CN102439250A - 用于风轮机塔结构的组件连接装置 - Google Patents

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Abstract

本发明一种用于风轮机塔结构的塔段(100；110)，其包括至少两个壳部分(10、10’；11、11’)，所述壳部分在组装好的状态下限定基本中空的结构，并且包括用于沿着接合部(210)相互连接两个相邻的壳部分(10、10’；11、11’)的第一连接装置(200)，所述第一连接装置包括混凝土柱(220)，该混凝土柱布置成搭接相邻的壳部分(10、10’；11、11’)之间的接合部(210)的至少一部分。还提供一种用于构建风轮机塔结构的塔段(100；110)的方法，以及一种风轮机，该风轮机包括具有可转动的桨叶的机舱和由至少一个这种塔段(100；110)制成的竖向的塔。

Description

用于风轮机塔结构的组件连接装置
技术领域
本发明涉及一种用于风轮机塔结构的塔段。本发明尤其用于但不限于大型风轮机塔，并且通常用于必须承受高载荷的管状结构。
根据本发明的塔段包括两个或更多个壳部分。在组装好的状态下，壳部分限定基本中空的结构，该基本中空的结构在下文中称为塔段。根据本发明的塔段包括用于沿接合部将两个相邻的壳部分相互连接的第一连接装置。
本发明还涉及用于建造这种用于风轮机塔结构的塔段的方法和风轮机，该风轮机包括具有可转动的桨叶的机舱和竖直的塔，该塔包括至少一个所述塔段。
背景技术
根据塔高度和风轮机的功率，风轮机塔结构所涉及的费用通常是风轮机的总成本的大约百分之20-25。因此，尽可能理想地建造塔对于最终风轮机成本而言是非常重要的。逐渐增高的风轮机(约80米)的发展使得必须考虑结构部分中的高载荷。由风推力引起的高弯曲力矩和载荷要求塔段直径和壁厚增大。然而，实际上，例如由于运输的要求，塔尺寸是受到限制的(例如直径最大4.5米)。这种限制导致塔成本虽壁厚增大而非线性地增加，因而所获得的塔设计并不理想。而且，塔设计中也有其它限制，例如由于制作过程而引起的塔壁厚的限制。
通过使用由壳部分和用于将壳部分彼此连接的连接装置形成的塔，可以实现大直径风轮机塔的应用。连接在一起的壳部分限定闭合的塔段，并且彼此连接的塔段(布置成一个在另一个上)限定风轮机塔结构。
例如在WO2007095940中公开了这种构造的一个示例，该文献涉及一种风轮机塔，该风轮机塔包括通过板和螺栓彼此连接的两个或更多个相邻的壳部分。
WO2004083633提供一种风车钢塔，其包括许多塔段，每个塔段都包括两个或更多个长形壳部分，所述壳部分借助由螺栓紧固在一起的竖向凸缘而组合成完整塔段。
这些方案的主要缺点在于，由于在竖向凸缘连接装置处需要大量预应力螺栓，因而制造、安装和维护成本较高。
发明内容
本发明提供一种塔段，其构造使得可以建造高风轮机塔结构，该风轮机塔结构能承受作用在风轮机塔上的较高载荷。如在此所使用的，塔段表示塔结构(例如风轮机塔机构)的每个管级(tubular level)。在此所使用的塔结构因此表示一个在另一个之上竖向布置的若干塔段，但在一限制实施例中，塔结构可以仅包括一个塔段。如在此所使用的，壳部分表示整体的板(例如弯曲的金属板)，所述板在组装好的状态下限定基本中空的结构，即，塔段。
本发明的塔段包括至少两个壳部分，所述壳部分可以由诸如钢的金属制成。本发明的塔段的形状可以是圆筒形或截头圆锥形的，在后者的情况下布置成直径朝向基座增大，以便增大强度并节省材料。
根据本发明的塔段设有用于沿接合部将两个相邻的壳部分相互连接的第一连接装置。所述第一连接装置可以包括混凝土柱，该混凝土柱布置成搭接塔段中相邻壳部分之间的接合部的至少一部分。
