中，三个轴向管状部段顶部部段110、中部塔架部段120 和底部部段130。尽管可结合有微小的锥形，但是这种塔架总体上是 圆柱形状。塔架部段的外径160不大于指定的最大直径，其由用于轨 道运输的最大空间包络来界定。然而，在本发明优选的实施例中，每 一个轴向管状部段可包括具有总体上圆柱形状的主结构元件135，包 括一致的截面。用于轴向管状部段中的每一个的主结构元件135也可 包括一致的壁厚140。为了进一步增强运输性，塔架部段可是相等的 轴向长度145。
在边角处通过边角加固部150可增强主结构元件135。边角加固 部总体上居中地以大约90度分开的方式等距地绕着主结构元件的圓
周设置。边角加固部可优选地是轧制或者压制钢板部段的构材，但是 也可包括提供相等强度的支持的其它材料。典型地，边角加固部150
在制造厂通过焊接或者其它适当的连接技术被连到主结构元件135 上，以避免在天气和地形造成困难的架设场地处的焊接或额外的工 作。或者完全地或者部分地沿着多个轴向管状部段中的至少一个的长 度，边角加固部150可轴向地延伸。在此，边角加固部150^皮图示为 完全地沿着主结构元件135的长度145延伸。如果边角加固部150被 应用到主结构元件135上以用于邻接的轴向管状部段(比如，底部部段 130和中部塔架部段120)并且总体上进一步地轴向地延伸以在轴向管 状部段的邻接端部165处相遇，那么边角加固部150在结构上^支连4矣 到邻近端部165上。边角加固部150可通过螺栓连接件155或通过其 它本领域中公知的组装技术被连接。进一步地，当边角加固部150被 提供用于至少底部部段130时，用于底部部段的边角加固部150的底 端170可被连到地基175上以为结构提供额外的强度。图2的示范性 边角加固部15CM皮图示为沿着它的长度具有总体上一致的截面198。 然而，锥形边角加固部150可备选地被提供(图未示)，其中边角加固 部150的截面或者厚度在加固的底部处大于在加固的顶部处或者对于 底部部段大于对于中部塔架部段。
再次参考图1A，当圆柱形状的结构元件20占据空间，其中外径 在长度上等于正方形空间包络10的侧边时，空间包络10的大约21.5 %在边角30中没有被使用并且因此^皮浪费了 。
图3A和图3B图解了用于边角加固部的示范性设计，使用了在用 于轨道运输的空间包络中的可获得的"边角空间"。边角加固部的各 种构造可^支应用来强化结构。边角加固部必须具有一定大小以装配在 边角空间320中。在构造中，V形边角加固部330或者H形边角加固 部340可被提供在边角区域320的每一个处以用于加强。其它截面形 状也是可能的(除了 V或者H)。不论什么形状，被安装有边角加固部 (320, 330)的主结构元件350都应占据在一侧365上不大于指定最大
尺寸的空间包络。进一步地，在每一侧上都不大于最大尺寸的空间包
络360必须是足够地小以适应于轨道运输。对于美国，可^皮适应于轨 道运输的最大尺寸在一侧上是大约11英尺到13英尺。对于国际轨道 运输，可被适应于轨道运输的最大尺寸侧可随区域而变化。进一步地， 用于美国和国际区域二者的允许空间包络在将来可变化。本发明的范 围可针对所有这些在最大侧尺寸上的区域变化和修改和可在将来发 生的这些尺寸上的改变。
当沿着主结构元件的轴向长度^R连上时，在上面描述的用于边角 加固部的V形和H形和其它构造可界定闭合的或者半闭合的空腔或者 空间370， 380,其可延伸单个塔架部段的完整长度或者甚至可延伸到 顶部部段的最高点处。这些空腔可被应用于到塔架的、直到发动机舱 的连续电线、液压线和引入线。
