本发明总体涉及风轮机，更具体地涉及更换用于支撑风轮机的基础中的一个或多个锚栓的方法。
背景技术：
风轮机用于使用可再生资源且在不消耗化石燃料的情况下产生电能。通常，风轮机将来自风的动能转换成电力。水平轴风轮机通常包括：塔架；机舱，该机舱位于塔架的顶点处；以及转子，该转子具有多个叶片并由轴支撑在机舱中。轴使转子与被收容在机舱内部的发电机直接或间接联接。因此，随着风迫使转子旋转，发电机产生电能。
水平轴风轮机可以通过将风轮机塔架的下部(诸如下塔架法兰)固定到延伸到地面中的基础来锚固在陆地上。因为更换或修理昂贵和/或困难，所以基础被设计为远远超过各种风轮机部件的预期寿命。传统基础包括设置在基坑内的钢筋混凝土结构。结构包括居中定位的钢锚笼，该锚笼通常为圆柱形，并且包括水平设置的上和下环形钢法兰以及在法兰之间垂直延伸的多个高强度钢锚栓。
将风轮机的塔架固定到锚栓使得锚栓被放置在增大的应力下。然而，和许多结构部件一样，锚栓保守地设计有被设计为承受这种应力的内置安全因子。然而，如果锚栓未维持足够的后张紧,则锚栓可能开始松动。如此处所用的，“后张紧”意味着将基础维持在高压缩下，从而使得基础能够合适地承受由运行期间的风轮机施加的各种力和力矩。
在风轮机被安装且运行之后的时间段(例如，三年或四年)，风轮机的检查员和/或操作员可以检测锚栓中的一个或更多个不再充分后张紧。不充分的后张紧可能使得锚栓在混凝土基础内移动。这通过随着时间的流逝在混凝土基础中蔓延的裂缝可以在视觉上清楚。如果任其发展,则在锚栓松动至特定后张紧值以下时，产生的混凝土基础的弱化可能减少支撑风轮机的混凝土基础的预期寿命。
例如，在足够弱化的情况下，基础的预期寿命可以大约是风轮机的预期寿命。由此，可能存在将必须修理或更换风轮机基础以实现风轮机的完整预期寿命的一些情况。然而，在风轮机组装并运行之后修理或更换基础昂贵且耗时，通常无法在风轮机有效运行(其中，叶片有效旋转)或处于停顿模式(其中，叶片不旋转)的同时执行。相反，在风轮机组装之后修理或更换基础需要从基础去除塔架。
因此，需要一种修理风轮机基础的改进方法。更具体地，需要一种不需要风轮机的耗时或昂贵拆卸在组装风轮机之后更换风轮机基础的一个或更多个锚栓的改进方法。
技术实现要素：
根据各种示例性实施方式描述了一种更换用于将风轮机支撑到基础的锚栓的方法。该方法包括以下步骤：设置风轮机和支撑风轮机的基础。该基础包括：下底座法兰；至少一个锚栓，该至少一个锚栓在下底座法兰与风轮机的下塔架法兰之间延伸；以及刚性体，该刚性体至少部分地形成在至少一个锚栓周围。该方法还包括以下步骤：对于锚栓长度的至少一部分围绕锚栓周向地在下塔架法兰和刚性体中钻取芯部；以及去除锚栓和芯部，以产生空腔。该方法还包括以下步骤：将更换锚栓插入到空腔中；以及将更换锚栓联接到下底座法兰。然后可以张紧更换锚栓。
在一些实施方式中，将更换锚栓联接到下底座法兰还包括：将更换锚栓联接到嵌件；以及将嵌件联接到下底座法兰。将更换锚栓联接到嵌件可以在将嵌件联接到下底座法兰之前来执行。
在一些实施方式中，将更换锚栓联接到下底座法兰还包括：将内螺纹切入到下底座法兰的螺栓孔中；将更换锚栓的外螺纹螺纹联接到嵌件的内螺纹；以及将嵌件的外螺纹螺纹联接到下底座法兰的内螺纹。嵌件例如可以是螺纹护套。
在一些实施方式中，张紧步骤包括：插入更换螺栓垫圈和更换螺栓螺母，以张紧更换锚栓并封闭空腔。
在一些实施方式中，基础还包括锚笼。锚笼包括：上负载分配法兰；下底座法兰；以及多个锚栓，该多个锚栓在上负载分配法兰与下底座法兰之间延伸，并且至少部分地形成在刚性体内。在一些实施方式中，钻取步骤还包括围绕锚栓周围周向地在下塔架法兰、上负载分配法兰以及刚性体中钻取芯部钻，直到接触下底座法兰为止。
在一些实施方式中，该方法包括以下步骤：在插入更换锚栓之前对空腔抽真空和/或在下塔架法兰中钻取芯部之前使用超声装置确定是否充分后张紧锚栓。在一些实施方式中，该方法还包括以下步骤：用胶结材料浇注空腔。
