本发明总体上涉及设备塔架领域，并且更具体地，涉及带有具有分段支承板表面的至少一个塔架区段的混凝土风力涡轮机塔架，以及形成包含有分段支承板的塔架区段的方法。
背景技术：
建造被用于对比如照明设备、天线、移动电话设备或风力涡轮机设备之类的不同类型的设备进行支承的塔架的现有方法根据塔架的材料是钢还是混凝土而改变。用于选择塔架是由钢构建或是由混凝土构建的决策过程可以取决于塔架的地理位置、区域资源、高度和重量承载需求以及用于建造塔架的场地的接近途径。钢制塔架通常通过在中间凸缘处将钢管部段螺栓连接在一起制造而成。通常，随着塔架高度的增加，塔架基部的直径也增加以适应由较高的塔架所产生的较大载荷。钢制塔架的高度往往受限于钢管部段的直径，其中钢管部段可以在不对现有的道路、桥梁或其他优先行驶权限制进行显著修改的情况下被物理地运输至建造场地。运输大直径的钢管部段和相关组件还增加了塔架建造的成本。
混凝土塔架相比于钢制塔架具有优势，因为当建造材料可在当地获得时，混凝土塔架可以在塔架位置处或靠近塔架位置被制造。现浇建造方法允许将混凝土浇注到架设于塔架位置处的模板中。现浇方法的缺点包括降低建造速度和对恶劣天气的敏感度。另外，典型的混凝土风塔架的形状是渐缩的，这造成了混凝土浇注过程中的复杂性。替代性地，混凝土塔架部段可以被制造或预制并且然后在施工现场被堆叠以形成塔架。塔架区段之间的接合处可能需要水泥浆以确保足够牢固的连接，并且可能有必要将水泥浆泵送至高达300英尺或更高的塔架高度处，这是耗时的，需要专业设备并且依赖于天气，从而增加了塔架建造的成本。
于2014年5月13日授予henderson的美国专利no.8,720,139b2描述了用于一种支承塔架的后张混凝土地基，其中，塔架的基部凸缘被设置在水泥浆槽内的水泥浆中，该水泥浆槽由绕地基帽状件的顶部表面延伸的模板环模制而成。塔架可以在水泥浆被浇注到或泵送到在凸缘下方的水泥浆槽中并被固化的同时通过在水泥浆槽中被定位在基部凸缘下方的垫片组而在竖向上是铅锤的。模板环可以相对于塔架锚栓架而定位成在混凝土浇注期间形成水泥浆槽。然后，模板环可以被移除并被重复使用，以用于形成其他混凝土地基的水泥浆槽。然后，塔架或其他结构可以被固定在其中放置有合适量的水泥浆的水泥浆槽内的适当位置中。这形成了塔架基部凸缘使用后张锚杆在混凝土地基的水泥浆槽中直接固定的连接。
附图说明
在以下描述中参照附图对本发明进行说明，附图示出的是：
图1是示例性设备塔架，其示出了塔架的被剖开的下部部段；
图2是固定在图1的塔架的上部区段内的示例性分段板的立体截面图；
图3是由图2的多个分段板形成的示例性分段支承板；
图4是图3的分段支承板和根据本发明的各方面的模型凸缘或模板环的立体图，分段支承板可以固定至模型凸缘或模板环；
图5是示例性锚杆架组件的立体图，该示例性锚杆架组件包括图4的模型凸缘或模板环以及与模型凸缘或模板环连接的分段支承板；
图6是图5的锚杆架组件的示例性部分的截面图；以及
图7是图1的钢制梢端转接器的凸缘的底面图。
具体实施方式
某些预制混凝土塔架的设计可能需要配合的环形混凝土表面的研磨和/或灌浆来实现优质的载荷支承连接。替代性地，具有平坦支承表面的载荷支承结构可以由钢或其他合适的载荷支承材料制成，并且然后，该结构在混凝土浇筑过程期间或浇筑之后附接至混凝土。一些塔架是使用混凝土区段和钢区段这两者的复合式塔架。这种复合式塔架可能需要混凝土区段和钢区段结合在一起。在这种情况下，将钢制载荷支承表面结合到混凝土部段中来建立钢与钢的连接以确保区段之间更紧密的公差以及坚固和稳定的连接可能是有利的。