专利名称：基座以及形成单桩基座的方法
技术领域：
本发明大体涉及一种在土壤中形成用于风轮机塔架的单桩基座的方法，包括在土
壤中钻出多个孔以及将单桩放置到环形凹部中。环形凹部通过仅仅所述多个孔、和/或在将单桩放置到孔中的同时通过所述单桩打破所述多个孔中相邻孔之间的中间土壤壁而形成。本发明还涉及一种土壤中用于风轮机塔架的基座、一种包括这种基座的风轮机、以及这种基座在风轮机中的应用。
背景技术：
风轮机塔架高度通常为30-80米并且直径为2-10米。常用现代塔架的重量对于
用于44米风轮直径的风轮机(600kW)的50米塔架是40吨、以及对于用于72米风轮直径
的的风轮机的60米塔架是80吨。由于风轮机塔架的高度和重量、由风轮机叶片旋转运动
所形成的力、以及塔架暴露于风的极大表面，塔架必须稳定地紧固到地面上。 根据土壤情况，例如岩石、泥土或沙粒，不同种类的基座被用于将风轮机塔架紧固
到地面上。 一种形成基座的方法是在凹部中形成混凝土基座、在混凝土基座上设置支撑结
构、与塔架形成连接、以及将锚固件设置到地面中的钻孔中从而将基座紧固到地面。 用于风轮机的另一种基座类型是单桩基座。单桩基座包括长度超过直径的管状元
件，该管状元件通过锤击或振动而推入到地面中。只要地面没有任何不希望的物体像岩石，
这种技术可以很好地运用。然而，单桩在被锤击到地面中时要承受到非常大的力。由此，单
桩必须被加强从而抵御由锤击引起的力。此外，将单桩振动到地面中在沙子中可行但在泥
土中不可行。 W001/66861公开了一种用于将风轮机塔架的基座锚固到岩床上的装置和方法。这种方案相当于所谓的埋置基座。这意味着孔被设置成其尺寸大于锚固部的尺寸。当锚固部被插入到孔中时保留的自由空间被混凝土所填充，由此锚固部被埋入到混凝土中。锚固部可设置有锚固件，并且锚固部的高度基本上等于锚固部的直径。对应的技术在W002/099203中公开。
发明内容
鉴于上述内容，本发明的目的是对上述技术及现有技术进行改进。 具体地， 一个目的是提供一种用于在土壤中形成单桩基座以及基座的方法，单桩
基座以及基座被锤击或振动到地面中。 另一目的是提供一种用于在土壤中形成单桩基座以及基座的方法，单桩基座以及基座不需要任何锚固件来获得基座的必要稳定性。 根据第一方面，本发明通过一种在土壤中形成用于风轮机的单桩基座而实现，该方法包括在土壤中钻出多个孔，所述多个孔沿着曲线设置，所述曲线具有与单桩的横向空间(cross-dimensional)形状相对应的轮廓，其中，在钻出多个孔时，第一孔被钻出、并且在与第一孔相邻的下一个孔被钻出之前被临时填充材料填充；以及将单桩放置到环形凹部中，所述环形凹部通过仅仅所述多个孔、和/或通过在单桩被放置到孔中的同时所述单桩使所述多个孔中相邻孔之间的中间土壤壁破裂而形成。 该创新方法的优点在于由于或多或少与单桩形状相对应的凹部在单桩被引入到土壤中之前和/或在单桩被放置到土壤中时形成，因此便于形成单桩基座。由此，与将单桩锤击或者振动到地面中相比，将单桩放置到地面中所需的力减小。如果通过单桩打破相邻孔之间的中间土壤壁而形成环形凹部，那么将单桩放置到土壤中所需的力仅仅必须超过相邻孔之间中间壁的阻力。如果多个孔在单桩放置到其中之前形成环形凹部，那么将单桩放置到土壤中所需的力还进一步减小。 由于将单桩放置到土壤中所需的力减小，那么单桩不需要如现有技术的单桩方案那样被锤击或振动到地面中。由此，单桩不需要被加强来抵抗在安装过程中引起的力。由此，单桩的重量减小，便于材料节省以及单桩的运输。 另一个优点是能够在垂直方向上将单桩分成多个节段。将单桩分成多个节段便于
