专利名称：打入支承离岸风涡轮的单柱桩的系统和方法
技术领域：
本发明总的涉及风涡轮，特别涉及将风涡轮上层结构安装到在离岸位置的桩基或地下结构上的系统和方法。本技术的具体实施例提供用以打入适于在离岸位置上支承风涡轮的带凸缘的桩(或沉箱)的构造、设计和方法。
背景技术：
风涡轮一般被认为对环境安全和理想的可再生的能源。概括地说，风涡轮利用风的动能并将这个动能转变为电能。这样可在实际上零排放的情况下产生电力，这点不同于现有的用天然气或煤燃烧的发电技术。为了发电效能最大化和简化与电网的连接，通常将好多个风涡轮设置在互相靠近的地方，这个地方在业内一般被称为“风力农场”。最好，风力农场被设置在具有较强风力的区域内，例如在离岸的位置上。
建立在竞争力的离岸风力农场的重要判断条件包括为风涡轮研发费用低廉的基础。通常的做法，在离岸位置上风涡轮的基础结构具有一个单柱桩。传统的单柱桩一般具有一个长圆筒的沉箱，该沉箱的数个部分在岸上被装配，然后在该涡轮离岸的位置上被打入到所需的穿透深度。使用该单柱桩作为基础结构是有利的，一个理由是因为，同一个起重设备既可用来打入大的单柱桩，又可用来安装风涡轮，这样装配线的操作型式可简化到只包括较少的标准化的操作。通常这些重型起重设备是由生产商租赁来的，减少这些重型起重设备的使用时间可为生产商减少总体费用。
在某些离岸装置中，单柱桩设有连结在其顶上面其有带凸缘结构的过渡件。该过渡件设有一个配合面，风涡轮塔可用螺栓固紧在其上。该过渡件还可补救打入单柱桩的过分倾侧(上层结构的倾侧一般以小于0.5度为宜)。要使风涡轮的离岸安装费用低廉，最好在将单柱桩打入后立即将风涡轮塔装在该单柱桩上。遗憾的是，过去将该过渡件安装到该单柱桩上的方法包括用水泥浆填塞，用型铁冷挤压，或就地焊接，由于硬化或安装等原因，一般需要相当多的时间。那就是说，所有这些传统过程都比较费钱而且费时，导致租来的重型起重设备有相当多的时间空闲着。另外，用水泥浆填塞包括在过渡件和沉箱之间有大表面的重叠(有时重叠部高达12-15米)，由于过渡件的大小增加，导致钢材的消耗增大。
上述问题的一种可能的解决方法是将顶部焊有带凸缘结构的单柱桩打入。但在用液压锤打入单柱桩时，巨大的加速在单柱桩内造成的应力可能会使凸缘表面产生大的变形。这个变形可能大到超过凸缘表面所能接受的公差。随着加速的反复进行，疲劳损坏也会积聚起来，这会有害地影响基础系统的寿命。
因此，在离岸位置安装风涡轮的基础结构需要有一个费用低廉的方法。
本发明概述本技术为在离岸位置安装风涡轮提供一个新颖而费用低廉的系统和方法。简要地说，按照一个观点所提供的安装风涡轮的方法包括将一圆筒形的单柱桩或地下结构打入到土壤内。该单柱桩包括一个被结构用来支承风涡轮塔或上层结构的凸缘部。该凸缘部从该单柱桩的周面沿径向延伸。本方法还包括将风涡轮塔直接安装在单柱桩上，其中该风涡轮由该单柱桩的凸缘部支承。
为了实现这种安装，这里提供多种示范的单柱桩和单柱桩系统。例如按照一个实施例，单柱桩在其两端中间的一个点上设有从内及/或外周面沿径向延伸的凸缘部。
按照另一个实施例，对位在单柱桩一端的凸缘使用保护垫片。另外，按照还有另一个实施例，所提供的单柱桩具有打入和塔的安装专用的凸缘。当然，上述只是些例子，其中有一些将在下面进一步详述。确实，上述这些实施例并不是止此而已。
附图简述本发明的上述这些和其他一些特点、观点和优点在结合附图阅读下面的详细的说明后将会更好地被了解。在这些图中，相同的字符代表相同的部分，其中
图1为按照本技术的观点的离岸风涡轮系统的图示；图2为一剖视图示出按照本技术一个实施例的带凸缘的单柱桩和砧台；
