CN102235320A - 用于风力涡轮机塔架的壁区段和风力涡轮机塔架 - Google Patents

Abstract

本文描述了一种用于风力涡轮机的塔架的壁区段（101，201），所述壁区段包括：围绕所述壁区段的开口（113，213）的内边缘（115，117；215，217）；在所述壁区段的厚度方向上突出并横向（103，105；203，205）于所述厚度方向延伸的突出部（119，121，123，125；219，221）。本文还描述了一种风力涡轮机塔架，包括：塔壁部分（127，327）；和根据实施例的壁区段（101，201），其中所述壁区段在所述壁区段的外边缘的至少一部分连接到所述塔壁部分。

Description

用于风力涡轮机塔架的壁区段和风力涡轮机塔架

技术领域

本发明涉及一种用于风力涡轮机塔架的壁区段和一种风力涡轮机塔架。特别是，本发明涉及一种用于风力涡轮机塔架，具有用来增大风力涡轮机塔架刚度的突出部的壁区段。

风力涡轮机包括塔架、安装于塔架顶部的机舱和连接于机舱的轮毂，其中一个或更多个转子叶片安装于轮毂上，将机械能传递到与发电机连接的转子轴。通常在塔架的底部部分提供用来进入塔架内部以用于维持目的的门。门要求在风力涡轮机塔架的壁内部有开口。风力涡轮机塔架的壁通常由诸如钢的金属制成。

背景技术

WO 2006/050723 A1公开了一种用于风力涡轮机的具有适于安装门的孔的塔架部件。塔架部件具有基本一致的厚度，且比安装具有孔的塔架部件的塔架壁片段要厚。

WO 03/036085 A1公开了一种用于构造风力涡轮机的塔架的结构单元，其中该结构单元具有通孔以用于容纳门，其中该结构单元至少部分形成为浇铸部件。

可能存在对于具有适于容纳门的开口的风力涡轮机塔架的壁区段的需求，其同时提供足够的结构硬度和刚度，以便不会降低风力涡轮机塔架的刚度，这时壁区段用作风力涡轮机塔架的底部部件的一部分。而且，可能存在对于具有降低的重量并能提供足够结构硬度和强度以适于作为风力涡轮机塔架壳体的一部分的风力涡轮机塔架的壁区段的需求。

发明内容

此需求可以通过根据独立权利要求的主题来满足。本发明的有利实施例通过附加权利要求来描述。

根据一个实施例，提供一种用于风力涡轮机的塔架的壁区段，其中壁区段包括围绕壁区段的开口的内边缘；和在壁区段的厚度方向上突出且横向于厚度方向延伸的突出部。

壁区段可被配置成形成风力涡轮机塔架的一部分，或特别是在风力涡轮机塔架的底部部分形成风力涡轮机塔架壳体的一部分。壁区段主要沿两个不同的侧向方向延伸，这两个不同的侧向方向即壁区段的最大跨度的方向。壁区段在横向于这两个侧向方向的厚度方向上延伸一非常小的量，其中该量表示壁区段的厚度。厚度具体可以在20mm-100mm之间，具体在20mm和75mm之间，更具体是在30mm和50mm之间。在垂直方向上的侧向跨度可以在200cm和400cm之间，具体在300cm左右，在另一侧向方向具体是在塔架的圆周方向上的侧向跨度可以在110cm和300cm之间，具体在250cm左右。

壁区段可包括一个外边缘，其包括在垂直方向上走行的两个垂直外边缘，并包括沿风力涡轮机塔架的圆周方向走行的两个圆周外边缘。在壁区段的中央部分，提供由壁区段的内边缘围绕的一个开口。内边缘可包括沿垂直方向走行的两个垂直内边缘部分和分别界定上侧和下侧开口的上部内边缘和下部内边缘。上部内边缘以及下部内边缘可具有弧形形状（具体是圆的一个片段）或可具有笔直形状。

而且，根据一个实施例，壁区段可包括用于通风的通风口，其中，壁区段中通风口的数目可以在1和20之间，具体是在1和10之间，更具体是在1和3或者更大之间。（若干）通风口可具有比开口更小的尺寸。