在一些实施方式中，可以在风轮机有效运行或处于停顿模式(这都不需要从基础去除塔架)的同时执行所列举的步骤中的一个或更多个。这包括在风轮机有效运行的同时执行步骤中的一个或多个和在风轮机处于停顿模式的同时执行一个或多个步骤。在一些实施方式中，可以对至少两个锚栓执行所述方法。
附图说明
对本领域普通技术人员来说本发明的各种另外特征和优点将在连同附图查阅一个或多个例示性实施方式的以下详细描述时变得更明显。被包含在本说明书的一部分中并构成本说明书的一部分的附图例示了本发明的一个或多个实施方式，并且连同以上所给出的一般描述和以下所给出的详细描述一起用来说明本发明的一个或多个实施方式。
图1是示意性示出的、联接到示例性基础的风轮机的立体图；
图2是根据本发明的示例性实施方式与风轮机一起使用的锚笼的立体图；
图3a是根据本发明的示例性实施方式的风轮机基础的上径向剖面图，该基础包括由图2的锚笼增强的刚性体，锚笼示出了被容纳在保护管内的径向的一对锚栓；
图3b是与图3a类似的上径向剖面图，示出了钻取装置具有旋转钻头；
图3c是与图3b类似的上径向剖面图，示出了钻头环绕包含锚栓的芯部并接触锚笼的下底座法兰；
图3d是与图3c类似的上径向剖面图，示出了根据实施方式与芯部一起从空腔去除锚栓；
图3e是与图3d类似的上径向剖面图，示出了钻取装置具有在下底座法兰中产生内螺纹的远端延伸攻丝；
图3f是与图3e类似的上径向剖面图，示出了已经螺纹联接到嵌件的更换锚栓杆朝向下底座法兰下降；以及
图3g是与图3f类似的上径向剖面图，示出了更换锚栓螺纹联接到嵌件并且嵌件螺纹联接到下底座法兰；
图4是图3g的下底座法兰的详细剖面图；以及
图5是根据另选示例性实施方式的、图3g的下底座法兰的详细剖面图，其中，嵌件是螺纹护套。
具体实施方式
参照附图且具体为参照图1，示例性水平轴风轮机10通常包括：塔架12；机舱14，该机舱布置在塔架12的顶点处；以及转子16，该转子操作地联接到被收容在机舱14内部的发电机18。除了发电机18之外，机舱14还收容将风能转换成电能所需的各种各样的部件以及操作、控制并优化风轮机10的执行所需的各种部件。塔架12支撑由风轮机10的机舱14、转子16以及被收容在机舱14内部的其他部件提供的负载。塔架12还操作为将机舱14和转子16升高至地平面或海平面以上的高度，可能在该高度通常发现更低湍流的更快移动气流。
风轮机10的转子16充当用于机电系统的原动机。超过最小等级的风将启动转子16并引起在与风方向大致垂直的方向上的旋转。风轮机10的转子16包括中心轮毂20和多个叶片22，该多个叶片在周向围绕轮毂的位置处从中心轮毂20向外伸出。虽然此处所示的示例性转子16包括三个叶片22，但可以提供各种另选数量的叶片22。叶片22被构造为与经过的气流相互作用，以产生使得转子16总体在由叶片22限定的平面内旋转的升程。
风轮机10可以被包括在属于风电场或风电站的类似风轮机的集合中，该风电场或风电站充当由输电线与电网(诸如三相交流电(ac)电网)连接的发电厂。电网通常由发电站、传输电路以及变电站的网络构成，变电站由输电线的网络联接，输电线向最终用户或电气公共设施的其他客户形式的负载输电。在正常环境下，如本领域普通技术人员已知的，从发电机18向电网供电。
如图1所示，风轮机10通过将塔架12的下塔架法兰24固定到示意性示出的基础26来锚固到地面g。基础26被凹进在形成在地面g中的基坑或洞中。现在根据本发明的示例性实施方式描述基础26和相关部件以及形成步骤。
参照图2，基础26的形成从组装锚笼30开始，这可以在风轮机安装场所处执行。如图2所示，已组装的锚笼30通常为圆柱形，并且包括：上负载分配法兰34；下底座法兰38；以及多个周向隔开的锚栓36，该多个锚栓在上负载分配法兰34与下底座法兰38之间延伸。上负载分配法兰34与下底座法兰38可以大体水平地设置，而锚栓36大体垂直地延伸并将上负载分配法兰34联接到下底座法兰38。上负载分配法兰34与下底座法兰38可以大体为圆形的，并且具体为例如环形。根据一个实施方式，锚笼30的部件例如可以由高强度钢来形成。
