CN101684780A - 无法兰风塔的设计 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及无法兰风塔的设计。一种风力涡轮机塔(100)在相邻的管状塔部分(140)之间的无法兰接合部(500)处采用指板组件(510)。用于提高风力涡轮机塔刚度的装置包括对位于无法兰接合部(500)处的、相邻的管状塔部分(140)之间的罐间间距(28)的限制以及对用于紧固每个无法兰接合部(500)从而限制变形的指板组件数量的选择。为指板选择最佳尺寸(520)、(530)、(540)可以进一步使局部塔变形最小化。用于指板(540)的材料具有比用于管状部分的材料的杨氏模量小的杨氏模量，使得局部塔变形得以减少。将盖板(620)附接到顶端管状部分限制了塔尖位移。该盖板(620)可以包括背衬加强筋(690)以及包括具有比指板(540)的杨氏模量大的杨氏模量的材料。
Description
技术领域
[0001]本发明总体上涉及风塔，更具体地涉及无法兰风塔的设计。
背景技术
[0002]风力涡轮机塔通常由管状横截面构件形成的多个单元构造而成。管状支撑结构具有很多不同类型的应用。某些支撑结构存在于在离地面较高的地方支撑设备的位置。这些多部分支撑结构可以是高的，且可以在顶部承载不同重量的操作设备，因而使这些结构中的多个部分之间的接合部承受高应力。该管状的、多部分支撑结构可以被用于很多应用中，包括移动电话塔、雷达塔、以及风塔。
[0003]风力涡轮机支撑塔为大型结构，有时延伸到非常高的高度以容纳大型风力涡轮机的转子叶片并策略性地将转子叶片置于风路中。比如，典型的塔可具有大约100米(m)的高度。这样的塔可以包括多个部分，通常是底部、中部和顶部。单个部分的长度和数量可以根据应用场合和结构高度而变化。很多这种塔的横截面大体上是圆形的且在较高水平面上可以是锥形的。锥形可以通过采用独立的管状节段来实现，所述管状节段的锥度沿着轴向竖直方向设计成正圆锥形节面。
[0004]安装在风力涡轮机的支撑塔顶部的是机舱。该机舱容纳或封装风力涡轮机的设备和构件并且包括用于风力涡轮机叶片的毂以及传动系，传动系包括风力涡轮机的轴承、变速箱和发电机。通常，在塔的顶部安装偏航轴承。支撑传动系的所有重量的底座在偏航轴承上转动，使得风力涡轮机的控制器能够旋转机舱从而相对于风向更好地定位叶片以便优化性能。
[0005]某些现有技术的管状风力涡轮机结构由焊接节段组件的管状部分制成，法兰焊接在管状部分的端部。然后，相邻部分的顶部闭合法兰和底部闭合法兰被沿着螺栓线栓接在一起从而将各部分组装起来。示例性的风力涡轮机支撑塔的现存问题包括在塔弯曲过程中出现的焊接裂化、塔壁翘曲、紧固件的预载荷松弛、需要维护、法兰变形和螺栓失效，每个问题都会导致塔的使用寿命成本增大。此外，在法兰焊接过程中所产生的热量会使法兰变形到螺栓平面之外，从而产生包括螺栓预载荷过大以及焊接残余应力在内的接合问题。
[0006]由Cairo等人于2006年8月18日申请的美国专利申请No.11,506,421公开了一种无法兰的风力涡轮机塔以取代常规的焊接法兰风塔设计。在该无法兰设计中，指板组件被用于取代管状部分上的焊接法兰，作为将塔的管状部分接合起来从而建造塔的整个高度的装置。无法兰的理念和后来的栓接指板组件消除了上述问题，如在塔弯曲过程中焊接裂化、塔壁翘曲、紧固件的预载荷松弛、需要维护、法兰变形以及螺栓失效。除焊接后变形之外，法兰型塔部分在操作加载过程中也会产生变形。因此结合有指板的无法兰风力涡轮机塔设计被提出，其消除了法兰型风塔的缺点。根据现有的风塔法兰紧固方法，载荷的类型是拉力型，然而在指板设计中载荷为剪切力型。摩擦连接(指板设计)是使用在当今钢铁结构中的最耐疲劳的连接类型。这种紧固方法的优点在于，一旦螺栓被张紧，其不会再经受额外的载荷。该螺栓仅提供待工作的板与板之间摩擦所需的正常力。
