CN102374134B - 带有转接区段的塔架 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种带有转接区段的塔架。具体而言，提供了一种塔架(210)，该塔架具有底座(250)、位于底座(250)之上的至少一个混凝土塔架区段(214)以及一个或多个上部塔架区段(112)。转接区段(270)位于混凝土塔架区段(214)和其中一个上部塔架区段(112)之间。该转接区段(270)由紧固系统连接至其中一个上部塔架区段(112)，并由多根张紧的缆线(330)连接至底座(250)，多根张紧的缆线(330)配置成在混凝土塔架区段(214)上引起压缩力。紧固系统和多根张紧的缆线(330)大致竖直地对齐，从而将塔架负荷从上部塔架区段(112)传递至多根张紧的缆线(330)。

Description

带有转接区段的塔架
技术领域
本发明大体上涉及塔架。本发明具体地涉及在钢区段和混凝土区段之间具有转接器的风力涡轮机塔架，但是不限于此。
背景技术
最近，作为环境安全且相对廉价的替代能源，风力涡轮机已经获得了更多的关注。随着这种正在增加的兴趣，已经做出了可观的努力来开发可靠且高效的风力涡轮机。
通常，风力涡轮机包括具有多个叶片的转子。该转子安装至定位于桁架或管状塔架的顶部上的外壳或外罩。公用级风力涡轮机(即，设计成用于向公用电网提供电力的风力涡轮机)可以具有大型转子(例如，直径为30米或更大)。这些转子上的叶片将风能转变成驱动一个或更多发电机的旋转扭矩或旋转力，发电机可以通过传动箱旋转地联接至转子。传动箱为发电机提升了涡轮机转子的固有的低转速，从而高效地将机械能转化为供给至公用电网中的电能。
一些技术设备需要塔架或支柱，这些设备安装至该塔架或支柱。这种设备的非限制性的示例为风力涡轮机、用于广播或移动通讯的天线塔、用于桥梁工程中的桥塔、或者电杆。典型地，塔架由钢制成，并且必须连接至由钢筋混凝土制成的底座。在这些情况下，典型的技术方案是在塔架的底部提供一个大型的、实心的钢筋混凝土底座。在典型的应用中，该塔架底座在地面之下延伸约12米，并且直径能够为约18米或更大。
在更大的公用级风力涡轮机(例如，2.5MW或更多)中，常常期望具有高度为80米或更高的塔架。由更大的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于更高的平均风速的区域中，并且这导致了增加的能量产生。塔架高度的增加总是导致塔架的质量、长度以及直径相应地增加。然而，由于当地的交通基础设施(例如，道路、桥梁、交通工具等)常常对塔架构件的长度、质量以及直径强加限制，因而变得难以建造和运输大型风力涡轮机。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了具有底座、位于底座之上的至少一个混凝土塔架区段以及一个或多个上部塔架区段的塔架。转接区段位于至少一个混凝土塔架区段和其中一个上部塔架区段之间。转接区段由紧固系统连接至其中一个上部塔架区段，并由多根张紧的缆线连接至底座。多根张紧的缆线配置成在混凝土塔架区段上引起压缩力。紧固系统和多根张紧的缆线大致竖直地对齐，从而将塔架负荷从一个或多个上部塔架区段传递至多根张紧的缆线。
根据本发明的另一方面，提供了具有塔架的风力涡轮机。该塔架包括底座、位于底座之上的至少一个混凝土塔架区段以及一个或多个上部塔架区段。转接区段位于混凝土塔架区段和其中一个上部塔架区段之间。转接区段由紧固系统连接至其中一个上部塔架区段，并由多根张紧的缆线连接至底座。张紧的缆线配置成在混凝土塔架区段上引起压缩力。紧固系统和多根张紧的缆线大致竖直地对齐，从而将塔架负荷从上部塔架区段传递至张紧的缆线。
附图说明
图1显示了具有混凝土塔架区段的一个示范性的风力涡轮机；
图2显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面图；
图3显示了根据本发明的一个方面的转接区段的透视图；
图4显示了根据本发明的一个方面的图3的转接区段的横截面图；