图3为一剖视图示出按照本技术观点的柱桩中间向外的凸缘结构的半部；图4为一剖视图示出按照本技术观点的柱桩中间向内的凸缘结构的半部；图5为一剖视图示出按照本技术观点的两件的柱桩中间的凸缘结构的半部；图6为一剖视图示出按照本技术观点的平衡的柱桩中间的凸缘结构的半部；图7为一剖视图示出按照本技术观点的柱桩顶部使用第二凸缘的凸缘结构的半部；图8为一剖视图示出按照本技术观点的柱桩顶部使用保护垫片的凸缘结构的半部；图9为凸缘动态应力集中因数(SCF)附着花链渐开线形曲面的高度和宽度而变化的范例；图10为一示范表，该表示出在打入一个典型的离岸风涡轮的基础单柱桩时要使锤击在该单柱桩内造成给定的应力水平时所需的锤击次数。
图11为一剖视图示出按照本技术观点的具有用螺栓固紧在凸缘部上的可处置垫片的带凸缘的单柱桩的半部；图12为一剖视图示出按照本技术观点的具有适宜增强凸缘部的角撑板的、带凸缘的单柱桩的半部；图13和14均为一剖视图示出按照本技术观点的具有一个角撑板系统和一个锤击界面环以便打击在该角撑板系统上的带凸缘的单柱桩的半部；图15为一剖视图示出按照本技术观点的具有一个环状的角撑板和一个锤击界面环以便打击在该角撑板上的带凸缘的单柱桩的半部；图16为一剖视图示出按照本技术观点的具有内、外角撑板以便打击在该单柱桩的内侧和外侧的带凸缘的单柱桩的半部；图17为一剖视图示出按照本技术观点的具有局部加厚壁以便打击在该单柱桩的内侧和外侧的带凸缘的单柱桩的半部；图18为一剖视图示出按照本技术观点的具有改进支承表面的带凸缘的单柱桩；及图19为一流程图示出按照本技术观点的安装离岸风涡轮的一个示范的方法。
优选实施例详细说明如同下面要详述的那样，本技术的实施例能使一个上层结构如风涡轮塔在离岸场地安装好单柱桩以后立即直接安装到该单柱桩上。按照本技术的观点，风涡轮的基础结构包括一个预先制有凸缘的单柱桩。本技术的具体实施例的功能为使一带凸缘的单柱桩容易打入到土壤内，其时该单柱桩的凸缘部不受打击载荷的冲击影响并被结构用来支承上层结构如风涡轮塔。下面结合图1-12将详述本技术的示范实施例。应该注意到下面的描述只是说明示范的实施例，所附权利要求并不限于这里说明的这些实施例。
参阅附图，图1示出一个按照本技术一个实施例的、离岸风涡轮系统10。该风涡轮系统10包括一个具有转子14的风涡轮发电机12，该转子14上有多个叶片16。风涡轮发电机12的各种电气和机械构件都被容纳在一个舱18内。该转子14和该舱18都被装在风涡轮塔20的顶上而将叶片16暴露在风中。该叶片16使风的动能容易转变成轴的旋转运动从而驱动一个发电机(未示出)来产生电力。除了还有别的以外，这些构件代表该风涡轮的上层结构。
该塔20、该舱18和该转子14(即该上层结构)被装在基础或地下结构22上。在所示的实施例中，该基础结构或地下结构22包括单柱桩或沉箱24，该塔或该上层结构被装在其上。该单柱桩24一般为一圆筒从该塔20的基底或底板26延伸到水平线28下的一个深度d1。在所示实施例中，该单柱桩被打入到海床土壤内土表面30之下的一个深度d2，该土表面30也被称为泥平线。这种结构被典型地用在传统的(未增强的、未拉索的)单柱桩上，但下面实施例中所说预先制有凸缘的柱桩还可用在其他结构如三脚架状的基底组合件上。
按照下面示出的本技术的各种实施例，单柱桩24都设有凸缘部以便将上层结构直接装到单柱桩24上或装到地下结构上，这样来避免需要用水泥浆填塞过渡件(一般由钢制成)，这种填塞是过去通常做的。有利点例如，本技术可显著减少所租重型起重设备的窝工时间，并且在材料(钢材)费用上也是所费不多的。
