用于支撑载荷的桁架式塔的制作方法

文档序号:14772100发布日期:2018-06-23 01:44
用于支撑载荷的桁架式塔的制作方法

技术领域

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:

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。

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。

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。

在兆瓦级应用(目前在大约1MW至5MW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。

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。

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(lee side)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。

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)。

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。

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。

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。



技术实现要素:

技术问题

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。

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。

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。

解决方案

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。

有益效果

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。

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。

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。

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

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。

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。

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。

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β1和β2的角度倾斜的局部细节视图。

图3A是根据本发明的一个实施方式的桁架式塔的俯视图。

图3B是根据本发明的一个实施方式的桁架式塔的仰视图。

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。

图5A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。

图5B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)。

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)。

图5D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)。

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)。

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)。

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)。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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合部的支撑平台的平面图。

图13A是根据本发明的一个实施方式的具有支撑平台的桁架式塔的一个实例的立体图,该支撑平台具有与风力涡轮机相关的内管状接合部。

图13B是根据本发明的一个实施方式的具有支撑平台的桁架式塔的一个实例的实体模型的立体图,该支撑平台具有与风力涡轮机相关的内管状接合部。

图14是根据本发明的一个实施方式的具有支撑平台的桁架式塔的一个实例的前视图,该支撑平台具有与风力涡轮机相关的内管状接合部。

图15A是根据本发明的一个实施方式的一个实例的侧视图,其中,载荷是具有细长舱体的逆风涡轮机组件。

图15B是根据本发明的一个实施方式的一个实例的侧视图,其中,载荷是具有细长舱体的顺风涡轮机组件。

图16A是根据本发明的一个实施方式的一个实例的侧视图,其中,载荷是具有细长舱体的逆风涡轮机组件。

图16B是根据本发明的一个实施方式的一个实例的侧视图,其中,载荷是具有细长舱体的顺风涡轮机组件。