开口可被配置成容纳门。开口的尺寸可制成使人能在直立位置横越开口（例如门口）。根据另一实施例，开口的尺寸可以取决于应用情况。该尺寸可以例如足够大以将大的组件（跨度具体在2m和10m之间，或者跨度在2m和5m之间）通过该开口运进风力涡轮机内部，或通过该开口将这些组件运出涡轮机。

壁区段可包括用于安装门的安装元件。

突出部可成形为肋、隆起部或适用于壁区段的通常的支架结构。突出部可被设计成增加壁区段的刚度或结构硬度。不考虑突出部，壁区段可具有一致厚度。突出部可提供对壁区段的加强或支撑，以补偿由于壁区段中央的开口造成的降低的刚度。因此，壁区段能很好地用作风力涡轮机塔架的壳体部分，而不会不利地影响风力涡轮机塔架的结构硬度和刚度。

突出部的厚度和/或宽度可在1mm-200mm之间，具体在20mm-60mm之间，更具体在30mm-50mm之间，具体约40mm。突出部可具体包括诸如钢的金属。突出部可被固定到壁区段，诸如通过使用螺栓或通过焊接。根据其它实施例，突出部（一个或更多个突出部）是与壁区段一体成形的，诸如通过浇铸包括突出部的壁区段。开口可以在浇铸壁区段之后切割得到。可替代地，壁区段可包括轧制金属，使金属弯曲并在弯曲的金属上安装突出部的制造步骤。因此，制造成本可被降低，同时提供适于结合到风力涡轮机塔架中的壁区段。

根据一个实施例，突出部的几何形状、材料、尺寸和布置可通过计算机建模计算得出。

根据一个实施例，突出部横向于厚度方向且平行于壁区段的内边缘的一部分和/或平行于外边缘的一部分延伸。因此，突出部可提供圆周（水平）肋加强，并且还可以提供壁区段的垂直肋加强和/或对角加强。具体地，突出部可被设置成与壁区段的外边缘隔开，并且可被设置成也与壁区段的内边缘隔开。突出部可以例如被设置在壁区段的外边缘和壁区段的内边缘之间。因此，壁区段的硬度和刚度可提高、增强而不会增加壁区段的整体厚度，因此降低了壁区段的重量，并降低了壁区段的成本。

根据一个实施例，突出部在壁区段的外边缘的一部分和内边缘的一部分之间纵向地延伸。具体地，突出部可向上延伸到壁区段的外边缘的一部分和/或内边缘的一部分。因此，突出部可一直从外边缘部分延伸到内边缘部分。由此，特别是在开口区域或者在开口周围的区域，壁区段通过突出部得到有利加强，以达到增加其刚度目的。

根据一个实施例，突出部在壁区段的一部分外边缘和与壁区段的该部分外边缘相对的另一部分外边缘之间纵向地延伸。具体地，突出部可以从壁区段的一部分外边缘一直延伸到与壁区段的该部分外边缘相对的另一部分外边缘。因此，突出部可在两个侧向方向上，即垂直方向和圆周（水平）方向上越过壁区段的整个侧向跨度而延伸。在其它实施例中，突出部不会延伸越过壁区段的整个侧向跨度，而是延伸到壁区段的一部分外边缘和另一部分外边缘之间的侧向跨度的大约60-80%。由此，重量可以减轻，同时可以加强特别是开口周围的区域，从而增加其刚度和强度。

根据一个实施例，壁区段进一步包括设置在以下两者之间的另一突出部，即开口和外边缘的圆周侧部分，开口和外边缘的垂直向上部分和/或开口和外边缘的垂直向下部分。具体地，该另一突出部可提供壁区段的附加加强。具体地，该另一突出部可围绕在开口周围以有效地从结构上支撑壁区段，尤其是开口周围的区域内的那部分。