[0007]图1示出了管状组件的指板组件10的侧视截面图，指板组件10克服了前面所描述的问题：在具有焊接法兰接合部的管状组件中，焊接后法兰发生变形的问题。形成管状组件(无法兰)的两个相邻的无法兰管状部分20和30的端面的环形圈被紧密地聚合在点25处。相邻的管状部分20、30之间的空间28被称为罐间间距。内指板40设置在指板组件10的内部。该内指板40可设置有与无法兰管状部分20和30的弯曲内径相匹配的弯曲外径。该内指板40被设置成用于连接相邻的无法兰管状部分20、30的内表面22和32。外指板50设置在指板组件10的外部，用于与相邻的无法兰管状部分20、30的外表面24、34相连接。外指板50可设置有与管状部分20、30的弯曲外径相匹配的弯曲内径。外指板50被设置成用于连接相邻的无法兰管状部分20、30的外表面24和34。通孔55的紧固阵列设置在每个指板40、50上，并且与设置在无法兰管状部分20、30的相应的邻接端部上的通孔55的紧固阵列相匹配。该组件进一步还可包括与通孔阵列一致的螺栓60和螺母65。然而，根据具体应用，可以使用其它合适的紧固装置。
[0008]图2示出了采用螺母和螺栓紧固方式的典型指板的立体图。该典型指板70具有内表面72和外表面74。对于内指板来说，它的外表面与相邻管状部分的弯曲外表面相匹配。对于外指板而言，它的内表面与相邻管状部分的相应表面相匹配。典型的螺栓通孔阵列76示出为与一个管状部分连接，而典型的螺栓穿孔阵列78示出为与相邻的管状部分连接。指板设计根据标准的设计实践进行，包括从指板的边缘到螺栓通孔的间距、相邻螺栓通孔之间的间距、指板的厚度、指板的表面尺寸以及板材选择。
[0009]图3示出了无法兰接合部90，指板组件92绕下管状部分96的圆周均匀分布。为了清楚起见，示出了内指板93和外指板94以及下管状部分96。上管状部分和紧固件为了清楚起见而被省略。对于约80m高的示例性风力涡轮机支撑塔，5个指板组件可绕着风力涡轮机支撑塔的相邻部分的圆周分布。进一步的螺栓连接可以被用作风力涡轮机支撑塔的紧固装置。
[0010]螺栓通孔的布置的简化视图示出在图3中。图2示出了具有用于示例性的风力涡轮机支撑塔的更为典型的通孔阵列的指板。对于示例性的80m塔而言，指板可具有大约2m的弧形尺寸、大约1m的高度、大约20mm的厚度。指板的材料可以优选地包括ASTM A572Gr50钢板。指板上的螺栓通孔阵列76和78可以优选地配置为施加到塔的每个相邻部分上的两行，每个指板上总共具有大约48个螺栓孔。螺栓通孔的直径可以优选地为大约1.25英寸。螺栓通孔之间的最小间距可以为大约5英寸。用于80m塔中的指板的典型螺栓可以优选地为M3610.9级的螺栓，该螺栓被扭到具有大约510MPa(74ksi)的螺栓预应力。
[0011]尽管这种无法兰风塔如前所述消除了法兰风塔的不利因素，对无法兰风塔原理的进一步分析表明，具有指板的无法兰塔的整体刚度很低。无法兰风塔的刚度可以低至法兰塔的十分之一。低刚度可以导致塔过度摇摆，致使塔的组成部分和指板在接合部产生高的压缩力。该高压缩力可以导致位于接合部的塔的组成部分和指板产生不可接受的变形，可能会由于压缩引发的翘曲而导致局部失效或者结构不稳。
