CN104619435A - 网格框架的节点结构 - Google Patents

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Abstract

一种节点结构(12,14),其用于将网格框架的两个或更多个会聚构件(16,26)相互连接并且连接至所述网格框架的一个或多个其他构件。所述节点结构(12,14)包括间隔开的一对相对的面(30),这一对面是基本平面的并且基本相互平行。具有各自的中心纵向轴线的至少一对根部成形件(32)之间限定内角,这些轴线向外岔开以与所述网格框架的对应构件对准并且向内会聚在所述面(30)之间。在这一对根部成形件(32)之间的内连接壁(34)连接所述面的凹形弯曲内边缘(36)并且围绕所述内角以凹形曲面的形式延伸以接合所述一对根部成形件(32)。

Description

网格框架的节点结构
技术领域
[0001] 本发明涉及网格框架的节点结构并且涉及用于装配该节点结构的方法。
背景技术
[0002] 网格框架包括细长构件(通常为管),所述细长构件位于交叉的纵向轴线上并且可以通过节点结构接合起来,那些轴线在所述节点结构处交叉。这样的节点结构可以一体铸造成,或者可以由多个零件通过焊接制成。
[0003] 网格框架的实施例为风轮机或者其它离岸结构的“导管架”(jacket)底部结构,该“导管架”底部结构将用在后面的说明书中对本发明进行举例说明。导管架已在石油和天然气工业中用了很多年;最近它们在离岸风轮机应用中也已获得青睐,在离岸风轮机应用中超过约二十米的水深使得使用传统的单桩或基于重力的底部结构不切实际。
[0004] 图1中示出离岸风轮机的导管架。图1中示出的导管架10为反映了现有技术的常规总体形状,但包括根据本发明的多个节点结构12、14,所述节点结构将在后面具体参照图3至图9进行描述。
[0005] 在图1中示出的实施例中,导管架10包括四个向上会聚的管状腿部16,所述管状腿部共同地限定具有正方形水平横截面的四棱台。具有三角架建造的三棱锥也是可能的,在此情况下,所述三棱锥具有三角形的水平横截面。
[0006] 导管架10的腿部16将安置在预先堆砌的基础结构(未示出)中,所述基础结构固定至海床,该海床在水中的深度可能超过三十米。导管架10足够高以伸出水面,以使管状风轮机塔架可以安装在顶部,不接触水。为此,如图2中示出的过渡件20跨过导管架10,所述过渡件用于支撑风轮机塔架并且用于在其基部周围提供工作平台。
[0007] 图1示出了棱锥形导管架10的每面包括布置在上、下水平支柱24之间的向下尺寸增大的一系列十字X形支架22,所述上、下水平支柱在相邻一对腿部16之间延伸。每个X形支架22包括四个管状斜支柱26,所述斜支柱向内会聚以在中心X形节点结构12处连接并且朝各个K形节点结构14向外岔开,每个K形节点结构将导管架10的一面的两个斜支柱26连接至腿部16。在K形节点结构14将四个斜支柱26连接至关联腿部16 ( S卩,两个支柱26均来自导管架10的相邻面)的情况下,K形节点结构14可以被描述为双K形节点结构。
[0008] 在每个腿部16上的最上和最下节点可以被视为Y形节点结构28,因为它们将仅一个斜支柱26连接至关联腿部16,不过在来自导管架10的相邻面的两个斜支柱26连接至关联腿部16的情况下,Y形节点结构也可以被描述为双Y形节点结构。然而,Y形节点结构28类似于K形节点结构14,因为Y形节点结构也将水平支柱24连接至腿部16。
[0009] 对网格框架的节点结构来说,重要的是使应力集中最小。还期望节点结构紧凑以具有低材料成本并且期望节点结构使得对因波浪和潮汐而引起的水运动的阻力最小,所述水运动对导管架结构产生横向载荷。
[0010] 如果要装配节点结构,期望节点结构易于在世界各地由易得到的材料装配成并且具有最小的模具成本。然而,虽然本发明的优选方面涉及装配式节点结构,但是其他方面涉及独立于制造方式的形状特征并且因此可以在非装配式节点(诸如铸造节点)中实现。
