CN102787987B - 具有塔架支撑系统的风力涡轮机和相关构造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有塔架支撑系统的风力涡轮机和构造的相关方法。风力涡轮机具有安装在塔架顶上的机舱，并具有围绕塔架的基座部分构造的支撑系统。支撑系统包括围绕基座部分径向分隔开的多个支撑翅。每个支撑翅具有固定到塔架的连续头部构件、和从头部构件朝向地面径向向外并向下延伸的连续面构件。支撑翅包括在头部构件和面构件之间延伸的腹板。支撑翅从塔架以相对于塔架的纵轴线的延伸锐角延伸一长度，以围绕塔架的圆周提供竖直和横向支撑。

Description

具有塔架支撑系统的风力涡轮机和相关构造方法
技术领域
本发明一般地涉及风力涡轮机领域，更具体地涉及用于风力涡轮机塔架的支撑系统。
背景技术
兆瓦范围的现代陆基(“陆上”)风力涡轮机变得功率越来越大并相应地尺寸越来越大。支撑这些风力涡轮机的发电组件的塔架的高度会远超过60米。例如，GE Wind Energy提供具有75米、85米和100米的标准可用毂高度的2.5MW风力涡轮机。毂高度超过100米的更大风力涡轮机变得越来越普遍。
这些大型风力涡轮机的塔架结构(特别是在塔架的基座部分(base portion)处)巨大，其中需要显著的占地面积和重量以实现塔架支撑设计标准。在这方面，塔架的制造、运输和架设变得越来越昂贵。在很多情况下，下部塔架部分的尺寸是对于地点选择和将塔架部分运输到该地点的限制因素。例如，塔架部分不能超过当地管辖对于火车和卡车运输的最大尺寸和重量限制。
相应地，本行业将受益于改进的塔架结构，该塔架结构能够在显著的毂高度下支撑更大的风力涡轮机，而不存在常规塔架的尺寸、重量和成本问题。
发明内容
本发明的各个方面和优点将在下面的描述中部分地阐明，或者可以从说明书明显得出，或者可以通过实施本发明而得知。
根据本发明的各个方面，风力涡轮机具有安装在塔架顶上的机舱。机舱用任意方式的风力涡轮机发电组件构造。塔架具有基座部分，基座部分构造为在任意方式的适合地面水平基础上用于支撑。塔架支撑系统具有围绕塔架的基座部分径向分隔开的多个支撑翅(Support fin)。每个支撑翅具有固定到塔架的连续头部构件(Header member)、和从头部构件朝向地面径向向外并向下延伸的连续面构件(Face member)。例如，面构件可以从头部构件的顶端延伸，以使得支撑翅具有整体上大致三角形形状。每个支撑翅还包括在头部构件和面构件之间延伸的腹板(web)结构。支撑翅从塔架以相对于塔架的纵轴线的延伸锐角延伸一长度，以围绕塔架的圆周提供竖直和横向支撑。
支撑系统用于减小塔架基座部分的重量和占地面积。在这方面，塔架可以是从支撑翅的位置到塔架的底端具有基本恒定直径的管状构件，并且塔架还可以沿着这个区段具有基本恒定的每单位长度质量。
在具体实施例中，支撑翅可以围绕塔架的圆周在尺寸和延伸角方面改变，以适应围绕塔架的不平坦地面地形或任何其他因素。
头部构件可以以各种方式固定到塔架基座部分。例如，在具体实施例中，多个竖直定位并间隔开的轴承座在支撑翅的位置处固定到基座部分，头部构件固定到轴承座。因此，头部构件处于与塔架相距一隙距处，并间断地由轴承座支撑。在替换实施例中，头部构件可以沿着头部构件的长度被固定而直接抵靠塔架的外圆周表面。例如，头部构件可以具有被直接螺栓连接到塔架的法兰。
支撑系统可以包括对准结构，对准结构构造在头部构件和基座部分之间以确保支撑翅围绕塔架的精确布置和定位。该对准结构可以是例如设置在头部构件或基座部分中的一者上的一个或多个突起，该突起与限定在基座部分或头部构件中的另一者中的凹口接合。