将单桩运送到工地。在设置单桩之前，单桩节段彼此连接。例如，单桩节段可设置有凸缘，
并且以任意传统方式彼此连接。在现有技术方案中，当单桩被锤击或振动到土壤中时，连接
的单桩节段的凸缘引起大的阻力，由此阻碍使用超过一个单桩节段。当使用该创新方法时，
当设置单桩时形成凹部会减小阻力，即便单桩包括通过凸缘彼此连接的多个节段。
由于基座是单桩类型，因此单桩本身提供了基座必要的刚性及稳定性。不需要锚
固件或混凝土基座来稳定及紧固基座。由此，与包括混凝土基座、锚固件、锚固部等的埋置
基座相比，由于该创新基座仅包括一个主要部件，即，单桩，因此便于形成基座。 在钻出多个孔时，第一孔被钻出并且在与第一孔相邻的下一个孔被钻出之前由临
时填充材料填充。由此，在钻出下一个相邻孔时，第一孔不会坍塌。此外，在第一孔中填充
临时填充材料防止第一孔被来自于下一个孔的土壤再次填充。 该方法还包括在所述多个孔中的至少一个中设置加强元件。加强元件防止在单桩被放置到孔中之前孔坍塌。 该方法还包括将单桩推入到环形凹部中。如果环形凹部通过单桩使相邻孔之间的
中间土壤壁破裂而形成的话，那么需要一些力将单桩放置到凹部中。该力需要使相邻孔之
间的中间土壤壁破裂，从而形成环形凹部，该力取决于中间土壤壁的宽度。 该方法还包括在放置单桩之后将所述孔的剩余部分填充土壤和/或混凝土。当单
桩被放置到凹部中时，孔的一部分可保留作为凹部。通过向这些部分填充土壤或者混凝土，
单桩基座被进一步加强并且提供额外刚度和稳定性。 该方法还包括在放置单桩之后，通过从下方向所述孔的剩余部分填充混凝土，从而移除临时填充材料。混凝土可以从与形成环形凹部的孔邻近的另外孔被进给。由于另外孔延伸到环形凹部的底部，因此临时填充材料被移除并且由混凝土所替代，由此进一步稳定了基座。 该方法还包括钻出所述多个孔使得它们彼此部分地重叠。当孔部分重叠时，与单桩形状相对应的连续环形凹部可根据重叠的程度形成。在极端情况下，凹部可以在单桩放置到其中之前已经形成，所述凹部在相邻孔之间没有中间壁。由此，进一步便于将单桩放置到凹部中并且使单桩放置到凹部中所需的力进一步减小。 根据第二方面，本发明通过一种土壤中用于风轮机塔架的基座而实现，该基座包括具有管状形状的单桩；以及形成环形凹部的多个孔，所述凹部与单桩的横向空间形状对应，所述单桩被设置在环形凹部中；所述环形凹部通过仅仅所述多个孔、和/或通过在单桩被放置到孔中的同时所述单桩使所述多个孔中相邻孔之间的中间土壤壁破裂而形成。
该创新基座的优点在于由于基座是单桩类型，因此单桩本身提供了基座必要的刚性和稳定性。不需要锚固件或混凝土基座来稳定和紧固基座。由此，与包括混凝土基座、锚固件、锚固部等的埋置基座相比，由于该创新基座仅包括一个主要部件，即，单桩，因此该基座包括更少部件并且被简化。
另一个优点在于由于单桩不必被锤击或振动到地面中，因此基座不需要被加强。
相反地，基座被放置到当单桩被放置到凹部中被预先形成和/或形成的凹部中。 此外，由于基座不需要被加强，因此单桩重量降低，使得材料节省并且便于单桩的运输。 另一个优点在于能够将单桩在垂直方向上分成多个节段，由此便于将单桩运输到工地。在设置单桩之前，单桩节段通过使用设置在单桩节段上的凸缘而彼此连接。在现有技术方案中，当将单桩锤击或振动到土壤中时，连接的单桩节段的凸缘产生大的阻力，由此阻碍使用超过一个单桩节段。由于在设置单桩时，如该创新基座中形成凹部会减小阻力，即便单桩包括通过凸缘彼此连接的多个节段。 单桩的上部可突出到土壤上方以及单桩下部可放置到所述环形凹部中。第一部分可包括与塔架的接合部，例如与设置在塔架上的配接元件相对应的凸缘。设置到土壤中的第二部分提供了风轮机塔架的必要稳定性。 单桩下部的深度与单桩直径的比率至少为2 : 1。对于设计成单个桩的单桩基座，