发明内容
[0011] 从一个方面,本发明在于一种节点结构,所述节点结构包括:间隔开的一对相对的面,这一对面是基本平面的并且基本相互平行;具有各自的中心纵向轴线的至少一对根部成形件,所述一对根部成形件之间限定内角,这些轴线向外岔开以与所述网格框架的对应构件对准并且向内会聚在所述面之间;以及内连接壁,所述内连接壁布置在所述一对或每对根部成形件之间,所述内连接壁连接所述面的凹形弯曲内边缘并且围绕所述内角以凹形曲面形式延伸以接合所述一对根部成形件。
[0012] 在X形节点结构12的情况下,X形支架22的四个斜支柱26中任意两个(或三个)斜支柱可以视为网格框架的两个或多个会聚构件,在这种情况下,该X形支架22的四个斜支柱26中的其余两个(或一个)斜支柱可以视为网格框架的一个或多个其他构件。在K形节点结构14或Y形节点结构28的情况下,任意两个或更多个水平支柱24和/或斜支柱26可以视为网格框架的两个或更多个会聚构件,在这种情况下,腿部16可以视为网格框架的一个其他构件。
[0013] 本发明构思扩展到一种装配网格框架的节点结构的方法,所述方法包括将间隔开的一对相对的面与凹形弯曲的连接壁通过将所述连接壁接合至所述面的凹形弯曲边缘而连接。
[0014] 本发明还包括:一种网格框架,所述网格框架包括本发明的至少一个节点结构,或者包括根据本发明的方法制造的至少一个节点结构;一种风轮机设施,所述风轮机设施包括这样的网格框架;以及一种风电场,所述风电场包括一个或多个这样的风轮机设施。
[0015] 在其他方面中列出了本发明的多个可选特征。
[0016] 根据本发明的节点结构是紧凑的从而具有低的水阻力,并且易于由容易得到的材料装配成从而最小化模具需求。它们的形状有效地分配载荷、优化重量并且提供更大的焊接面积从而不会对焊接耐受性过度敏感。具体地,在导管架腿部上的大的焊接区域有助于降低腿部的厚度并因而整体上降低导管架的重量和成本。
附图说明
[0017] 为了可以更容易地理解本发明,现将以举例的方式参照附图,在所述附图中:
[0018] 图1是离岸风轮机的网格型导管架底部结构的立体图,所述底部结构具有其关联的基础结构,所述导管架包括根据本发明的各种节点结构,其中两个节点结构在图1中放大示出并且在图3至图9中进一步示出;
[0019] 图2是在图1的导管架顶上的过渡件的立体图;
[0020] 图3是根据本发明的X形节点结构和K形节点结构的立体图,所述X形节点结构和K形节点结构为图1的导管架的一部分;
[0021] 图4A、图4B以及图4C为与图3中示出的K形节点结构类似的K形节点结构的一组视图;
[0022] 图5A、图5B、图5C以及图为图4中示出的K形节点结构的适合用作Y形节点的变体的一组视图;
[0023] 图6是图4A、图4B以及图4C的K形节点结构的分解立体图,示出了该K形节点结构的组成部件;
[0024] 图7是对应于图6中示出的K形节点结构的K形节点结构的分解立体图,但示出了某些部件可以如何集成;
[0025] 图8A、图8B、图8C以及图8D为与图3中示出的K形节点结构类似的K形节点结构的一组视图;
[0026] 图9是图8A、图8B、图8C以及图8D的X形节点结构的分解立体图,示出了该X形节点结构的组成部件;
[0027] 图10至图12为一连串示意性侧视图,示出一根管,所述管围绕成形件、模具或芯轴弯曲,然后沿其中心轴线纵向分割成半圆形段;
[0028] 图13是示出半圆形段的立体图,所述半圆形段又分割成适合用于装配图9中以分解形式示出的X形节点结构的四分之一圆形段;
[0029] 图14A、图14B、图14C、图14D以及图14E为图9中以分解形式示出的X形节点结构的管形过渡段与用来热锻该过渡段的横截面形状的模具连接在一起的一组视图;
