专利名称：风力涡轮机组件塔及其构造方法
技术领域：
本发明涉及一种风力涡轮机组件，并且更特别是涉及一种用于支承风力涡轮机组件的塔。
背景技术：
近年来，风力涡轮机作为环保和相对廉价的可选择能源而受到日益增加的关注。随着这种日益增长的关注，已经作出很大的努力，来开发可靠和有效的风力涡轮机发电机。
通常，风力涡轮机发电机包括具有多个叶片的转子。转子安装在壳体或机舱上，壳体定位在桁架或管状塔的顶部上。公用级别风力涡轮机发电机(即设计成为公用电网提供电能的风力涡轮机发电机)可具有大的转子(例如30m或更大的直径)。这些转子上的叶片将风能转换成驱动转动连接到转子上的一个或多个发电机的转动扭矩或力。
许多传统风力涡轮机组件包括由通常称为“单柱”的单个管状构造形成的塔。传统的单柱在本领域中用来为转子叶片提供足够的间隙，以便自由转动，而没有与塔结构不希望地接触。另外，这种单柱需要具有足够的高度，以有助于控制风能。因此，传统单柱通常由例如钢的沉重材料制造，该材料具有足够的厚度和/或足够的直径，以便支承与风力涡轮机组件相关的承载负载和/或力。这种常规制造需要许多小时的制造以及大量材料。
另外，由于道路运输障碍，例如在道路表面之上以大约14英尺距离横跨高速公路的桥梁，单柱的直径局限于大约14英尺或168英寸(4300mm)。
发明内容
在一个方面，本发明提供用于构造塔的方法，塔沿着由塔限定的纵向轴线具有一定长度。该方法包括组装包括三个腿部的第一塔区段。每个第一腿部沿着第一腿部的长度偏离纵向轴线。组装第二塔区段。第二塔区段包括三个第二腿部，每个腿部大致平行于纵向轴线延伸，并且至少部分限定通过第二塔区段的通道。第二塔区段连接到第一塔区段上。
在另一方面中，提供一种塔。该塔包括沿着塔的长度限定的纵向轴线。第一塔区段包括三个第一腿部。每个第一腿部沿着第一腿部的长度偏离纵向轴线。至少一个支承构件连接相邻的第一腿部。第二塔区段连接到第一塔区段上。第二塔区段包括三个腿部。每个第二腿部大致平行于纵向轴线延伸。穿过第二塔区段限定通道。
在另一方面中，本发明提供一种风力涡轮机组件。风力涡轮机组件包括塔，塔沿着由塔限定的纵向轴线具有一定长度。下部塔区段包括三个腿部。每个腿部沿着下部塔区段的长度偏离纵向轴线。至少一个支承构件连接相邻腿部。上部塔区段连接到下部塔区段上。上部塔区段包括三个腿部。每个腿部大致平行于纵向轴线延伸。通道穿过上部塔区段限定并且至少部分沿着塔的长度延伸。过渡部件连接到上部塔区段上。风力涡轮机组件还包括安装在上部塔区段上的发电机。转动轮毂可操作地连接到发电机上，并且多个转子叶片安装在轮毂上。
图1是按照本发明一个实施例的风力涡轮机组件的透视图；图2是按照本发明一个实施例的风力涡轮机组件的侧视图；图3是按照本发明一个实施例的风力涡轮机组件的透视图；以及图4是图3所示风力涡轮机组件一部分的透视图；以及图5是图3所示风力涡轮机组件一部分的透视图。
部件列表塔10、风力涡轮机组件12、基座14、底部16、风力涡轮机发电机18、机舱20、顶部22、转子24、转子叶片26、转动轮毂28、纵向轴线30、第一塔区段40、第一腿部42、上部44、下部46、梁50、突片52、开口54、第一塔分区段56、第一塔第二分区段58、第一塔分区段60、凸缘62、第二塔区段70、第二腿部72、第二塔第一分区段75、第二塔第二分区段76、第二塔第一分区段77、第二塔分区段78、上部82、下部84、剪切面板86、通道88、进出腔室90、梁92、突片94、开口96、过渡部件98、环100。
具体实施例方式
本发明提供一种如图1所示的用于支承风力涡轮机组件12的塔10以及一种用于构造塔10的方法。塔10在塔10的底部16具有基座14，基座14至少部分埋置在地面内，如图3所示。风力涡轮机发电机18安装在塔10的顶部。在一个实施例中，风力涡轮机发电机18包括容纳发电机(图1中未示出)的机舱20。机舱20安装在塔10的顶部22上。风力涡轮机发电机18还包括具有连接在转动轮毂26上的多个转子叶片26的转子24，结合本发明使用的转子叶片26的数量没有特定限制。