通过连到主结构元件135的外表面180或者内表面185上，边角 加固部150可被提供。优选地将边角加固部150连到主结构元件135 的外表面180上，这是因为这种布置最大化用于塔架的转动惯量。通 过将边角加固部150放置在主结构元件135的外表面上所提供的进一 步的优点是当运送时最小化索具(rigging)和包装。独自竖立的大型主 结构元件135是圆柱形的并且具有滚动的趋势。边角加固部用作为抗 滚动装置并且考虑到了通过这个特征将易于将塔架部段锚定到钢轨 底座上。
图4A图解了用于塔架结构的内部加固的布置。当其它考虑使得 放置在外表面上不合需要或者不可能时，这种在主结构元件135的内 部表面185上的边角加固部150的布置可被实现。例如，将边角加固 部150连到塔架的外部上可降低属于风力涡轮机塔架的优美平滑形状 和美学外观，可能使得对于场所位置它更难于获得公众的接受。而且 (参考图2)，对于顶部部段110和中部塔架部段120,外部边角加固部 150可潜在地干扰风力涡轮机叶片的旋转。除了别的以外，出于这些 原因，将有必要将边角加固部内部应用到主结构元件上。
除了通过边角加固部提供强化以外，对于塔架为了提供进一步的 支持，可提供边角支持部。边角支持部可包括轧制或压制构件。轧制 或压制构件可由厚钢板或其它相等强度的材料构成。再次参考图2，
边角支持部190可在连接端部191处通过螺栓或者其它本领域中公知 的方式被连到边角加固部150上。底部部段130经受最大的负载力， 所以为了底部部段130通常优选的是通过边角支持部190来进一步支 持塔架。边角支持部190的支持端部192可被固定到地基175上。然 而，当边角加固部被提供到较高部段上时，将边角支持部应用到塔架 的多于一个的轴向管状部段(图未示)上是可能的。
图5图解了用于风力涡轮机塔架的边角支持部结构。在此，边角 加固部151 ^皮提供，以用于底部部段130并且中部塔架部段加固152 被提供以用于中部塔架部段120。边角支持部190可被提供，以用于 底部部段130的每一个边角加固部。边角支持部190的连接端部191 在用于底部部^: 130的边角加固部151的上端处^L连上。边角支持部 190的支持端部192 ^皮锚定在用于塔架结构的地基175上。用于锚定 的地基175可或者是新安装的地基193比如桩基，或者是现有地基比 如用于塔架的主地基194。
支持系统可进一步被提供以用于对先前构造的风力涡轮机塔架 的升级、修理或者翻新，其中风力涡轮机塔架包括具有用于轴向管状 部段中的每一个的主结构元件的多个轴向管状部段。在此，结构元件 可总体上是圆柱形状，再次认可的是结构元件可包括锥形。支持系统 可4皮需要，以提供额外的结构完整性或者以从风力涡轮机和安装在塔 架顶上的发动机舱的升级处针对额外的重量。
支持系统可包括用于多个轴向管状部段中的至少一个的主结构 元件的边角加固部。参考图2、图3、图4和图5。边角加固部150可 总体上等距地绕着主结构元件135的圓周^皮提供。边角加固部150可 被连在或者主结构元件135的内表面185上或者其外表面180上。对 于其翻新，边角加固部150将通过焊接、螺栓连接或者其它本领域中
公知的方式被安装，其发生在场地上而不是在制造设备中。相似于最 初的安装应用场合，边角加固部可被应用到塔架部段的一个或多个上
(比如，底部130、中部塔架120和顶部110)并且可部分地或者完全地 沿着主结构元件135的长度延伸。当边角加固部150在轴向管状部段 的邻接端部165处相遇时，用于邻接部段(比如，底部130和中部塔架 120)的边角加固部150可被连接以用于进一步的强化。用于底部部段 130的边角支持部190的支持端部192可通过连到现有的或者新建立 的地基175上被进一步地强化。当风力涡轮机塔架已经在场地上被建 立时，比如用于修理、翻新或者升级，主结构元件135不需要被运输。 在这种情形中对于可运输性的需求是边角加固部本身装配在轨道运 输的空间包络中。