[0030] 图15A和图15B为示意平面图,分别示出了为本发明构思内的变体的X形节点结构和K形节点结构;
[0031] 图16A和图16B为示意平面图,分别示出了为本发明构思内的另一变体的X形节点结构和K形节点结构。
具体实施方式
[0032] 为了把本发明置于背景中,已参照了图1和图2。然后,接下来参照附图中的图3,该图示出图1中示出的网格框架导管架10的K形节点结构14和X形节点结构12。
[0033] K形节点结构14连接导管架10的管状腿部16至图1中示出的X形支架22的两个管状斜支柱26。将参照附图中的图4至图7描述K形节点结构14和类似的Y形节点结构28。相反,X形节点结构12以十字形布置连接X形支架22的四个斜支柱26,而没有将那些支柱26连接至导管架10的腿部16。将参照图8至图14描述X形节点结构12。将参照图15和图16描述其他的K形节点和X形节点变体。
[0034] 图3中示出的以及图4至图9中进一步示出的K形节点结构14和X形节点结构12在构思方面具有共同的几个特征。每个节点结构12、14具有一对间隔开的相对的面30,这一对面是基本平坦的并且相互基本平行。另外,每个节点结构12、14具有一对或多对用于与各个支柱26对准的根部成形件,在此实施例中管状根部成形件32伸出,各自的中心纵向轴线两两之间限定内角。面30与包含根部成形件32的中心纵向轴线的平面基本平行。
[0035] 管状根部成形件32的中心纵向轴线向内会聚在面30之间并且向外岔开以与各自的支柱26对准。每对根部成形件32之间的内连接壁34连接面30的凹形弯曲内边缘36并围绕内角以凹形曲面延伸从而接合该对根部成形件32。
[0036] 内连接壁34的凹形弯曲遵循根部成形件32之间的大体椭圆路径,不过精确的弯曲对本发明不是绝对必要的并且例如可能是抛物线或双曲线。
[0037] 每个节点结构12、14的凹形弯曲内连接壁34包括凸形横截面的双弯曲部分,所述双弯曲部分围绕内角延伸并且以面30的凹形弯曲内边缘36为边界。更具体地,K形节点结构14具有在面30之间延伸的半圆形横截面的内连接壁34,所述内连接壁的横截面曲率半径与根部成形件32的横截面曲率半径相同。相反,X形节点结构12具有内连接壁34,每个连接壁具有四分之一圆形横截面的两个部分38,每个部分38接合其中一个面30的凹形弯曲内边缘36。
[0038] 在本说明书中对凹形曲线或凸形曲线的提及假定了读者的视点位于节点结构外。
[0039] 为了更详细地论述K形节点结构14,现具体参照附图的图4至图7。图4A至图4C以及图6和图7示出了图3中示出的K形节点结构14的细节。图5A至图示出了 Y形节点结构28,所述Y形节点结构与K形节点结构相似,只不是用来连接斜支柱26以及网格框架导管架10的顶部和底部处的水平支柱24,因此在管状根部成形件之间具有较窄内角。为了说明的目的,Y形节点结构28可以被认为是K形节点结构14;相同的数字用于相同的部件。
[0040] 可以看出,附图的图4至图7中的每个面30还包括与凹形弯曲内边缘36相对的平直外边缘40并包括平直端边缘42,每个平直端边缘42从凹形弯曲内边缘36向外边缘40岔开。
[0041] 除了内连接壁34之外,面30还由在根部成形件32外侧的端连接壁44连接。每个端连接壁44具有在与根部成形件32接合的内边缘46和与面30的外边缘40连续的外边缘48之间在面30之间延伸的凸半圆形横截面。端连接壁44的横截面曲率半径与根部成形件32的横截面曲率半径相同。
[0042] 图4B和图5B示出圆柱形座部凹陷限定在面30的外边缘40和端连接壁44的外边缘48之间,所述凹陷被成形为将节点结构附接至导管架10的腿部16。为此,所述座部凹陷具有与面30的平面大致平行的中心纵向轴线。
[0043] 导管架10的腿部16在图4B中横截面以虚线示出,所述腿部容纳在所述座部凹陷中。图4A示出管状根部成形件32的中心纵向轴线交叉在腿部16的中心纵向轴线。这对于闻效承载是有利的。