进一步参考图2，塔10沿着塔的长度限定纵向轴线30。在一个实施例中，塔10包括至少一个第一或下部塔区段40，该区段包括三个第一腿部42。在此实施例中，第一腿部42大致是直的。在可选择实施例中，每个第一腿部42的至少一部分具有弧形形状。第一腿部42由钢材料制成，并且例如通过轧制管材形成大致管状构造，管材具有大于大约5英尺的直径。作为选择，第一腿部42由多个钢板制成，钢板例如使用冷或热弯曲工艺折叠，并且焊接在一起，以便形成具有多边形截面面积的管材。多边形管材可具有任何适当数量的侧面，例如3个侧面到24个侧面。在可选择的实施例中，第一腿部42由适当的材料制成，该材料包括但不局限于适当的金属、合金和/或合成材料。
不同于传统的塔，在一个实施例中，塔10由各自具有三个腿部的多个塔区段构成。三个腿部的构造有助于使用较少的材料和/或较轻的材料来制造腿部和/或其它塔区段的部件。因此，每个腿部的尺寸和/或重量以及塔10的总体尺寸和/或重量机减小。在特定实施例中，塔10的重量至少比具有相同高度的传统单柱塔轻25％。在可选择实施例中，塔10的每个塔区段包括任何适当数量的腿部，例如两个腿部或四个或更多的腿部。
每个第一腿部42沿着第一腿部42的长度偏离纵向轴线30，以便形成渐缩的第一塔区段40。因此，从第一腿部42的上部到纵向轴线30的水平距离小于从第一腿部42的下部42到纵向轴线30的距离。渐缩的第一塔区段40和/或偏离的第一腿部42有助于减小经由第一腿部42施加在基座14上的风力涡轮机组件12的负载。在一个实施例中，例如至少一个梁50的至少一个结构支承构件连接相邻的第一腿部42，如图1所示。梁50由任何适当材料制成，并且具有任何适当的截面形状，例如参考第一腿部42描述那样。在一个实施例中，至少一个突片52连接到第一腿部42上，例如将突片52焊接到第一腿部42上。梁50与形成在梁50内的相应开口54配合地接合，以便将梁50连接到每个相邻第一腿部42上。
在一个实施例中，第一塔区段40包括多个第一塔分区段，例如56、58和60，如图1所示。进一步参考图1和2，第一塔分区段56、58和60连接在一起，使得相邻第一塔分区段的每个第一腿部42线性对准。在一个实施例中，外部凸缘62将第一区段第一分区段56的每个第一腿部42连接到第一塔第二分区段58的相应第一腿部42上。在特定实施例中，凸缘62具有与第一腿部42的外表面相对应的弧形形状。第一塔第二分区段58的上部连接到第一塔第一分区段56的底部上。第一塔第二分区段58包括三个第一腿部42。每个第一腿部42与第一塔第一分区段56的第一腿部4 2线性对准。在可选择实施例中，第一腿部42外部或内部的任何适当连接器可用来连接第一塔分区段56、58和60。
如图1和2所示，塔10包括至少一个第二或上部塔区段70，该区段包括三个第二腿部72。第二塔区段70连接到第一塔区段40上。如图1和2所示，风力涡轮机组件12包括多个连接的第一塔分区段56、58、60和连接到第一塔第一分区段56上的多个连接的第二塔分区段75、76、77、78。
在一个实施例中，第二腿部72由钢材料制成，并且形成具有不大于大约5英尺直径的大致管状构造。作为选择，第二腿部72由多个钢板制成，钢板例如使用冷或热弯曲工艺折叠，并且焊接在一起，以便形成具有多边形截面面积的管材。多边形管材可具有任何适当数量的侧面，例如3个侧面到24个侧面。在可选择的实施例中，第二腿部72由适当的材料制成，该材料包括但不局限于适当的金属、合金和/或合成材料。