[0012]因此，需要对无法兰风力涡轮机塔布局的要素进行改进以便将其刚度提高到与其所取代的基础法兰风塔相当的程度。
发明内容
[0013]本发明总体上涉及一种无法兰风塔结构以及为该结构提供刚度的方法。
[0014]简单地说，根据本发明的一个方面，提供一种风力涡轮机塔。该风力涡轮机塔包括多个管状部分，其中每个管状部分包括大体上平坦的端面。多个无法兰接合部被形成，每个单独的无法兰接合部设置在相邻管状部分的相对端面之间。指板组件绕每个无法兰接合部的圆周均匀分布，每个指板包括周向角(限定指板的圆弧宽度)、纵向尺寸和径向厚度。还设置有用于提高风力涡轮机塔的刚度以抵抗横向摇摆的装置。
[0015]根据本发明的另一个方面，提供一种用于提高风力涡轮机塔的刚度的方法，该风力涡轮机塔在具有大体上平坦的端面的多个相邻管状部分之间的多个无法兰接合部采用指板组件来提高其刚度。该方法包括限制由指板组件接合的无法兰接合部处的、多个塔部分的相邻端面之间的罐间间距。该方法进一步包括选择用于紧固多个无法兰接合部中的每个接合部的指板的数量以及确定指板组件的指板的周向角、纵向长度和径向厚度。此外还要为指板选择材料，该材料的杨氏模量要小于管状部分的材料的杨氏模量。该方法还提供了将适用于提高风塔刚度的盖板附接到顶端管状部分的上端的步骤，之后再附接到机舱内底座的基部的万向节轴承。
[0016]简单地说，根据本发明的第三个方面，提供一种风力涡轮机塔。该风力涡轮机塔包括多个管状部分。每个管状部分包括大体上平坦的端面，所述端面形成了位于相邻管状部分之间的被控制的罐间间距。无法兰接合部在相邻管状部分的相对端面之间形成，包括绕每个无法兰接合部的圆周均匀分布的三个指板组件。每个指板组件包括为提高塔的刚度而优化的周向角、纵向长度和径向厚度。指板组件包括一种指板材料，该指板材料的杨氏模量小于管状部分的材料的杨氏模量。盖板被附接到风塔的顶端管状部分。该盖板包括具有比指板材料的杨氏模量大的杨氏模量的材料。
附图说明
[0017]当在参照附图的基础上阅读下面的详细描述时，本发明的这些以及其它特征、方面和优点会变得更易理解，在所有附图中相同的标记代表相同的部分，其中：
[0018]图1示出了指板组件的侧视截面图；
[0019]图2示出了典型指板的立体图；
[0020]图3示出了采用指板组件的无法兰接合部，指板组件绕管状支撑结构的圆周均匀分布；
[0021]图4示出了基础塔布置，用于在有法兰布置和经过改型的无法兰指板布置之间进行刚度比较；
[0022]图5A示出了具有五个指板和约为1.5mm的标准罐间间距的无法兰风力涡轮机塔的最终变形；
[0023]图5B示出了具有三个指板和缩小为接近0mm的罐间间距的创新型无法兰风力涡轮机塔布置的一个实施例的最终变形。
[0024]图6示出了具有三个指板组件和缩小的罐间间距的创新型无法兰风塔接合部(为清楚起见，上塔部分未示出)的一个实施例；
[0025]图7示出了用于提高风力涡轮机塔刚度的盖板的一个实施例；
[0026]图8示出了安装在风力涡轮机塔顶部以限制塔的顶尖位移的端盖；以及
[0027]图9示出了用于限制环绕指板的局部塔管变形的方法的流程图，该方法提高了结构稳定性(抗弯)并提高了无法兰风力涡轮机塔的最上部塔部分的上端的刚度。
具体实施方式
