专利名称：具有张紧缆索的塔架的制作方法
技术领域：
本发明大致涉及塔架。特别地，但不限于此，本发明涉及具有张紧缆索的风力涡轮机塔架。
背景技术：
近年来，风力涡轮机作为环境安全且相对廉价的替代能源已经获得更多的注意。 随着该日益增长的兴趣，已经做出了大量的努力来开发更可靠且有效的风力涡轮机通常，风力涡轮机包括具有多个叶片的转子。转子安装在壳体或机舱中，其定位在桁架或管状塔架顶上。公用级风力涡轮机(即，设计用来向公用电网提供电力的风力涡轮机)可具有大的转子(例如，直径为30米或更多)。这些转子的叶片将风能转换成驱动一个或更多发电机的旋转扭矩或力，发电机通过齿轮箱可旋转地联接到转子上。齿轮箱为发电机增大了涡轮机转子固有的低旋转速度，以便有效地将机械能转换成馈入公用电网的电能。若干技术设备需要该设备安装到其上的塔架或桅杆。此类设备的非限制性示例是风力涡轮机、用于广播或移动通信的天线塔、用于桥梁工程的塔式建筑或电线杆。典型地， 塔架由钢制成并必须连接到由混凝土制成的基础上。在这些情况下，典型的技术方案是在塔架的底部提供大型、实心的钢筋混凝土基础。在典型的应用中，塔架基础在地平面下延伸大约12米，并且直径可为大约18米或更多。在大型公用级风力涡轮机中(例如2. 5MW或更多)常期望使塔架具有80米或更高的高度。由较大塔架提供的更高的轮毂高度使得风力涡轮机的转子能够存在更高的平均风速区域，并且这导致增加的能量生产。塔架高度上的增加总是导致塔架的质量、长度和直径上的相应增加。然而，要建造和运输大型风力涡轮机塔架变得困难，因为地方运输基础设施(例如道路、桥梁、车辆等)常对塔架部件的长度、重量和直径有限制。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种塔架。塔架包括具有多根张紧缆索的至少一个混凝土塔架段。张紧缆索构造成在混凝土塔架段上引起压缩力。张紧缆索从混凝土塔架段的外表面隔开大体一致的距离。根据本发明的另一个方面，提供了一种风力涡轮机塔架。塔架包括具有多根张紧缆索的至少一个混凝土塔架段。张紧缆索构造成在混凝土塔架段上引起压缩力。张紧缆索从混凝土塔架段的外表面隔开大体一致的距离。
图1图示了本发明的方面可应用于其上的风力涡轮机；图2图示了根据本发明的一个方面的风力涡轮机和风力涡轮机塔架的侧视图；图3图示了根据本发明的一个方面的混凝土塔架段的侧视图4图示了根据本发明的一个方面的风力涡轮机塔架的一部分的剖切透视图；图5图示了根据本发明的一个方面的风力涡轮机塔架的侧视图；图6图示了根据本发明的一个方面的在其外壁中结合凹槽的混凝土塔架段的侧视图；图7图示了根据本发明的一个方面的混凝土塔架段的顶视图；图8图示了根据本发明的一个方面的具有罩盖的混凝土塔架段的顶视图；图9图示了根据本发明的一个方面带有如图8中所示罩盖的混凝土塔架段得一部分的部分透视图。零部件列表100风力涡轮机110 塔架112上部塔架段113 凸缘120 机舱130转子轮毂140 叶片150 基础200风力涡轮机202 风向210 塔架215混凝土塔架段260 混凝土壁270锚固板280张紧缆索361混凝土塔架段362混凝土塔架段371锚固板372锚固板381张紧缆索382张紧缆索405转接段500风力涡轮机塔架615混凝土塔架段660 混凝土壁670锚固板680张紧缆索690外部凹槽 810 罩盖