图17A是根据本发明的一个实施方式的一个实例的俯视图,其中,载荷是具有细长舱体的逆风涡轮机组件。

图17B是根据本发明的一个实施方式的一个实例的俯视图,其中,载荷是具有细长舱体的逆风涡轮机组件,相对于图17A的构造旋转90°。

图17C是根据本发明的一个实施方式的一个实例的俯视图,其中,载荷是具有细长舱体的逆风涡轮机组件,相对于图17A的构造旋转180°。

图18A是根据本发明的一个实施方式的一个实例的俯视图,其中,载荷是具有细长舱体的逆风涡轮机组件。

图18B是根据本发明的一个实施方式的一个实例的俯视图,其中,载荷是具有细长舱体的逆风涡轮机组件,相对于图18A的构造旋转90°。

图18C是根据本发明的一个实施方式的一个实例的俯视图,其中,载荷是具有细长舱体的逆风涡轮机组件,相对于图18A的构造旋转180°。

图19A和图19B示出了对应于根据本发明的一个实施方式的仅由钢制成的塔的尺寸设计电子表格的表格I。

图20A和图20B示出了对应于根据本发明的一个实施方式的由用混凝土增强的钢制成的塔的尺寸设计电子表格的表格II。

图21在表格III中示出了三个塔之间的比较的总结:单管状塔、钢制桁架式塔以及由用混凝土增强的钢制成的桁架式塔。

图22是根据本发明的一个实施方式的表示为偏航支撑结构的支撑平台的另一实例的前视图。

图23是根据本发明的一个实施方式的表示为偏航支撑结构的支撑平台的另一实例的立体图。

图24是根据本发明的一个实施方式的表示为偏航支撑结构的支撑平台的另一实例的平面图。

图25是根据本发明的一个实施方式的表示为偏航支撑结构的支撑平台的另一实例的细节俯视图。

图26是根据本发明的一个实施方式的表示为偏航支撑结构的支撑平台的另一实例的侧视图。

图27是根据本发明的一个实施方式的表示为具有两个接合部的偏航支撑结构的支撑平台的另一实例的立体图。

图28是根据本发明的一个实施方式的表示为具有两个接合部的偏航支撑结构的支撑平台的另一实例的平面图。

图29是根据本发明的一个实施方式的表示为具有两个接合部的偏航支撑结构的支撑平台的另一实例的平面图。

图30是根据本发明的一个实施方式的表示为具有两个接合部的偏航支撑结构的支撑平台的另一实例的侧视图。

图31是根据本发明的一个实施方式的表示为具有两个接合部的结构的支撑平台的另一实例的立体图。

图32是支撑平台的一个实例的平面图,示出了通过支撑件连接在桁架式塔的顶部中的偏航支撑平台。

字母和数字的说明

数字 数字的说明

10 桁架式塔

11 金属腿

12 塔的竖直轴线

13 支撑件

13a 辅助支撑件

14 支撑平台

16 中心纵向轴线

17a (所装配的桁架式塔的)顶部

17b (所装配的桁架式塔的)基部

18 连接法兰

20 模块

21a 第一部分

21b 第一腿

22a 第二部分

22b 第二腿

23a 第三部分

23b 第三腿

24 间隙逆风距离

25 间隙顺风距离

26 具有减小的腹板的通道

27 椭圆形空气动力学轮廓

30a 截头锥形横截面的第一腿

30b 第一腿的底部

30c 第一腿的顶部

31a 截头锥形横截面的第三腿

31b 第三腿的顶部

31c 第三腿的底部

40 具有内管状接合部的支撑平台

41 平台腿

42 内管状接合部

43 偏航机构支撑结构

44 转子叶片

45 发电机

46 主体

47 上表面

48 下表面

49 圆形轨道

50 偏航旋转机构

51 垂直于平台的上表面的第一轴线

52 涡轮机支撑平台的纵梁

53 第一端涡轮机支撑平台框架

54 第二端涡轮机支撑平台框架

55 垂直于第一轴线的第二轴线

56 具有细长舱体的风力涡轮机

57 偏航致动器

58 轮

58a 减振器元件

60 风向

61 接合部

61a 第二接合部

63 齿轮箱

64 用于线缆的通道

65 轴

66 收卷机构

具体实施方式

在下文中,将参考附图描述示例性实施方式。图中相同的参考标号表示相同的元件。虽然本文描述了示例性实施方式,但是其不应解释为限制于本文阐述的特定描述;相反,提供这些实施方式是为了使得本公开是充分且完整的。在附图中,为了清楚的目的可能放大或缩小部件的尺寸。

本文使用的措辞和术语是为了描述的目的,不应认为是限制性的。使用“包括(including)”、“包含(comprising)”、“具有(having)”、“包含(containing)”或“包括(involving)”以及本说明书中所使用的它们的变型,意味着包含以下列出的项目及其等价物以及额外的项目。本文列举的尺寸仅是示例性的,其他尺寸可与本领域中的技术人员将理解的示例性实施方式结合使用。

适当比例的图1示出了根据本发明的一个实施方式的高于60米(大约197英尺)的示例性桁架式塔10的立体图。桁架式塔10由三个金属腿11形成,该腿由金属外壳构成,金属外壳的中心纵向轴线16相对于桁架式塔10的竖直轴线12倾斜。在地基处,在基部17b中,三个腿11围绕塔的竖直轴线12以大于4米的距离(在桁架式塔10的每个腿的中心16之间测量)布置成等边三角形结构。金属腿11具有大体圆形且闭合的横截面,并沿着桁架式塔10结构高度通过多个分别对角和水平布置的支撑件13和辅助支撑件13a而彼此连接。支撑平台14设置在桁架式塔10的顶部17a,用作用于支撑如风力涡轮机、输电线路、电信系统和其它应用的载荷的接合部。

图2A是本发明的一个示例性实施方式的侧视图,示出了桁架式塔10的轮廓(竖直轮廓),其中,桁架式塔的金属腿11分成三个部分:第一部分21a、第二部分22a和第三部分23a。第一部分21a和第三部分23a具有两个反向的直角的圆形截头锥形状,在它们的窄端处通过具有较小直径的柱形形状的第二部分22a互相连接。所有部分通过它们的中心纵向轴线16对准。

