CN104641059A - 风力发电设施的模块化塔 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种风力发电设施的塔(1)，具有带有至少两个角杆的格型塔或桁架塔形式的下部(1.1)以及横截面基本为圆形的管状塔形式的上部(1.2)，其中每个具体角杆(1.10)是由沿纵向连接在一起的多个钢管型材(1.11，1.12)拼装成的。为了获得良好可运输形以及这种塔组件的简化组装，本发明提供了模块塔概念。根据本发明，每个具体角杆(1.10)包括至少三个钢管型材(1.11，1.12)，钢管型材设有用于保持螺钉的穿孔凸缘(1.13)，其中角杆(1.10)由安装到凸缘(1.13)的交叉支柱(1.15)和/或张紧支柱(1.17)连接在一起，并且其中每个角杆(1.10)的钢管型材(1.11，1.12)是螺旋焊接钢管型材。

Description

风力发电设施的模块化塔
技术领域
本发明涉及风力发电设施的塔，其具有带有至少两个角杆的格型塔或桁架塔形式的下部以及横截面基本为圆形的管状塔形式的上部，其中每个个体角杆是由沿纵向连接在一起的多个钢管型材拼装成的。
背景技术
内陆设立的风力发电设施的发展正在导致超过100米的更高的中枢高度，以便利用更大且更恒定的风速，并且进而改善这些风力发电设施的效率。然而，具有更大和更强转子和发电机的更高管状塔同时需要增加壁厚度和塔段的直径，以便满足由此产生的更大的结构机械要求，例如刚度，防止屈曲和疲劳强度。然而，考虑到例如4.4米的桥梁净空高度之类的限制，塔段直径的增加还导致不能再在许多道路上运输采用传统横向取向结构类型的预制管状塔段。
例如在DE60317372T2和WO2009/048955A1中提出的可能的解决方案被称为纵向取向结构类型，特别是在下部塔区域，在此情形中，成品管状塔段的直径最终超过4.4米。在此例中，管状塔部分首先在工地即风力涡轮机的位置处由多个弧形外壳段拼装成，并且以此方式生产的管状(环形)塔段被连接在一起以形成整个塔。为了避免在超高处的焊接，DE60317372T2已知的塔构造中的外壳段设有穿孔的水平和垂直凸缘，其允许通过螺钉连接外壳段。然而，这种方案有不少缺点。例如，在大外壳段的情形中，考虑到外壳段的自重，变形是可以预料到的。这种变形可能导致安装过程中的操作或装配问题。另一方面，在细分成大量小外壳段的情形中，产生的螺纹连接的数量将非常大，从而增加了组装成本以及用于再拧紧螺丝的维护成本。
除了具有管状塔的风力发电设施和具有格型塔(桁架塔)的风力发电设施外，具有混合构造类型的风力发电设施也是已知的，其具有下部的格型塔(桁架塔)和与其连接的上部管状塔。DE102006056274A1在初始部分公开了一种此类塔，其具有在其下部带有至少三个角杆的格型塔以及在其上部的横截面基本为圆形的管状塔，其中下部的上连接区域通过过渡区的过渡体连接到上部的下连接区域。本例中过渡体是由截头锥形套管形成的，其中角杆延伸进入过渡区并且被至少分段焊接到下部的上连接区和上部的下连接区之间的过渡区中的截头圆锥套管。格型塔包括交叉支柱，其将格型塔的角杆连接到一起。格型塔的角杆由标准的中空型材形成，优选由钢管形成。
发明内容
本发明的目的是想要建立初始提到的类型塔，在其组件具有良好可运输性的同时，可以进行低成本的制造及其组件的更简易组装。
为了实现上述目的，提出了具有权利要求1所述特征的风力发电设施或风能设施的塔。
根据本发明的塔的特征在于每个个体角杆是由至少三个钢管型材拼装成的，所述钢管型材设有穿孔的凸缘，用于保持机械可拆卸的连接装置，其中角杆由安装到凸缘的交叉支柱和/或张紧支柱连接在一起，并且其中每个个体角杆的钢管型材是螺旋焊接钢管型材。