完整的基础26通常包括刚性体28和锚笼30，该锚笼至少部分嵌入在刚性体28内并增强刚性体28，并且基础还可以包括灌浆支撑层(未示出)，该支撑层被定位在锚笼30的上负载分配法兰34与刚性体28的上表面之间。
在示例性实施方式中，锚笼30可以包括近似64至200径向对的锚栓36和在上负载分配法兰34与下底座法兰38中的每一个上形成的对应螺栓孔44。在图2所示的图示示例性实施方式中，锚笼30包括84径向对的锚栓36。将理解，预期其他数量的锚栓36和螺栓孔44。另外，根据一个示例性实施方式，锚栓36达4.5米长且直径达42毫米。然而，其他尺寸也是可能的。
图3a示出了锚笼30的代表性周向部分的一个径向对的锚栓36。各锚栓36纵向延伸，并且包括螺纹上端46、螺纹下端48以及中心柄54。在锚栓36与上负载分配法兰34和下底座法兰38组装在一起之前，可以用保护覆盖物(未示出)(诸如例如胶带或热缩管)密封各锚栓36的螺纹上端46。
上负载分配法兰34包括多个周向隔开的螺栓孔44，穿过这些螺栓孔容纳锚栓36的螺纹上端46。将理解，下底座法兰38同样包括对应的多个螺栓孔44，穿过这些螺栓孔容纳锚栓36的螺纹下端48。螺纹孔44被设置到用于容纳锚栓36中的径向内锚栓36a的径向内圈44a和用于容纳锚栓36中的径向外锚栓36b的径向外圈44b中。径向内圈44a和径向外圈44b可以彼此径向对齐，使得螺栓孔44和相应的锚栓36被设置为周向隔开的径向对，如图2最佳所示。螺栓孔44可以周向地围绕上负载分配法兰34和下底座法兰38均匀隔开。
在组装期间，锚栓36的螺纹下端48穿过下底座法兰38的螺栓孔44，并且使用上底座螺母58和下底座螺母59以及上底座垫圈60和下底座垫圈61固定到螺栓孔，上和下底座螺母以及上和下底座垫圈将下底座法兰38夹在中间。在另选实施方式中，可以省略在下底座法兰38的上侧上的上底座螺母58和上垫圈60。以类似的方式，锚栓36的螺纹上端46穿过上负载分配法兰34的对应螺栓孔44，并且使用上螺母62和上垫圈64固定到螺栓孔。
继续参照图3a，锚栓36的在上负载分配法兰34与下底座法兰38之间延伸的部分可以被包在保护管66(例如，pvc管或热缩管)内。另外的保护套管可以被放置在锚栓36的在下底座法兰38下方延伸的部分上。有利地，保护管66可以在浇注和固化步骤期间大致使锚栓36免于与混凝土(即，形成刚性体28的材料)的不期望接触和粘结。在示例性实施方式中，一对径向对的支撑套管(未示出)可以代替锚笼30内的所选周向位置处的保护管66，以便增强基础26内的内结构支撑。
虽然未示出，但基坑可以镶有用于限定基础26的外侧面的形式，诸如大直径管道。在将锚笼30最终定位在基坑内之后，将高强度混凝土浇注到基坑中，使得坑充填到近似上负载分配法兰34的上表面78。因此，锚笼30大致嵌在混凝土内。然后允许所浇注的混凝土合适时长来充分固化，以形成刚性体28。可以允许混凝土近似48小时固化。保护管66和支撑套管使锚栓36大致免于与混凝土的不期望接触。
在将风轮机10安装到基础26之前，去除安装在锚栓36的螺纹上端46上的上螺母62和上垫圈64。风轮机10通过将下塔架法兰24中的安装孔68与锚栓36的螺纹上端46对齐来联接到基础。下塔架法兰24联接到锚笼30的锚栓36，并且由上负载分配法兰34直接支撑。然后降低塔架12，直到下塔架法兰24直接接触上负载分配法兰34且由上负载分配法兰34支撑为止。然后向螺纹上端46施加可以为在形成基础26期间未使用的新组的上螺母62和上垫圈64的组。然后将上螺母62紧固到合适的扭矩。这样，锚栓36是后张紧的。为了促进从风轮机10到基础26的负载转移，同时经由上负载分配法兰34维持基础26与风轮机10之间的刚性金属到金属界面，可能理想的是在上负载分配法兰34与刚性体28之间设置灌浆支撑层。