每个第二腿部72沿着第二腿部72的长度大致平行于纵向轴线30，以便在第二塔区段70和转子叶片26之间提供足够的间隙，使得转子叶片26自由，而没有与塔10不希望地接触。因此，从第二腿部72的上部82到纵向轴线30的水平距离大致等于从第二腿部72的下部84到纵向轴线30的水平距离。在一个实施例中，剪切面板86定位在相邻第二腿部72之间，并且使其连接，如图3-5所示，以便增加上部塔区段70和塔10的扭转刚度。使用例如螺栓、螺钉和/或至少一个焊点的适当的连接器，剪切面板86连接到相邻第二腿部72上。在特定实施例中，剪切面板86具有大约3/8英寸(大约9.525mm)的厚度。另外，剪切面板86具有大约5英尺(大约1.524m)的大致垂直于纵向轴线30延伸的宽度以及大约20英尺(大约6.096m)的沿着纵向轴线30延伸的长度。在可选择实施例中，至少一个支承杆(未示出)大致水平定位，以便强化剪切面板86。
参考图3和5，在一个实施例中，每个剪切面板86至少部分沿着第二塔区段70延伸。多个剪切面板86连接相邻的第二腿部72，并且至少部分限定具有大致三角形截面面积的通道88。通道88容纳电线和/或风力涡轮机组件的部件，这些部件将风力涡轮机组件12和/或风力涡轮机发电机18可操作地连接到公用电网上，例如提供电能到公用电网。在此实施例中，通道88大致通过剪切面板86包围，以有助于保护所容纳的电线和/或风力涡轮机组件部件，不使其受到环境影响。另外，通道88提供沿着塔10的长度的至少一部分经由塔10的中央部分到风力涡轮机组件12的进出通道，以有助于塔10和/或风力涡轮机组件12的维护和/或修理。在一个实施例中，进出腔室90定位在基座12上，并且连接到剪切面板86上，以便可以提供从进出腔室90到通道88的进出通道，从而进一步有助于塔10和/或风力涡轮机组件12的维护和/或修理。
在可选择实施例中，例如类似于和等同于梁50的至少一个梁92的至少一个结构支承构件连接相邻的第一腿部72。如图1和2所示，多个梁92和连接的第二腿部72至少部分限定通道88。梁92由任何适当材料制成，并且具有任何适当的截面形状，例如参考第二腿部72描述那样。在一个实施例中，至少一个突片94连接到第二腿部72上，例如将突片94焊接到第二腿部72上。突片94与形成在梁92内的相应开口96配合地接合，以便将梁92连接到第二腿部72上。
在一个实施例中，第二塔区段70包括多个第二塔分区段，例如分区段75、76、77、78，如图1和2所示。第二塔分区段75、76、77、78连接在一起，使得所连接的第二塔区段75、76、77、78的每个第二腿部72线性对准。例如，第二塔第二分区段76的底部安装在第二塔第一分区段75的顶部上，并且第二塔第二分区段76的每个第二腿部72与第二塔第一分区段75的相应第二腿部72线性对准。在一个实施例中，外部凸缘97将第二塔第一分区段75的每个第二腿部72连接到第二塔第二分区段76的相应第二腿部72上。在可选择实施例中，第二塔分区段75、76、77和/或78外部或内部的任何适当连接器可用来将第二塔分区段连接在一起。
过渡部件98安装在第二塔分区段78的顶部上，如图2所示。过渡部件98有助于将风力涡轮机组件12连接到塔10上。在可选择实施例中，过渡部件98包括在塔10的顶部22处围绕第二腿部72定位的环100，如图3和4所示。
在一个实施例中，用于构造塔10的方法包括组装包括三个第一腿部42的至少一个第一或下部塔区段40。每个第一腿部42构造成沿着第一腿部42的长度(例如从第一腿部42的第一端部到第二端部)偏离纵向轴线30。每个第一腿部42由钢材料制成，并且形成大致管状构造，例如通过轧制管材形成。作为选择，每个第一腿部由折叠板制管材制成。折叠板制管材由至少一个折叠板构成，例如两个折叠板，板折叠并弯曲以便形成具有多边形截面面积的管材。板使用适当弯曲工艺弯曲，例如冷或热弯曲。可以使用本领域公知的任何适当的折叠或弯曲工艺来弯曲至少一个板。使用适当的焊接将弯曲的板纵向焊接在一起，例如对焊或凹槽焊，以便形成折叠板制管材。