支撑翅腹板也可以改变。在一个实施例中，腹板是在头部构件和面构件之间延伸的、具有多个支架的开口网格结构。这些支架可以稳固地固定到头部构件，或者在不同的实施例中，这些支架可以相对于头部构件具有一定程度的相对移动或“浮动”，以适应塔架或支撑翅中的任意设计的挠曲。
在其他实施例中，腹板可以是在头部构件和面构件之间延伸的大致连续板状构件。任意图案的孔或通道可以限定为穿过板状构件，以减小重量。
可望对塔架和头部构件之间的某些或全部连接点增加结构刚性和强度。例如，通过焊接、粘结、粘合化合物或任意其他适合手段，可以将加强支撑环在连接位置处固定到基座部分。支撑环可以固定为围绕基座部分的外圆周或抵靠塔架基座部分的内圆周表面。在头部构件经由轴承座固定到基座部分的实施例中，轴承座可以固定到支撑环。
进一步的，所述的风力涡轮机的所述塔架包括多个堆叠分段，在相邻分段之间具有接头，至少一些所述轴承座在所述接头处固定到所述基座部分。
进一步的，所述风力涡轮机还包括至少一个支撑环，所述支撑环在所述头部构件连接到所述基座部分的位置处固定到所述基座部分。
进一步的，所述支撑环围绕所述基座部分的外圆周固定。
进一步的，所述风力涡轮机还包括多个竖直定位并间隔开的轴承座，所述轴承座固定到所述基座部分，所述轴承座中的至少一个固定到所述支撑环，所述头部构件固定到所述轴承座。
本发明还包括用于围绕风力涡轮机塔架的基座部分架设塔架支撑系统的各种方法实施例。围绕基座部分的圆周限定用于连接支撑翅的位置。在每个位置，各个支撑翅的连续头部构件固定到基座部分。支撑翅具有连续面构件、和在头部构件和面构件之间延伸的腹板。
在具体方法实施例中，通过在每个支撑翅位置处固定多个间隔开并竖直定位的轴承座、并将头部构件固定到轴承座，而将头部构件间断地固定到基座部分。可望将支撑环固定到基座部分，并将每个支撑翅位置处的至少一个轴承座固定到支撑环。可替换地，头部构件可以沿着头部构件的纵向长度被固定为直接抵靠基座部分。
当完成时，支撑翅可以是开口网格结构，其中通过将面构件连接到头部构件、并在头部构件和面构件之间固定多个支架，而将支撑翅构造在风力涡轮机地点处。可替换地，支撑翅可以预组装并被运送到风力涡轮机地点，其中通过将头部构件固定到塔架上的限定位置，而将支撑翅构造在塔架上。
本发明还包括一种用于风力涡轮机的塔架支撑系统，所述塔架支撑系统包括：多个支撑翅，其构造成围绕风力涡轮机塔架的基座部分径向隔开；每个所述支撑翅包括连续头部构件和连续面构件，所述连续头部构件具有固定到所述风力涡轮机塔架的构造，所述连续面构件从所述头部构件朝向地面径向向外并向下延伸；以及每个所述支撑翅包括在所述头部构件和所述面构件之间延伸的腹板；其中，当组装到所述风力涡轮机塔架时，所述支撑翅从所述塔架以相对于所述塔架的纵轴线的延伸锐角延伸一长度，以围绕所述塔架的圆周提供竖直和横向支撑。
进一步的，所述的塔架支撑系统的所述腹板包括开口网格结构或大致连续板状构件中的一者，所述开口网格结构具有在所述头部构件和所述面构件之间延伸的多个支架，所述大致连续板状构件在所述头部构件和所述面构件之间延伸。
参考下列描述和所附权利要求书，可以更好地理解本发明的这些及其他特征、方面和优点。附图结合于本说明书中并组成本说明书的一部分，这些附图示出本发明的实施例，并且附图与说明书一起用于说明本发明的原理。
附图说明
参照附图，在说明书中阐明本发明针对本领域技术人员的完全和能够实现的公开(包括本发明的最佳实施方式)，其中：
图1是根据本发明的各个方面的具有塔架支撑系统的风力涡轮机的透视图；
图2是具有围绕塔架的基座部分设置的多个支撑翅的风力涡轮机塔架的顶视剖面图；