有利地，此处所示并描述的本发明的示例性实施方式提供用于更换一个或多个锚栓36的独特特征和步骤。本发明可以在风轮机10有效运行的同时或在风轮机10停止的同时进行。在风轮机10有效运行的同时更换一个或多个锚栓36会消除风轮机10的停机时间。
参照图3a至图3g，示出了用于用更换锚栓80替换锚栓36的示例性步骤。有利地，以下所描述的本发明的示例性实施方式提供用于实现这些目的的步骤和部件。将理解，可以根据期望对其他锚栓36类似地执行以下所描述的更换步骤。另外，虽然图3a至图3g示出了锚栓36中的径向外锚栓36b的更换，但发明方法还适用于更换锚栓36中的径向内锚栓36a。由于该原因，总体参照锚栓36。
确定一个或多个锚栓36是否不充分后张紧可以使用各种已知测量装置(例如超声装置(未示出))来执行。测量装置使得操作员和/或检察员能够确定是否需要更换一个或多个锚栓36。一旦确定需要更换特定锚栓36，则可以根据一个示例性实施方式如图3a所示的去除上螺母62和上垫圈64。另选地，根据另一个示例性实施方式，上螺母62和上垫圈64可以保持联接到锚栓36。
图3b示意性示出了朝向下底座法兰38围绕锚栓36周向地降低钻取装置72和附接到钻取装置72的端部的钻头74。本领域中公知诸如钻取装置72的钻取装置，因此此处不更详细地描述。进一步地，本领域技术人员将理解，各种钻取装置72和伴随的钻头74取决于空腔42的期望尺寸、被穿透的材料、下塔架法兰24和/或上负载分配法兰34的厚度连同其他已知变量而是合适的。进一步地，本领域技术人员将理解，各种润滑剂可以用于辅助钻取过程。这些润滑剂可以减轻摩擦，去除修刮，和/或减少与钻取过程关联的热量。
图3c示出了穿过下塔架法兰24钻取芯部50(这产生下塔架法兰芯部50a)，穿过上负载分配法兰34钻取芯部50(这产生上负载分配法兰芯部50b)，并且穿过刚性体28钻取芯部50(这产生刚性体芯部50c)，直到接触下底座法兰38为止。虽然在该实施方式中，芯部50包括下塔架法兰芯部50a、上负载分配法兰芯部50b以及刚性体芯部50c，但根据其他实施方式的芯部50可以包括更多或更少层。根据一个示例性实施方式，在钻过下塔架法兰24和/或上负载分配法兰34之后，可以停止钻取装置72，以便去除下塔架法兰芯部50a和/或上负载分配法兰芯部50b，以便使用不同的钻取装置和/或以便将不同的钻头74插入到钻取装置72中。另选地，同一钻取装置72和/或同一钻头74可以用于穿过形成基础26的一部分的刚性体28来产生刚性体芯部50c。
继续参照图3c，钻取装置72和伴随的钻头74可以向远侧朝向下底座法兰38沿着锚栓36穿透刚性体28。如所示，芯部50完全周向地围绕锚栓36。更具体地，由于锚栓36的长度(在一些情况下为4.5米长)，钻头74具有多个0.5米的段(未示出)，该多个段用用于组装的内螺纹联系在一起。本领域中公知诸如钻头74的分段钻头，因此此处不更详细地描述。段允许钻取装置72在不需要插入和去除整个钻取装置72的情况下到达下底座法兰38。另外，钻头74可以具有金刚石涂层，以更容易地和/或快速地穿透刚性体28。
继续参照图3c，根据一个示例性实施方式，可以在钻头74的远端98到达下底座法兰38时停止钻取装置72。构想确定钻头74的远端98何时接触下底座法兰38的各种方法。一个示例性方法包括以下步骤：观察由于钻过不同材料而引起的可听声音差异。例如，刚性体28可以由诸如混凝土的第一材料制成，而下底座法兰38可以由诸如金属的第二材料制成。
图3d示出了在确定已经到达下底座法兰38之后，可以旋转并升高芯部50和/或锚栓36，这分离锚栓36与下底座螺母59的螺纹。另选地，可以竖向升高锚栓36和/或芯部50，以从锚栓36剪切下底座螺母59的内螺纹(未示出)。剪切下底座螺母59的内螺纹在已经剪切或以其他方式毁坏下底座螺母59的内螺纹(这可能初始使得锚栓36不充分张紧，使更换成为必要)时可以不是必要的。在图3d所示的示例性实施方式中，包括上底座螺母58和上底座垫圈60的锚栓36和芯部50作为一个单元被升高。在这些示例性实施方式中，可以不与芯部一起去除下底座螺母59和下底座垫圈61。虽然未示出，但根据另选示例性实施方式，如果期望空腔42更深，则钻取装置72可以延伸穿过下底座法兰38。