被引导到土壤中的单桩的深度必须足够大，从而提供风轮机塔架的所需稳定性。 孔可彼此部分地重叠。当孔部分重叠时，与单桩形状相对应的连续环形凹部可根
据重叠程度形成。在极端情况下，可以形成在相邻孔之间不具有中间壁的凹部。由此，进一
步便于将单桩放置到凹部中并且将单桩引导到凹部中所需的力进一步减小。 相邻孔之间的重叠部分在单桩径向方向上的距离可超过单桩的壁厚。由此，由于
与单桩形状相对应的连续凹部被预先形成，因此将单桩放置到土壤中所需的力减小。当单
桩被设置到凹部中时，孔的一部分保留作为凹部，该凹部可被土壤或混凝土所填充。 相邻孔之间的重叠部分在单桩径向方向上的距离可与单桩的壁厚对应。由此，由
于与单桩形状相对应的连续凹部被预先形成，因此将单桩放置到土壤中所需的力减小。当
单桩被设置到凹部中时，孔的一部分保留作为凹部，该凹部被土壤或混凝土所填充。 相邻孔之间的重叠部分在单桩径向方向上的距离可小于单桩的壁厚。 孔的剩余部分可以被土壤、混凝土或者临时填充材料所填充。当单桩放置到凹部
中时，孔的一部分保留作为凹部。通过对这些部分填充土壤或混凝土，基座进一步加强并且
提供了额外的刚度和稳定性。 根据第三方面，本发明通过包括根据本发明第二方面的基座的风轮机而实现。包括根据本发明第二方面的基座的风轮机结合了基座的全部优点，这些优点前面已经讨论过，因此前面的讨论同样适用。 根据第四方面，本发明通过根据本发明第二方面的基座的应用而实现。根据本发明第二方面的基座的应用结合了基座的全部优点，这些优点前面已经讨论过，因此前面的讨论同样适用。 本发明其它目的、特征和优点将从接下来的详细公开、附加的权利要求以及附图中体现出来。 通常，权利要求中使用的所有术语将根据它们在该技术领域的通常意义来解释，除非在此以其它方式明确地限定。凡涉及到用一个/该/所述限定的"元件、装置、部件、方式、步骤等"都被开放地解释为指至少一个所述"元件、装置、部件、方式、步骤等"的情况，除非以其它方式明确地表明。这里公开的任意方法的步骤不需要按照公开的确切步骤执行，除非明确地表明。
通过接下来参考附图对本发明优选实施例的示意性及非限制性的详细描述，本发明的上述及另外的目的、特征及优点将会更好地被理解，附图中相同的附图标记用于相同的元件。其中 图1示意性地显示了用于风轮机的基座的横截面图。 图2a示意性地显示了形成于土壤中的多个部分重叠的孔，它们形成环形凹部。
图2b示意性地显示了从上面看并且被放置到环形凹部中的图1中的基座。
图2c示意性地显示了彼此相隔一段距离设置的多个孔。
图2d示意性地显示了相邻孔的重叠部分如何变化。 图3a示意性地显示了在钻孔工艺过程中临时填充材料如何被设置在孔中。
图3b示意性地显示了加强元件如何被设置在孔中。 图4示意性地显示了混凝土如何被引入到凹部中，由此移除临时填充材料。
具体实施例方式
参考图1，显示了用于风轮机塔架20的基座1。基座1由具有管状形状的单桩2形成。单桩2可由一个管状元件3形成、或者可由周向方向上的多个扇形部形成，所述多个扇形部一起形成管状元件3。在垂直方向上，单桩2可由超过一个节段形成，所述节段一起形成管状元件3。节段可通过设置在每个节段端部的凸缘以任意常规方式彼此连接。