图2为一剖视图示出按照本技术观点的一个具有凸缘部36的示范的单柱桩或沉箱24。如上所述，该示范单柱桩24为一圆筒形桩，一般由钢制成。在所示实施例中，该凸缘部36从单柱桩24的外表面38沿径向向外延伸。如所示出，该凸缘部36位在轴向上该单柱桩端头的内侧，下面还将论述。在后面被说明的另一个实施例中，该凸缘部可包括一个从该单板桩24的周边内表面40沿径向向内延伸的环状表面。在将单柱桩24打入到土壤内的过程中，有一砧台42位在该单柱桩顶端44之上。在该示范实施例中，该砧台42是由MENCK公司制造，具有一个空心的圆锥形内截面。这种砧台是本行业的行家所欣赏的，有关该砧台的信息可向德国Kaltenkirchen的MENCK公司索取。该单柱桩通过一个锤，通常为液压锤，被打入到土壤内。该示范砧台42的底部有一比锤46的直径大的直径，其作用为将锤打击的冲击力均匀地分布到该单柱桩24上。在本说明中，“打击”被定义为截荷从锤46到砧台42的转移。在一“打击”中，该锤46可被一个动力单元(未示出)供应给该锤46的压力液的压力提升。当该液压被拿掉时，该锤46下降，在该砧台42上产生一个向下的冲击。在某些实施例中，还用液压(这时作用在相反的方向上)将增添的力添加到向下的冲击上以增加该锤46的加速，按照本技术的观点，该凸缘部36被这样结构使在将该单柱桩24打入到土壤内时凸缘的损坏为最小。例如按照本技术的一个观点，该凸缘部36被定位在离开该单柱桩顶端44的距离为t之处，这样该凸缘部36可最小地受到施加在该单柱桩上打击载荷的冲击影向。另外，凸缘损坏可被减少，办法是适当地设计凸缘，减少动态的应力集中，使锤击系统能在该单柱桩内造成正常的应力水平，而不会在凸缘内造成不能接受的高应力水平。例如在该凸缘和该柱桩其余部分之间的连接表面可被制成弧形以便更好地分散由陡峭的角落造成的应力集中。有利的做法是使锤的冲击由该单柱桩的未被利用的部分50承担，这样该凸缘部上表面的表面光洁度就被保持，以便将该风涡轮的上层结构装在该单柱桩24上，也就是装在地下结构上。本技术的各种实施例的凸缘部相对于砧台具有不同的结构和定位，都是要使锤的能量被传递到单柱桩上时不损坏凸缘。下面将论述几个示范的实施例。
按照本技术的技术，根据该凸缘的结构，带凸缘的单柱桩可包括沿径向向内的凸缘结构、沿径向向外的凸缘结构，或平衡的凸缘结构(即具有沿径向向内和向外两种凸缘部)。另外，根据凸缘部在单柱桩长度上的定位，带凸缘的单柱桩可具有柱桩中间的凸缘结构或顶部的凸缘结构。
图3示出的单柱桩52具有一个从其外表面56沿径向离开中心线55向外延伸的凸缘部54。图中所示是该单柱桩52在中心线55一侧的半部。如图所示，该凸缘部54位在离开该单柱桩52顶端58的地方，在该顶部58设有砧台60用来将锤击能量传递给该单柱桩52。这种结构也被称为桩中间的凸缘结构。在该顶端58和该凸缘部54位置之间的距离t被适当地选定使锤击能量在被传递给该单柱桩时不会明显地损坏该凸缘部54。这样该凸缘部54上表面62的表面质量便可保持，从而上层结构如风涡轮塔能被安装在该凸缘部54上，并且这是在将该单柱桩52或该地下结构被打入到土壤内到达所需深度之后。这种向外的凸缘结构的有利点是在安装和维护时便于将上层结构相对于地下结构简单地安装或拆卸。
图4示出的单柱桩半部64具有一个从其内表面68沿径向向内向中心线67延伸的凸缘部66。如同上一实施例，该单柱桩64具有一个桩中间的凸缘结构，其中该凸缘部66位在离开该单柱桩64顶端70的距离为t的地方，这样来减少锤击能量被砧台72传递时对该凸缘部66的损害。一旦被打入，该单柱桩64或地下结构立即可以在该凸缘部66的沿径向向内延伸的环状表面74上支承上层结构。该凸缘部66沿径向向内的结构有效地减少凸缘的腐蚀，因此上表面74的表面质量得以保持。