图3e示出了为插入更换锚栓80而准备空腔42。在所示的示例性实施方式中，空腔42包括在下塔架法兰24中形成的下塔架法兰空腔42a、在上负载分配法兰34中形成的上负载分配法兰空腔42b以及在刚性体28中形成的刚性体空腔42c。
在一个示例性实施方式中，真空清洁器(未示出)可以用于去除由于钻取装置72引起的灰尘和其他材料。还可以将内窥镜(未示出)插入到空腔42中来观察包括下塔架法兰空腔42a、上负载分配法兰空腔42b以及刚性体空腔42c的空腔42，以确定在插入新锚固杆之前是否需要执行任何其他步骤。
继续参照图3e，根据示例性实施方式，可以使用钻取装置将内螺纹82形成到下底座法兰38的螺栓孔44中，诸如使用钻取装置72，具有外螺纹96的攻丝84安装在长驱动器86上。例如，内螺纹82可以为m52螺纹，这导致近似52毫米的直径，而螺栓孔44可以具有近似42毫米的直径。在形成内螺纹82之后，根据示例性实施方式，可以使用真空清洁器(未示出)来去除空腔42和/或螺栓孔44中的灰尘和其他材料。
图3f示出了以下示例性实施方式：更换锚栓80在根据一个示例性实施方式被插入到空腔42中并接近下底座法兰38之前已经联接到嵌件88。更具体地，嵌件88的内螺纹90螺纹联接到更换锚栓80的外螺纹76。虽然示出并描述了更换锚栓80、嵌件88以及下底座法兰38的螺纹联接，但本领域技术人员将理解，设想将这些部件联接在一起的其他方法。
图3g示出了示例性实施方式，在该示例性实施方式中，更换锚栓80螺纹联接到嵌件88的内部，同时嵌件88的外部联接到下底座法兰38的内部。在作为图3g的下底座法兰38的详细视图的图4中更详细地示出了这一点。根据图3g和图4所示的示例性实施方式，嵌件88的外螺纹92螺纹联接到下底座法兰38的内螺纹82，同时嵌件88的内螺纹90螺纹联接到更换锚栓80的外螺纹76。嵌件88可以具有外径(od)为大约52毫米的外螺纹92(例如，m52螺纹)。同样，嵌件88可以具有内径(id)为大约42毫米的内螺纹90(例如，m42螺纹)。在另选示例性实施方式中，嵌件88可以插入到空腔42中并联接到下底座法兰38，其后更换锚栓80可以插入到空腔42中并联接到更换锚栓80。图5示出了图3g的一个另选示例性实施方式的详细视图，其中嵌件88是螺纹护套94。
根据另选实施方式，代替使用嵌件88，更换锚栓80的至少一部分可以具有比原始锚栓36更大的直径，以将更换锚栓80的外螺纹92直接螺纹联接到下底座法兰38的内螺纹82。在另一个示例性实施方式中，更换锚栓80可以整体延伸穿过下底座法兰38，而在另一个实施方式中，更换锚栓80可以仅部分延伸穿过下底座法兰38。
虽然未示出，但在一个示例性实施方式中，一旦更换锚栓80充分联接到下底座法兰38且后张紧到期望的扭矩，则可以用诸如水泥浆的胶结材料部分或完全填充空腔42。另选地，空腔42可以在更换锚栓80充分联接到下底座法兰38之后且在更换锚栓80后张紧到期望扭矩之前用胶结材料部分或完全填充。本领域技术人员将理解，扭矩的范围根据特定风轮机连同其他因素一起变化。不管是否将胶结材料插入到空腔42中，都可以如图3g所示插入更换螺栓垫圈100和更换螺栓螺母102，以封闭空腔42并保护空腔42免于其他元件。
虽然已经由本发明的各种实施方式的描述例示了本发明，并且虽然已经相当详细地描述了实施方式，但不旨在将所附权利要求的范围限于这种细节或以任何方式限于这种细节。这里所讨论的各种特征可以单独使用或以任意组合来使用。另外的优点和修改将容易地呈现给本领域技术人员。因此，本发明在其更广方面上不限于所示和所描述的特定细节和例示性示例。因此，可以在不偏离总体发明思想的范围的情况下偏离这些细节。