[0044] 图6和图7的分解图示出图4中示出的K形节点结构14的组成部件,假设该K形节点结构14是装配成的而不是铸造成的。图6示出管状根部成形件32可以与内连接壁34分开,而图7示出管状根部成形件32可以与内连接壁34成一体。在这两种情况下,根部成形件32可以从一根管仅仅切割而成,只是在图7中,根部成形件32和内连接壁34为同一弯曲管的多个部分,从所述同一弯曲管除去了外凸形曲面部分以匹配面30的凹形弯曲内边缘36。
[0045] 现转到附图中的图8和图9,这些图更详细地示出X形节点结构12及其组成部件(如果所述X形节点结构是装配成的)。X形节点结构12连接网格框架导管架10的四个会聚的斜支柱26,因此包括四个根部成形件32。根部成形件32为管状的并具有各自的中心纵向轴线,所述中心纵向轴线在每个相邻对的根部成形件32之间限定内角。具有四个内连接壁34,每个内连接壁接合相应的相邻对根部成形件32。
[0046] X形节点结构12的内连接壁34具有四分之一圆形横截面部分38,所述部分沿具有平坦横截面的中心凹形弯曲的条50的相对两侧延伸。
[0047] 在X形节点结构12中,面30还通过与内连接壁34间隔的内部隔板连接。该隔板由管52限定,所述管在面30之间延伸并焊接至面30。管52位于与根部成形件32的中心纵向轴线正交且在根部成形件32的中心纵向轴线的交点处的中心纵向轴线上。每个面30被与管52对准的孔54穿透。
[0048] X形节点结构的每个管状根部成形件32包括过渡段56,所述过渡段的横截面在向外的方向上变化从而以圆形横截面终结。如图9中最佳示出的,每个过渡段56具有凸形弯曲横截面的向外加宽的部分58,所述向外加宽的部分与内连接壁34的四分之一圆形横截面的部分38融合。向外加宽的凸形弯曲部分58通过向外变窄的平坦外表面部分60接合起来。
[0049] 图10至图14示出可以用来构建如图8和图9中示出的装配式X形节点结构12的制造方法。技术熟练的读者会清楚当构建如图4至图7中示出的装配式K形节点结构14的时候可以采用类似的制造步骤。
[0050] 在节点结构12、14由金属部件装配成时,面30和条50可以仅由片状部件或板状部件限定,并且双弯曲部分34、38可以仅通过从弯曲管的内凹形曲面纵向切割而限定,如现在要示出的图10至图13的制造顺序。
[0051 ] 图10示出一根管62,所述管各处要围绕弯曲的成形件、模具或芯轴64弯曲;图11示出弯曲之后的管62。图12示出管被沿其中轴线纵向分割从而生成半圆形横截面的元件66。图13示出一个这样的元件66进一步被分割成四分之一圆形横截面的元件,这两个四分之一圆形横截面的元件适合于在装配图9中以分解形式示出的X形节点结构12时用作内连接壁部分38。图14A至图14E示出图9中以分解形式示出的X形节点结构12的管状过渡段56,包含用来热锻过渡段56的横截面形状的模具68。模具68包括在渐缩中心轴72上的头部70,头部70具有围绕轴72等间隔的成十字形横截面的四个凸角74。
[0052] 每个凸角74的周向宽度沿轴72向远端渐缩。具体地,凸角74在头部70的近端处相对较宽并且因而合在一起,在所述近端处它们共同限定圆形横截面。相反,凸角74在头部70的远端相对较窄并且因而进一步分开,在所述远端处它们共同限定具有圆角的大致正方形的横截面。每个凸角74安装进大致正方形的横截面的相应拐角,以限定管状过渡段58的凸形弯曲的横截面的向外加宽部分58,所述向外加宽部分由向外变窄的平坦外表面部分60接合起来。
[0053] 图15A和图15B分别示出了简化的X形节点结构变体76和K形节点结构变体78。图16A和图16B分别示出了进一步简化的X形节点结构变体80和K形节点结构变体82。如前,图15A、图15B、图16A以及图16B示出的每个节点结构变体76、78、80、82都具有一对相对的间隔开的面30(仅其中一个面在这些视图中是可见的),所述面是基本平面的并且相互基本平行。此外,每个节点结构76、78、80、82都具有一对或多对根部成形件,这些根部成形件的中心轴线在面30之间向外岔开并且向内会聚。