例如，如果在风力涡轮机塔架的最高的混凝土区段与可以附接有机舱的钢质顶部部段或梢部部段之间需要钢与钢的连接，则可以以与在上述的henderson的专利中所描述的过程在某种程度上类似的方式将具有足够大直径的钢环浇筑到混凝土塔架区段的顶部中。然而，这种大直径的钢环需要被运输到浇筑场地或塔架建造现场以定位并固定在最高塔架区段内。如果将此方法用于现浇塔架，则需要将环提升至一定高度，并且需要将水泥浆泵送至一定高度以将环固定在塔架区段内。该环还需要被加工成具有相对紧密的公差以确保用于与顶部部段或梢端部段的钢制凸缘连接的合适接口。加工直径可能高达17英尺或超过17英尺的这样的大直径环，并且然后将该环运输到建造现场将会增加塔架建造的成本。
本发明的发明人已经确定的是，对于混凝土塔架区段而言，使用多个较小的单个的板以形成较大的分段支承板相较于使用单件式支承板是有利的。这种方法看似违背常理，因为使支承板的配合表面保持紧密公差是重要的，并且使用多个件来形成该表面会使将表面完全平坦的任务复杂化。本发明的发明人通过在混凝土浇筑过程期间将单个的分段板安装到平坦的模板上以建立所需要的紧密公差表面来解决该问题，然后，一旦单个的板被附接至混凝土塔架区段就模板从单个的板上移除。以这种方式，单个模板可以被多次重复使用以在多个塔架区段上建立具有紧密公差的配合表面，并且加工和运输单个大直径紧密公差环的成本可以被分摊给多个塔架，从而降低每个单个的塔架的成本。
图1示出了根据本发明的一个实施方式的示例性设备塔架100。塔架100是对各种类型的设备进行支承的风力涡轮机塔架。这些设备可以根据具体应用而固定在设备塔架100的顶部处或固定成靠近设备塔架100的顶部，或者固定在沿着设备塔架100的长度的其他所期望的位置处。塔架100可以包括地基102、底部塔架部分104、中部塔架部分106、顶部塔架部分108和钢制梢端转接器110。每个塔架部分104、106、108可以分别形成有由预制混凝土形成的多个塔架区段105、107、109。在本发明的示例性实施方式中，每个塔架区段105可以具有第一恒定直径和第一高度，每个塔架区段107可以具有第二恒定直径和第二高度，并且每个塔架区段109可以具有第三恒定直径和第三高度。如图1中所示，塔架区段105的第一恒定直径可以大于塔架区段107的第二恒定直径，塔架区段107的第二恒定直径又可以大于塔架区段109的第三恒定直径，从而形成直径从底部塔架部分104向顶部塔架部分108减小的设备塔架100。过渡区段114和116可以定位在适当的塔架部分104、106、108之间以适应塔架区段105、107、109的直径从设备塔架100的底部向顶部的渐进减小。
钢制梢端转接器110可以使用凸缘111连接至塔架100的最顶部的环形混凝土塔架区段。凸缘111可以具有多个孔113(图7)，所述多个孔113被用于将钢制梢端转接器110连接至最顶部塔架区段132。风力涡轮机(未示出)的机舱连接至钢制梢端转接器110的顶部以容纳在风力涡轮机中使用的设备，比如转子叶片、转子、传动系、齿轮箱、发电机、电控制器等，并根据需要将风的动能转化为电能。
塔架区段105、107、109可以是各自具有恒定直径和恒定高度的预制混凝土区段。塔架区段105、107、109也可以匹配浇筑在一起以在相邻的部分之间实现精确配合。这种匹配浇筑的接合点可以包含剪力键构型，该剪力键构型被用于在横向载荷下将横过区段接合点的剪力传递至设备塔架100且在建造期间有助于各区段彼此之间的对齐。在授予lockwood等人的美国专利no.9,175,670中公开了示例性的匹配浇筑构型，该专利的全部内容通过参引并入本文。在一些情况下，可以在使两个区段之间的间隙闭合之前将环氧树脂施加到区段接合点上。在将各部段放置成一者在另一者之上时，环氧树脂可以对各区段的环形面润滑，然后在环氧树脂固化之后将接合点密封。此外，水泥浆可以根据现场特定参数而被用于将塔架区段105、107、109固定在一起。