第一连接装置的混凝土柱在塔段组装好的状态下基本竖向地布置。混凝土柱可以由钢筋混凝土制成，并且可以根据需要而布置在所述中空结构的内部或所述中空结构的外部，或者甚至既布置在所述中空结构的内部又布置在所述中空结构的外部。
塔段的壳部分的第一连接装置还包括模型，该模型成形成限定待用混凝土填充的内部体积(以形成连接壳部分的柱)。模型例如可以包括与第一壳部分相连的第一板和与相邻的第二壳部分相连的第二板。在组装好的情况下，相邻的壳部分的第一和第二板分别限定适于用混凝土填充的内部体积。其它模型构造当然也是可以的，例如包括与一个壳部分相连的单个板的模型，所述单个板成形成限定适于用混凝土填充的内部体积。
壳部分中的至少一个可以设有抗剪连接件(例如焊接至壳部分)，该抗剪连接件从壳部分伸出并且在组装好的状态下嵌入在混凝土柱中。这样，在由模型限定的闭合空间内，当在所述组装好的状态下时，抗剪连接件和相应的钢筋一起嵌入在混凝土内。抗剪连接件和钢筋用于保证壳部分之间的抗剪强度的目的。
在一个实施例中，模型可以与壳部分中的至少一个形成一体(隐式模型(lost formwork))。在其它实施例中，模型可以从壳部分中的至少一个拆除。在这种情况下，由于模型可以再次用于不同的风轮机塔，因此可以降低成本。而且，可以在拆除模型后修补混凝土柱的不完整性。
本发明的塔段还设有第二连接装置，该第二连接装置用于将一个在另一个之上的两个相邻的塔段相互连接，以形成风轮机塔。第二连接装置可以包括适于接收和连接相邻的塔段的凸缘。在组装好的状态下，所述凸缘布置成与壳部分的周边相邻。
所述凸缘可以是圆形的，并且可以是连续的或不连续的。在第一和第二连接装置之间，即，在混凝土柱的一个端部与所述凸缘之间，可以限定间隙部分。该间隙部分用于允许装配紧固件(诸如螺栓、螺钉和类似物)的目的。在其它实施例中，不存在间隙部分，并且混凝土柱的一个端部可以与所述凸缘相邻，以便使柱的长度基本对应于塔壳部分的高度。在不连续的凸缘的实施例中，凸缘的不连续性例如可以是对应于混凝土柱形成的向外突出部分的形式，即，对应于柱的所述端部与凸缘相邻的部分，或者是提供由若干凸缘部分形成的凸缘，该凸缘布置成使得在靠近混凝土柱的一个端部的区域中形成有间隙。
本发明还提供一种构建用于风轮机塔结构的塔段的方法。所述方法包括以下步骤：提供至少两个这种壳部分；将所述壳部分设置成限定基本中空的结构；和形成混凝土柱，该混凝土柱布置成搭接相邻壳部分之间的接合部的至少一部分。例如，可以通过将混凝土灌注到由模型限定的闭合体积中并且允许混凝土设置成用于在结构上固定塔壳部分而进行柱的形成。一旦(通过连接相邻的壳部分)形成塔段，就可以进行下一步骤，即，通过使用第二连接装置，例如通过螺栓连接的弧形平凸缘，一个在另一个之上地相互连接两个相邻的塔段。提供第二连接装置允许若干塔段连接成一个在另一个之上，并且增大间隙部分中的凸缘刚度。
本发明还涉及包括机舱的风轮机，该机舱具有可转动的桨叶和竖向塔，该竖向塔包括一个或多个这种塔段。
本发明的主要优点在于，不需要在塔结构的整个使用寿命中定期地控制大量螺栓的预张力。这使得相关成本降低。另外，由于不需要像在由若干壳部分(使用竖向凸缘和较长的竖向焊接线来将凸缘连接成壳部分)形成的现有技术塔结构中那样沿着接合部的长度进行维护，因此进一步降低了维护成本。
本发明的额外优点在于，使用混凝土柱可以最好地适应尺寸公差，并且由于混凝土柱防止接合部密封材料劣化而获得可靠的接合部密封。
附图说明
下文中将参照附图仅以非限制性示例的方式描述根据本发明用于风轮机塔结构的塔段的具体实施例，其中：