[0054] 在节点结构76、78、80、82的情况下,根部成形件为孔84,孔84的相应中心轴线两两之间限定内角,用于与待接收在所述孔中的相应支柱(这里未示出)对准。在每对孔84之间的内连接壁连接面30的凹形弯曲的内边缘36,并且围绕所述内角以凹形曲线延伸以接合该对根部成形件。
[0055] 在图15A和图15B中,半圆形横截面的内连接壁34延伸在面30之间,所述内连接壁的横截面曲率半径与限定根部成形件的孔84的横截面曲率半径相同。这些凹形弯曲的内连接壁34由面30的凹形弯曲的内边缘36限定边界。
[0056] 在图16A和图16B中示出的甚至更简单的变体中,凹形弯曲的内连接壁86具有平坦的横截面以在对置的面30的凹形弯曲的内边缘36之间平直延伸。得到的孔84是矩形的,更具体地说是正方形,但是过渡段可以增加至孔84从而端部焊接至圆形横截面的管状支柱。这样的过渡段可以类似于图9中示出的过渡段,但是不与它们相同,因为过渡段的一端必须是正方形横截面以匹配关联的孔84。
[0057] 在本发明构思内可能存在许多其他变化。例如,本发明的节点结构可以与腿部部分成整体和/或与一个或多个支柱根部部分成整体,另外的腿部段以及支柱段可以端部焊接至所述腿部部分和所述支柱根部部分以构件网格框架。
[0058] 在节点结构由金属部件装配成的情况下,双弯曲部分可以不仅通过沿管或筒进行切割而限定,而且替代地由弯曲的或锻造的U形或C形段限定,或者通过从弯曲的或锻造的U形或C形段的内凹形曲面纵向切割而限定。

Claims (33)

1.一种节点结构,所述节点结构用于将网格框架的两个或更多个会聚构件相互连接并且连接至所述网格框架的一个或多个其他构件,所述节点结构包括: 间隔开的一对相对的面,这一对面是基本平面的并且基本相互平行; 具有各自的中心纵向轴线的至少一对根部成形件,所述一对根部成形件之间限定内角,这些轴线向外岔开以与所述网格框架的对应构件对准并且向内会聚在所述面之间;以及 内连接壁,所述内连接壁布置在所述一对或每对根部成形件之间,所述内连接壁连接所述面的凹形弯曲内边缘并且围绕所述内角以凹形曲面形式延伸以接合所述一对根部成形件。
2.根据权利要求1所述的节点结构,其中,所述内连接壁的凹形弯曲遵循所述根部成形件之间的椭圆、抛物线或双曲线路径。
3.根据权利要求1或2所述的节点结构,所述节点结构由金属部件装配成,其中,所述面由片状金属部件或板状金属部件限定。
4.根据上述权利要求中任一项所述的节点结构,其中,所述内连接壁包括具有凸横截面的至少一个双弯曲部分,当从外部观察时,所述至少一个双弯曲部分围绕所述内角延伸并且由所述面的所述凹形弯曲内边缘中的至少一个限定边界。
5.根据权利要求4所述的节点结构,其中,所述双弯曲部分为部分环面。
6.根据权利要求4或5所述的节点结构,其中,所述双弯曲部分为半圆形、四分之一圆形或其他部分椭圆形横截面。
7.根据权利要求6所述的节点结构,其中,所述根部成形件的横截面曲率半径基本等于所述双弯曲部分的横截面曲率半径。
8.根据权利要求4至7中任一项所述的节点结构,其中,所述双弯曲部分连接所述面并由这两个面的凹形弯曲内边缘限定边界。
9.根据权利要求4至7中任一项所述的节点结构,其中,所述内连接壁包括具有平坦横截面的凹形弯曲的中心条,所述中心条沿每侧由双弯曲部分限定边界,所述双弯曲部分均将所述中心条接合至这一对面中的相应面的凹形弯曲内边缘。
10.根据权利要求4至7中任一项所述的节点结构,所述节点结构由金属部件装配成,其中,该双弯曲部分或每个双弯曲部分由具有半圆形或四分之一圆形横截面的金属部件限定。