单桩是用于风轮机塔架的一类基座，单桩没有设置到混凝土基座上，并且没有通过使用锚固件被紧固到地面上。相反地，单桩设置在地面中的长度提供了风轮机塔架的稳定性。与埋置基座相比，被引入到土壤中的单桩深度超过单桩的直径。 单桩2适于被放置到土壤5中，例如砂子或泥土中。特别的土壤材料尽管不是必要的，但也是非常适合的。 单桩2被放置到凹部10中，该凹部具有与单桩2的管状形状相对应的形状。单桩的上部突出到土壤上方，并且形成与风轮机塔架20的连接部。单桩2的上部可包括凸缘4，该凸缘形成与塔架20的接合部。风轮机塔架20可包括对应的凸缘8，并且通过使螺栓6穿过设置在凸缘4，8中的孔7从而将单桩2连接到塔架20。风轮机塔架20可由周向方向上的多个塔架扇形部形成，每个扇形部形成塔架20的一部分。单桩的下部放置在土壤5中的凹部10中。 被引入到土壤中的单桩下部的深度与单桩直径比率为至少2 : 1。被引入到土壤5中的单桩2的下部的深度必需足够大，从而使得为风轮机塔架20形成稳定的支撑。下部的深度取决于塔架高度、土壤情况、预期负载等等。 凹部10的一部分即便在单桩2已被放置到凹部10中之后也可保留作为凹部。这些保留部分可填充混凝土。通过将任何保留的凹部填充混凝土，基座l被进一步加强。混凝土填充还形成了与土壤的锚固。 图2a和2b显示了从上面看的凹部10，在图2a中是单桩2被放置到凹部10中之前，以及在图2b中是单桩2被放置到凹部10中时。凹部10具有环形形状，基本上与单桩2的环形形状相对应。当形成该创新基座1时，多个孔11被钻入到土壤5中。孔ll沿着与单桩2的横向空间形状相对应的轮廓设置。如果孔11部分地重叠，如图2a中所示，那么多个孔11形成了环形凹部10。单桩2随后被放置到环形凹部10中。如果当孔被钻出时中间土壤壁13保留在相邻孔之间，如图2c所示，那么多个孔11准备用于待形成的环形凹部10。当把单桩2放置到孔11中时，单桩2打破中间土壤壁13，从而使得土壤壁對塌。由此，在放置单桩2的同时形成环形凹部10。 环形凹部IO还可形成为上述情况的组合。例如，在第一部分中，孔11可以部分地重叠，由此在单桩2被放置到凹部10中之前已经形成凹部。在另一部分中，孔11可彼此相邻设置，被中间壁13所分开。在这一部分中，当单桩2被放置到凹部10中时形成环形凹部10。此外，孔11的直径可小于单桩2的壁厚。在这种情况下，当单桩2被放置到凹部中时，与单桩2的形状和壁厚相对应的凹部被形成。 当钻出用于形成凹部10或者为凹部10做准备的孔11时，第一孔lla被钻进到土壤5中。第二孔llb随后与第一孔lla相邻地钻出。第三孔llc随后与第二孔llb相邻地钻出。这个过程连续进行直到如图2a所示形成沿着曲线设置的多个孔ll，该曲线具有与单桩2的横向空间形状相对应的轮廓。 如果孔11部分地重叠，那么重叠部分在单桩径向方向上的距离dl、 d2以及d3可以超过、等于或者小于单桩2的壁厚D，其在图2d中显示出来。如果重叠部分的距离dl小于单桩2的壁厚D，那么需要一些力将单桩2放置到凹部中，目的是使凹部10加宽。
