CN101639047A - 具有塔架底座的风力涡轮机组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有塔架底座的风力涡轮机组件。风力涡轮机组件(100)构造成用于竖立在基底(104)上。风力涡轮机组件包括风力涡轮发电机(105)，以及具有上端和下端的塔架(102)。塔架构造成用以支承大致邻近塔架上端的风力涡轮发电机。风力涡轮机组件还包括用于支承塔架的塔架底座(127)。塔架底座具有上端(128)和下端(130)。塔架底座的上端可与塔架下端相连，而塔架底座的下端可安装在基底上，以将风力涡轮机组件紧固在基底上。塔架底座为管状，并且具有一定高度和显著大于塔架底座高度的外部横截面尺寸。塔架底座包括多个周向区段(135)，其可以大体为端对端的关系进行连接以形成管状塔架底座。

Description

具有塔架底座的风力涡轮机组件
技术领域
[0001]本公开内容的领域大体上涉及风力涡轮机组件，并且更具体地涉及一种用于将此类风力涡轮机组件的塔架安装到基底(foundation)上的底座。
背景技术
[0002]风力涡轮机越来越多地用来产生电能。风力涡轮机通常包括安装在塔架顶上的转子驱动式涡轮发电机，塔架由叠置并紧固在一起的多个塔架段构成。这些塔架段可为圆柱形、截头圆锥形或其它适合的形状，并且通常可为实心、管状或格架型段。例如，一种常规风力涡轮机组件包括塔架，其中，各塔架段均包括一体式的圆柱形或截头圆锥形锻钢段。这些塔架段连结在一起，以达到高于地面的一定高度，足以提供用于涡轮叶片的间距，以及支承处于一定高度上的发电机，在该高度上存在足以充分发电的风速。
[0003]风力涡轮机组件塔架最下方的塔架段(通常称为底部段)紧固到基底(例如，混凝土板或其它适合的基底)上。各塔架段且尤其是底部段的直径，必须在截面(例如直径)上足够大，以承受由风力产生的空气动力负载，以及由涡轮机的重型涡轮发电机和驱动段的质量所施加的重力负载。随着风力涡轮机塔架变得越来越高，塔架底部段的截面尺寸已造成在地面运输(例如通过卡车或铁路)这些底部段方面的难题，这由尺寸限制或这些塔架段在通向其组装目的地的路线上必须经过的道路、桥梁和隧道所引起。
[0004]风力涡轮机塔架的制造商必须使用其它方式，如增大塔架段的外壳厚度或使用张索，以将截面较小的塔架保持就位并克服塔架所遇到的空气动力负载和结构负载来支承塔架。尽管这些措施有所帮助，但它们具有其局限性，并且不能充分地满足具有较大横截面的也能够进行地面运输的风力涡轮机塔架底部段的需要。
发明内容
[0005]在一个方面，提供了一种构造成用于竖立在基底上的风力涡轮机组件。该风力涡轮机组件包括风力涡轮发电机，以及具有上端和下端的塔架。塔架构造成用以支承大致邻近塔架上端的风力涡轮发电机。风力涡轮机组件还包括用于支承塔架的塔架底座。塔架底座具有上端和下端。塔架底座的上端可与塔架的下端相连接，而塔架底座的下端可安装在基底上以将风力涡轮机组件紧固在基底上。塔架底座为管状，并且具有一定的高度和外部横截面尺寸，该外部横截面尺寸显著大于塔架底座的高度。塔架底座包括多个周向区段，该周向区段可以大体为端对端的关系进行连接以形成管状塔架底座。
[0006]在另一个方面，提供了一种用于将风力涡轮机组件安装在基底上的塔架底座。塔架底座包括多个周向延伸的区段，该区段可以大体为端对端的关系彼此相连，使其在组装好时塔架底座大体为管状。塔架底座具有上端和下端，并且塔架底座的上端可与风力涡轮机组件相连接，以将风力涡轮机组件支承在塔架底座上。塔架底座的下端可安装在基底上，以将风力涡轮机组件和塔架底座紧固在基底上。塔架底座构造成用以承受倾覆力矩。
[0007]在另一个方面，提供了一种组装风力涡轮机的方法。该方法包括提供具有上端和底端的塔架，以及提供与塔架相关联的机舱和叶片。该方法还包括提供分段式底环状件，以在塔架底部支承塔架。