图1还示出了地基102，该地基102可以包括平台118和渐缩的子部段126。从平台118可以延伸出基座或底座120，该基座或底座120还具有限定内腔室124的内表面。渐缩的子部段126可以从平台118延伸，使得该渐缩的子部段126位于地平面128下方。在塔架100的建造中，渐缩的子部段126的基部可以是圆形、正方形、多边形或取决于现场特定参数的其他合适的形状。如现场特定参数所要求的，子部段126的顶部部分可以是圆形的或由多个连续的平坦的表面形成。然后，地基102可以是现浇的，在混凝土固化之后，可以用泥土回填子部段118以覆盖其顶部表面。
图2示出了最顶部塔架区段132的立体截面图，该最顶部塔架区段132具有示例性的后张钢筋130，该示例性后张钢筋130在钢制梢端转接器110附接至最顶部塔架区段132之前就与最顶部塔架区段132连接并构造。每根钢筋130的上端138借助于常规技术通过与相应的一对上部锚杆140附接而与最顶部塔架区段132连接，其中，所述一对上部锚杆140可嵌入到最顶部塔架区段132的横隔墙部分142内。图2还示出了固定在最顶部塔架区段132内的板区段150，其中，多个锚杆152延伸穿过相应的板150以接纳钢制梢端转接器110的凸缘111。锚杆152可以从嵌入板153延伸，并且锚杆的下端具有螺纹连接在其上的螺母155。嵌入板153可以制成单件或者可以形成为多个区段板。分段板150可以固定在注入到塔架区段混凝土体132的水泥浆槽157内的水泥浆层151内。
图3示出了根据本发明的各方面的形成有环形分段支承板154的多个分段板150的平面图。在示例性实施方式中，分段支承板154可以由六(6)个等尺寸的板150形成，所述六个等尺寸的板150各自具有相同的恒定的曲率半径。在图3中，支承板154形成为环，但应该理解的是在其他实施方式中，分段支承板可以具有其他几何形状。每个分段板150可以具有形成于分段板150中的一个或更多个孔156，以接纳相应的锚杆152。在示例性实施方式中，每个板150可以具有十二个等间隔的孔156，十二个等间隔的孔156用于与从最顶部塔架区段132延伸的相应的锚杆152对准并接纳从最顶部塔架区段132延伸的相应的锚杆152。
在每个板150内可以形成有另外的孔158，另外的孔158被用于将板150以可移除的方式或可释放的方式附接至模型凸缘或模板环170，以如图4所示的形成分段支承板154。模板环170意在成为钢制梢端转接器110的凸缘111的下表面的模型，该模型将被用于将钢制梢端转接器110连接至最顶部塔架区段132。在一个实施方式中，模板环170实际上是从备用梢端转接器110切下的下部凸缘111。模板环170可以形成为单件环，该单件环具有在分段板150附接至模板环170时与在分段板150内形成的孔图案相匹配的孔图案。例如，模板环170可以包括与分段支承板154的多个孔156对准的多个孔156’以及与分段支承板154的多个孔对158对准的多个孔对158’。因为当分段板150以可释放的方式附接至模板环170时，所述多个孔156’将与所述多个孔156对准。因此当模板环170被放置在分段板150上面时，所述多个孔156’还将与对应的锚杆152对准并接纳对应的锚杆152。