可提供在壁区段的厚度方向上突出并在垂直方向、圆周方向和/或圆周方向和垂直方向之间的方向上延伸的一个或者更多个突出部。

根据一个实施例，壁区段的厚度从壁区段的外边缘向内边缘（且因此向开口）增加。由此，可不考虑突出部在厚度方向上突出的厚度，来确定壁区段的厚度。因此，突出部的厚度不会计算在以此定义确定壁区段的厚度之内。从壁区段的外边缘向内边缘的厚度增加可等于50-200%，具体是55-150%。因此，壁区段在外边缘的厚度可等于约10mm-70mm，具体是20mm-50mm，更具体是25mm-40mm，具体约32mm, 壁区段在内边缘的厚度可等于10mm-150mm，具体是75mm-125mm，具体在100mm左右。因此，从外边缘到内边缘厚度可增加1.5-4倍，具体是2-3.5倍，具体是3倍左右。由此，壁区段的结构硬度和刚度可在不要求沿壁区段的整个区域以一致方式增加壁区段的整个厚度的情况下得以提高，而不会阻碍结构强度。

浇铸的壁区段可具有可在开口周围增大的板厚度，以产生由于开口损失的刚度。通过一点一点增加板厚度，可以利用内壳在所有方向上以少的材料产生的大的惯性力矩，其中内壳的该大的力矩尤其集中在开口周围。

根据一个实施例，壁区段包括一个凸面和一个凹面，其中突出部被设置在凹面上。凹面可以是提供组装后风力涡轮机塔架内表面的一部分的表面。与将突出部设置在凸面相比，将突出部设置在凹面可产生增强的结构硬度和刚度。

根据一个实施例，壁区段具有圆柱形片段或圆锥体片段的形状。具体地，壁区段可以至少基本具有圆柱体分段或圆锥体分段的形状。由此，壁区段可容易地插入到风力涡轮机塔架壳体中。圆柱体的直径可以在200cm-800cm，根据一个实施例具体是350cm-450cm。

根据一个实施例，壁区段包括浇铸金属。壁区段可由许多个浇铸金属部件组装而成，或者可以被制造成一体成形的浇铸金属结构。从而，由于不一定要由需要彼此固定的许多个部件来组装壁区段，所以可以简化制造过程。浇铸壁区段可具有适于作为风力涡轮机塔架壳体的壳体部分的形状，且具有形成在壁区段的厚度方向上突出的突出部的形状。

根据一个实施例，浇铸金属包括钢，具体是根据DIN标准17182的GS-20Mn5V钢，或者具有与GS-20Mn5V钢至少基本相同性质的钢，或者具有与S355钢至少基本相同性质的钢。由此，由浇铸金属制成的壁区段可完全焊接到风力涡轮机塔架的其它壁区段。

根据一个实施例，浇铸金属包括性质不如上述钢的钢。

根据一个实施例，壁区段进一步包括至少一个（或者更多个，具体1-10）适于空气通过的洞。

根据一个实施例，提供一种包括上述实施例的壁区段并包括塔壁部分的风力涡轮机塔架，其中壁区段在壁区段的外边缘的至少一部分连接到塔壁部分。通过将壁区段连接到塔壁部分，可以组装风力涡轮机塔架的至少底部部分。壁区段的外边缘可包括在垂直方向上延伸的部分和在水平（圆周）方向上延伸的部分。垂直方向可至少基本平行于风力涡轮机塔架的对称轴。圆周方向可至少基本垂直于垂直方向。通过在风力涡轮机塔壁或风力涡轮机塔架壳体中使用壁区段，可以简单方式制造风力涡轮机塔架，同时降低成本。

根据一个实施例，塔壁部分通过焊接与壁区段连接。可以进行焊接把壁区段的外边缘的一部分和塔壁部分的边缘连接在一起。通过焊接，在塔壁部分和壁区段之间可提供足够强的连接，而不需要附加的安装元件。在一个实施例中，壁部分是使用螺栓或螺丝连接到壁区段的。

根据一个实施例，突出部适于补偿由于壁区段中的开口造成的塔架刚度的降低。具体地，通过在壁区段中提供突出部，可（例如根据风力涡轮机的容量）补偿刚度的降低至少50%，具体是75%，更具体是90%，更具体是100%。根据其它实施例，与没有壁区段的塔架相比，通过在在塔架的下部提供具有突出部的壁区段，塔架的刚度甚至会被增强（具体增强超过10%）。因此，塔架可位于高风速的恶劣环境中。