附图说明
[0008]图1为通过塔架底座安装到基底上的风力涡轮机组件的一个实施例的简图。
[0009]图2为图1中的风力涡轮机组件的塔架底座的一个实施例的透视图；
[0010]图3为从图2中的线3-3的平面所截取的截面；
[0011]图4为图3中的部分截面的局部放大截面；
[0012]图5为现有技术的风力涡轮机组件的现有技术的塔架段的简图；
[0013]图6为由类似于图2中的塔架底座所支承的并具有与图5中的现有技术塔架相同高度的塔架段的简图；
[0014]图7为拆开且置于地面运输车辆上以便运输的图2中的多个塔架底座的简图；以及
[0015]图8为塔架底座的第二实施例的透视截面图。
零件清单
100 风力涡轮机组件
102 塔架
104 基底
105 风力涡轮发电机
106 机舱
108 转子
110 浆毂
112 叶片
114 水平轴
120 叶片根部
122 负载转移区域
124 最下方塔架段
127 塔架底座
128 上端
130 下端
131 凸缘部件
132 侧壁
134 凸缘部件
135 区段
137 凸缘
139 开口
141 周向端部
150 第一组
151 第二组
161 成组的内部开口
163 成组的外部开口
165 多个开口
227 塔架底座
232 侧壁
具体实施方式
[0016]现参看附图，并且特别地参看图1，总体上以100示出了风力涡轮机组件的一个实施例。在该实施例中，风力涡轮机组件100包括水平轴114风力涡轮机。作为备选，风力涡轮机组件100可包括竖轴风力涡轮机。风力涡轮机组件100通常包括竖立在适合的基底104(例如，混凝土板、地面或其它适合的基底)上的塔架102，以及总体上以105显示的风力涡轮发电机。风力涡轮发电机105通常包括安装在塔架102上的机舱106，以及联接到机舱106上的转子108。转子108具有可旋转的浆毂110，以及联接到浆毂110上的多个转子叶片112。所示的转子108适于包括三个转子叶片112。作为备选，转子108可具有多于或少于三个的转子叶片112。叶片112定位成围绕转子浆毂110，以便于旋转的转子108将风的动能转化为可用的机械能，以及随后的电能。通过在多个负载转移区域122处将叶片的根部120联接到浆毂110上，使叶片112与浆毂110相配合。负载转移区域122具有浆毂负载转移区域和叶片负载转移区域(图1中均未示出)。叶片112中造成的负载经由负载转移区域122转移到浆毂110上。
[0017]塔架102适于为管状，且在所示的实施例中，其为环形，且具有在塔架102内从基底104沿纵向向上延伸至机舱106的内腔(未示出)。塔架102通常包括多个独立的塔架段124，其可以叠置的端对端(例如，一个位于另一个上)的关系彼此相连，以形成塔架102。各塔架段124均可具有大致恒定的横截面尺寸(例如，在所示实施例中的恒定直径，其中，各塔架段124均大致为环形)，或塔架段124中的一个或多个塔架段可为截头圆锥形，以及/或者塔架段124中的一个或多个塔架段的横截面尺寸可为恒定的，但不同于塔架段中的一个或多个其它塔架段的尺寸，例如在成梯状的构造中，各塔架段124的横截面尺寸随塔架段朝向塔架102的顶部叠置而减小。
[0018]如图1中所示，塔架底座127位于且适合地紧固到基底104上，以便支承塔架102。具体参看图2，塔架底座127大体为呈塔架段124形式的管状，且在所示实施例中，其大体为环形，并且具有上端128、下端130(图2中所示)，以及在其间延伸的周向侧壁132(图2中所示)。本文根据如图1中所示的塔架102的定向，使用用语“上”和“下”。下端130适合地构造成用于将塔架底座127紧固到基底104上。例如，如在图3和图4中最佳地观察到，下端1 30包括凸缘部件131，凸缘部件131相对于侧壁132沿横向向内和沿横向向外地延伸，并且与邻近的侧壁132部分一起构造成T型凸缘。成组的内部开口161和成组的外部开口163形成在凸缘部件131中(例如，在侧壁132的相对侧上)，例如通过适合的螺纹紧固件(未示出)和相应的螺母，用来将塔架底座127紧固到基底104上。