在一个实施例中，至少一个梁50连接在相邻第一腿部42之间，以便为第一塔区段40提供结构支承。例如，一个梁50可连接在相邻第一腿部42之间，如图2所示，或者两个梁50可连接在相邻第一腿部42之间，如图1所示。在可选择实施例中，任何数量的梁50连接在相邻的第一腿部42之间，以便为第一塔区段40提供足够的支承。在特定实施例中，每个梁50在梁50的每个相对端部处形成开口54。突片52于开口54配合地接合，以便连接相邻的第一腿部42。在可选择实施例中，多个突片52形成第一腿部42上，或与其形成整体。
在一个实施例中，塔10包括连接在一起的多个第一塔分区段56、58和60，使得相邻的第一塔分区段56、58、60的每个第一腿部42线性对准。在一个实施例中，凸缘62将第一塔第一分区段56的每个第一腿部42连接到第一塔第二分区段58的相应第一腿部42上。在可选择实施例中，任何适当的连接器可用来连接第一塔分区段。
组装包括三个第二腿部72的至少一个第二或上部塔区段70。每个第二腿部72构造成大致平行于纵向轴线30延伸。在一个实施例中，每个第二腿部72由钢材料支承，并且形成大致管状构造，例如通过形成轧制管材。作为选择，每个第二腿部72由折叠板制管材支承，如参考第一腿部42描述那样。本领域普通技术人员将理解到，并且通过这里的教导得出，第二塔区段70可在第一塔区段40组装之前、期间或之后组装。
在一个实施例中，剪切面板86连接在相邻第二腿部72之间，如图3-5所示，以便为第二塔区段70和塔10提供扭转刚度。如图4所示，剪切面板86至少部分限定沿着第二塔区段70的长度延伸的通道88。在可选择的实施例中，至少一个梁92连接在相邻第二腿部72之间，以便为第二塔区段70提供结构支承。例如，一个梁92可连接在相邻第二腿部72之间，如图2所示，或者两个梁92可连接在相邻第二腿部72之间，如图1所示。
进一步参考图1和2，在一个实施例中，塔10包括连接在一起的多个第二塔分区段，使得相邻第二塔分区段的每个第二腿部72线性对准。例如，第二塔第二分区段76的底部安装在第二塔第一分区段75的顶部上，并且第二塔第二分区段76的每个第二腿部72与第二塔第一分区段75的相应第二腿部72线性对准。在一个实施例中，凸缘97将第二塔第一分区段75的每个第二腿部72连接到第二塔第二分区段76的相应第二腿部72上。在可选择实施例中，任何适当的连接器连接相邻的第二塔分区段。
第二塔区段70接着连接到第一塔区段40上。在一个实施例中，凸缘62和/或97将每个第一腿部42连接到相应的第二腿部72上，以便将第一腿部42连接到第二腿部72上。在可选择实施例中，任何适当连接器将第一塔区段40连接到第二塔区段70上。另外，第一塔分区段和/或第二塔分区段可通过任何适当的连接器连接在一起。
所述的塔和构成塔的方法有助于优化风力涡轮机组件的构造。更特别是，塔和构造塔的方法提供用于优化表面宽度、腿部直径、腿部材料厚度和/或梁尺寸的参数。这种优化提供具有小于传统塔的重量的至少大约25％的重量的塔。
以上详细描述了塔和构成塔的方法的示例性实施例。塔和方法不局限于这里描述的特定实施例，相反，塔的元件或部件和/或方法步骤可独立地或与这里的描述的那些分开使用。另外，所描述的塔元件或部件和/或方法步骤还可限定在其它塔和/或构造塔的方法中，或者与其结合使用，并且不局限于这里描述的实例。
虽然描述了多种特定实施例，本领域普通技术人员将理解到本发明可以通过权利要求的范围和精神内的变型来实施。
权利要求