[0028]本发明的以下实施例具有很多优点，包括提高无法兰风力涡轮机塔的刚度和避免高的拉应力施加在无法兰接合部的管状部分和指板上。
[0029]由Cairo等人于2006年8月18日申请的美国专利申请No.11,506,421中公开的无法兰风塔的刚度与基础法兰风塔设计相比低很多。本发明所确立的设计特点和多种设计方法提高了无法兰风塔组件的刚度且使其刚度与Cairo等人的基础法兰风塔的情形相当，Cairo等人的基础法兰风塔通过分析以及在组装塔的实地使用性能方面显示出令人满意的刚度。法兰布置的基础塔结构可以包括3个塔部分，其中每个塔部分包括多个以端对端方式焊接的管。这些塔部分形成约80m的总体高度，各部分之间具有两个接合部。对每个接合部而言，Cairo等人的无法兰风力涡轮机塔需要5个绕相邻部分的圆周分布的指板组件。
[0030]创新的方法可以优化并因而减少绕着风塔的指板的数量。提高塔的刚度使得用于管状部分之间的每个接合部的指板的数量得以实质性地从5个减少到3个。因此，在具有两个接合部的3个部分的优化设计中，指板数量可以从10减少到6，从而也节约了大量的材料并直接提高了材料生产率。这是除前面描述过的优点之外的优点，前面描述过的优点是无需再次焊接已经变形的常规焊接法兰以及不具有包含限制保养引发的应力能力水平的预应力的塔部分，其中常规焊接法兰的变形是超过对配合塔部分进行组装所需的焊接水平的焊接的热量所致。
[0031]进行分析以评估与Cairo等人大致描述的风塔相关的指板接合部的优化设计，该三部分塔的高度约为80m，包括具有8个罐且长度约22米的基座部分；具有8个罐且长度约26米的中间部分；以及具有10个罐且长度约30米的顶端部分，如图4所示。该基础塔的直径为4300mm，厚度为10mm；底部和顶部罐的长度为2000mm；沿周向具有12个螺栓孔，在纵向上螺栓孔的间距为200mm；指板厚度为20mm；指板纵向尺寸为1000mm。
[0032]还发现罐间距离在塔遭受侧向载荷时对指板的刚度具有重要影响。当罐间间距从3mm减少到0mm，提高刚度的效果大大增强。罐间间距接近0mm是理想的假定情形，当罐间间距接近0mm时，刚度接近基础情形。图5A所示为具有5个指板和约1.5mm标准罐间间距的无法兰风力涡轮机塔的最终变形。图5B所示为在具有3个指板和缩小为接近0mm的罐间间距的创新型无法兰风力涡轮机塔的布置的一个实施例中，能够获得相当的且令人满意的最终局部变形。
[0033]由于减小罐间间距而导致的刚度增大使得指板数量从Cairo等人的5个指板减少到3个指板，且得到了与基础设计相当的刚度。
[0034]图6示出了具有三个指板组件510和减小的罐间间距的创新型无法兰风塔接合部500。参与到接合部500中的下塔部分560被示出。接合部500的上塔部分未被示出，目的是强调接合部中的指板的布置。具有给定直径的塔的指板的几何体积通过指板540的下述参数描述：周向角515(等同于特定部分半径525的周向尺寸520)、纵向长度530和径向厚度535。基础指板包括约1000mm的纵向长度、约2000mm的周向尺寸和约20m的厚度。指板的周向角被发现对塔的刚度有很大影响。当周向尺寸减小且纵向尺寸增大以使指板的体积保持恒定时，结果组件的刚度被提高。在每个接合部具有三个指板的布置中，周向角设置为约40至约50度，用于增大刚度。纵向尺寸可以在1000-1100mm之间。减小指板的周向角(以及周向尺寸)也具有减少每排的螺栓孔数量的优点。基于叠加作用，每排8-10个螺栓孔的4排螺栓孔可用于提高刚度。