图2A还示出了多个支撑件13和辅助支撑件13a,多个支撑件和辅助支撑件分别对角地和水平地布置,并沿着金属腿11的长度以规则间隔附接至桁架式塔10的金属腿11,具有对横向和/或旋转位移提供阻力的功能以使桁架式塔10坚固。所述支撑件13的结构,特别是以X形形式在桁架式塔10的内部中构造的对角的支撑件,由相对于每个金属腿11的中心纵向轴线16成β1和β2角度倾斜的构造组成,如图2B所示。虽然角度β1和β2并非必须相同,并且可以根据支撑件13沿着桁架式塔10的高度的位置而变化,但是所述角度具有大约30度和60度之间的值,优选地大约45度。图2A所示的侧视图还示出了桁架式塔10的三个金属腿11,其中,金属腿沿着其长度分成三个部分,每个部分优选地由至少一个模块20形成。考虑到塔的反向的截锥部分和柱形部分的转配来进行此划分,并且此划分旨在对其如前所述的设计功能提供更好的理解。

第一部分21a由三个第一腿21b形成,第二部分22a由第二腿22b形成,每个第二腿22b均优选地与第一部分21a的相应的第一腿21b线性对准并耦接。第三部分23a包括三个第三腿23b,每个第三腿23b均优选地与第二部分22a的相应的第二腿22b线性对准并耦接。

图3A是根据本发明的一个实施方式的桁架式塔的俯视图,其有助于理解三个金属腿11的形状,该形状具有在窄端处相互连接的两个反向的直角的圆形截锥形状。

如图3B所示,三个金属腿11围绕塔12的竖直轴线以相等角度对称地布置,并且在三角形结构中(优选地在等边结构中)彼此之间具有相等的距离“d”。最后,为了装配,可以考虑由于几何尺寸和公差而引起的小的变化(例如由于制造或土地和地基限制的原因)。当固定至地面时桁架式塔基部的底部17b中的每个腿的中心纵向轴线16之间的距离“d”大于4米(大约13.12英尺)。

图4是根据本发明的一个实施方式的塔的中心纵向轴线和竖直轴线之间的倾斜度的局部示意图。为了清楚起见,已经放大了此视图的比例。在该实例中,根据旨在用于例如风力涡轮机、输电线路和其他应用的载荷的特性,每个金属腿11的中心纵向轴线16可以是倾斜的,直到相对于桁架式塔10的竖直轴线并围绕中心纵向轴线16具有1.7度的角度(θ)为止。

此外,桁架式塔10构造成提供竖直轮廓(轮廓)的大体方面,其中,在放大的比例中,塔将具有沙漏形状,该形状的下端限定塔的相对较宽的下部(基部17b中的距离“Ab”),并且该形状的上端限定塔的相对较窄的上部(顶部17b中的距离“At”),如图4所示,但是实际上在实际的比例中,竖直轮廓(轮廓)的大体方面将显示为成直角的线性竖直的。此外,如图4所示,距离“At”优选地小于距离“Ab”。

一旦此类型的轮廓允许增强具有比通常现有技术中发现的更大的直径和厚度的金属腿11的顶部23a,那么图4所示的塔结构适于确保由装载的桁架式塔10而产生的作用力适当分布。而且,一旦此构造增加了塔的强度和固有频率并且同时降低了其制造、运输和安装成本,那么此构造在结构方面允许双重效果。此外,如图2A所示,部分22a和23a特别适于减小转子叶片通过的区域中的空气动力学湍流,允许使用如图16B所示的顺风构造。如图16B所示的顺风设计是非常有利的,因为在叶片44在这种风条件下偏离桁架式塔10弯曲时,间隙24不再是问题。

如图15A所示,在逆风设计的情况下,由于该塔比传统塔坚固得多,所以可能增加间隙逆风距离24,以减小转子叶片撞击塔的机会。

将桁架式塔10设计成能够在塔17a的顶部处支撑在支撑平台14上的动态载荷,该动态载荷在桁架式塔10的基部17b中产生反作用力和力矩,该反作用力和力矩比由风力载荷在桁架式塔本身上产生的反作用力和力矩高10(十)倍。

为了参考并且作为载荷的一个实例,商业上可获得的具有7.58MW的额定输出的大型风力涡轮机具有大致的重量为:大约2500吨的风力涡轮机塔的基部、2800吨的塔本身、128吨的机器壳体、220吨的发电机以及364吨的转子(包括叶片)。因此,由发电机和转子导致的支撑平台上的动态载荷比特别施加在塔本身中的最大风力载荷高得多。通常,仅用于支撑标准电信天线的塔将受到完全不同的载荷,因为在此情况下塔中的风力载荷通常比由塔顶部中的电信天线导致的载荷高。