图3是支撑翅的实施例的顶视剖面图；
图4是支撑翅的替换实施例的顶视剖面图；
图5是具有＝构造有支撑翅的另一实施例的塔架的侧视图；
图6是图5的支撑翅的透视图；以及
图7是塔架和支撑翅之间的对准结构的实施例的顶视剖面图。
36 轴承座
附图标记列表： 38 螺栓
10 风力涡轮机 40 延伸部分
12 塔架 42 塔架分段
13 基座部分 43 法兰
14 机舱 44 接头
16 叶片 45 螺栓
18 转子毂 46 对准结构
20 地面水平基础 48 突起
24 塔架支撑系统 50 凹口
26 支撑翅 52 腹板
28 头部构件 54 支架
30 法兰 56 空间
32 螺栓孔 58 板状构件
33 螺栓 60 开口
34 面构件 62 支撑环
35 基座 64 底脚
具体实施方式
现在将详细参考本发明的实施例，本发明的实施例的一个或多个示例在附图中示出。每个示例提供用以解释本发明，而不是作为对本发明的限制。实际上，对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可以在本发明中进行各种修改和变化。例如，作为一个实施例的一部分所示出或描述的特征可以与另一实施例一起使用，以获得又一实施例。因此，本发明旨在包括在所附权利要求书及其等价形式范围内的这些修改和变化。
图1示出具有塔架12和机舱14的风力涡轮机10，机舱14安装在塔架12顶上。多个涡轮机叶片16安装到转子毂18，转子毂18转而连接到使机舱14内的主转子轴旋转的主法兰。风力涡轮机发电和控制组件容纳在机舱14内。塔架12可以属于任意常规构造，并且具有由任意方式的适合地面水平基础20所支撑的基座部分13。在图示实施例中，塔架12由通常架设在涡轮机地点上的多个堆叠分段42限定。如本领域众所周知的，例如通过将分段42的端部法兰43(图3)与螺栓45进行螺栓连接，而将分段42结合在结合线44处。
仅仅为了进行说明，提供图1的风力涡轮机10以将本发明放置在示例性使用领域中。应当理解，本发明不限于任意特定类型的风力涡轮机构造。
图1还示出根据本发明的各个方面的塔架支撑系统24的实施例。如图2所示，支撑系统24包括围绕塔架沿圆周间隔开的多个径向延伸的支撑翅26。支撑翅26构造成围绕塔架12的基座部分13并朝向机舱14延伸到一高度，该高度可以作为任意数量的变量的函数而改变，所述变量包括塔架12的整体高度、由塔架12支撑的重量、在具体陆上地点中塔架12的位置等。例如，支撑翅26可以延伸的高度在从基座部分13的底部测量的塔架12的高度的约25％至约75％之间。支撑翅26的具体高度不是本发明的限制因素。
因为支撑系统24向塔架12(以及安装在塔架12顶上的所有组件)提供已设计的横向和竖直支撑程度，所以塔架12的基座部分13不需要像在现有的塔架结构中一样宽或一样重。在例如图1和图5所示的具体实施例中，塔架12因此可以从支撑翅26的顶部到塔架12的底部具有相对恒定的直径。也就是说，塔架12不需要沿着基座部分13显著地向外逐渐变粗来提供像现有技术塔架结构中一样的相对大支撑占地面积。此外，结合支撑系统24的塔架12不需要具有其他塔架结构中所需要的重量。
参考图1，多个支撑翅26被绘示为大致均匀成形的三角形结构。应当理解，各个支撑翅26具有不同的尺寸和形状。例如，某些支撑翅26可以具有与其他支撑翅相比从塔架12进一步延伸的基座方面35，或者具有比其他支撑翅26更大的高度尺寸。这些差异可能是部分地由于围绕地面水平基础20的地形轮廓。因此，应当理解，各个支撑翅26的尺寸、形状和位置可以作为塔架12位置的函数而改变，这使得塔架12可以被架设在倾斜地形上、或山底或这类地形的其他高地等。可以利用塔架支撑系统24将以前无法使用的地点用于架设风力涡轮机10。