此外，孔11的直径可超过、小于或者等于单桩2的壁厚。如果单桩2的壁厚D超过孔11的直径，那么当单桩放置到环形凹部10中时凹部不再保留。 参考图3a，更加详细地介绍钻出孔11。第一孔11a被钻进到土壤5中，如前所述。在钻出第二孔llb之前，第一孔lla被临时填充材料12所填充。临时填充材料12可以是膨润土、或者任何其它适当的临时填充材料。临时填充材料12防止在钻出相邻孔时第一孔lla對塌。 当第一孔lla被填充有临时填充材料12时，第二孔lib被钻出。第二孔lib随后在钻出第三孔lie之前被临时填充材料12填满。这个过程连续进行直到形成沿着曲线设置的多个孔ll，该曲线具有与单桩2的横向空间形状相对应的轮廓。 在将单桩2设置到所形成的或者准备好的凹部10中之前，如果需要的话，设置在孔ll中的临时填充材料通过适当的化学品或者水被溶解。如果使用膨润土作为临时填充材料，那么由于膨润土的材料特性不需要在设置单桩2之前使膨润土溶解。
替代地，孔11不需要一个接一个按顺序地钻出。在钻出第一孔lla以及在第一孔lla中填满临时填充材料12之后，第二孔(例如lie或者lid)可以沿着与单桩2的横向空间形状相对应的曲线轮廓、在距离第一孔lla—段距离处钻出，并且与第一孔lla不相邻。
稍后，在距离第一孔lla—段距离处钻出孔之后，钻出与第一孔相邻的孔llb。由此，临时填
充材料12具有时间硬化，在钻出相邻孔lib时第一孔坍塌的风险进一步降低。 在溶解临时填充材料12之后，如果需要的话，单桩2被设置到土壤5中的凹部10
中。如果孔11的直径超过单桩2的壁厚，那么孔11的一部分将作为凹部保留，如图2c和
2d所示。 为了填充孔11的任何保留部分，以及进一步稳定基座l，混凝土 16从下方引入到 凹部10中，如图4所示。混凝土 16被引入到附加孔15中，该附加孔紧邻凹部10设置并且 沿着凹部10延伸。混凝土 16流入到凹部10的下部中，由此向上挤压剩余的临时填充材料 12。凹部10由此从下方被混凝土 16填充。 即便临时填充材料12通过使用化学品被溶解，部分临时填充材料12可能保留在 凹部10中。由此，凹部10可被混凝土、土壤以及临时填充材料的混合物所填充。然而，为 了获得基座1的最佳稳定性，如果可能的话，所有临时填充材料12应当被混凝土所替换。 在钻孔期间被用于临时地填充孔11的临时填充材料12不具有使基座1稳定的足够承受能 力。 作为用临时填充材料12填充孔11的替代方案，在孔11中可设置加强元件14用 于临时地使孔11加强，如图3b所示。 一个加强元件14适于被放置到所述多个孔11的一 个中。加强元件14可以是管状元件，例如由塑料制成。可选择地，加强元件14可以是加强 结构或者布线。加强元件14适于抵抗来自于周围土壤的力，从而防止孔11坍塌，但是适于 在单桩2被放置到凹部10中时打破。例如，加强元件14中的材料可通过材料中的穿孔而 被弱化、或者具有弱化部分。当单桩2被放置到凹部10中时，加强元件14破裂或者局部破 裂，从而使得加强元件14不会妨碍单桩2被放置到凹部10中。 可以预期的是，单桩可具有任意其它形状，以及对应的凹部可具有任意其它形状。 此外，即便显示了圆形的孔，但是孔可具有任意其它形状。还可以预期的是，与风轮机塔架 的接合部还可具有另外的设计。 本发明在上面主要参考一些实施例而进行描述。然而，对于本领域技术人员容易 理解的是，除了上面公开之外的其它实施例同样落入由专利权利要求书所限定的发明范围 之内。
权利要求
一种用于在土壤中形成用于风轮机塔架(20)的单桩(2)基座(1)的方法，包括在土壤中钻出多个孔(11)，所述多个孔沿着曲线设置，所述曲线具有与单桩(2)的横向空间形状相对应的轮廓，其中，在钻出多个孔(11)时，第一孔被钻出、并且在与第一孔相邻的下一个孔被钻出之前被临时填充材料(12)填充；以及将单桩(2)放置到环形凹部(10)中，所述环形凹部通过仅仅所述多个孔(11)、和/或通过在单桩被放置到孔中的同时所述单桩(2)使所述多个孔中相邻孔之间的中间土壤壁(13)破裂而形成。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在所述多个孔中的至少一个中设置加强元件(14)。