根据本发明的塔的上部呈现横截面基本为圆形的管状塔形式，其优选始于60m的高度。根据本发明的塔的上部可以传统的横向取向结构类型实现，因为满足结构机械要求的直径通常应在从物流视角来看关键的4.4m限值内。根据本发明的塔的下部简化了塔的传输和组装，其中塔下部是格型塔或桁架塔的形式，具有至少两个优选三个角杆，其中每个个体角杆根据本发明是由在纵向上连接在一起的至少三个钢管型材拼装成的，并且提供有用于保持机械可拆卸连接装置的穿孔凸缘。由于将被吸收的力分布在多个角杆上，后者在尺寸上可以比传统横截面基本为圆形的管状塔的相应下部细得多。根据本发明的角杆从物流的视角来看可以以非常简单的方式操作。在本例中，设有凸缘的个体钢管型材的数量可以变化并且取决于风力发电设施的重量和中枢高度，风力发电设施实质上由发电机、传动装置和转子叶片构成。例如，根据本发明的混合型塔的格型塔可以具有4、5或6个角杆。将每个具体角杆细分成至少三个钢管型材显著简化了用于风力发电设施的混合型塔的组件的运输和组装，其中至少三个钢管型材通过机械可拆卸的连接装置在凸缘处沿纵向被连接在一起。在本例中，用于每个具体角杆的钢管的型材直径优选地在角杆的整个长度上相同。钢管型材仅是取决于相对于凸缘的安装角度而以不同方式被切割。这种相同部件策略(相同部件结构)降低了单元成本。机械可拆卸的连接装置在本文上下文中应当被理解为螺钉，螺栓和锁紧螺栓等。
用于根据本发明的塔的角杆的钢管型材是通过螺旋焊生产的。与其中每个管直径要求具体板宽度的纵向焊接钢管型材不同的是，螺旋管生产的情况是，具有不同管直径的钢管可以由一个带宽度或板宽度生产。使用通过螺旋焊生产的钢管型材在经济上是有利的。本例中使用的钢板优选为热轧微合金钢板，其具有至少355N/mm2或420N/mm2的上屈服强度(ReH)。根据本发明塔的钢管型材(角杆)特别优选是由具有例如至少500N/mm2或700N/mm2的上屈服强度(ReH)的高强度钢板生产的。作为结果，钢管型材(角杆)的重量可以减少，进而运输和组装被进一步简化。
钢管型材的直径和壁厚度特别地独立于角杆的数量和塔高度。用于根据本发明的塔的角杆的钢管型材例如具有15mm至30mm范围内的壁厚度，并且具有在500mm至1800mm范围内优选在500mm至1200mm范围内的外管直径。
为了可靠吸收在塔的下部出现的横向力，个体角杆通过安装到凸缘的交叉支柱和/或张紧支柱而被连接在一起。钢管型材的凸缘因而具有多个安装功能；其用来在纵向安装形成每个具体角杆的钢管型材，并且此外用来横向安装和/或对角安装角杆在一起，其中这些安装装置中的每个优选通过螺纹连接来进行连接。由于此多个安装功能，根据本发明的风力发电设施塔的凸缘还可以被称为多重安装凸缘。
交叉支柱优选由基本水平延伸的钢型材形成。例如可以是弯曲件或轧制型材，特别是倾斜支柱或U型材形状的支柱。此外，这些交叉支柱优选尽可能以他们都具有相同横截面轮廓和相同横截面尺寸的同等方式形成。然而，交叉支柱也可被切割成不同长度，即随着塔高增加尺寸越小。
借助安装到凸缘的张紧支柱，根据本发明的整个塔的稳定度可以被确保或进一步增强。在本例中横向支柱可以被实现为钢缆，优选为预张紧钢缆，或者被实现为弯曲件或轧制型材。当钢缆被用作张紧支柱时，其可以卷曲的状态被方便地运输到根据本发明的塔的安装地点。此外，可以排除与钢缆有关的公差问题，因为钢缆可以在塔位置处被切割成所需的长度。在根据本发明的塔的优选配置中，一个或多个对角支柱例如钢缆每个被提供有用于长度调节的张紧设备。
在本发明的另一优选配置中，钢管型材的端部或连接点提供有具有通孔或孔洞的翼片(flap)，用于安装交叉支柱和/或对角支柱。