根据一个实施例，提供一种用于制造风力涡轮机塔架的制造方法，其中该方法包括制造用于风力涡轮机塔架的壁区段，以及将壁区段组装并安装到塔壁部分。所述壁区段包括围绕壁区段的开口的内边缘；和在壁区段的厚度方向上突出并横向于厚度方向延伸的突出部。

应该注意已经参照不同的主题描述了本发明的实施例。具体地，已经参照方法类型的权利要求描述了一些实施例，参照设备类型的权利要求描述了其它实施例。但是，本领域技术人员会从上述及下文描述得出，除非另外注明，除属于一种类型主题的特征的任何组合之外，与不同主题相关的特征之间，具体是方法类型权利要求的特征和设备类型权利要求的特征之间的任何组合认为被本文档公开。

通过下文将要描述的实施例的示例，本发明的上述定义的方面和其它方面会很明显，并参照实施例的示例来对其进行解释。下文将参照实施例的示例更加详细地描述本发明，但本发明并不局限于此。

附图说明

现在参照附图描述本发明的实施例。

图1A示意性显示根据一个实施例用于风力涡轮机塔架的壁区段的侧视图；

图1B示意性显示根据一个实施例插入了壁区段的风力涡轮机塔架的横截面顶视图；

图2A、图2B和图2C示意性图解说明根据一个实施例用于风力涡轮机塔架的壁区段的侧视图和壁区段的横截面视图；

图3以透视图示意性显示根据图2A、图2B和图2C中图解的实施例用于风力涡轮机塔架的具有插入了壁区段的风力涡轮机塔架的一部分；和

图4A和图4B图解说明根据另一实施例用于风力涡轮机塔架的壁区段。

具体实施方式

附图中的图解是示意性的。应注意在不同附图中，相似或相同元件是用相同的附图标记或参考符号表示的，相应附图标记只在第一个数字有所不同。

图1A示意性显示根据一个实施例用于风力涡轮机塔架的壁区段101的侧视图。在图解说明的实施例中，壁区段是一个整体成形的浇铸金属部件，包括根据DIN标准17182的钢GS-20Mn5V。此种钢的性质类似于钢S355的材料性质，杨式模数为2.1e5 MPa，泊松比为0.3，密度为7.85e(-6)kg/mm³，抗拉屈服强度为355MPa，钢的分项系数为1.2。

图1A中图解说明的壁区段101包括在垂直方向103和水平方向105上延伸的类板结构。壁区段101具有两个垂直外边缘107，即上部水平边缘109和下部水平边缘111。在壁区段101的中央部分，提供开口113，其具有适当的尺寸以使人能越过开口113。开口被壁区段101的两个垂直内边缘115和壁区段101的两个水平内边缘117围绕。

壁区段101的厚度方向垂直于图1A的制图平面走行。壁区段101在水平方向105的范围依应用而定，可以例如在100cm和500cm之间，具体在200cm和300cm之间，或者可具有不同的尺寸。壁区段101在垂直方向103的跨度可在250cm和350cm之间。壁区段在与方向103和105垂直的厚度方向上的厚度可以是20mm-150mm，具体是30mm-100mm。根据一个实施例，壁区段的厚度（不考虑壁区段提供的任何突出部）在整个壁区段上是一致的，厚度为30mm-50mm。根据另一实施例，厚度（不考虑任何突出部）在垂直方向103和水平方向105的范围内是变化的，其中具体地壁区段的厚度从壁区段101外边缘107、109、111向内边缘115、117增加。外边缘107、109、111是直边。同样，内边缘115、117包括直的部分，也包括彼此垂直走行的边缘115、117接合位置处的圆形部分。