图1是两个壳部分的部分剖视图，所述两个壳部分对应于一个在另一个之上用于形成塔的不同塔段；
图2是沿图1中的直线AA’得到的同一塔段中的两个相邻壳部分的部分俯视图，其中示出第一连接装置；
图3-5是同一塔段中两个相邻壳部分的部分俯视图，其中示出包括隐式模型的第一连接装置的一个实施例；
图6是用于第一连接装置的模型的加强结构的一个示例的俯视图；
图7是同一塔段中两个相邻壳部分的部分俯视图，其中示出具有布置在塔段外部的可拆除的模型的第一连接装置的一个实施例；
图8是同一塔段中两个相邻壳部分的部分俯视图，其中示出具有布置在塔段内部的可拆除的模型的第一连接装置的一个实施例；
图9和10是塔段的部分俯视图，示出第二连接装置的各实施例；
图11是同一塔段中两个相邻壳部分的部分俯视图，其中示出第一连接装置的另一个实施例；
图12是塔段的内部的正视图，示出第一连接装置；
图13是同一塔段中两个相邻壳部分的部分俯视图，其中示出第一连接装置的又一个实施例；
图14是塔段的正视图。
具体实施方式
塔结构(基本中空结构)包括多个塔段100、110。为了清楚起见，在图1中示出塔段中的两个。在使用中，塔段100、110一个设置在另一个上，以形成风轮机塔结构。塔段100由多个壳部分10、10’形成。同样，固定至所述另一塔段100的毗邻的塔段110由对应的壳部分形成，仅示出其中一个壳部分，并且用附图标记11指示。每个壳部分10、10’，11都由整体的弯曲的板形成，其由诸如钢的金属制成。
例如，图1示出不同塔段100、110的两个壳部分10、11，一个塔段布置在另一个塔段上，并且根据壳部分10、10’的几何形状以及因此根据所形成的塔段的几何形状限定圆筒或截头圆锥形的塔结构。
第一连接装置200用于沿着竖向接合部210相互连接两个相邻的壳部分10、10’；11。应理解，壳部分10和10’是在一个塔段100中相邻的，而壳部分11是在另一个不同的塔段110中相邻的。
第一连接装置200包括混凝土柱220，该混凝土柱在使用中设置成搭接相应的塔段100、110中的相邻壳部分10、10’；11之间的所述接合部210的至少一部分。在塔段100、110组装好的状态下，混凝土柱220布置成基本竖直的。混凝土柱220可以是高强度钢筋混凝土柱。为此，设有由若干加强件231、232、233形成的加强结构230。图6示出了主加强件231、232。额外的竖向杆233是所述第一连接装置200中的加强结构230的部件。
如图2所示，板和螺栓装置310、315也可以用于与第一连接装置200协同操作以增大强度。如下文将详细解释的，所述装置310、315可以装配在塔段100、110中的间隙部分290中。
可以提供第一连接装置200的若干实施例。例如，如图3-5和8-11中的实施例所示，第一连接装置200装配在塔结构内。在这些附图中，可以看出混凝土柱220如何布置在塔段100、110的内部。作为另一示例，例如在图7中的实施例中，第一连接装置200装配在塔结构外部，即，混凝土柱220布置在塔段100、110外部。而在图13中所示的本发明的又一实施例中，第一连接装置200既布置在中空结构内侧又布置在中空结构外侧，并且因此混凝土柱220也既布置在中空结构内侧又布置在中空结构外侧。
混凝土柱220是借助模型240形成的。模型240成形成限定待用混凝土填充(以形成连接壳部分10、10’；11的柱220)的内部体积。
在图2和3所示的实施例中，模型240与相应的塔段110、110形成一体(隐式模型)。在图4和5所示的实施例中，模型240包括与第一壳部分10相连的第一板245和与相邻的第二壳部分10’相连的第二板250。模型240的板245、250通过螺栓固定，该螺栓装配在模型240的两个板245、250的共用孔255中，如图4和5所示。