图5显示了根据本发明的一个方面的图3的转接区段的另一横截面图；
图6显示了根据本发明的一个方面的转接区段的横截面图；
图7显示了根据本发明的一个方面的转接区段的横截面图；
图8显示了根据本发明的一个方面的转接区段的横截面图。
部件列表
100风力涡轮机
110塔架
112上部塔架区段
114混凝土塔架区段
120外罩
130转子轮毂
140叶片
150底座
200风力涡轮机
202风向
210塔架
214混凝土塔架区段
250底座
270转接区段
310塔架螺栓
312螺帽
314垫圈
320联接环
322窗口
330张紧的缆线
332螺帽
334垫圈
340螺栓板
372通道端口
620C形联接环
710螺栓
712螺帽
714垫圈
720联接环
732螺帽
734垫圈
770转接区段
810螺栓
812螺帽
814垫圈
820联接环
821螺栓
822窗口
831张紧的缆线
832张紧的缆线
834螺帽
835垫圈
840螺栓板
具体实施方式
现在，将详细地说明本发明的各种方面，图中显示了本发明的一个或更多示例。各个示例是通过解释本发明而提供的，且不意味着限制本发明。例如，被说明或描述为一个方面的一部分的特征能够用于其他方面或者与其它方面结合，从而产生又一方面。本发明意图包括这样的修改和变更。
图1显示了风力涡轮机，本发明的方面可以有利地应用于该风力涡轮机。然而，应该懂得，本发明不被限制或限定于风力涡轮机，但是也能够应用于在其他技术领域中使用的塔架结构。具体而言，本发明的各种方面也可以应用于在广播或移动通讯中使用的天线塔，或者应用于在桥梁工程中使用的桥塔。因此，虽然将参照风力涡轮机举例说明该发明的方面，但是本发明的范围不应该被限制于此。
图1中显示的风力涡轮机100包括一个已知的塔架110，该塔架110在其顶端上承载着外罩120。包括转子轮毂130和转子叶片140的转子被附接至外罩120的一侧。塔架110安装在底座150上。塔架可以具有多个由轧制钢形成的叠层区段112和由混凝土形成的底部区段114。典型地，塔架底座150由钢筋混凝土的实体制成。
将上部塔架区段112附接至下部混凝土区段114是困难的。具体而言，从上部区段112向下部区段114传递的负荷能够包括张力和压缩力的混合。张力尤其可以在塔架110的零件中引起破裂或断裂。
为了捕获由更高的平均风速引起的更多的能量而增加塔架高度将是有利的。本发明的一个方面提供了塔架、塔架区段或至少部分地由混凝土制成的转接器。混凝土基底区段可以用于抬高常规的轧制钢塔架，或者整个塔架可以由混凝土形成。轧制钢部也可以由格子型塔架或桁架型塔架所取代。混凝土被定义为骨料和粘合料的混合物，或者任何合适的砖石支撑物。仅仅作为一个非限制性的示例，骨料可以是沙子和砂砾或碎石，并且粘合料可以是水和水泥。
混凝土抗压缩，但不抗张紧。钢在张力下是牢固的，所以将这两种要素结合导致产生非常牢固的混凝土构件。在常规的钢筋混凝土中，钢的高抗拉强度与混凝土的高抗压强度结合，以形成既抗压缩又抗张紧的建筑材料。钢筋混凝土的原理是，在施加负荷之前由混凝土部件中的高强度钢筋引起的压应力将在使用期间与强加于该部件中的张应力平衡。
可以通过预张紧钢筋或者后张紧钢筋而在钢筋混凝土中引起压应力。在预张紧中，钢在放置混凝土之前被拉伸。将高强度钢筋或缆线放置在两个支墩部之间，并拉伸至它们的极限强度的某个比例。将混凝土灌注至环绕钢筋/缆线的模子中并允许其固化。一旦混凝土达到所需要的强度，就释放该拉伸力。由于钢起到恢复它的初始长度的作用，因而张应力转换为混凝土中的压应力。
在后张紧中，钢或缆线在混凝土变硬之后被拉伸。首先混凝土被浇铸成期望的形状。一旦混凝土已经变硬至所需要的强度，则抵靠着单元的末端附接并拉伸钢筋或缆线，并且在外部脱离锚定，从而将混凝土放置在压缩状态中。根据本发明的一个方面，后张紧的混凝土用于风力涡轮机塔架、风力涡轮机塔架区段或者塔架区段之间的转接器。