除了单件的桩中间凸缘以外，桩中间凸缘可被制成两件。图5示出由两个分开的带凸缘的桩78和80构成的单柱桩76的半部。该底部78包括一个在其顶端的凸缘表面82，而该顶部80有一凸缘表面84在其底端与凸缘表面82相接构成一个单独的凸缘。在该桩的被打入过程中，有一砧台86被放置在该顶部80之上，而该底部78由于该顶部80所传给的锤击能量被打入到土壤内。在该打击过程完成后，该顶部80包括该凸缘表面84被撤走，而上层结构随后被装到在锤击时受到保护的凸缘表面82和地下结构上。另外，为了减少载荷的应力，单柱桩和地下结构可包括增强的角撑板，而该凸缘可具有结构的特性来减少应力。
在某些用途中，由于凸缘或是朝向或是离开桩的中心延伸造成的在惯性上的缺乏平衡，动态的弯曲应力因而可被增加。在这种情况下将凸缘设计或以平衡的方式同时向桩的内侧和外侧延伸可能是有效的。图6示出一个具有平衡的桩中间凸缘结构的单柱桩88的半部。该桩包括从其内周面92沿径向向内延伸的第一凸缘部90和从其外周面96沿径向向外延伸的第二凸缘部94。上述结构有效地使由砧台98传给该单柱桩88的惯性载荷容易平衡。这个平衡的结构也可包括由两个分开的件来构成凸缘，其中上部被用作牺牲部。
按照本技术的观点，对于桩中间的凸缘结构，凸缘和其周围部都被合适地成形借以减少应力集中并使该桩的打入脉动以最小的应力集中来通过该凸缘区域。
在某些实施例中，该凸缘部可被设置在该单柱桩的顶上(柱桩顶上的凸缘结构)。图7示出一个具有顶凸缘部102(主凸缘)的单柱桩100，该主凸缘102从该单柱桩100的外周表面104沿径向向外延伸，用来支承上层结构。该单柱桩100还包括一个沿径向向内延伸的第二凸缘部106，该第二凸缘部106位在该主凸缘102之下，使在打入柱桩时，由砧台108传递的锤能的冲击由该第二凸缘106承受，只有很小的冲击施加在主凸缘108上。该第二凸缘被合适地设计用来承受打击载荷，而该主凸缘102被合适地设计用来承受整个风涡轮系统特别是上层结构的设计载荷。
图8示出按照本技术观点的柱桩顶凸缘结构的另一个实施例。如同在该半部的图中所示，单柱桩110在或靠近其顶端114的地方包括一个沿径向向内延伸的凸缘表面112。该凸缘表面112适宜支承上层结构。在本实施例中，由于在该凸缘表面112和砧台120的底表面118之间使用保护的和可处置的金属垫片116，可避免对凸缘表面112的损害。要使该垫片116的性能与砧台120配合，在应力渡的传播方面成为阻抗来减少打击能量的损失。此外，该金属垫片116的屈伏应力被选定为比该砧台120或该凸缘112的材料的屈伏应力小。这一点导致塑性变表会在垫片116内而不是在凸缘112或砧台120内发生。这个保护垫片的示范材料当为铜，因为它比钢软但有基本相仿的动力阻抗。但其他材料如铝、低强度的普通碳钢或其组合也可用来制造垫片116。
在凸缘112和单柱桩110的交接处122的应力集中在该处采用花键渐开线形的曲率(由RS表示)或其他优化的几何形状后可被减少。图9用图示出在该交接处122，凸缘的动态应力集中因数(DSCF)随着花链渐开线形曲面的高度和宽度而变的范例。凸缘的应力集中因数是将凸缘应力峰值除以由打击载荷在初始脉动中产生的单柱桩应力峰值。图10为一示范表，该表示出在打入一个典型的离岸风涡轮的基础单柱桩时要使锤击在该单柱桩内造成给定的应力水平所需的锤击次数。给出凸缘的DSCF，在该凸缘内的应力峰值就可由DSCF乘上柱桩应力峰值得出。