[0035]在保持指板的总体积不变的同时，周向尺寸的减小也使得指板的厚度增加到约40mm。厚度尺寸大大增强了塔的刚度，且在维持指板材料的体积不变的同时，周向尺寸的减小使得厚度增加到最佳水平。
[0036]指板的杨氏模量也对风塔横截面的总体变形产生重要影响。当指板的杨氏模量大幅度增加而超过塔部分的罐材料的刚度时，该板抵抗大部分载荷，因而导致罐的横截面发生严重的局部变形。当指板具有较低的杨氏模量时，指板就不会过多地压迫较薄的罐部分。因此发现这些罐具有较低的总体横截面变形，而其刚度与基础设计的相当。然而，没有发现塔顶(尖)位移在板模量较高的情况下有所改善。
[0037]本发明的进一步的方面包括在塔的顶部使用盖板。分析表明，在顶部塔部分使用刚性盖板而保持塔的横截面不变可以大大降低风塔的顶部位移(防止局部变形)。这种盖板可以被内配合到顶部塔部分的上端。
[0038]图7示出了用于提高风力涡轮机塔刚度的盖板的一个实施例。该盖板620可以为实心的柱体或圆锥几何体，这取决于塔的横截面，并且盖板620具有等于塔部分的内径的半径624。该盖板620可以以各种方式被附接到顶部塔部分，包括采用从塔的外侧延伸并被拧入盖板的外部径向表面上的孔中的径向螺栓，如图8所示。
[0039]较小的塔尖位移是因下列因素而产生的，即由与塔部分所使用的材料相比具有较低杨氏模量(钢铁)的材料制成的指板和由与塔部分所使用的材料相比具有较高杨氏模量的材料制成的盖板。实际上，盖板可用作牺牲性盖板以转移大部分载荷。比如，盖板可以被附接到最高位的罐且通常可以具有大约300mm的轴向长度625。
[0040]盖板620可以进一步包括穿过面640的大约5-8个的多个加强筋690。加强筋690可以包括高度691、宽度692、间距693以及长度694的I梁或H梁。加强筋690可以大体上占据盖板的底面640。加强筋690可以通过焊接或其它本领域公知的方式被附接到盖板上。采用加强筋690大大减少了塔尖的位移，同时使得盖板的轴向长度625大大减小。比如，在采用加强筋的情况下，轴向长度约20mm的铝质盖板提供很高的刚度，从而将塔尖位移减小到大约与基础塔相似的程度。
[0041]图8示出了包括盖板620的示例性风力涡轮机塔610的一个实施例，盖板620被附接到最上端的罐630，位于风力涡轮机塔610的顶端部分655内，用于提高刚度。该盖板620包括与最上端罐630的内部半径相匹配的半径624。该盖板620可以包括轴向长度或厚度625。环状周向法兰650可以通过焊接或其它本领域公知的方式被径向地附接到上部罐630的顶端645。周向法兰650的上水平面675可以支撑偏航轴承660，偏航轴承660具有塔至偏航轴承的紧固件665。该偏航轴承660承受底座670的重量，底座670支撑位于机舱680内的风力涡轮机传动系675。该周向法兰650可以进一步包括塔至盖板的紧固件635，紧固件635穿过最上端的罐630而附接并且为盖板620提供竖向支撑。
[0042]图9示出了用于提高风塔刚度的方法的流程图。在多个具有大体上平坦的端面的相邻管状部分之间的多个无法兰接合部采用指板组件。在步骤810中选择了用于指板的材料，该材料的杨氏模量比管状部分材料的杨氏模量小以限制管状部分的变形。在步骤820中限制在由指板组件接合的无法兰接合部处的、位于多个塔部分的相邻端面之间的罐间间距，该步骤可以包括将罐间间距限制在0mm到大约3mm之间，优选地为0mm或尽可能接近0mm。在步骤830中选择用于紧固多个无法兰接合部中的每个接合部的指板的数量，该步骤可以包括将用于紧固每个接合部的指板的数量选定为，使得该数量在罐间间距受到限制的情况下提供可接受的塔变形。限制罐间间距导致风塔的刚度得到提高，使得指板数量被减少到基础设计的5个指板以下。因此，该步骤可以包括选择3个用于紧固每个接合部的指板。