[0019]如图3中所示，在塔架底座127的下端130处凸缘部件131的沿横向向外延伸的部分提供塔架底座127位于基底104上的较大的覆盖区(footprint)或横截面尺寸(例如，所示实施例中的外径)。该横截面尺寸适合地大于塔架102最下方的塔架段124(位于塔架底座127上的塔架段)的尺寸。塔架102的该较宽的覆盖区对塔架102提供增强的能力，用以承受由塔架102顶部处的空气动力和重力所引起的塔架底座127处的倾覆力矩。具体而言，这种增强的负载处理能力容许(如果期望的话)塔架102最下方的塔架段124的相对较小的横截面尺寸，而不会对最下方的塔架段124或塔架102的其它塔架段增加显著的厚度要求。
[0020]举例来说，图5示出了现有技术的风力涡轮机组件的塔架T。塔架T包括三个塔架段t1，t2，t3，其中，最下方的或底部段t3安装在基底F上。塔架T的高度为大约77.3米(大约253英尺)，其中，底部段t3在其置于基底F上的部位按直径计为大约4.5米(大约15英尺)。在图6中，塔架102与图5中的塔架T的高度大致相同，并且由类似于图2的塔架底座的塔架底座127支承。由塔架底座127的凸缘部件131所限定的覆盖区(外部横截面尺寸)为大约5米(大约16.4英尺)。由于塔架底座127提供了较宽的覆盖区，故塔架102最下方的塔架段124具有大约4米(大约13.1英尺)的横截面尺寸(即图6的实施例中的直径)，其中，尽管塔架T、102具有相同的总高度，但该尺寸小于图5中的现有技术的塔架T的尺寸。减小塔架102最下方的塔架段124的大小相应地降低了该最下方塔架段(以及塔架102的其它塔架段)的总重量，使得塔架段更易于运输。
[0021]塔架底座127的上端128适合地构造成用于将塔架102连接(即紧固)到塔架底座127上。举例来说，在所示的实施例中，上端128包括凸缘部件134，凸缘部件134相对于周向侧壁132沿横向向内地延伸，并且具有多个开口165以便经由其收容适合的螺纹紧固件(未示出)。塔架102最下方的塔架段124的下端具有相应的多个开口(未示出)，以用于与凸缘部件1 34中开口相对齐进而容许通过螺纹紧固件(未示出)和相应的螺母(未示出)将塔架102紧固到凸缘部件134上。设想到的是，除通过螺纹紧固件外，例如可通过焊接或其它适合的连接来将塔架102连接到塔架底座127的上端128上，这并未脱离本发明的范围。还应当理解到，上端128可构造成使得凸缘部件134从侧壁132上横向向外地延伸，或其可(与侧壁132一起)构造为类似于塔架底座127下端130的T型凸缘。
[0022]返回参看图2，塔架底座127适合地由多个单独的周向延伸的区段135构成，这些区段135构造成彼此相连以形成管状(例如，所示实施例中为环形)塔架底座127。例如，在图2中所示的实施例中，塔架底座127包括两个半环形区段135，其可在各区段的相应周向端部141处相连。然而，应当理解到，塔架底座127可包括两个以上的区段135，这并未脱离本发明的范围。在备选实施例中，中间区段(未示出)在两个区段135之间延伸，并且在各区段135的相应周向端部141处进行连接。
[0023]在各塔架底座区段135的周向端部141处或附近，外部连接凸缘137紧固到塔架127侧壁132的外表面上，并且更适合地与其整体地形成(例如通过铸造)。在所示的实施例中，各连接凸缘137大体为矩形，并且沿侧壁132至少部分地竖直延伸，而在所示实施例中，沿侧壁132完全地竖直延伸。然而，应当理解到，连接凸缘137可不同于矩形，这并未脱离本发明的范围。所示的连接凸缘137还适合地沿侧壁132从塔架底座127的上端到下端大致延伸侧壁132的整个高度。在备选实施例中，连接凸缘137延伸不足塔架底座127的整个高度。