利用这个凸缘应力和这样估计的周期(打击次数)，就能估计出在打入柱桩112时凸缘疲劳使用率。按照本技术的观点，这个可处置的垫片可牢固地被固定在凸缘部上，例如在打入该单柱桩之前用螺栓把它固定在凸缘部上。图11示出一个具有可处置垫片126的单柱桩124的半部，该垫片126用螺栓固紧在预先焊好的凸缘部128上。在打入该单柱桩时，所示结构就这样保护该凸缘部128的顶表面，同时限制该垫片126的相对运动，并防止该可处置垫片126由于锤击而作位移振动。另外，气密的平台130可被安装在一预先焊好的连续的环132上以资防止空气交换而限制在该柱桩内的腐蚀。
在某些实施例中，可使用如图12所示的焊接的角撑板来增强凸缘部的刚度。在这实施例中，沿着单柱桩138的内表面136并与单柱桩的凸缘部140邻接设有一个或多个角撑板。在打入单柱桩138时，有一砧台144位在凸缘部140之上，将冲击载荷从锤143通过垫枕142传递到该单柱桩138上，该垫片142可被用来调节冲击力并保护该凸缘。该角撑板适宜将所需的刚度提供给凸缘部140使它承受砧台144的冲击载荷而很少变形。
在另外一些实施例中，锤的冲击载荷可由角撑板而不是由凸缘部来承受。图13-17示出完成同一件事的示范结构。在图13中，一个或多个角撑板146被设在一个单柱桩148内。在该角撑板146上设有一个环状的锤击界面环150，由它将锤击载荷从砧台152传递到角撑板146上。在图14中，不是用环状的锤击界面环，而是用一个实心的锤击界面靴154来将锤击载荷传递给角撑板146。在图15中，角撑板156被结构成环，由环状斜楔形环158支承。在图16中，如角撑板160和162那样的增强件分别被设在单柱桩164的内侧和外侧。而砧台168通过垫枕166与内、外角撑板160和162都接触，这样从锤167来的冲击就由内、外角撑板160和162共同承受。在图17中，单柱桩170的壁厚在凸缘部174以下的部分172局部被增加以便支承一个可移走的凸缘件或适配器176。这个结构便于使锤击载荷施加在凸缘部的内、外两侧。在施加锤击载荷时，适配器176与砧台180下面的垫枕178接触，该垫枕178将来自锤167的载荷通过锤击界面环184传递给角撑板182，还通过局部增厚壁172传递给单柱桩170。
上述技术这样提供一个预先制有凸缘的单柱桩便于使单柱桩与上层结构如风涡轮塔立即进行机械连接。一旦上层结构被安装在带凸缘的单柱桩和地下结构上，上层结构的垂直倾侧度可能需要被校正。本行业的行家当会知道，倾侧误差的校正可用固定在凸缘上带斜度的垫圈来完成。在某些实施例中，表面适当偏离平行的摆动部可被有效地用来校正上层结构的大于0.5度的倾侧。
本技术的观点还可被用来改进单柱桩的支承表面。图18为一剖视图，该图示出一个具有按照本技术一个实施例的改进支承表面的、带凸缘的单柱桩。在该示出的实施例中，有一沿径向向内延伸的凸缘188设在单柱桩186的内表面190上位在泥平线192之下。该凸缘188的表面194提供必需的承受表面借以承受由风涡轮塔、机舱、转子和其他轴向载荷的固定重量作用在该单柱桩186上的垂直载荷。上述技术对土壤具有较大流动性的场地或用拉索固定的单柱桩基础特别有用。