为了增加壁区段101的刚度，壁区段包括许多个突出部119、121、123和125。这些突出部在厚度方向上即垂直于图图1A的绘图平面从壁区段上突出，从而形成加强肋。突出部119、125在垂直方向103上延伸，而突出部121、123在水平方向105上延伸。具体地，突出部119在壁区段101的上部水平外边缘109和下部水平外边缘111之间延伸。突出部125从壁区段101的水平内边缘117延伸到水平上部外边缘109和下部水平外边缘111。突出部121设置于开口113上面和下面，并在垂直的外边缘107之间延伸，其中它们的跨度等于壁区段在水平方向105上的整个跨度的约80%。突出部123从垂直内边缘115延伸到垂直外边缘107，但并不跨越垂直外边缘和垂直内边缘之间的整个距离，而仅跨大约70%-90%。突出部可以看作是具体增加壁区段101的机械稳定性的肋或隆起部，它们提供对增加壁区段101的刚度的加强。

图1B示意性显示图1A中图解的壁区段101结合到风力涡轮机塔架126中的横截面顶视图。风力涡轮机塔架部分127是一个具有圆形横截面的圆柱体片断。圆柱体的直径可以等于350cm-450cm。圆柱体片断127的厚度“a”可以是30mm-40mm。圆柱体片断127可以由轧制钢形成。

壁区段101在垂直外边缘107焊接到圆柱体片断127。从图1B中可以看出，壁区段101的突出部119、125形成于壁区段101的凹面129。凹面129表示风力涡轮机塔架126的内表面的一部分。从图1B可以看出，当忽略突出部119、125的厚度时，壁区段101的厚度“d”是一致的。

其它实施例可包括处于不同位置在与突出部119、121、123和125不同的方向上走行的附加突出部。

根据一个实施例，壁区段101不是一体成形的浇铸金属部件，而是通过轧制钢、弯曲钢并将肋部安装到弯曲的钢板上制成的。

图2A示意性显示根据一个实施例的壁区段201的侧视图。在图中用毫米单位给出壁区段201的尺寸。开口213由两个垂直延伸的具有笔直形状的内边缘215和具有圆形片段形状半径为611.4mm的两个内边缘217界定。这种特殊的略圆形状增强了壁区段201的稳定性。与图1A中图解的实施例不同，图2A中图解的壁区段201只包括4个基本围绕开口213的突出部219和221。其它实施例包括更多的用于壁区段201的突出部。

图2A中图解的壁区段201的实施例和图1A和图1B中图解的壁区段101的实施例的不同之处是图2A、图2B和图2C中图解的壁区段201在垂直方向203和水平方向205上具有变化的厚度，使得在垂直于图2A的绘图平面的厚度方向上的厚度从壁区段201的外边缘207、209和211到内边缘215和217是增加的。壁区段201的外形从显示横截面图的图2B和图2C中可明显看出。显然，厚度从外边缘209的32mm增加到内边缘217的100mm。同样，从图2C中显然，壁区段的厚度从垂直外边缘207的40mm单调增加到垂直内边缘215的102mm。因此，与具有一致厚度32mm或40mm的壁区段相比，壁区段201的刚度和结构强度得以增强。而且，突出部219和221增强了壁区段的机械强度。

根据一个实施例，一个或者更多个突出部可应用于图1A、图1B中图解的壁区段101或者图2A、图2B和图2C中图解的壁区段201的凸面。

图3示意性图解说明根据一个实施例的风力涡轮机塔架326的一部分。风力涡轮机塔架326包括为风力涡轮机塔架提供壁结构或壳体结构的片断327。该片断327可具有类似于圆锥体的形状或者类似于圆柱体的形状。为了维修人员能够进入风力涡轮机塔架326内部，图2A、图2B和图2C中图解的壁区段201在其边缘207、209处被焊接到塔架片断327。维修人员然后可以通过开口213进入塔架326的内部。开口213可以通过门关闭，门可通过未图解的安装元件可转动地连接到壁区段201。

图4A和图4B示意性显示根据另一实施例的壁区段401。壁区段401与图1和图2中图解的壁区段101、201类似地被构造，但其与这些实施例的不同之处在于它包括对称设置于对称轴（镜像轴）433两侧的突出部430，其中这些突出部430是沿对角线（即在垂直方向403和水平方向405之间的方向上）设置的。由此，关于水平方向405的倾角可以在20^o和70^o之间，具体在30^o和60^o之间，具体在45^o左右。