具体实施例方式现在将详细参考本发明的各个方面，在图中图示了其一个或多个示例。各示例作为本发明的解释提供，而不意味着作为本发明的限制。例如，作为一个方面的部分图示或 描述的特征可用在其他方面上或结合其它方面使用，以产生又另一方面。其意图在于本发明包括此类改型和变型。图1图示了本发明的方面可有利地应用于其上的风力涡轮机。然而，应该理解的是本发明不限于或拘于风力涡轮机，而是可应用于用在其他技术领域中的塔架结构。特别是，本发明的各个方面还可应用于用在广播或无线通信中的天线塔或用在桥梁工程中的塔式建筑。因此，尽管本发明的方面将参考风力涡轮机进行例示，但本发明的范围不应限于此。图1中所示的风力涡轮机100包括在其顶端上支承机舱120的塔架110。包括转子轮毂130和转子叶片140的转子附接在机舱120的一侧上。塔架110安装在基础150上。 塔架可由轧制钢形成，并具有多个堆叠的段112 (例如，大约三个或四个主要的段)。备选地，塔架120可由桁架状结构形成且/或可具有圆柱形或锥形轮廓。典型地，塔架基础150 由钢筋混凝土的实心块制成。增加塔架高度以便捕获由于更高平均风速导致的更多的能量将会是有利的。本发明的一个方面提供了由混凝土制成的塔架或塔架段。可使用混凝土基段来升高常规的轧制钢塔架，或者整个塔架都可以由混凝土形成。混凝土限定为混凝料和黏合剂或任何合适的砖石支架的混合物。仅作为一个非限制性示例，混凝料可为沙和砾石或碎石，而黏合剂可为水和水泥。尽管混凝土在压力方面是牢固的，但是在张力方面是脆弱的。钢在张紧力下是牢固的，因此两种要件的组合导致形成非常牢固的混凝土部件。在常规钢筋混凝土中，钢的高张力强度与混凝土的大压缩强度组合，以形成在压力和张力方面都牢固的结构性材料。预应力混凝土后的原理是加载前由高强度钢筋在混凝土构件中引起的压缩应力将平衡在使用期间在构件中强加的张紧应力。压缩应力可通过预张紧或后张紧钢筋而在预应力混凝土中产生。在预张紧中，钢在放置混凝土前被拉伸。高强度钢筋或钢缆放置在两个支柱之间，并被拉伸至它们最大长度的一部分。将混凝土浇入围绕钢筋/钢缆的模具并允许其固化。一旦混凝土达到所需的强度，则释放张力。由于钢起反应以恢复其初始长度，拉伸应力被转换成混凝土中的压缩应力。在后张紧中，钢或缆索在混凝土硬化后被拉伸。混凝土被首先以期望的形状浇注。 一旦混凝土已经硬化到需要的强度，钢筋或钢缆就被抵靠单元的末端被附接或拉伸，并在外部远离锚固，将混凝土置于压缩状态。根据本发明的一方面，后张紧的混凝土用于风力涡轮机塔架或风力涡轮机塔架段。图2以部分分解视示了根据本发明的一个方面的风力涡轮机塔架。风力涡轮机200包括塔架210，塔架210包括一个或更多段112。塔架段112可由轧制钢形成。混凝土塔架段215位于塔架的底部并支撑上部段112。混凝土塔架段215包括混凝土壁260，该混凝土壁260可由一个或更多段形成，并具有锥形(如所示)或圆柱形形状。备选地，塔架段210和/或215可具有任何期望的横截面，诸如但不限于，椭圆形、矩形、多边形等。一个或更多锚固板270紧固在混凝土壁260的顶部上。锚固板270可径向向外延伸过壁260的上部外边缘。多根张紧缆索280在一端紧固到锚固板270上，且在另一端紧固到基础250 上。
张紧缆索280周向地围绕混凝土壁260定位并位于混凝土壁260外部，且定位成靠近混凝土壁260的外部或外表面且距其大体一致的距离处。用语“大体一致”可定义为具有大致相同、或具有轻微变化的距离(例如轻微的锥形)。换言之，张紧缆索280可平行于或近似平行于混凝土壁260的外表面。仅作为一个非限制性示例，张紧缆索280可从混凝土壁260的顶部部分的外表面隔开大约两英寸，而缆索280可从混凝土壁260的底部部分的外表面隔开大约六英寸。缆索280可为后张紧类型，并且它们对混凝土壁260施加压缩力。外部缆索的使用导致更大的力臂和更小的缆索力，并且最终，当与在混凝土段的内部使用缆索相比时，将需要较小的缆索。在本发明的其它方面，张紧缆索280定位成靠近混凝土壁260的外表面，但可构造成距混凝土壁260的外表面具有轻微增加或轻微减少的距离。