图19为一流程图示出按照本技术观点的安装离岸风涡轮的方法范例196。该方法196在开始时先将一砧台定位在预制凸缘的单柱桩上所设的凸缘表面之上(方块198)。如上所述，该预制凸缘的单柱桩可具有柱桩顶的或柱桩中间的凸缘结构，并可包括向内、向外或平衡的凸缘。在某些使用柱桩顶的凸缘结构的实施例中，可将一个保护元件的可处理层设在砧台和凸缘表面之间(方块200)，在方块202，预制凸缘的单柱桩被打入到土壤内。在这将单柱桩打入到土壤内的过程中，该砧台将来自液压锤的能量传递给单柱桩。在使用可处置垫片的柱桩顶的凸缘结构中，一旦打入过程完毕，该可处置垫片就被除去(方块204)。然后包括风涡轮塔、机舱和转子的上层结构被直接装到带凸缘的单柱桩上(方块208)。在安装的同时在方块206，可对上层结构的安装作出轴向的调节来校正倾侧。在这方块206，还可包括使用带斜度的垫圈或可使用摆动部来校正大于0.5度的倾侧误差。
上面虽然只是描述了本发明的某些特点，但本行业的行家是可以作出许多修改和变化的。
因此应该知道所附权利要求书是要覆盖所有这些修改和变化的，只要它们是在本发明的实际精神之内。
权利要求
1.一种安装被构形来支承风涡轮塔(20)的风涡轮系统(10)的方法，包括如下步骤将一圆筒环形单柱桩(24)打入到海床内，该单柱桩(24)具有一个从环绕其纵轴线(55)的周面上径向延伸出来的第一凸缘部(36)，其中该凸缘部(36)被构形来支承一风涡轮塔(20)；及将该风涡轮塔(20)直接安装在该单柱桩(24)上，其中该风涡轮至少部分地由该单柱桩(24)的凸缘部(36)支承。
2.权利要求1的方法，其特征在于，还包括沿轴向对准该风涡轮塔(20)，以校正倾侧误差。
3.权利要求1的方法，其特征在于，该第一凸缘部(36)具有单柱桩(24)的一个顶表面，而打入该单柱桩(24)的步骤还包括将一个一次性使用元件(114)安置在一砧台(42)和该第一凸缘部(36)之间；驱动一液压锤(46)，在该砧台(42)上产生一个打击；从该第一凸缘部(36)上移走该可处置元件(114)。
4.权利要求3的方法，其特征在于，还包括将该可处置元件牢固地固定在该第一凸缘部(36)上以使该可处置元件(114)相对于该凸缘部(36)的相对移动减至最小。
5.一种安装离岸风涡轮系统(10)的方法，包括将一可处置元件(114)安置在一砧台(42)和一环形且大致圆筒形的单柱桩(24)的凸缘表面之间；用一锤(46)将该单柱桩(24)打入土壤内；从凸缘部(36)移走该保护元件(114)；及将风涡轮塔(20)直接安装在该单柱桩(24)上，其中该风涡轮由该单柱桩(24)的凸缘部(36)支承。
6.权利要求5的方法，其特征在于，还包括沿轴向对准该风涡轮塔(20)以校正倾侧误差。
7.权利要求5的方法，其特征在于，还包括用螺栓将该可处置元件(114)固定在该凸缘部(36)上。
8.权利要求5的方法，其特征在于，该可处置元件(114)由第一材料制成，而该砧台(42)由第二材料制成，其中该第一材料具有与该第二材料配合的阻抗。
9.权利要求5的方法，其特征在于，该可处置元件(114)具有比该凸缘部(36)和砧台(42)低的屈伏应力。
10.权利要求5的方法，其特征在于，该可处置元件(114)由铜、铝、低强度普通碳钢、或其组合制成。
全文摘要
一种安装离岸风涡轮系统(10)的方法包括将一圆筒形单柱桩(24)打入到土壤内。该单柱桩(24)包括一个结构用来支承风涡轮塔(20)的凸缘部(36)。该凸缘部(36)从该单柱桩(24)的周表面沿径向延伸。该方法还包括将风涡轮系统(20)直接安装在该单柱桩(24)上，其中该风涡轮由该单柱桩(24)的凸缘部(36)支承。
文档编号F03D11/04GK1940186SQ20061014203
公开日2007年4月4日 申请日期2006年9月30日 优先权日2005年9月30日
发明者V·S·科思努, D·D·安德森, 郑大年, M·A·阿利, K·B·勒兰德 申请人:通用电气公司