更具体地，模型240的板245、250是弯曲的，并且在使用中通过其一个边缘(例如通过焊接)附装至相应的壳部分10、10’，而一个板250的另一个边缘基本搭接另一个板245的对应的边缘(所述共用孔255形成在此处)。因此，形成一内部体积，适于用混凝土填充，以便形成柱220。在图7和8所示的实施例中，模型240可以从壳部分10、10’中的至少一个拆除。这是通过使用固定板320而实现的，所述固定板形成在模型240中，如图7和8所示。或者，如图11所示，可以通过使用连杆和板装置330、340而实现。图11中所示的该装置包括一连杆330，其一端附装至模型240的一部分，并且其相对端附装至纵向板340，该纵向板在与竖向接合部210相对应的部分中设置在塔段100的外侧。图11所示的实施例避免了使用固定板320，并且防止了模型240在填充有混凝土时向内弯曲。
抗剪连接件260设置成焊接至壳部分10、10’，并从其向内伸出。如图5所示，额外的抗剪连接件265也可以设置成焊接至模型240的板245、250，并且从其向内伸出。
在组装好的状态下，加强结构230和抗剪连接件260、265全都嵌入在混凝土柱220内，以保证壳部分10、10’；11、11’之间的抗剪强度。
为了将风轮机塔结构的已形成的塔段100、110一个在另一个之上地安装，提供第二连接件270。最好如图1、2、9和10所示，第二连接件270包括凸缘280，该凸缘适于将两个相邻的塔段100、110一个在另一个之上地相互连接，部分地如图1所示。每个塔段100、110的凸缘280都设有一系列孔285，用于接收对应的紧固螺栓。在组装好的状态下，凸缘280布置成与壳部分的周边相邻(参见图9和10)。
如图14所示，在第一和第二连接装置200、270之间，即，在混凝土柱220的一个端部300与凸缘280之间，限定有间隙部分290。该间隙部分290的目的是用于允许装配上述板和螺栓装置310、315，以与第一连接装置200协同操作，如图1和2所示。
凸缘280可以是圆形的。在图10所示的实施例中，凸缘280是连续的，而在图9所示的实施例中，凸缘280是不连续的。
凸缘的不连续性是向外突出部分的形式，所述向外突出部分形成为与混凝土柱(参见图10)相对应，即，与柱220的所述端部300与凸缘280相邻的位置处的部分相对应。
用于构建风轮机塔结构的塔段100、110的方法如下地进行：将两个或更多个壳部分10、10’、11、11’布置成限定基本中空的结构。然后通过以下方式形成混凝土柱220，即，将混凝土灌注到装配在相邻的壳部分10、10’；11、11’之间的模型结构240内，并且允许混凝土设置成用于在结构上固定塔壳部分，以便使所得到的混凝土柱220搭接壳部分10、10’；11、11’之间的接合部210的至少一部分。继而可以将模型结构240拆除，或者在模型240与壳部分10、10’中的至少一个形成一体的情况下将其留在原位(隐式模型)。
一旦如所公开的那样形成了塔段100，所述塔段100就连接至另一个相邻的塔段110。这可以通过相应塔段100、110的第二连接装置270(图9和10中所示的螺栓连接的弧形平凸缘280)实现。

Claims (18)

1.一种用于风轮机塔结构的塔段(100；110)，其包括至少两个壳部分(10、10’；11、11’)，所述壳部分在组装好的状态下限定基本中空的结构，并且包括用于沿着接合部(210)相互连接两个相邻的壳部分(10、10’；11、11’)的第一连接装置(200)，其特征在于，所述第一连接装置(200)包括混凝土柱(220)，该混凝土柱布置成搭接相邻的壳部分(10、10’；11、11’)之间的接合部(210)的至少一部分。