对于支持系统的元件的连接(边角加固部到主结构元件上，边角加 固部到边角加固部上，边角支持部到边角加固部上)可通过螺栓连接、 焊接或者本领域中公知的其它适当的方式，以用于安装在现场中。
用于现有塔架的支持系统可进一 步包括用于多个轴向管状部段 中的至少一个的边角加固部的每一个的边角支持部。边角支持部可在 一个端部处4皮连接到边角加固部上并且在相对的端部处^皮连接到用 于塔架的新的或者现有的地基上。进一步地，当提供用于先前安装的 风力塔架的边角加固部和塔架部段的运输没有被关注时，那么绕着外 表面以大约90度的方式居中的四个边角加固部的利用不^皮限制，所 以在其它的圆周位置处可提供额外的边角加固部。
图4B图解了在现有风力涡轮机塔架的现场升级、翻新和修理中 的边角加固部。边角加固部可是外部边角加固部410或者内部边角加 固部420。对于现有塔架，外部边角加固部410或者内部边角加固部 420不和:t荅架部段一起^皮运输。所以，在修理、升级、售后市场和翻 新应用场合中的用于轨道运输大小的需求仅仅是边角加固部本身需 要被限制在用于轨道可运输性的空间包络430中。主结构元件135和 边角加固部410的组合可超过空间包络430。
图6图解了用于示范性3个部段风力塔架的塔架主结构元件的轨 道运输。具有至少3个有轨车620、有轨车630和有轨车640的机车 610承栽塔架部段。在具有3个部段的示范性塔架中， 一个部段被分 配到有轨车的每一个上。对于该实例，顶部部段110具有主结构元件 650,其不使用边角加固部并且满足用于轨道运输的空间需求。用于 中部塔架部段120和底部部段130的主结构元件660净皮提供有边角加 固部150,其组合落在用于轨道运输的空间包络670中。每一个塔架 部段都基本上是相等的长度680，其由有轨车620、有轨车630和有 轨车640的长度提供。边角支持部190可被存储在部段的一个或多个 的内部。进一步地，对于美国运输，有轨车的长度被限制在大约89 英尺。在美国以外的轨道运输也被相似的长度考虑所限制，但是其中 大小特定于现场。
本发明还步包括用于为风力涡轮机塔架提供结构支持的方法，以 允许塔架部段装配在指定的用于轨道运输的空间包络中。该方法包括 提供多个轴向管状部段，其中部段具有不大于指定的最大直径的外 径。用于多个轴向管状部段中的每一个的主结构元件^L成形为总体上 圆柱形状的。边角加固部^f皮形成以用于连到用于多个轴向管状部段中 的至少一个的主结构元件上，以建立适应于轨道运输的在一侧上不大 于指定尺寸的组合的空间包络。边角加固部可或者部分地或者完全地 沿着轴向管状部段的长度延伸。边角加固部^t连上以用于主结构元件 的至少一个，边角加固部在每一个边角处是等距地绕着主结构元件的 圓周。
该方法进一步包括当边角加固部^^皮提供用于至少底部部段时将 边角加固部连到用于风力塔架的地基上。当边角加固部^支^是供用于至 少底部部段时，边角支持部^皮提供用于至少底部部段的每一个边角加 固部。然后，该方法提供了用于将边角支持部的一个端部连到边角加 固部上。边角支持部的相对端部被连到新的地基和用于塔架的现有地 基的至少一个上。
通过增加转动惯量，在主圆柱元件的外表面上连上边角加固部和 边角支持部提供了对塔架的较大支持。然而，外部加固可能防碍塔架 的美学外观，因此提供了某种动机以提供连到主结构元件的内表面上 的力口固。顶部部段和中部塔架部段与涡轮机叶片旋转的干扰也需要边 角加固部被提供在主结构元件的内部，尽管这种支持比外部加固效率 低些。
尽管在本文中已图解和描述了本发明的仅仅某些特征，但是本领 域中的那些技术人员将能想到许多修改和变化。所以，可以理解的是 当落在本发明的本质精神中时，附加权利要求旨在覆盖所有这些修改 和变化。
权利要求