11.根据权利要求10所述的节点结构,其中,限定所述双弯曲部分的所述金属部件为弯曲或锻造的U形或C形段,或者是从弯曲管的内凹形曲面纵向切割而成或从弯曲或锻造的U形或C形段纵向切割而成。
12.根据上述权利要求中任一项所述的节点结构,其中,每个面还包括:外边缘,所述外边缘与所述凹形弯曲内边缘相对;以及端边缘,每个端边缘从所述凹形弯曲内边缘向所述外边缘岔开。
13.根据权利要求12所述的节点结构,其中,每个面的所述外边缘和所述端边缘是基本平直的。
14.根据权利要求12或13所述的节点结构,其中,所述面还由在所述根部成形件外侧的端连接壁连接,每个端连接壁具有邻接根部成形件的内边缘以及与所述面的所述外边缘连续的外边缘。
15.根据权利要求14所述的节点结构,其中,所述面的所述外边缘以及所述端连接壁的所述外边缘共同限定座部凹陷,所述座部凹陷被成形为将所述节点结构接合至所述网格框架的另一个构件。
16.根据权利要求14所述的节点结构,其中,所述面的所述外边缘以及所述端连接壁的所述外边缘共同限定圆柱形座部凹陷,并且所述节点结构还包括圆柱形构件,所述圆柱形构件位于所述座部凹陷中以端部对准并且接合至所述网格框架的一个或多个其他构件。
17.根据权利要求15或16所述的节点结构,其中,所述座部凹陷具有与所述面的平面大致平行的中心纵向轴线。
18.根据权利要求14至17中任一项所述的节点结构,其中,所述端连接壁具有在所述面之间延伸的凸半圆形或其他部分椭圆形横截面。
19.根据权利要求18所述的节点结构,其中,所述根部成形件的横截面曲率半径基本等于所述端连接壁的横截面曲率半径。
20.根据上述权利要求中任一项所述的节点结构,其中,所述面与包含所述根部成形件的所述中心纵向轴线的平面基本平行。
21.根据上述权利要求中任一项所述的节点结构,所述节点结构被成形为连接网格框架的至少四个会聚构件,所述节点结构包括: 至少四个具有各自中心纵向轴线的根部成形件,在每相邻对根部成形件之间限定内角;以及 至少四个内连接壁,每个内连接壁都接合相应的每相邻对根部成形件中的根部成形件。
22.根据上述权利要求中任一项所述的节点结构,其中,所述面还由与所述内连接壁间隔开的至少一个内部隔板连接。
23.根据权利要求22所述的节点结构,其中,所述隔板包括一根管,该管在所述面之间在与所述根部成形件的所述中心纵向轴线基本正交的轴线上延伸。
24.根据上述权利要求中任一项所述的节点结构,其中,所述根部成形件中的至少一个根部成形件是管状的。
25.根据权利要求24所述的节点结构,其中,所述管状根部成形件包括过渡段,所述过渡段的横截面沿向外的方向变化而以圆形横截面终结。
26.根据权利要求25所述的节点结构,其中,所述过渡段包括具有凸形弯曲横截面的向外加宽部分,这些向外加宽部分由向外变窄的相对平坦的外表面部分接合起来。
27.根据上述权利要求中任一项所述的节点结构,其中,所述根部成形件与所述内连接壁成整体。
28.根据权利要求27所述的节点结构,其中,所述根部成形件和所述内连接壁是弯曲管的多个部分,从所述弯曲管去除外凸形曲面部分以配合所述面的凹形弯曲内边缘。
29.一种装配用于网格框架的节点结构的方法,所述方法包括将间隔开的一对相对的面与凹形弯曲的连接壁通过将所述连接壁接合至所述面的凹形弯曲边缘而连接。
30.根据权利要求29所述的方法,所述方法包括从片材或板材切割所述面的预备步骤。
31.根据权利要求29或30所述的方法,所述方法包括以下预备步骤:弯曲或锻造U形或C形段;或者沿弯曲管的内凹形曲面或沿弯曲或锻造的U形或C形段纵向切割以限定所述连接壁的一个或多个双弯曲部分。
32.—种网格框架,所述网格框架包括根据权利要求1至28中任一项限定的至少一个节点结构,或者包括根据权利要求29至31中任一项所述的方法制造的至少一个节点结构。
33.一种风轮机设施,所述风轮机设施包括根据权利要求32所述的网格框架。
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