2.根据权利要求1所述的塔段(100；110)，其特征在于，所述混凝土柱(220)布置在所述中空的结构的内部。
3.根据权利要求1所述的塔段(100；110)，其特征在于，所述混凝土柱(220)布置在所述中空的结构的外部。
4.根据权利要求1所述的塔段(100；110)，其特征在于，所述混凝土柱(220)既布置在所述中空的结构的内部又布置在所述中空的结构的外部。
5.根据上述权利要求中的任意一项所述的塔段(100；110)，其特征在于，所述壳部分(10、10’；11、11’)中的至少一个设有从其伸出的抗剪连接件(260，265)，在所述组装好的状态下，所述抗剪连接件嵌入在所述混凝土柱(220)中。
6.根据上述权利要求中的任意一项所述的塔段(100；110)，其特征在于，所述第一连接装置(200)还包括模型(240)，该模型成形成限定待用混凝土填充的内部体积。
7.根据权利要求6所述的塔段(100；110)，其特征在于，所述模型(240)包括与第一壳部分(10；11)相连的第一板(245)和与相邻的第二壳部分(10’；11’)相连的第二板(250)，以便在所述组装好的状态下，相邻的壳部分(10、10’；11、11’)的第一板和第二板(245，250)相应地限定待用混凝土填充的内部体积。
8.根据权利要求6或7所述的塔段(100；110)，其特征在于，所述模型(240)与所述壳部分(10、10’；11、11’)中的至少一个形成一体。
9.根据权利要求6或7所述的塔段(100；110)，其特征在于，所述模型(240)能从所述壳部分(10、10’；11、11’)中的至少一个拆除。
10.根据上述权利要求中的任意一项所述的塔段(100；110)，其特征在于，所述第一连接装置的柱(220)由钢筋混凝土制成。
11.根据上述权利要求中的任意一项所述的塔段(100；110)，其特征在于，所述塔段还包括用于将相邻的两个塔段(100，110)一个在另一个之上地相互连接的第二连接装置(270)。
12.根据权利要求11所述的塔段(100；110)，其特征在于，所述第二连接装置(270)包括能接收并连接相邻塔段的凸缘(280)，所述凸缘(280)在组装好的状态下布置成与壳部分(10、10’；11、11’)的周边相邻。
13.根据权利要求12所述的塔段(100；110)，其特征在于，所述凸缘(280)是不连续的。
14.根据权利要求12所述的塔段(100；110)，其特征在于，所述凸缘(280)具有与所述混凝土柱(220)相对应地形成的向外伸出部分。
15.根据上述权利要求中的任意一项所述的塔段(100；110)，其特征在于，所述壳部分(10、10’；11、11’)由金属制成。
16.一种用于构建根据上述权利要求中的任意一项所述的用于风轮机塔结构的塔段(100；110)的方法，包括以下步骤：提供至少两个壳部分(10、10’)；将所述壳部分(10、10’)设置成限定基本中空的结构；和形成混凝土柱(220)，该混凝土柱布置成搭接相邻的壳部分(10、10’)之间的接合部(210)的至少一部分。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述方法还包括将两个相邻的塔段(100，110)一个在另一个之上地相互连接的步骤。
18.一种风轮机，其包括具有可转动的桨叶的机舱和竖向的塔，所述塔包括至少一个根据权利要求1-15中的任意一项所述的塔段(100；110)。
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