再参考图1，支撑翅26具有连续头部构件28，如下文详细描述的，头部构件28通过任意适合的手段固定到塔架12。每个支撑翅26还包括连续面构件34，面构件34从头部构件28朝向地面径向向外并向下延伸。例如，支撑翅可以具有大致三角形形状，其中连续面构件34从头部构件28的顶部径向向外并向下延伸。在替换实施例中，面构件34不需要延伸到头部构件28的顶部，而是可以沿着头部构件28从任意中间位置延伸。
如下文更详细所述的，每个支撑翅26还包括在头部构件28和面构件34之间延伸的腹板结构。
在图1、3和4的实施例中，多个竖直定位并间隔开的轴承座36在支撑翅26的各个位置处被固定到塔架。例如用螺栓33(图3和4)、焊接、结合材料等将这些轴承座36稳固地固定到塔架。如图1具体所示，轴承座36提供用于头部28的连接位置。例如，参考图3和4，头部构件28可以由基本为T形的梁构件所限定，其中用螺栓33(螺栓33还可以用于将轴承座36连接到塔架分段42)将法兰部分30螺栓连接到轴承座36。
如上所述，塔架12可以由通过螺栓45在接头44处结合的多个堆叠分段42限定。如图1所示，这些接头44限定对于轴承座36在结构上稳固的连接位置。对于不能定位在结合线44上的附加轴承座36，可望在连接位置上提供塔架12上的加强构件。例如，参考图4，支撑环62可以通过任何适合的手段(例如，结合材料、焊接、粘结等)连接到塔架分段42的外和/或内圆周表面。一个或多个环62向塔架12和轴承座36提供增加的结构支撑。环62可以如图4所示以围绕塔架12而组装在一起的多个分段的形式设置，或者环62可以是在塔架12组装之前在塔架分段42上滑动的连续支撑环。
在替换实施例中，头部构件28可以直接固定为抵靠塔架12，而没有插入结构(例如轴承座36)。例如，图5和6示出支撑翅26包括连续头部构件28的实施例，该连续头部构件28可以具有例如带有法兰30的大致为T形或L形的梁，(具有螺栓孔32的)法兰30的轮廓适于直接地用螺栓连接或以其他方式连接为抵靠塔架12。在图6的实施例中，翅26沿着头部构件28以及沿着连续面构件34而由相邻构造的L形法兰所限定。
具体采用头部构件28直接固定为抵靠塔架12的实施例，可望在头部构件28和塔架12之间提供对准结构46。例如，参考图7，对准结构可以包括任意方式的突起48和相应凹口50，突起48设置在塔架分段42或者头部构件28中的任一者上，而凹口50设置在另一者的各自组件上。在图7中，突起48限定在塔架分段42上，凹口50限定在头部构件28中。突起48可以是竖直设置在塔架分段42上的连续构件，或者突起48可以包括间隔开的构件。类似的，凹口50可以是限定在头部构件28中(例如在图6的实施例中相邻的梁之间)的连续通道，或者凹口50可以是沿着头部构件28的长度限定的一系列独立凹口。接合对准结构46提供用以确保翅26相对于塔架12的恰当布置和定向的手段。
在图1、3和4的实施例中，腹板52是具有在头部构件28和面构件34之间延伸的多个支架54的开口网格型结构。这些支架54可以是任意形式的梁、管、或其他刚性支撑构件。支架54可以通过任意适合手段(包括机械紧固件(例如，螺栓)、焊接、环氧树脂等)稳固地固定到面构件34和头部构件28。图4示出焊接到头部构件28的延伸部分40的支架54(头部构件28可以是T形梁构件)。