1.一种风力涡轮机塔架(100)，包括多个轴向管状部段(110，120，130)，所述部段包括不大于指定的最大直径的外径(160)；用于所述轴向管状部段中的每一个的主结构元件(135)，所述主结构元件总体上是圆柱形状；和用于所述主结构元件(135)的边角加固部(150)，所述边角加固部(150)总体上等距地绕着所述主结构元件(135)的圆周设置，并且以大约90度的方式被分开。
2. 根据权利要求1所述的风力涡轮机塔架，其特征在于，所述边 角加固部(150)总体上至少部分地或者完全地沿着所述多个轴向管状 部段(IIO， 120, 130)中的至少一个的长度(145)轴向地延伸。
3. 根据权利要求2所述的风力涡轮机塔架，其特征在于，当总体 上轴向地延伸的所述边角加固部(150)进一步地延伸到在轴向管状部 段(IIO， 120， 130)的邻接端部(165)处相遇时，所述边角加固部(150) 在结构上被连接在所述邻接端部(165)处。
4. 根据权利要求2所述的风力涡轮机塔架，其特征在于，对于所 述多个轴向管状部段(IIO, 120， 130)中的至少一个的底部部段(130)， 所述边角加固部(150)进一步地延伸到用于所述塔架的地基(175)中。
5. 根据权利要求2所述的风力涡轮机塔架，其特征在于，所述边 角加固部(150)被固定到所述主结构元件(135)的内表面(185)和外表面 (180)中的至少一个上。
6. 根据权利要求5所述的风力涡轮机塔架，其特征在于，当所述 边角加固部(150)一皮连到用于所述多个轴向管状部段(110, 120, 130) 中的至少一个的所述主结构元件(135)的所述外表面(180)上时，边角支 持部(190)的一个端部(191)被连接到用于所述多个轴向部段中的至少 一个的所述边角加固部(150)中的每一个上。
7. 根据权利要求6所述的风力涡轮机塔架，其特征在于，当所述 边角支持部(190)被设置到用于所述多个轴向管状部段(110， 120， 130) 中的至少一个的所述边角加固部(150)中的每一个上时，所述边角支持 部(190)在相对的端部(192)处^皮锚定到地基(175)上。
8. 根据权利要求7所述的风力涡轮机塔架，其特征在于，用于所 述边角支持部的所述地基包括用于所述塔架的现有地基和非现有的 新安装的桩基中的至少 一个。
9. 根据权利要求6所述的风力涡轮机塔架，其特征在于，当所述 边角加固部(150)被固定到所述主结构元件(135)的外表面(180)上时， 具有安装的所述边角加固部(150)的所述主结构元件(135)包括在一侧 (197)上不大于规定的最大尺寸的空间包络(195)。
10. 根据权利要求9所述的风力涡轮机塔架，其特征在于，在一 侧(197)上所述最大尺寸的所述包络包括可适应于轨道运输的空间包 络(195)。
全文摘要
本发明提供一种适应于风力涡轮机部段的低成本的可轨道运输式风力涡轮机塔架(100)。风力涡轮机塔架包括多个轴向管状部段(110，120，130)，其中该部段包括不大于指定的最大直径的外径(160)；用于轴向管状部段中的每一个的主结构元件(135)，且主结构元件总体上是圆柱形状；和用于主结构元件的边角加固部(150)。边角加固部(150)总体上以大约90度分开的方式等距地绕着主结构元件的圆周设置。边角支持部可进一步被提供，以从风力涡轮机塔架的地基处支持边角加固部。随着边角加固部(150)被连到主结构元件(135)上，组合体落在适应于轨道运输的空间包络中。
文档编号F03D1/00GK101338726SQ20081009093
公开日2009年1月7日 申请日期2008年3月28日 优先权日2007年3月30日
发明者B·S·巴奇帕利, D·J·万贝克, G·D·默瑟, T·M·格日鲍夫斯基 申请人:通用电气公司