从图4B的横截面图可以看出，突出部430从壁区段401突出一个量P，其中P可以等于30mm和80mm，具体在60mm左右。而且，壁区段401和突出部的厚度t是相似尺寸的，可以等于30mm-50mm之间，具体在40mm左右。壁区段的突出部和外表面之间的边缘是圆形的，具有半径R可以介于30mm和50mm之间，具体是40mm。

根据一个实施例，壁区段的几何形状、制造材料和其它机械参数是被优化的，使得插入了壁区段的风力涡轮机塔架具有等于或者大于不带开口的塔架的惯性模量的一个惯性模量。具体地，可以使用3个刚度（在水平方向的位移和绕另一水平方向和垂直方向的两个旋转度）作为拓扑优化、几何形状优化模拟的约束。而且，可以考虑浇铸约束以及几何形状约束。由此，形状优化适应不改变风力涡轮机塔架的整体刚度。具体地，可以使用有限元分析来进行模拟。具体地，可以分析剪切力效应，以及弯曲力矩效应，关于垂直方向施加的力矩的效应和由变形载荷引起的效应。具体地，可针对不同的设计布局分析范米斯应力（Von Mises Stress），以便选择表现出最佳性能的壁区段的设计。

应注意词语“包括”并不排除其它元件或步骤，“一个”并不排除是复数。同样，与不同实施例结合描述的元件可以进行组合。还应注意权利要求书中的标记不应认为是对权利要求范围的限制。

Claims (14)

1. 一种用于风力涡轮机的塔架的壁区段（101，201），所述壁区段包括：

围绕所述壁区段的开口（113，213）的内边缘（115，117；215，217）；

在所述壁区段的厚度方向上突出且横向（103，105；203，205）于所述厚度方向延伸的突出部（119，121，123，125；219，221）。

2. 根据权利要求1所述的壁区段，其中所述突出部横向于所述厚度方向并且并行于所述壁区段的内边缘的一部分和/或平行于外边缘（107，109，111；207，209，211）的一部分延伸。

3. 根据权利要求1或2所述的壁区段，其中所述突出部（123，125）在所述壁区段的外边缘的一部分和内边缘的一部分之间纵向延伸。

4. 根据权利要求1-3中任一项所述的壁区段，其中所述突出部（119，121；219，221）在所述壁区段的外边缘的一部分和与所述壁区段的该部分外边缘相对的另一部分外边缘之间纵向延伸。

5. 根据权利要求1-4中任一项所述的壁区段，其中所述壁区段包括设置在以下两者之间的另一突出部：开口和外边缘的圆周侧部分之间，开口和外边缘的垂直上部之间，和/或开口和所述外边缘的垂直下部之间。

6. 根据权利要求1-5中任一项所述的壁区段，其中所述壁区段的厚度从所述壁区段的外边缘到内边缘是增加的。

7. 根据权利要求1-6中任一项所述的壁区段，其中所述壁区段包括凸面（130）和凹面（129），其中所述突出部设置于所述凹面处。

8. 根据权利要求1-7中任一项所述的壁区段，其中所述壁区段具有圆柱体片段形状。

9. 根据权利要求1-8中任一项所述的壁区段，其中所述壁区段包括浇铸金属。

10. 根据权利要求9所述的壁区段，其中所述浇铸金属包括钢，特别是根据DIN标准17182的GS-20Mn5V钢，或具有与GS-20Mn5V钢至少基本相同性质的钢，或具有至少基本与S355钢相同性质的钢。

11. 根据权利要求1-10中任一权利要求所述的壁区段，进一步包括适于用作空气通道的至少一个洞。

12. 一种风力涡轮机塔架，包括：

塔壁部分（127，327）；和

根据权利要求1-10中任一项所述的壁区段（101，201），

其中所述壁区段在所述壁区段的外边缘的至少一部分连接到所述塔壁部分。

13. 根据权利要求12所述的风力涡轮机塔架，其中所述塔壁部分通过焊接连接到所述壁区段。

14. 根据权利要求12或13所述的风力涡轮机塔架，其中所述突出部适于补偿由于所述壁区段的开口造成的塔架刚度的降低。

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