在图3所示的替换实施例中，可以期望的是，支架54相对于头部构件28具有一定程度的相对移动。例如，支架54可以稳固地固定到面构件34，而头部构件28的延伸部分40可自由地在支架54之间所限定的空间56内“浮动”或滑动。如果支撑翅26设计成适应可能由运行条件(例如，大风、地震等)的任意组合引起的塔架12的相对移动，则这种特定构造可能是所期望的。
在图5和6的实施例中，腹板52由大致连续的板状构件58限定，板状构件58在头部构件28和面构件34之间延伸。可以沿着与头部构件28和面构件34的配合边缘来焊接或以其他方式永久连接板状构件58。为减少重量或其他原因，任意方式和图案的开口或孔60可以限定为穿过板状构件58。
参考图1和5，应当理解，可以沿着支撑翅26的基座35设置任意方式的底脚64或其他支撑件，以相对于地面支撑支撑翅26的径向延伸部分。
如上文概括所述，本发明还包括用于围绕风力涡轮机塔架12的基座部分引导塔架支撑系统24的各种方法实施例。例如，在具体实施例中，方法包括围绕塔架的基座部分的圆周而限定支撑翅的位置。在每个这样的位置上，各个支撑翅26的连续头部构件28固定到塔架，支撑翅还具有在头部构件和面构件之间延伸的连续面构件34和腹板52。
在具体方法实施例中，如上所述，在将头部构件28固定到轴承座36之前，多个间隔开并竖直定位的轴承座36可以在各个支撑翅位置的每一个位置上固定到塔架的基座部分。在另一实施例中，如上所述，在连接轴承座36之前，支撑环62可以连接到塔架的外或内圆周表面。
在替换方法实施例中，头部构件28可以沿着头部构件28的纵向长度固定为直接抵靠塔架的基座部分，而不需要插入连接结构。
方法还包括在将连续头部28固定到塔架的基座部分之前预构造支撑翅，以使得支撑翅26作为预组装单元连接到塔架，这会对图5和6的实施例特别有用。
尽管针对具体示例性实施例及其方法详细地描述了本主题，但是应当理解，本领域技术人员在理解前文所述的基础上可以容易地作出对上述实施例的替换、改变和等价形式。因此，本发明公开的范围是作为示例而不是限制，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本主题公开没有排除包括对本主题的这样的修改、改变和/或补充。

Claims (13)

1.一种风力涡轮机(10)，其包括：
机舱(14)；
塔架(12)，所述机舱安装在所述塔架的顶上，所述塔架具有基座部分(13)；
塔架支撑系统(24)，所述塔架支撑系统还包括：
径向围绕所述基座部分间隔开的多个支撑翅(26)；
每个所述支撑翅包括连续头部构件(28)和连续面构件(34)，所述头部构件固定到所述塔架，所述面构件从所述头部构件朝向地面径向向外并向下延伸；并且
每个所述支撑翅包括在所述头部构件和所述面构件之间延伸的腹板(52)；
其中，所述支撑翅从所述塔架以相对于所述塔架的纵轴线的延伸锐角延伸一长度，以围绕所述塔架的圆周提供竖直和横向支撑，
所述风力涡轮机还包括至少一个支撑环(62)，所述支撑环在所述头部构件(28)连接到所述基座部分的位置处固定到所述基座部分(13)。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机(10)，其特征在于，所述风力涡轮机还包括多个竖直定位并间隔开的轴承座(36)，所述轴承座固定到所述基座部分，所述头部构件(28)固定到所述轴承座。
3.根据权利要求1所述的风力涡轮机(10)，其特征在于，所述头部构件(28)沿着所述头部构件的大致整个纵向长度被固定为直接抵靠所述基座部分(13)。
4.根据权利要求3所述的风力涡轮机(10)，其特征在于，所述风力涡轮机还包括在所述头部构件(28)和所述基座部分(13)之间构造的接合对准结构(46)，其中，所述对准结构包括接合在凹口(50)中的突起(48)，所述突起位于所述头部构件或所述基座部分中的一者上，所述凹口限定在所述基座部分或所述头部构件中的另一者中。