图2显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，该塔架210可以包括一个或多个区段112。塔架区段112可以由轧制钢形成。混凝土塔架区段214位于塔架的底部，并支撑上部的区段112。混凝土塔架区段214可以形成在一个或多个区段中并具有锥形的(如图中所示)或圆柱形的形状。作为备选，塔架区段210和/或214能够具有任何期望的横截面，例如但不限于椭圆形、矩形、多边形等。
转接区段270能够用于将上部区段112连接至下部混凝土区段214。转接区段270可以包括形状为厚板、环或圆柱的预浇铸的部件。转接区段270也可以具有如在特定的应用中所期望的任何合适的形状。转接区段270配置成使塔架负荷力大致对齐，从而减小张力和剪切力，这将在下文中进一步讨论。
图3显示了根据本发明的一个方面的转接区段270的局部透视图，该转接区段270可以用在上部区段112和混凝土区段214之间。转接区段270可以由预浇铸的混凝土形成，该混凝土环绕着一套塔架螺栓310和联接环320而被模制。塔架螺栓310可以通过焊接、紧固件或任何其它合适的装置而固定至联接环320。联接环320可以是大致中空的部件、大致实心的部件，或者可以具有实心部分，并且可以具有任何合适的横截面轮廓，该横截面轮廓包括但不限于梯形(如图中所示)、多边形、圆柱形、I形、椭圆形或者矩形。
多根张紧的缆线330能够在一端固定至联接环320，并在另外一端固定至底座250。多个通道端口372可以设在转接器270中，并可以用于通向联接环320中的窗口322。通道端口372和窗口322周向地定位成分别环绕转接器270和联接环320。联接环320包括缆线330能够穿过的多个孔。在本发明的一个方面中，能够将缆线330的上端穿过，从而能够利用合适的紧固装置将缆线固定至联接环320。例如，螺帽332和垫圈334可以用于将缆线330的末端固定至联接环320。通道端口372和窗口322准许通向紧固装置和缆线330的上端。
螺栓板340可以放置在转接器270的顶部，并包括多个孔，塔架螺栓310穿过该孔。上部区段112包括法兰中的相似的多个孔，并放置在螺栓板340的顶部。塔架螺栓310的上端能够穿过，从而能够通过使用合适的紧固件(例如螺帽312和垫圈314)将上部区段固定至转接器270。然而，如具体的应用中所期望的，可以使用任何合适的紧固系统。
张紧的缆线330周向地定位成环绕混凝土区段214，并可以定位成接近混凝土区段214的外表面或外部表面且处于离混凝土区段214的外表面或外部表面大致相同的距离。术语“大致相同”可以被定义为具有近似同样的距离，或者具有稍微变化的距离(例如微小的锥度)。也就是说，张紧的缆线330能够平行于或者几乎平行于混凝土区段214的外表面或内表面。仅仅作为一个非限制性的示例，张紧的缆线330可以从混凝土区段214的顶部的外部表面或内部表面隔开大约2至12英寸，而缆线330可以从混凝土区段214的底部的外部表面或内部表面隔开大约6至18英寸。
缆线330可以属于后张紧型，并且，缆线330将压缩力施加至混凝土区段214的壁。使用外部缆线可以导致更大的力矩臂和更小的缆线力，并且，最终在与使用混凝土节段内部的缆线相比时，可能需要更小的缆线。在本发明的其它方面，张紧的缆线330定位成接近混凝土区段214的外部表面或内部表面，但是可以配置成具有离混凝土区段214的外部表面或内部表面稍微增加或稍微减小的距离。
在风力涡轮机200的运转期间，风沿着由箭头202指示的方向流动。风力在风力涡轮机和塔架上产生负荷。塔架的上风侧(即图2中显示的塔架的左侧)将处于张力下，而塔架的下风侧(即图2中显示的塔架的右侧)将处于压缩力下。如前面讨论的，混凝土在压缩力下表现得很好。然而，混凝土在张力下表现得不那么好。张紧的缆线330有助于抵消塔架区段214上的由风引起的张力。
图4显示了转接器270的横截面图。塔架螺栓310和缆线330沿着竖直方向对齐，从而经由联接环320将源于塔架螺栓310的任何张紧负荷(tensile load)直接传递至缆线330。该布置减小了任何剪切负荷或张紧负荷，以及由转接器270中的混凝土经受的任何后续的破裂。竖直对齐的塔架螺栓310和缆线330是本发明的一个方面。图5显示了转接器270的横截面图，显示了联接环320中的窗口322和转接器270中的通道端口372。
