CN101539096A - 风力涡轮发电机的基础 - Google Patents

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卡洛斯·里昂·佩费克托
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    • E02D27/00Foundations as substructures
    • E02D27/32Foundations for special purposes
    • E02D27/42Foundations for poles, masts or chimneys

Abstract

本发明涉及一种风力涡轮发电机基础,包括一个截锥形中空中心体,其带有一上法兰或基座,用于与塔(未示出)连接,还包括一个扁环状的底板。在优选实施例中,基础的圆锥体内表面和底板支撑在来自本地、作为固定模架的土上;在一个可选择的实施例中,基础的内部留下空洞,用于容纳风力涡轮发电机的部件;在最后一个可选择的实施例中,基础放置在仅支撑着底板基底的地表面上方,其中心体并未掩埋。

Description

风力涡轮发电机的基础

駄领域

本发明总体上涉及一种圆锥形的风力涡轮发电机基础,其特别包括一 个截锥形的中心体和一个扁环形的底板,中心体上方带有一个用于与塔连 接的上法兰或基架。

背景駄

风力涡轮发电机发出的功率与转子的尺寸成正比。因此,为了发出较 大的功率,需要增加叶片的尺寸,其结果就是传动系、涡轮发电机和塔高 度尺寸增加。为此,必须增加用于支撑上方涡轮发电机的基础的尺寸,以 至于基础使用原料的减少导致风力涡轮发电机单元成本的相当大的下降。 在这方面,上述技术提供了许多基础的选择,这些选择能满足更具有挑战 性的要求,从而减少原料的{顿和/或方便安装:

公开号WO2004101898A2显示了圆形的、带有预制三角形部分 的基础的两种选择设计,安装时,使用挖掘土将预制三角形截面掩埋 起来。第一种设计包括12个连接在一起形成基础的预制部件,第二 种变体包括10个彼此间隔以节省原料的圆形段和一个中心体的结 合。

公开DK200100030关注一个星形的、带有12个预制三角形部 分的基础,三角形部分支撑在一个基底上并使用挖掘土掩埋。

公开NL1024581定义了一种圆形的可变深度的基础,该基础带 有径向和切向的、对称于中心轴的加强筋。

公开EP1074663是一个星形基础的例子,该基础带有三个围绕 中心支撑对称放置的稳定器,其中中心支撑是由一系列在基础外围部 分的杆组成的。

公开US6672023涉及一种包括一个圆柱形壁的基础,圆柱形壁 上方支撑一个圆形基底和一个基架,其上带有用于连接于塔的部件。风力发电工业不断要求基础在支撑风力涡轮发电机的负荷方面 优化,本发明试图满足这个要求。

发明内容

目前,风力涡轮发电机基础最常用的设计是不同截面形状(方形、圆

形、六边形、八边形)的基础板。特别是,在大多数额定功率在1MW以下 的风力涡轮发电机的情况下都使用方形截面基础板,因为它是一种众所周 知的方案,易于设计和计算,而且它的简单使得模架和建筑也比较容易。 然而,随着风力涡轮发电机功率的增加,这种方形板基础的缺点也开始显

现出来并且表现出越来越重要:

♦重量主要在于混凝土的质量,换句话说,在于基础中最贵的一部分; ♦惯性不起重要作用,因为劍门关心的是一个连续的截面; ♦由必须进行挖掘而产生的大容量填土,引起环境和经济的问题; ♦这是一种低结构效率的方案,不能很好i腿合应力的分布。基础的

截面上的应力随着与基础中心的距离而减小,因此基础末端需要一

个比较小的截面。

随着风力涡轮发电机功率的增加,我们看到新的方案不断增加,其中 包括一些对于现有技术类型的兆瓦级风力涡轮发电机来说并不是最佳的选 择。特别是,对于额定功率大于2兆瓦的风力涡轮发电机,与其它在结构 上更加合理的设计相比,最常用的基础设计在使用上开始没有竞争力了 。

下表列出在增加风力涡轮发电机功率时一个正方形截面板基础可预见 的一系列总成本估算值和每千瓦成本的估算值。

功率(兆瓦)<table>table see original document page 4</column></row> <table>从表中我们可以看出,当安装较大功率的风力涡轮发电机时,实心方 形基础的成本呈指数增长。同时,随着风力涡轮发电机功率的增加,上述 基础的每千瓦成本也呈指数增长,尽管增长并没有那么急剧。表中的趋势 很容易外推至其它A^周知的方案,这表示就兆瓦级风力涡轮发电机而言, 其它设计可以比目前的设计更具有竞争力。

从结构上看,分析加载在支撑风力涡轮发电机基础的塔基底上的负荷 类型,它们可以总结为对于计算很关键的弯矩,以及在塔纵轴方向上的轴 向力。为了抵消这些负荷,有两种可选择的设计可以实行:

♦基于重力的基础,必须使用重量来考虑获得容量(重力基础,例如 不同横断面的基础板)。

♦基于惯量的基础,必须包括通过半径的乘方和截面(星形基础等) 来提供惯性的部件。

分析了大型风力涡轮发电机基础各种可能的设计之后,可以得到这样 的结论:对于大功率风力涡轮发电机(大于4兆瓦),与目前j顿的按比例 增加的重力基础方案相比,惯量基础设计的应用会更加理想。

本发明的目的是,提供一种带有一个截锥形中心体的风力涡轮发电机 的基础,其截锥形中心体由混凝土构成,位于地面的泥土上,并具有一个 扁环形底板。

本发明一个可选择实施例的另一个目的是,提供一种带有一个截锥形 中心体的风力涡轮发电机的基础,其截锥形中心体的内部嵌入风力涡轮发 电机电器装置或后者的其它部件,并具有一个扁环形底板。

本发明一个可选择实施例的另一个目的是,提供一种带有一个截锥形 中心体的风力涡轮发电机的基础,该截锥形中心体具有一个扁环形底板, 该底板直接设置在拥有强大承重能力的地面之上,戶腿中心体不需要掩埋, 内部也可以嵌入一系列风力涡轮发电机部件。

本发明优选实施例的一个优点是,与现有技术相比,优化了对于额定 功率在2兆瓦及以上的风力涡轮发电机基础的总成本,主要表现为相对于 传统基础设计原料(混凝土,钢筋)上的节省;挖掘量的减少,这明显降

低了向废料皿输的成本和挖掘成本(经济并有益于环境的方案);模架的

减少和简化,因为在现场形成基础混凝土时使用了本地而非从中心体挖掘 的土,作为永久模架。因此,本发明提供一种风力涡轮发电机基础,其上部具有与塔连接的 部件或结构,其特征在于:包括一个中空圆锥体形状的旋转实体,该圆锥 体的内表面支撑在圆锥形未挖出土的永久模架之上,该风力涡轮发电机基 础的基底处还具有一个第二旋转实体,其形状为一环。

雌的是,圆锥体(1)的母面是一个偏菱形表面,该偏菱形具有两条 平行于水平面的短边和两条由直线形成的长边,该二直线相对水平面的夹

角在20至60度之间,且间隔(e)在0.25至1.2米之间。

亍爐的是,所述基底处的环(2)的半径(R)在8至14米之间,宽度 (L)在2.5至5幼司,高度(c)在0.25至0.6米之间。

tt^的是,圆锥体上口的直径(Dp)在4至12米之间。

4雌的是,总体高度(H)在2.5至4.5fe间。

优选的是,母面的两条长边是曲线,或者它们由一条长直边和一条长 曲边的组合构成。

雌的是,圆锥体(1)壁厚(e)随着在环(2)方向上的深度而变化。 1雄的是,戶诚环的上表面和/或下表面有一个相对于水平面呈0至45

度的倾斜度,并W或者圆锥体(1)与环(2)的内周iiii接,从而在圆锥

体(1)的内部没有凸出物。

优选的是,圆锥体(1)中空内部的土被挖出,所产生的自由空间内用

来嵌入风力涡轮发电机的部件。

4腿的是,所述的底部的扁平环(2)直接放置在地表面a。 本领域技术人员不难理解,本发明的公开包括上述各方案以及它们之

间的彼此的各种组合,同时包括那些在通读了本申请的说明书和权禾傻求

书后,对于本领域的技术人员来说显而易见的各种延伸实施例。同时声明,

本说明书包括本申请的优先权申请中的全部内容。

这里也必须强调的是,在j腿实施例中,基础的安全系数和冈i渡也有

所增加,因为没有被挖掘出来、仍然嵌入在中空锥形体中的土吸收了锥形

体壁上部分负荷,而且用于从外面掩埋锥形体的土增强了基础结构的稳定性。

下表列出中空锥体基础在不同功率范围内总成本和每千瓦成本的一系 列估算值。它显示了对于2-10兆瓦级的风力涡轮发电机,与上述传统的可 选择的设计相比,基础的成本明显降低:<table>table see original document page 7</column></row> <table>

本发明的另一个优点是,对于同质量的基础,由于惯性是由圆锥体基 底直径产生,与现有技术相比,其稳定性有所增加,而且它提高了承受风 力涡轮发电机负荷的能力,因为应力流分散在整个圆锥体壁长度上。这是 因为应力以一种平稳且均匀的方式向下传递通过基础,与舱体的方位和上 述负荷的方向无关。当舱体为了优化能源的产量而改变其方向以匹配风向 时,力的方向将随着舱体的旋转而改变。