金属腿11设计成在第一部分21a和第二部分23a中为截头锥部分并且在第二部分22a中为柱形部分,使得金属腿11长度中的直径变化保持平稳,在金属腿11结构中采用不同材料的组合的情况下,避免不连续,该不连续会导致应力集中区域,还会在混凝土浇注过程中产生气泡。

此外,桁架式塔10的柱轴外壳的锥度优选地是恒定的并且也可调节,以补偿金属腿11的可变锥度,导致支撑件13是一致的,支撑件在桁架式塔10的整个高度上具有相同的长度、直径和厚度。这能允许使这种支撑件的长度标准化,降低其生产成本并便于就地装配,并且无需对其进行编号。

图5A是根据本发明的一个实施方式的桁架式塔10的一个实例的侧视图,用于以示意性的方式示出塔腿沿着其高度H的横截面的不同构造。在该示例性实施方式中,每个金属腿11的外径“D”与厚度“t”的比例(D/t)大于30。

图5B、图5D和图5F是根据本发明的一个实施方式的腿沿着桁架式塔10的部分长度的横截面图,所述截面是闭合截面。

如图5B和图5C所示,示意性示出了优选地第三腿23b中的一个,该腿也具有截头锥形横截面31a,至少一个第三腿23b的顶部31b具有比该至少一个第三腿23b的底部31c更大的直径。

第二部分22a由具有柱形结构的第二腿22b形成,如图5D和图5E中示意性地示出的。因此,第三部分23a的每个相应的第三腿23b的直径大于第二部分22a中的每个相应的第二腿22b的直径。

此外,如图5F和图5G中示意性地示出的,优选地,第一腿21b中的至少一个具有截头锥形的横截面30a,至少一个第一腿21b的底部30b具有比该至少一个第一腿21b的顶部31b更大的直径。

优选地,金属腿11具有如图5B、图5D和图5F所示的圆形闭合的横截面。可替代地,金属腿11还可设计为例如具有多边形横截面形状的形状,该形状设置成空气动力学整流罩,设置成保持截头锥形形状,如图6A所示。

在图6A中示出了优选地至少是十二边形的多边形横截面形状,但是应理解的是,根据合适的构造,该形状可由其他多边形形状(例如十三边形、十四边形等)形成。

图6B示出了横截面形状实施方式的另一实例,该横截面形状优选地用作用于支撑件13和辅助支撑件13a的轮廓,其中,具有减小的腹板26的通道截面由具有椭圆形空气动力学轮廓27的整流罩(fairing)覆盖。整流罩的功能是覆盖通道截面以使得所述截面轮廓保持闭合,增强具有易于成形的低成本材料(例如聚合物、复合材料或其他材料)的金属截面的空气动力学性能,如图6B所示。整流罩旨在将由风导致的湍流减到最小,或者可替代的实例,整流罩可设计为另一空气动力学上合适的形状,整流罩的表面上还可包括凹部或波形(未在图6B中示出)以产生微小的涡流(eddy current),空气可在其上平稳地流动,从而减小湍流并改进空气动力学性能。

除了应用于所述金属腿11的结构的金属材料(例如钢)以外,所述金属腿还可由以下材料构造:与复合材料结合的金属材料,或具有增强混凝土的复合材料,或具有预应力混凝土的复合材料,或这些材料的组合;例如,金属腿11可填充有增强混凝土以增强该结构。由于用于优选的应用(例如风能发电机)的竖直结构通常非常高,例如高于60米,所以每个金属腿11通常将制造成分离的段,在就地安装过程中使分离的段连接在一起。这意味着材料沿着桁架式塔10的长度的组合例如且不限于:制造有预应力混凝土的第一部分21a、用具有增强混凝土的混凝土材料一起制造的第二部分22a以及用复合材料一起制造的第三部分23a,或其他合适的材料组合。

作为本发明的一个实施方式的实例,如图7所示,通过使用法兰18耦接件来完成部分21a、22a和23a之间的耦接,以及每个相应部分的模块20之间的耦接。

支撑件13和辅助支撑件13a优选地是柱形形状的,或是具有椭圆形整流罩的通道截面(U),支撑件和辅助支撑件沿着桁架式塔10的整个高度具有基本上相似或相等的长度,因为具有最大量的相等部件降低了制造成本并便于装配。