图4还示出了相应的分段板150的所述多个孔对158将与模板环170的所述多个孔对158’中的相应的孔对对准。这允许将常规的螺纹栓例如插入穿过孔并将螺母螺纹连接在螺栓上以将多个分段板150以可释放的方式固定到模板环170的下侧。在示例性实施方式中，每个板区段150可以具有三(3)组孔对158，所述三组孔对沿着分段板150的半径均匀地间隔开。替代装置比如磁体、夹具等则可以被用于将分段板150和模板环170以可释放的方式固定在一起，只要是使得板150在塔架区段132形成期间被紧紧地固定抵靠在模板环170上，从而一旦塔架区段132形成在模板170被移除之后将模板环170的精确表面转印到分段支承板154的配合面。模板环170可以由扁材钢或其他结构稳定材料(铝、塑料、玻璃纤维等)形成并且模板环170具有配合面147(如图4所示的下侧表面)，配合面147形成为具有所期望的平面度公差，比如正或负约25密耳。环170的背侧表面(如图4所示的顶部表面)可以形成为具有比配合面表面147的平面度公差小的平面度公差，并且可以保持其轧制状态而不需要额外的加工。一旦模板环170被从分段板150移除，则模板环170可以被重复使用以形成用于其他塔架区段的其他分段支承板154。
根据最顶部塔架区段132的直径或其他塔架特定参数，本发明的可替代的实施方式允许分段支承板154形成有不同数量的相同或不同形状的分段板150，每个分段板150具有形成于其中的相同或不同数量的孔156和孔对158。模板170可由接合在一起的多于一件的材料形成，只要是使得能够在配合面147中保持所期望的平面度。对于其他实施方式中的配合面147、149而言，非平面的形貌可能是期望的，比如对在组装的塔架100承载剪切载荷而言有用的具有凹口的平坦表面。
图5示出了锚杆架组件180，该锚杆架组件180可以被用作用于将分段支承板154固定在最顶部塔架区段132内的方法的一部分。一旦被嵌入到最顶部塔架区段132内，则分段支承板154将与钢制梢端转接器110的凸缘111连接以将钢制梢端转接器110在最顶部塔架区段132的顶部上固定就位。锚杆架组件180可以由嵌入板153和多个锚杆152形成，所述多个锚杆插入通过嵌入板153内的对应的多个孔并从嵌入板153内的对应的多个的孔延伸。如图6所示，每个锚杆152可以具有插入其上的保护套筒182。在板区段150被放置在相应的锚杆152上之前，板区段150可以与模板环170螺栓连接或与模板环170以其他方式可释放地连接。替代性地，可以先将分段板150放置在锚杆152上，然后将模板环170放置在锚杆152上。这个顺序可以取决于分段板150和模板环170的尺寸和/或取决于用于将分段板150和模板环170以可释放的方式固定在一起的技术。
图6示出了锚杆架组件180的示例性部分的截面图。锚杆152被示出为穿过嵌入板153并具有螺纹连接在其下端部上的螺母155。保护套筒182比如pvc套筒可以定位在每个锚杆152上以防止锚杆152被包在混凝土中，并且因此当将钢制梢端转接器110固定至最顶部塔架区段132时锚杆152可以被拉紧。为了便于说明，用于图5中的每个锚杆152的保护套筒182和螺母155均未示出。通过分段板150与模板环170的紧密连接，可以将分段板150和模板环170的组合件放置在锚杆152上方以搁置在保护套筒182的上端部上。锚杆架组件180可以被放置或组装成在被定尺寸和定形状成以接纳绕组件180浇筑的混凝土从而形成最顶部塔架区段132的合适的外形内。