本发明的另一个优点是,基础对于风力涡轮发电机负荷的不同范围, 以及对用于安装基础的不同种类地面的适应性,因为以下设计因素很易改

变:

♦锥形表面的斜度可以改变,以便通过不同的方式将应力传递至地 面。有时,有必要通过增加圆锥体基底的直径来减小出现在圆锥体 表面壁的应力。

♦锥体表面的上部可以用来罩入不同类型的与塔交接的部件(基础的 嵌入部分,后张螺栓等),而其下部可以是钢管或混凝土。

本发明的另一个优点是,塔基底有较高的结构强度,大于等于80000 千牛米。与目前公开的现有技术相比,这是直径、原料和几何或结构形状 之间一个比较好的关系。

一个可选择实施例的另一个优点是省去了地面挖掘,地面的支撑能力 和特性使得不必掩埋本发明考虑的圆锥形基础,因此锥形基础可以做为塔 的底座,而不需要附加的基础。无论是本方案还是挖出圆锥体内部的土来 掩埋基础的可选择实施例,都使基础能以一种带有方便运输和组装的预制 部件的模件的方式进行实施。安装时,上述空间可以用来嵌入风力涡轮发电机的电器装置或其它元件,因此优化了塔和舱体的内部空间。

本发明的其它特点和优点可以从以下图例实施的详细描述中看到,而 且不仅仅局限于这些附带的图表。

附图说明

图1示出了按照本发明的基础的一个横断面。 具体实船式

本发明中,圆锥体基础是基于圆锥形,其带有一个可以承受圆锥体(l)

壁上的应力并将其传递至地面的底板(2)。有时在圆锥体上部会使用一个 这里并未示出的基座将基础与塔连接,在其它实施例中或许使用一个法兰 形式的同心环,以允许SAS础中空的内部。

在一个与惯性基础类似的方法中,这种情况下圆锥体的半径在其基底

处产生惯性,应力可以平稳iik^过圆锥形表面从塔的底部转递到支撑地面。

本设计有两个主要的变体,还有一个次要的变体:

♦本发明伏选实施例中涉及的被填充的圆锥形基础。由于土没有从内 部挖出,圆锥形表面壁(1)支撑在这些土上,因此壁上产生比较 小的应力,因为没有局部的弯曲。所以,这一方案优化了壁的厚度, 进而额夕卜节省了多余填土的运输和移动。

♦中空的圆锥形基础,其填土从圆锥体(1)内部被挖出。圆锥形表 面壁由于局部弯曲而承受比较大的应力,因此增加了厚度。土移出 后产生的空间可以用来嵌入电器外壳,«器和其它类型的设备或 装置。(例如:提升机械等)

♦此外,我们还考虑了风力涡轮发电机底座的一个实施例,其以同样 的设计用于具有强大支撑能力的地面上,在该实施例中,底板(2) 不需要任何挖掘直接将它的底面支撑在地面上。类似于之前的情 况,与前面的可选择的设计相比,圆锥形表面壁比较厚,底板(2) 的半径也比较大。

本发明的优选实施例的新特点和优点在于圆锥形基础的设计,它充分 利用了没有被移出的土作为永久模架,而混凝土则现场浇筑。这一事实优 化了基础的设计,除了前面部分提到的优点,它还减少了原料的使用量并降低了基础的成本。

在包括4雄实施例的任何情况下,基础是由一个用作基底的扁环形(2)

和一个中心部分(1)上的截锥形体组成的,截锥形体由混凝土形成^H立于

未挖掘地面的上方。

扁环形(2)的横断面优选是矩形的,但是此外,上边和/或下边也可

以与7JC平面存在一个0〜45度之间的微小斜度。根据风力涡轮发电机的负 荷和尺寸,上述环的尺寸可以是:半径(R)最大为18米,厚度(L)最大 为6米,高度(c)最大为1米。在本发明并不排除的一实施例中(但不是 图l所示的),底环(2)通过环(2)内部区域与中心圆锥形体(1)连接, 以便在内部不留下凸出物,其目的是方便挖掘工作,以及模架和混凝土的 浇注。

优选实施例中圆锥体(1)的截面是由一个偏菱形母面形成的,其上下 两端有两条与水平面平行的短边,两条长边彼此平行,相对于水平面的倾 角伏选为20〜60度。由上述母面长iit间的距离限定的厚度(e)伏选是不 变的,根据需要可达到1.4米。 一种替代方案是,随着劍门接近底环(2), 圆锥体(1)的厚度可以增加。此外,在X寸雌实施例的一个替代实施例中, 上述母面的长边还可以由具有大曲率半径的复杂曲线形成,这样就产生了 带有准球面壁(pseudo-spherical walls)圆锥体形状的基础。