在风力涡轮机200的运行期间，风沿由箭头202指示的方向流动。风力在风力涡轮机和塔架上产生负载。塔架的迎风侧(即，如图2中所示的塔架的左侧)将处在张力下， 而塔架的下风侧(即，如图2中所示的塔架的右侧)将处在压力下。如之前所述，混凝土在压力下表现非常好。然而，混凝土在张力下表现没有那么好。张紧缆索280帮助对抗塔架段215上风引起的张紧力。由本发明提供的一个益处是减小了塔架段215上的有效力臂。通过使张紧缆索 280定位成靠近塔架210，215的混凝土壁280的外表面并位于外表面外，减小了其有效力臂，以提供对风负载的抵抗力。此发明将缆索向外移，但紧靠塔架壁。例如，当与具有外部缆索的较大直径的塔架相比时，具有内部缆索的非常小直径的塔架将需要更厚的壁以及更粗的缆索以对抗由风施加的力。当与非常小直径的塔架相比时，较大直径的塔架可由较薄混凝土壁制成并具有较小直径的缆索。图3图示了混凝土塔架段215的侧视图。张紧缆索280在一端加接到(多个)锚固板270上，且在另一端加接到基础250上。锚固板270附接(例如通过螺栓或紧固件) 到混凝土塔架260的顶部上，且锚固板270的一部分超出混凝土塔架260的顶部的外直径而向外突出。张紧缆索280在锚固板的外悬部分处附接到锚固板270上。锚固板270可由大体覆盖混凝土壁260的顶部的多个节段(例如，三个或四个段)形成。锚固板270还可具有孔(未示出)，凸缘附接螺栓穿过孔嵌入混凝土壁260。这些可用来将混凝土壁260的上部附接到常规钢管塔架段112上。在底端处，缆索被紧固/附接到基础中。图4图示了根据本发明的一个方面的风力涡轮机塔架的一部分的部分透视图。可选的转接段405可用在混凝土塔架段260和上部塔架段112之间。在一个示例中，转接段可由混凝土和/或钢形成，而上部塔架段112可由轧制钢形成。锚固板270充当用于紧固缆索280以及上部塔架段112的凸缘113的附接点。凸缘可通过任何合适的紧固装置(例如，螺母、垫圈和螺栓系统)附接到锚固板270上。张紧缆索280还可以以相似的方式附接到锚固板上并可具有设计成接纳垫圈和螺母的螺纹端。图5图示了具有多个混凝土塔架段260、361、362的风力涡轮机塔架500的侧视图。第二混凝土塔架段361经由锚固板270或经由凸缘(未示出)附接到底部段260上。 张紧缆索381周向地围绕混凝土塔架段361的外表面放置，并附接到锚固板270和371上。第三混凝土塔架段362经由锚固板371或经由凸缘(未示出)附接到第二混凝土塔架段 361上。张紧缆索382周向地围绕混凝土塔架段362的外表面放置，并附接到锚固板371和锚固板372上。备选地，单个张紧缆索280、381、382可通过连接从基础250到顶部锚固板 372延伸的单个缆索而代替。如之前所述，上部混凝土塔架段361和362可用一个或更多钢塔架段代替。上部钢塔架段将不需要张紧缆索381和382。在本发明的另一方面，图6图示了具有外部凹槽690的混凝土塔架段61 5的侧视图，张紧缆索680可位于外部凹槽690中。此构造帮助将缆索负载的中心置于混凝土壁660 的主体中，从而确保混凝土壁660中更均勻的压缩负载。此构造还可减少混凝土壁660中张紧负载的发生。图7图示了混凝土塔架段615的上下视图。混凝土壁660和其中形成的凹槽690 用虚影显示。锚固板670可构造成从混凝土壁660的外部外悬，或者锚固板670可使得其外直径(未示出)与壁660的外直径对齐或大致齐平。锚固板670可通过螺栓672或任何其它合适的紧固件或紧固件装置附接到混凝土壁660上。图8图示了本发明的另一个方面的上下视图。可拆卸的非结构性或半结构性罩盖810可结合在混凝土塔架段615的外侧上，覆盖张紧缆索680和混凝土壁660两者。