在本发明的示例性实施方式中，多个分段板150可以由扁材钢切割而成并且将配合面上的平面加工成具有任何所期望的公差。相对于具有相同公差的配合面的单件式支承板，由多个较小的板150形成的分段支承板154允许更成本有效地切割、加工和运输各区段。此外，由于分段板150的配合面(上部)表面149将被拉紧至模板环170的配合面(下部)表面147，因此在区段132的形成期间，在随后浇注的混凝土和在分段板150下方形成的水泥浆层151中考虑了分段板150之间的任何厚度差异。换句话说，在分段板150被拉紧至模板环170的情况下，分段板150的下表面不需要被加工成具有紧密公差。这是因为在混凝土被浇筑以形成水泥浆槽157之后，水泥浆层151可以被注入到槽内直到它与每个分段板150的下部表面充分地接触为止，而不管每个区段的厚度或者下部表面是否具有起伏、空隙或其他异常。模板配合面147的平面度(或其他期望的外形)被施加在支承板匹配面149上；即较小的板150全部被保持为使它们的配合面149平坦且平行抵靠模板配合面147。多个板150的上表面共同形成支承板154的配合面表面149，以用于在区段132安装在塔架100中时邻接抵靠凸缘111。这降低了将每个板150加工成具有严格厚度公差的必要性，而仅板150的一侧149需要变平为具有一公差，从而减少了切割成本和加工成本。
本发明人已经进一步确定，浇注某些混凝土组合物直到它们接触板150的底表面为止，这可能会导致气泡共同聚集在板150的底表面上，因此潜在地弱化了混凝土与板150之间结合的强度。为了避免这种情况，在板150和模板170以可释放的方式连接在一起并且被放置在锚杆152上方的情况下，可以将混凝土浇注到用于形成最顶部塔架区段132的外形内至低于分段板150的高度，从而限定水泥浆槽157(图2)。在本发明的一个示例性实施方式中，混凝土可以被浇注到板150下方大约2英寸的高度。一旦混凝土已经充分凝固，则水泥浆就可以被注入到槽157中以形成水泥浆层151，该水泥浆层151充分接触分段板150的下表面以将分段板150固定在槽内。水泥浆槽157的深度可以根据具体的塔架和材料设计参数而变化。一旦水泥浆层151凝固，则可以将模板环170移除以使分段支承板154的配合面或上表面暴露。在替代性实施方式中，可以浇注混凝土直到其接触分段板150为止，只要适当的混凝土组合物被用来确保分段板150与混凝土之间足够牢固的结合。
图7是钢制梢端转接器110的凸缘111的底部视图，示出了多个孔113，在钢制梢端转接器110与最顶部的塔架区段132连接时所述多个孔113与形成于分段支承板154内的多个孔156对准。可以通过将相应的锚杆152的上端插入穿过凸缘110的多个孔113使得凸缘110的下表面靠置在由分段支承板154形成的配合表面或上表面上，而使钢制梢端转接器110与最顶部的塔架区段132连接。锚杆152的上端可以是带螺纹的，使得常规的螺母可以螺纹连接在锚杆152的上端并且拧紧成具有特定的载荷或扭矩，从而将钢制尖帽110和最顶部塔架区段132固定在一起。应当理解的是，凸缘111的厚度和宽度可以根据具体的塔架设计参数来定尺寸。因为分段支承板154由多个独立的较小的板150形成，所以独立的板150用作从钢制梢端转接器110进入最顶部塔架区段132的混凝土体部分中的载荷分配器。
尽管在本文中已经示出和描述了本发明的各种实施方式，但是明显的是这些实施方式是仅作为示例提供的。在不背离本文中的本发明的情况下，可以做出许多变型、改变和替换。例如，本发明的示例性实施方式是关于最顶部塔架区段132和钢制梢端转接器110的连接描述的；然而，本发明的替代性实施方式可以适用于将任意两个或更多个塔架区段连接在一起。因此，本发明意在仅通过所附的权利要求的精神和范围被限定。