图6显示了根据本发明的另一方面的转接器270的横截面图。联接环620可以具有通常为C形的横截面轮廓。该布置可以促进通向并放置张紧的缆线330和它们的相关的紧固装置。通道端口372可以用于通向C形联接环620的开口部。竖直对齐的塔架螺栓310和缆线330减小了任何剪切负荷或张紧负荷，以及由转接器270中的混凝土经受的任何后续的破裂。
图7显示了根据本发明的另一方面的转接器770的横截面图。利用塔架螺栓710将联接环720附接至转接器770的底部。与前述的示例类似，可以经由螺栓板340、塔架螺栓710、螺帽712以及垫圈714将上部塔架区段112固定至转接器。利用合适的紧固装置，例如螺帽732和垫圈734，将缆线330固定至联接环720。竖直对齐的塔架螺栓710和缆线330减小了任何剪切负荷或张紧负荷，以及由转接器770中的混凝土经受的任何后续的破裂。
图8显示了根据本发明的另一方面的联接环820，联接环820能够用于将上部塔架区段112连接至下部混凝土区段214。联接环820使用了两套缆线，其中，内部缆线831位于混凝土塔架区段214之内，而外部缆线832位于混凝土塔架区段214之外。利用螺帽834和垫圈835，或者任何其它合适的紧固装置，可以将缆线831和832的上端穿过并固定至联接环820。利用螺栓821或任何其它合适的紧固装置，可以将联接环附接至混凝土塔架区段。联接环820可以是大致中空的部件、大致实心的部件，或者可以具有实心部分，并且可以具有任何合适的横截面轮廓，该横截面轮廓包括但不限于梯形(如图中所示)、多边形、圆柱形、I形、椭圆形或者矩形。
通过使用螺栓板840、塔架螺栓810、螺帽812和垫圈814，可以将上部塔架区段112附接至联接环820。缆线831和832的净力(netforce)与塔架螺栓810竖直地对齐，以减小任何剪切负荷或张紧负荷，并将负荷力直接传递至混凝土塔架区段214。窗口822可以设置在环绕联接环820的各种的内部和/或外部的周向位置。在本发明的其它方面，螺栓810可以焊接至联接环820上，并且，能够将该螺栓的上部穿过，以接受紧固件而附接上部塔架区段112。
缆线831和832定位成周向地环绕混凝土区段214，并且，可以定位成接近混凝土区段214的外表面和外部表面且处于离混凝土区段214的外表面和外部表面大致相同的距离。也就是说，张紧的缆线831和832能够平行于或者几乎平行于混凝土区段214的外表面和内表面。仅仅作为一个非限制性的示例，张紧的缆线831和832可以从混凝土区段214的顶部的外部表面或内部表面隔开大约2至12英寸，而缆线831和832可以从混凝土区段214的底部的外部表面或内部表面隔开大约6至18英寸。
由本发明提供的一个优势是减小塔架区段214上的有效的力矩臂。通过将张紧的缆线831和832定位成接近并位于混凝土区段214的两侧(即，内部和外部)，塔架减小了它的有效的力矩臂，从而向风负荷提供阻力。在本发明的一个方面，缆线832位于塔架壁之外，但是接近塔架壁。例如，当与具有内部缆线和外部缆线的直径更大的塔架相比时，具有内部缆线的直径非常小的塔架将需要更厚的壁和更粗的缆线以抵消由风施加的力。当与直径非常小的塔架相比时，直径更大的塔架可以由更薄的混凝土壁制成，并具有直径更小的缆线。
本书面的描述使用了示例来公开本发明，包括最佳模式，并且，也使得本领域的任何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，以及执行任何组合的方法。本发明的可以取得专利的范围由权利要求限定，并且，可以包括本领域的技术人员想到的其它示例。如果这些其它示例具有不异于权利要求的书面语言的结构要素，或者包括与权利要求的书面语言没有实质差别的等同的结构要素，那么，这些其它示例意图包括在权利要求的范围内。

Claims (19)

1.一种塔架，包括：
底座；
位于底座之上的至少一个混凝土塔架区段；
一个或多个上部塔架区段；以及