[0024]开口139以隔开的关系沿凸缘的长度设置在各连接凸缘137中。对于塔架底座127的各周向区段135而言，连接凸缘137和开口139的定位和尺寸大致相同。因此，在将区段135以周向端对端的关系定位以形成塔架底座127时，邻近的连接凸缘137的开口139彼此对齐，以收容经由其穿过的适合的螺纹紧固件，如图2中所示。相应的螺母用于将螺纹紧固件紧固在连接凸缘137上，从而将连接凸缘137且因此将区段135紧固在一起。
[0025]为了充分地处理连接凸缘137上的切应力，在连接凸缘137连结侧壁132的位置形成具有适合半径的圆角(未示出)。在一个适合的实施例中，圆角半径适合地处于大约10mm至大约30mm的范围内，并且更适合为大约25mm。然而，应当理解到，圆角半径可不同于上文所述，而是取决于需要承受的应力(减小的应力通常伴随着较大的圆角半径)，并且仍然在本发明的范围内。
[0026]在一个实施例中，塔架底座127适合地由钢构成。例如，塔架底座127可适合地包括ASTM A36钢及其衍生物。然而，可使用其它适合的材料来制造塔架底座127，这并未脱离本发明的范围。更适合地讲，各塔架底座区段135(即，上端128、下端130、侧壁132，以及包括将侧壁132与连接凸缘137相连结的圆角的连接凸缘137)均整体地形成，并且还更适合地通过铸造而形成。以此方式进行的铸造提供了优于其它制造技术的成本和设计优点。但应当理解到，可使用其它适合的制造技术和方法来制造塔架底座区段135而并不脱离本发明的范围。
[0027]图7示出了将多个塔架底座127设置在诸如卡车(如所示实施例中)或轨道车的地面运输车辆上的方法的一个实施例。在该实施例中，各塔架底座127均包括如图2的实施例中的两个周向区段135。将区段135拆开，并布置成沿卡车车厢(bed)纵向布置的一组150区段135，以及沿卡车车厢纵向布置的但相对于第一组150区段135沿纵向偏移的第二组151区段135，使得第二组151区段135中的区段的周向端部131可延伸至第一组150区段中的区段135中间部分附近，反之亦然。以这种方式，由区段135所占据的卡车车厢上的整个宽度大致小于塔架底座段127组装好时的横截面。区段135还直立地置放在卡车上(即，区段135的下端抵靠卡车车厢平直地放置)，以便相对最大限度地减小卡车车厢上方的区段135高度。设想到的是，只要将区段135拆开并直立地置放在地面运输车辆上，则塔架底座127区段135的其它布置也可容许减小在卡车上所需的区段135总宽度，这并未脱离本发明的范围。
[0028]现参看图8，在第二实施例中，塔架底座227类似于塔架底座127，包括具有向内延伸的凸缘部件的上端、具有沿横向向内和向外延伸的凸缘部件的下端，以及在其间延伸的侧壁232。然而，在该实施例中，侧壁232从其下端至其上端向内成一定角度，以便使塔架底座227大体为截头圆锥形。侧壁232相对于水平线的角度适合地处于大约60度至大约89度的范围内。然而，应当认识到，在并未脱离本发明范围的情况下，该角度可不在此范围内。
[0029]在介绍本发明及其最优实施例的元件时，用语“一个”、“一种”、“该”和“所述”旨在表示存在这些元件中的一个或多个。用语“包括”、“包含”和“具有”旨在为包括性的，并且意指可存在除列出元件之外的其它元件。
[0030]本书面说明使用了包括最佳方式的实例来公开本发明，且还使本领域技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统，以及执行任何并入的方法。本发明可取得专利的范围由权利要求所限定，并且可包括本领域技术人员所构思出的其它实例。如果这些其它实例与权利要求中的书面语言并无不同，或者如果这些其它实例包括与权利要求的书面语言无实质区别的等同结构元件，则将意味着这样的实例处在权利要求的范围之内。