3. 如权利要求l-2任一所述的方法，其特征在于，还包括推动单桩进入环形凹部(10)中。
4. 如权利要求l-3任一所述的方法，其特征在于，还包括在放置单桩(2)之后，在所述孔(11)的剩余部分中填充土壤和/或混凝土。
5. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，还包括在放置单桩(2)之后，通过从下方用混凝土填充所述孔的剩余部分从而移除临时填充材料(12)。
6. 如权利要求l-5任一所述的方法，其特征在于，还包括钻出所述多个孔(11)使得它们部分地彼此重叠。
7. —种土壤中用于风轮机塔架(20)的基座(l)，包括具有管状形状的单桩(2);以及形成环形凹部(10)的多个孔(ll)，所述凹部与单桩的横向空间形状对应，所述单桩被设置在环形凹部中；所述环形凹部通过仅仅所述多个孔(11)、和/或通过在单桩被放置到孔中的同时所述单桩(2)使所述多个孔中相邻孔之间的中间土壤壁(13)破裂而形成。
8. 如前述权利要求7所述的基座，其特征在于，所述单桩(2)的上部突出到土壤上方，并且所述单桩的下部被放置在所述环形凹部中。
9. 如权利要求8所述的基座，其特征在于，所述单桩下部的深度与单桩直径之间的比率至少2 : 1。
10. 如权利要求7-9任一所述的基座，其特征在于，所述孔(11)彼此部分地重叠。
11. 如权利要求7-10任一所述的基座，其特征在于，相邻孔(11)之间的重叠部分在单桩(2)径向方向上的距离超过所述单桩的壁厚。
12. 如权利要求7-10任一所述的基座，其特征在于，相邻孔(11)之间的重叠部分在单桩(2)径向方向上的距离相当于所述单桩的壁厚。
13. 如权利要求7-10任一所述的基座，其特征在于，相邻孔(11)之间的重叠部分在单桩(2)径向方向上的距离小于所述单桩的壁厚。
14. 如权利要求7-13任一所述的基座，其特征在于，所述孔(11)的剩余部分被土壤、混凝土 、或者临时填充材料所填充。
15. —种风轮机，其特征在于，包括如权利要求7-14任一所述的基座。
16. —种根据权利要求7-14任一所述的基座的应用，其特征在于，所述基座用于风轮机中。
全文摘要
本发明涉及一种用于在土壤中形成用于风轮机塔架(20)的单桩(2)基座(1)的方法，包括在土壤中钻出多个孔(11)，所述多个孔沿着曲线设置，所述曲线具有与单桩(2)的横向空间形状相对应的轮廓，其中，在钻出多个孔(11)时，第一孔被钻出、并且在与第一孔相邻的下一个孔被钻出之前被临时填充材料(12)填充；以及将单桩(2)放置到环形凹部(10)中，所述环形凹部通过仅仅所述多个孔(11)、和/或通过在单桩被放置到孔中的同时所述单桩(2)使所述多个孔中相邻孔之间的中间土壤壁(13)破裂而形成。本发明还涉及一种土壤中的用于风轮机塔架(20)的基座(1)、一种包括这种基座(1)的风轮机、以及这种基座(1)在风轮机中的应用。
文档编号E02D27/42GK101748737SQ20091022655
公开日2010年6月23日 申请日期2009年11月25日 优先权日2008年12月1日
发明者J·克里斯滕森 申请人:维斯塔斯风力系统集团公司