转接区段，位于所述至少一个混凝土塔架区段和其中一个所述上部塔架区段之间，所述转接区段由紧固系统连接至其中一个所述上部塔架区段，并且，所述转接区段由多根张紧的缆线连接至所述底座，所述多根张紧的缆线配置成在所述至少一个混凝土塔架区段上引起压缩力，所述转接区段包括多个通道端口，所述多个通道端口准许通向所述多根张紧的缆线的上端；
其中，所述紧固系统和所述多根张紧的缆线大致竖直地对齐，从而将塔架负荷从所述一个或多个上部塔架区段传递至所述多根张紧的缆线。
2.根据权利要求中1所述的塔架，其特征在于，所述转接区段还包括至少一个联接环，
其中，所述多根张紧的缆线连接至所述至少一个联接环。
3.根据权利要求2所述的塔架，其特征在于，所述至少一个联接环被埋入所述转接区段内或者附接至所述转接区段的底部。
4.根据权利要求2所述的塔架，其特征在于，所述至少一个联接环包括多个窗口，所述多个窗口准许通向所述多根张紧的缆线的上端。
5.根据权利要求2所述的塔架，其特征在于，所述至少一个联接环具有至少一个以下形状的横截面轮廓：
梯形、多边形、圆柱形，椭圆形、I形、矩形以及C形。
6.根据权利要求1所述的塔架，其特征在于，所述转接区段由混凝土构成。
7.根据权利要求1所述的塔架，其特征在于，所述一个或多个上部塔架区段由轧制钢构成。
8.根据权利要求1所述的塔架，其特征在于，所述转接区段还包括至少一个联接环，所述至少一个联接环连接至所述至少一个混凝土塔架区段和其中一个所述上部塔架区段，
其中，第一套所述多根张紧的缆线沿着所述至少一个混凝土塔架区段的内部延伸，并且，第二套所述多根张紧的缆线沿着所述至少一个混凝土塔架区段的外部延伸。
9.根据权利要求8所述的塔架，其特征在于，所述多根张紧的缆线的各个缆线从所述至少一个混凝土塔架区段的内部表面和外部表面隔开大致相同的距离。
10.根据权利要求9所述的塔架，其特征在于，所述塔架是风力涡轮机塔架。
11.一种具有塔架的风力涡轮机，所述塔架包括：
底座；
位于底座之上的至少一个混凝土塔架区段；
一个或多个上部塔架区段；以及
转接区段，位于所述至少一个混凝土塔架区段和其中一个所述上部塔架区段之间，所述转接区段由紧固系统连接至其中一个所述上部塔架区段，并且，所述转接区段由多根张紧的缆线连接至所述底座，所述多根张紧的缆线配置成在所述至少一个混凝土塔架区段上引起压缩力，所述转接区段包括多个通道端口，所述多个通道端口准许通向所述多根张紧的缆线的上端；
其中，所述紧固系统和所述多根张紧的缆线大致竖直地对齐，从而将塔架负荷从所述一个或多个上部塔架区段传递至所述多根张紧的缆线。
12.根据权利要求11所述的风力涡轮机，其特征在于，所述转接区段还包括至少一个联接环，
其中，所述多根张紧的缆线连接至所述至少一个联接环。
13.根据权利要求12所述的风力涡轮机，其特征在于，所述至少一个联接环被埋入所述转接区段内或者附接至所述转接区段的底部。
14.根据权利要求12所述的风力涡轮机，其特征在于，所述至少一个联接环包括多个窗口，所述多个窗口准许通向所述多根张紧的缆线的上端。
15.根据权利要求12所述的风力涡轮机，其特征在于，所述至少一个联接环具有至少一个以下形状的横截面轮廓：
梯形、多边形、圆柱形，椭圆形、I形、矩形以及C形。
16.根据权利要求11所述的风力涡轮机，其特征在于，所述转接区段由混凝土构成。
17.根据权利要求11所述的风力涡轮机，其特征在于，所述一个或多个上部塔架区段由轧制钢构成。
18.根据权利要求中11所述的风力涡轮机，其特征在于，所述转接区段还包括至少一个联接环，所述至少一个联接环连接至所述至少一个混凝土塔架区段和其中一个所述上部塔架区段，
其中，第一套所述多根张紧的缆线沿着所述至少一个混凝土塔架区段的内部延伸，并且，第二套所述多根张紧的缆线沿着所述至少一个混凝土塔架区段的外部延伸。
19.根据权利要求18所述的风力涡轮机，其特征在于，所述多根张紧的缆线的各个缆线从所述至少一个混凝土塔架区段的内部表面和外部表面隔开大致相同的距离。
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