虽然本领域的技术人员通常对支撑对角件和水平杆采用一般用于构造桁架式塔的标准截面,所以有利地可由具有至少一个通道截面的支撑件13和辅助支撑件13a代替支撑对角件和水平杆,其中,通道腹板的长度小于通道腿的长度,如在WO 2010/076606 A1中描述的,该说明书通过引证结合于此。

因此,支撑件13或辅助支撑件13a可构造为具有闭合横截面,或通过使用复合材料来构造,或通过使用以复合材料增强的金属支撑件构造,或是使用具有用混凝土填充的闭合横截面的金属支撑件构造,或是这些构造的其他适当的组合。

图8至图12所示的示例性实施方式示出了在风力涡轮机的情况下,如何通过具有内管状接合部40的支撑平台将载荷支撑在所述桁架式塔10的顶部上的,通过每个平台腿41用第三部分23a的每个相应的第三腿23b而使该支撑平台与桁架式塔结构10耦接。

如图8至图12所示,具有内管状接合部40的支撑平台由三个平台腿41形成,每个平台支撑腿均耦接至第三部分23a的相应第三腿23b,并且内管状接合部42耦接至三个平台腿41。在支撑风力涡轮机的情况下,内管状接合部由钢管形成,并固定在支撑部上以允许与舱体连接,在舱体固定方面使用现有技术。

在图13A和图13B所示的示例性实施方式中,具有细长舱体的风力涡轮机56在桁架式塔的顶部处耦接至桁架式塔10。因此,由于桁架式塔产生的风影(wind shade)比管状钢塔(单管塔)小,所以可根据风向60并根据合适的应用或构造将所述桁架式塔布置为逆风或顺风设计,如分别在图14至图18B中示出的。

为了说明和例证的目的,而不是为了限制本发明,图19A和图19B示出了表格I,该表格是138米高(大约453英尺)的桁架式塔10的示例性实施方式的尺寸设计电子表格(spreadsheet,试算表),该桁架式塔仅使用金属腿和支撑件而没有使用复合材料增强。该尺寸设计电子表格示出了示例性桁架式塔10的结构的基本尺寸,从模块的量及其高度开始,其中,模块连接在一起形成桁架式塔10的高度。

图20A和图20B示出了表格II,该表格也是138米高(大约453英尺)的桁架式塔10的示例性实施方式的尺寸设计电子表格,其中,腿和支撑件包括增强混凝土。

在图19A、图19B、图20A和图20B中的表格I和表格II中描述的实施方式中,金属腿11的中心纵向轴线16相对于塔12的竖直轴线以小于0.35度的角度倾斜。金属腿11具有可变锥度,其中,金属腿的直径从基部处的1000mm(大约3.281英尺)减小至84米高(大约275.5英尺)处的510mm(大约1.673英尺)(与已经在图2A中示出的第一部分21a相关);将510mm(大约1.673英尺)的直径一直保持到120米高(大约393.6英尺)(与已经在图2A中示出的第二部分22a相关)。然后,金属腿11的锥度具有与第一部分21a相同的值,但是以相反的方式,并且,金属腿11的直径在138米高(大约452.6英尺)的桁架式塔10的顶部处增加至598mm(大约1.960英尺)。

腿模块20的厚度是通常可在市场标准中获得的厚度。将支撑件13和辅助支撑件13a的厚度计算为用于承受桁架式塔10的基部17b上的应力。支撑件13与桁架式塔10的金属腿11的连接系统、辅助支撑件13a与桁架式塔10的金属腿11的连接系统以及支撑件和辅助支撑件本身的连接系统均由钢制成且重量大约是9.7吨。

在图13A所示的示例性实施方式中,桁架式塔10具有大约0.19度的锥度以补偿金属腿11的变化锥度。桁架式塔10的锥度沿着其竖直轴线12是恒定的,并且纵向中心腿轴线16是线性的并与部分21a、22a和23a的轴线同中心,以不产生应力集中的点。