根据塔的直径和来自风力涡轮发电机的负荷,基础的总高度(H)可达 到6米,中心体上口直径(Dp)可以达到15米。

基础的尺寸因土的负荷承受能力和来自风力涡轮发电机的负荷而不 同。例如,对于一个2至4兆瓦级的风力涡轮发电机,主尺寸范围是:

♦ H:优选在2.5至4.5米之间

♦ R:优选在8至14米之间

♦ Dp: tt3^在4至12米之间

♦ L: i^在2,5至5米之间

♦ c: {雄在0.25至0.6米之间

♦ e:,在0.25至1.2米之间

最初,圆锥形基础的设计打算使用具有特征强度(characteristic strength) 在25至35兆帕的常规的混凑社在现场实施。

可选择的是,本设计可以使用高强度混凝土、特种混凝土和纤维增强混凝土进行实施。另一种可选择的方案是,预制混凝土部件,不同部件(圆 锥表面、底板等)iOT不同品质混凝土。

在现场浇注混凝土的过程中,在中空处填土的优选实施例的情况下, 挖掘时必须考虑圆锥形基础的总容积。实施挖掘时,在地面上放置一层泥 底板,其上是前面预安装的加强筋,之后再浇注混凝土。根据圆锥形表面 的斜度,可能需要4OT模架。

在使用预制部件的情况下,基础的形状可以有很大范围的选择,因为 以中空圆锥体(1)母面为特征的偏菱形可以很容易改变其长边,使得在圆

锥体(1)壁上形成准5求面(pseudo-spherical surface),也可选择在母面的两 个长边上结合直线和曲线。在这种情况下,还必须使用绳索在基础的轴向 禾口/或径向上预拉紧鹏拉紧战预制部件。

在中空版的可选择实施例中,圆锥形表面的混凝土浇筑需要使用内部 模架,该模架必须适当地加固并连接在一起,或者如以上描述的那样使用 预制部件以方便传输和装配。

上面给出的所述基础的成本和尺寸的计算,是以有限元建模的研究为 基础的,在现场浇注混凝土的优选实施例中,所需的加强筋数量和抗拉强 度,是从每一个风力涡轮发电机模型的最不利截面节点的应力分布研究中 推导出来的。在不同设计的比较研究中,也己经有了主要部件(盖面混凝 土、结构混凝土、加强筋、模架、填土和压紧、挖掘并运输至废料堆等) 的成本的分析,用来产生上面显示的表格。

Claims (10)

1、风力涡轮发电机基础,其上部具有与塔连接的部件或结构,其特征在于:包括一个中空圆锥体形状的旋转实体(1),该圆锥体的内表面支撑在圆锥形未挖出土的永久模架之上,该风力涡轮发电机基础的基底处还具有一个第二旋转实体,其形状为一环(2)。
2、 根据权利要求1所述的风力涡轮发电机基础,其特征在于:圆锥体 (1)的母面是一个偏菱形表面,该偏菱形具有两条平行于水平面的短边和两条由直线形成的长边,该二直线相X寸水平面的夹角在20至60度之间, 且间隔(e)在0.25至1.2米之间。
3、 根据权利要求1或2所述的风力涡轮发电机基础,其特征在于:所 述基底处的环(2)的半径(R)在8至14粒间,宽度(L)在2.5至5 米之间,高度(c)在0.25至0.6 fe间。
4、 根据上述任一权利要求所述的风力涡轮发电机基础,其特征在于: 圆锥体上口的直径(Dp)在4至12米之间。
5、 根据上述任一权利要求所述的风力涡轮发电机基础,其特征在于: 总体高度(H)在2.5至4.5米之间。
6、 根据权利要求2至5中任一项戶,的风力涡轮发电机基础,其特征 在于:母面的两条长边是曲线,或者它们由一条长直边和一条长曲边的组 合构成。
7、 根据上述任一权利要求所述的风力涡轮发电机基础,其特征在于:圆锥体(1)壁厚(e)随着在环(2)方向上的深度而变化。
8、 根据上述任一权利要求所述的风力涡轮发电机基础,其特征在于: 所述环的上表面和/或下表面有一个相对于水平面呈0至45度的倾斜度,并 _@7或者圆锥体(1)与环(2)的内周ii5I接,从而在圆锥体(1)的内部没 有凸出物。
9、 根据上述任一权利要求所述的风力涡轮发电机基础,其特征在于: 圆锥体(1)中空内部的土被挖出,所产生的自由空间内用来^A风力涡轮 发电机的部件。
10、 根据上述任一权利要求所述的风力涡轮发电机基础,其特征在于:所述的底部的扁平环(2)直接放置在地表面之上。
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