罩盖810可由塑料、复合物、金属板或任何其它合适的织物或材料制成。罩盖810可包括一个或更多段，并且可具有一个或更多接缝。接缝可竖直、水平和/或以二者之间的任何方向布置。罩盖810还可为张紧缆索680和/或混凝土壁660提供保护(例如，免受气候、破坏影响)。图9图示了罩盖810的安装期间混凝土塔架段615的部分透视图。混凝土壁660中的凹槽690提供了若干益处，其中一些是，(1)保护外部张紧缆索 680 (通过罩盖810甚至保护更多)，(2)保持缆索680远离视线(即，减少视觉冲击)，(3) 允许通过便于外部接近而易于维护缆索680，以及(4)将压缩负载的中心置于混凝土壁660 的主体中的混凝土上(由于后张紧的缆索680)。尽管已经关于各个具体实施例描述了本发明，但本领域技术人员将认识到本发明可用在权力要求的精神和范围内的改型来实践。
权利要求
1.一种塔架(210)，包括:具有多根张紧缆索(280)的至少一个混凝土塔架段(215)，所述多根张紧缆索构造成在所述至少一个混凝土塔架段上引起压缩力；其中所述多根张紧缆索的每一根均与所述至少一个混凝土塔架段的外表面隔开大体一致的距离。
2.如权利要求1所述的塔架，其特征在于，所述塔架还包括附接到所述至少一个混凝土塔架段的顶部部分上的至少一个锚固板(270)； 其中，所述多根张紧缆索(280)的每一根均附接到所述至少一个锚固板上。
3.如权利要求2所述的塔架，其特征在于，所述多根张紧缆索(280)的每一根均附接到所述塔架的基础(250)上。
4.如权利要求1所述的塔架，其特征在于，所述塔架还包括 一个或更多上部塔架段(112)；转接段(405)，其位于所述至少一个混凝土塔架段(215，260)和所述一个或更多上部塔架段(112)之间；附接到所述一个或更多上部塔架段的至少其中一个上的至少一个锚固板(270)； 其中，所述多根张紧缆索(280)的每一根均附接到所述至少一个锚固板上。
5.如权利要求4所述的塔架，其特征在于，所述多根张紧缆索(280)的每一根均附接到所述塔架的基础(250)上。
6.如权利要求1所述的塔架，其特征在于，所述塔架还包括附接到所述至少一个混凝土塔架段上的至少一个上部塔架段(112)。
7.如权利要求6所述的塔架，其特征在于，所述至少一个上部塔架段(112)由轧制钢构成。
8.如权利要求1所述的塔架，其特征在于，所述至少一个混凝土塔架段(615)还包括 设置在所述至少一个混凝土塔架段(615)的外表面中的多个凹槽(690)；其中所述多根张紧缆索(680)的每一根均大体上包含在所述多个凹槽的每一个内。
9.如权利要求8所述的塔架，其特征在于，所述塔架还包括 构造成附接到所述塔架上的至少一个罩盖(810)；其中所述多个凹槽内的所述多根张紧缆索(680)大体上由所述至少一个罩盖覆盖。
10.如权利要求1所述的塔架，其特征在于，所述多根张紧缆索(680)的每一根均构造成与所述至少一个混凝土塔架段的底部外表面相比更靠近所述至少一个混凝土塔架段 (615)的顶部外表面。
全文摘要
本发明涉及具有张紧缆索的塔架，具体而言，提供了一种塔架(210)，其可用于风力涡轮机(200)。该塔架(210)包括具有多根张紧缆索(280)的至少一个混凝土塔架段(215)。张紧缆索(280)构造成在混凝土塔架段(215)上引起压缩力。张紧缆索(280)从混凝土塔架段(215)的外表面隔开大体一致的距离。
文档编号F03D11/04GK102312799SQ20111018998
公开日2012年1月11日 申请日期2011年6月30日 优先权日2010年6月30日
发明者B·S·贝奇帕利, C·M·O·塞耶斯 申请人:通用电气公司