因此,由于桁架式塔10的形状以及结构性能和行为,如果与通常用于装载风力涡轮机的标准单管塔相比,除了频率增加以外,获得了结构总成本的明显减小,如下文在表III中描述的。基于相关的货币估算该成本,该成本覆盖材料成本、制造成本、物流成本和人力成本,未考虑具有大尺寸或大重量的部件所需的特殊运输的成本。金属腿11、支撑件13和辅助支撑件13a可通过任何适当的金属材料制成,例如钢。高强度低合金结构钢是优选的,并且对于所示的比较,优选地使用的钢的特性如下所述:屈服强度(fy)大约是3806kgf/cm2;杨氏模量(E)大约是2100000kgf/cm2以及密度大约是7850kgf/m3。使用的混凝土大约具有以下特性:强度(fck)是510kgf/cm2;杨氏模量(E)是343219kgf/cm2且密度是2300kgf/m3。增强混凝土的内嵌钢筋大约具有以下特性:屈服强度(fy)是5000kgf/cm2;杨氏模量(E)是2100000kgf/cm2以及密度是7850kgf/m3

图21示出了对应于仅由钢制成的桁架式塔10的表格III,该塔作为参考以进行比较并且在这里称为TA1,该塔用于安装在大于60米(大约196.8英尺)的高度的风力涡轮机,考虑相等的阻力,其比单管塔(也由钢制成并且在这里称为TM1)成本低、物流简单且具有更好的固有频谱。桁架式塔10的制造成本减小至单管塔的成本的1/3。如也在表III中示出的,考虑到使用材料组合(钢和增强混凝土)的桁架式塔10(在这里称为TAC1)将成本减小至单管塔TM1的1/5。

第一模式的频率从用于单管塔塔TM1的0.151Hz增加至TA1的0.297Hz。0.297Hz的频率超出风力涡轮机的转子叶片的频率范围。对于在腿和支撑件中使用材料组合的桁架式塔TAC1,频率上升至0.381Hz。还示出了通过用相同抵抗力的混合材料(例如增强混凝土)而使钢改变,TAC1的成本在改进频谱的同时甚至减小得更多。对于TAC1,第一模式的频率增加至0.381Hz,且成本相对于TA1的成本减小大约40%。

表III总结了所研究的三种技术之间的比较。由钢和增强混凝土制成的桁架式塔TAC1具有以下优点:

1)更低的成本:其成本是单管塔TM1的大约20%,是仅由钢制成的桁架式塔TA1的大约61%;

2)其具有0.387Hz的固有频率,比由钢制成的桁架式塔TA1高大约28%,并且比单管塔TM1高大约152%;

3)运输更简单且成本更低:混凝土的运输成本更低并且可在大多数安装地点附近轻易地获得,因此,钢的运输成本更贵。考虑到在腿外壳中使用的钢,以及用于增强混凝土和用于法兰的钢,塔TAC1使用99.2吨的钢。这个值是具有167.0吨钢的TA1塔的59%,并且是402.5吨钢的单管塔TM1的质量的25%。对于单管塔TM1,成本甚至更高,因为对于具有12米或24米的长度(大约39.4英尺或78.7英尺的长度)的4米直径(13.123英尺)的管道来说,必须使用特殊的运输系统。

在实现的塔高度中通过转子叶片的长度,桁架式塔还具有1.6米到1.8米(大约5.245英尺至5.905英尺)的等效直径,该等效直径具有13.5%到15.5%范围的暴露区域的指数。由于塔的金属腿11也沿着12米(大约39.4英尺)的距离在金属腿的中心纵向轴线16之间分布,所以塔产生的湍流较小,这允许塔也可用于顺风构造。该种设置在由钢或混凝土制成的塔状单管塔中更关键。

转子顺风的使用为涡轮机带来许多优点。在这种情况下,拖拽力和离心力有助于使叶片根部处的力矩减小大约50%,从而使叶片和毂的重量减小50%。因此,在舱体中需要平衡的重量较小。通过具有更低的惯性力矩,方位控制系统更轻且成本更低。这些优点和其他优点导致塔顶部处的最终重量减小30%至40%。顶部上更小的重量意味着更高的固有频率,进一步改进了由钢和增强混凝土制成的塔的性能。因此,如在如图21所示的表III中总结的,通过这些显著的效果,获得了明显更经济的塔。