[0031]在不脱离本发明范围的情况下当对上述构造和方法作出各种变化时，期望的是，包含在上述说明中以及显示在附图中的所有物件均应解释为示范性的而非有限制意义。

Claims (10)

1.一种构造成用于竖立在基底(104)上的风力涡轮机组件(100)，所述风力涡轮机组件包括：
风力涡轮发电机(105)；
具有上端和下端的塔架(102)，其被构造成用以支承大致邻近于所述塔架上端的所述风力涡轮发电机；以及
用于支承所述塔架的塔架底座(127)，所述塔架底座具有上端(128)和下端(130)，所述塔架底座的上端可与所述塔架的下端相连接，所述塔架底座的下端可安装在所述基底上，以将所述风力涡轮机组件紧固在所述基底上，所述塔架底座为管状，并且具有一定高度以及显著大于所述塔架底座高度的外部横截面尺寸，所述塔架底座包括可以大体为端对端的关系进行连接以形成所述管状塔架底座的多个周向区段(135)。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机组件(100)，其特征在于，所述塔架底座(127)大体为环形。
3.根据权利要求1所述的风力涡轮机组件(100)，其特征在于，所述塔架底座的各周向区段(135)均具有位于所述各区段的周向相对的端部(141)处或附近的一对连接凸缘(137)，其中，各连接凸缘均沿所述塔架底座(127)的至少一部分高度至少部分地竖直延伸，一个周向区段的各连接凸缘均可连接到周向邻近的周向区段的相应连接凸缘上，以将所述区段连接在一起来组装所述塔架底座。
4.根据权利要求1所述的风力涡轮机组件(100)，其特征在于，所述塔架(102)在其下端处具有外部横截面尺寸，所述塔架底座(127)的外部横截面尺寸大于所述塔架下端的外部横截面尺寸。
5.根据权利要求1所述的风力涡轮机组件(100)，其特征在于，所述塔架底座(127)的外部横截面尺寸由所述塔架底座的下端(130)限定。
6.根据权利要求5所述的风力涡轮机组件(100)，其特征在于，所述塔架底座(127)还包括在所述塔架底座的上端(128)与下端(130)之间延伸的侧壁(132)，所述塔架底座的下端包括从所述塔架底座侧壁至少部分地横向向外延伸的凸缘部件(131，134)。
7.根据权利要求1所述的风力涡轮机组件(100)，其特征在于，所述塔架底座(127)还包括在所述塔架底座的上端(128)与下端(130)之间延伸的侧壁(132)，所述侧壁在其从所述塔架底座的所述下端延伸至所述上端时横向向内成一定角度。
8.一种用于将风力涡轮机组件(100)安装在基底(104)上的塔架底座(127)，所述塔架底座包括多个周向延伸的区段(135)，所述区段(135)可以大致为端对端的关系彼此相连，以便使所述塔架底座在其组装好时大致为管状，所述塔架底座具有上端(128)和下端(130)，所述塔架底座的上端可与所述风力涡轮机组件相连接，以将所述风力涡轮机组件支承在所述塔架底座上，所述塔架底座的下端可安装在所述基底上，以将所述风力涡轮机组件和塔架底座紧固在所述基底上，其中，所述塔架底座构造成用以承受倾覆力矩。
9.根据权利要求8所述的塔架底座(127)，其特征在于，所述塔架底座具有一定的高度和外部横截面尺寸，所述塔架底座的外部横截面尺寸显著大于所述塔架底座的高度。
10.根据权利要求9所述的塔架底座(127)，其特征在于，所述塔架底座可连接到塔架段(124)上，以及所述塔架底座的横截面尺寸大于连接到其上的所述塔架段的横截面尺寸。
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