[0043]在步骤840中确定指板组件中的指板的周向角(因而确定周向尺寸)、纵向长度和径向厚度。为指板选择尺寸包括设定大约40至大约50度的周向角、设定大约1000mm至约1100mm的径向长度、以及设定大约40mm的径向厚度。这些优化的尺寸在保持指板材料的体积恒定不变的同时使塔的变形最小化。在步骤850中将适用于增加风塔刚度的盖板安装到顶端管状部分的上端部。步骤850可以包括选择指板材料，该材料的杨氏模量比盖板的材料的杨氏模量低。在步骤860中可以通过将加强构件附接到盖板的表面上而加强塔的顶端。
[0044]虽然本文中仅图示并描述了本发明的某些特征，本领域技术人员可以想到很多改型和变型。因此，可以理解的是，所附权利要求旨在覆盖落入本发明的真实范围内的所有这些改型和变型。
Claims (10)
1.一种风力涡轮机塔(100)，包括：
多个管状部分(140)，其中所述多个管状部分中的每个管状部分(140)包括大体上平坦的端面；
无法兰接合部(500)，其中每个单独的无法兰接合部设置在相对且相邻的管状部分(140)之间；
多个指板组件(510)，所述多个指板组件(510)绕每个无法兰接合部(500)均匀分布，其中每个指板(540)包括周向角(520)、纵向尺寸(530)、和径向厚度(535)；以及
用于提高所述风力涡轮机塔(100)的刚度以抵抗横向摇摆的装置。
2.根据权利要求1的风力涡轮机塔(100)，其中，所述无法兰接合部(500)包括介于相邻的管状部分(140)之间的被控制的罐间间距(28)。
3.根据权利要求2的风力涡轮机塔(100)，其中，用于提高所述风力涡轮机塔的刚度以抵抗横向摇摆的装置包括：被控制的罐间间距(28)，该罐间间距(28)优选地保持为接近0mm。
4.根据权利要求3的风力涡轮机塔(100)，其中，用于提高所述风力涡轮机塔的刚度以抵抗横向摇摆的装置包括：以约为40度至55度的周向角(520)绕所述无法兰接合部(500)均匀分布的三个指板组件(510)。
5.根据权利要求4的风力涡轮机塔(100)，其中，绕所述无法兰接合部(500)均匀分布的所述三个指板组件(510)中的每个包括：设定的大约1000mm至1100mm的纵向尺寸(530)。
6.根据权利要求5的风力涡轮机塔(100)，其中，所述指板组件(510)的径向厚度(535)接近40mm。
7.根据权利要求1的风力涡轮机塔(100)，其中，绕所述无法兰接合部(500)均匀分布的所述三个指板组件(510)中的每个包括：具有比所述管状部分(140)的材料的杨氏模量小的杨氏模量的材料。
8.根据权利要求5的风力涡轮机塔(100)，其中，顶端部分(655)包括接合在顶端(645)处的加强盖板(620)。
9.根据权利要求8的风力涡轮机塔(100)，其中，所述加强盖板(620)包括背衬加强筋(690)。
10.根据权利要求9的风力涡轮机塔(100)，其中，所述加强盖板(620)进一步包括具有比所述指板组件(510)的杨氏模量大的杨氏模量的材料。
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