此外,在如图23至图31所示的另一示例性实施方式中,可替代地,具有内管状接合部40的支撑平台由偏航机构支撑结构43替代,或者与该偏航机构支撑结构互补,该支撑结构也设置成支撑具有细长舱体的风力涡轮机56,该风力涡轮机具有多个转子叶片44,多个转子叶片通过轴65操作地耦接至齿轮箱63和发电机45。

偏航机构支撑结构43由主体46、上表面47、下表面48和优选地圆形的轨道49形成,该轨道还优选地限定为接近偏航机构支撑结构43的上表面47的周缘。

此外,如图23所示,偏航旋转机构50在一处位置与支撑平台耦接,该偏航机构优选地位于圆形轨道49内的中心并且在支撑平台的上表面47的上方延伸。因此,偏航旋转机构50构造成围绕第一轴线51旋转,第一轴线优选地垂直于支撑平台的上表面。此外,偏航旋转机构50通过收卷机构(furling mechanism)66耦接至涡轮机支撑平台的纵梁(longeron)52。此外,用于例如电力线缆的线缆64(图24所示)的通道被限定在偏航旋转机构50中。通过将线缆保持在相对于偏航旋转机构50的轴线的内部,避免了线缆夹在该机构的其他部分中,从而避免了线缆上的磨损。

图24示出了涡轮机支撑平台的纵梁52,该纵梁具有第一端53和与第一端间隔至少一个圆形轨道49的半径的距离的第二端54,涡轮机支撑平台的纵梁52枢转地耦接至偏航旋转机构50以允许涡轮机支撑平台的纵52梁围绕基本上垂直于第二轴线55的第一轴线51枢转,并且涡轮机支撑平台的纵梁基本上平行于支撑平台的上表面47,涡轮机支撑平台的纵梁52构造成至少支撑风力涡轮机的发电机45和多个转子叶片44的重量,其中,细长舱体安装至风力涡轮机56。

图24至图26示出了接合部61,该接合部设置于邻近涡轮机支撑平台的纵梁52的第二端54并且设置在涡轮机支撑平台的纵梁52与基本上圆形的轨道49之间,接合部61构造成用于使涡轮机支撑平台的纵梁52的第二端54沿着基本上圆形的轨道49移动,从而根据风向60提供适当的偏航。此外,接合部61设置有偏航致动器57,其中,结合了偏航锁定机构(未示出)。

根据本发明的一个实施方式,接合部61表示为至少两个(优选地是六个)轮58,以将涡轮机载荷转移至轨道49,同时使风力涡轮机围绕偏航旋转机构50枢转。可替代地,接合部61例如可设置有小齿轮和有齿轨道。此外,轮58由减振器元件58a覆盖,减振器元件设置成用于吸收可能由风60导致的振动。结合在接合部61的轮58中的减振器元件58a例如是基于以弹性体材料的。

第二接合部61a设置于涡轮机支撑平台框架52的第一端53处。第二接合部61a具有与接合部61相同的功能和元件,并相对于偏航旋转机构50对称地定位,以确保风力涡轮机元件沿着平台以适当地载荷分布,并减小可能由风力导致的收卷旋转。

当风向改变时通过将转子叶片44保持在风中的最佳位置,这种设计允许确保具有细舱体的风力涡轮机56总是产生最大量的电能。此外,偏航机构支撑结构43沿其第二轴线55提供了更好的载荷重量分布,从而减小可能由风的多向流动导致的沿着偏航机构支撑结构43的结构和桁架式塔10的不对称载荷。

图27至图31示出了另一示例性实施方式,其中,轴65比图22至图26所示的示例性实施方式短。

图31是支撑平台的一个实例的立体图,其中,偏航旋转机构50不使用收卷机构66而直接耦接至涡轮机支撑平台的纵梁52。

图32是支撑平台的一个实例的平面图,该支撑平台例如表示为图23或图26中描述的支撑平台,该图示出了在桁架式塔10顶部上的偏航支撑平台通过支撑件连接,优选地通过对称地布置在偏航支撑结构43的下表面48的下方的六个支撑件连接。

虽然已经特别示出并描述了示例性实施方式,但是本领域的技术人员可对本文中的形式和细节进行多种改变。所附权利要求旨在覆盖这些改变和其他等价物也。

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