1.一种用于风力涡轮机组件(12)的塔(10)，所述塔包括沿着所述塔的长度限定的纵向轴线(30)；包括三个第一腿部(42)的第一塔区段(40)，所述三个第一腿部的每个第一腿部沿着所述第一腿部的长度偏离所述纵向轴线，并且至少一个支承构件连接所述三个第一腿部的相邻的第一腿部；连接到所述第一塔区段上的第二塔区段(70)，所述第二塔区段包括三个第二腿部(72)，所述三个第二腿部的每个第二腿部大致平行于所述纵向轴线延伸；以及穿过所述第二塔区段限定的通道(88)。
2.如权利要求1所述的塔(10)，其特征在于，还包括连接所述三个第二腿部(72)的相邻第二腿部的至少一个支承构件，每个相邻第二腿部具有定位在形成在所述至少一个构件内的相应开口(54)内的突片(94)。
3.如权利要求1所述的塔(10)，其特征在于，所述第一塔区段(40)包括第一塔第一分区段(56)和第一塔第二分区段(58)，所述第一塔第二分区段的顶部(44)连接到所述第一塔第一分区段的底部(46)上，所述第一塔第二分区段包括三个第一腿部(42)，所述三个第一腿部的每个第一腿部与所述第一塔第一分区段的相应第一腿部线性对准。
4.如权利要求3所述的塔(10)，其特征在于，还包括凸缘(97)，该凸缘将所述第一塔第一分区段(56)的每个第一腿部(42)和所述第一塔第二分区段(58)的相应第一腿部连接。
5.如权利要求1所述的塔(10)，其特征在于，所述第二塔区段(70)包括第二塔第一分区段(75)和第二塔第二分区段(76)，所述第二塔第一分区段的顶部(82)连接到所述第二塔第二分区段的底部(84)上，所述第二塔第二分区段包括三个第二腿部(72)，所述三个第二腿部的每个第二腿部与所述第二塔第一分区段的相应第二腿部线性对准。
6.如权利要求5所述的塔(10)，其特征在于，还包括凸缘(97)，该凸缘将所述第二塔第一分区段(75)的每个第二腿部(72)和所述第二塔第二分区段(76)的相应第二腿部连接。
7.如权利要求1所述的塔(10)，其特征在于，还包括安装在所述第二塔区段(70)的顶部(82)上的过渡部件(98)。
8.如权利要求1所述的塔(10)，其特征在于，还包括多个剪切面板(86)，所述多个剪切面板的每个剪切面板连接在相邻第二腿部(72)之间，并且部分限定所述通道(88)。
9.一种风力涡轮机组件(12)，包括塔(10)，塔沿着所述塔限定的纵向轴线(30)具有一定长度；包括三个腿部(42)的下部塔区段(40)，所述三个腿部的每个腿部沿着所述下部塔区段的长度偏离所述纵向轴线，并且至少一个支承构件连接所述三个腿部的相邻的腿部；连接到所述下部塔区段上的上部塔区段(70)，所述上部塔区段包括三个腿部(72)，所述三个腿部的每个腿部大致平行于所述纵向轴线延伸；以及穿过所述上部塔区段限定并且至少部分沿着所述长度延伸的通道(88)，所述通道提供到所述风力涡轮机组件的进出通道；连接到所述上部塔区段上的过渡部件(98)；安装在所述过渡部件上的发电机(18)；可操作地连接到所述发电机上的转动轮毂(28)；以及安装在所述轮毂上的多个转子叶片(26)。
10.如权利要求9所述的风力涡轮机组件(12)，其特征在于，所述通道(88)容纳电线以及将所述发电机(18)可操作地连接到公用电网上的风力涡轮机组件部件中的至少一种。
全文摘要
一种构造塔(10)的方法，塔沿着由塔限定的纵向轴线(30)具有一定长度，该方法包括组装包括三个第一腿部(42)的第一塔区段(40)。每个第一腿部沿着第一腿部的长度偏离纵向轴线。组装第二塔区段(70)。第二塔区段包括三个第二腿部(72)，每个第二腿部大致平行于所述纵向轴线延伸。三个第二腿部至少部分限定穿过第二塔区段的通道(88)。第二塔区段连接到第一塔区段上。
文档编号F03D11/04GK101016887SQ20061011495
公开日2007年8月15日 申请日期2006年8月14日 优先权日2005年10月13日
发明者F·阿尔塞纳 申请人:通用电气公司