5.根据权利要求1所述的风力涡轮机(10)，其特征在于，所述腹板(52)是具有在所述头部构件(28)和所述面构件(34)之间延伸的多个支架(54)的开口网格结构，其中，所述支架构造在所述头部构件上、并在所述头部构件的横向方向上相对于所述头部构件具有浮动度。
6.根据权利要求1所述的风力涡轮机(10)，其特征在于，所述支撑环(62)围绕所述基座部分(13)的外圆周固定，所述风力涡轮机还包括多个竖直定位并间隔开的轴承座(36)，所述轴承座固定到所述基座部分，所述轴承座的至少一个固定到所述支撑环，所述头部构件固定到所述轴承座。
7.一种用于围绕风力涡轮机塔架(12)的基座部分(13)架设塔架支撑系统(24)的方法，其包括：
围绕所述基座部分的圆周限定用于连接支撑翅(26)的位置；以及
在每个位置上，将支撑翅的连续头部构件(28)固定到所述基座部分，所述支撑翅具有连续面构件(34)、和在所述头部构件与所述面构件之间延伸的腹板(52)，
所述风力涡轮机还包括至少一个支撑环(62)，所述支撑环在所述头部构件(28)连接到所述基座部分的位置处固定到所述基座部分(13)。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法包括：在每个支撑翅位置上固定多个分隔开并竖直定位的轴承座(36)，并将所述头部构件(28)固定到所述轴承座。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法包括：沿着所述头部构件的纵向长度将所述头部构件(28)直接固定为抵靠所述基座部分(13)。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，完成的支撑翅(26)是开口网格结构，所述方法包括：将所述面构件(34)连接到所述头部构件(28)，并将所述头部构件和所述面构件之间的多个支架(54)固定在风力涡轮机地点处。
11.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法包括：在将连续头部构件(28)固定到所述基座部分(13)之前预构造所述支撑翅(26)，以使得所述支撑翅作为预组装单元连接到所述塔架(12)。
12.一种用于风力涡轮机的塔架支撑系统(24)，所述塔架支撑系统包括：
多个支撑翅(26)，其构造成围绕风力涡轮机塔架(12)的基座部分(13)径向间隔开；
每个所述支撑翅包括连续头部构件(28)和连续面构件(34)，所述连续头部构件具有固定到所述风力涡轮机塔架的构造，所述连续面构件从所述头部构件朝向地面径向向外并向下延伸；以及
每个所述支撑翅包括在所述头部构件和所述面构件之间延伸的腹板(52)；
其中，当组装到所述风力涡轮机塔架时，所述支撑翅从所述塔架以相对于所述塔架的纵轴线的延伸锐角延伸一长度，以围绕所述塔架的圆周提供竖直和横向支撑，
所述风力涡轮机还包括至少一个支撑环(62)，所述支撑环在所述头部构件(28)连接到所述基座部分的位置处固定到所述基座部分(13)。
13.根据权利要求12所述的塔架支撑系统(24)，其特征在于，所述腹板(52)包括开口网格结构或大致连续板状构件(58)中的一者，所述开口网格结构具有在所述头部构件和所述面构件之间延伸的多个支架(54)，所述大致连续板状构件在所述头部构件和所述面构件之间延伸。
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