翼片可以是单独制造的部件，其每个在钢管型材的端部被焊接到凸缘。然而，作为替代，翼片还可以同凸缘一体形成。在第二示例中，翼片例如是由定义凸缘的钢板坯件形成的。在两种情形中，翼片和凸缘可以被焊接到钢管型材，其中翼片随后基本垂直于凸缘进行取向。
在优选使用弯曲件或轧制型材作为张紧支柱的情形中，可以在其交叉点处将张紧支柱连接在一起，以便进一步增强根据本发明的整个塔的稳定性。在此例中张紧支柱在交叉点处例如通过螺钉或其他可拆卸机械连接装置来连接。有利的是，该连接可以在预制塔组件期间即已实现。
根据本发明的风力发电设施塔的进一步优选和有利配置在从属权利要求中进行了限定。
附图说明
下文通过附图更为详细地说明了本发明，其中附图示出了多个实施例，并且附图中：
图1示出了根据本发明的风力发电设施塔的立体图；
图2示出了图1的塔下部的放大示图；
图3示出了根据本发明的风力发电设施塔的格型塔或桁架塔的下部区段的立体图；
图4示出了图3的格型塔或桁架塔的细节A的放大示图；
图5示出了图3的格型塔或桁架塔的细节B的放大示图；
图6示出了图3格型塔或桁架塔在两个角杆的钢管型材连接区域中的区段的前视图。
具体实施方式
如附图所示，风力发电设施2的塔1由格型塔或桁架塔形式的下部1.1和横截面为圆形的管状塔形式的上部1.2构建而成。
安装在管状塔1.2上端的是风力发电设施(风能设施)2，其被安装从而能够绕基本垂直延伸的轴旋转。风力发电设施2包括具有转子叶片2.2的转子2.1，转子叶片2.2优选地可以绕他们各自的纵轴旋转，并且因此可以以无限可变的方式进行调节，还包括布置在机舱外壳2.3中的发电机，所述发电机的轴连接到转子2.1，用以经由传输机构和离合器共同旋转。
在这里示出的示例性实施例中，格型塔或桁架塔1.1具有六个角杆1.10。然而，还可以多于或少于6个角杆。在任何一种情形中，至少要有三个角杆1.10，他们的水平距离自上部管状塔1.2起在向着地面或地基的方向上增加。优选基本直线形的角杆1.10从而形成三条或更多条腿的塔结构，塔结构的腿相对于彼此以锐角扩展。
每个角杆1.10由至少三个钢管型材1.11、1.12拼装成，它们在纵向上被连接在一起，并且为此在它们的连接点处设有用于保持例如螺钉(未示出)的穿孔凸缘1.13。凸缘1.13被配置为例如环状凸缘。每个具体凸缘或环状凸缘1.13具有多个通孔1.14，通孔1.14以固定间隔的方式被布置在同一基准圆上(参见图2)。
优选地，用于角杆1.10的钢管型材1.11、1.12是螺旋焊接的相同部件。被用于生产角杆的形成为圆形的钢板或弧形钢板例如是屈服强度至少为350N/mm2的热轧钢板。然而，还可以使用更高强度的钢板来生产角杆1.10的钢管型材，例如屈服强度在500至700N/mm2范围内的钢板。
每个具体角杆1.10的钢管型材1.11、1.12优选具有15mm至30mm范围内的壁厚度。它们的直径例如在500mm至1800mm的范围内。优选地，用于角杆1.10的钢管型材1.11、1.12是由标准管生产的。
每个具体环状凸缘1.13优选例如通过角焊被紧紧安装到用于构建角杆1.10的钢管型材1.11、1.12的端部之一上。然而，还可以通过例如螺纹连接实现环状凸缘1.13和相关联钢管端部之间的力配合和/或形状配合连接，其中钢管端部设有外螺纹并且环状凸缘设有相对应的内螺纹。
每个具体环状凸缘1.13被水平布置。为此，钢管型材1.11、1.12设有环状凸缘1.13的端部被倾斜切割，从而在格型塔或桁架塔1.1的完全组装状态下，钢管型材1.11、1.12的每个具体切割端部是基本水平的形态。
角杆1.10通过交叉支柱1.15而被连在一起。为此，使用了相同的环状凸缘1.13，其将优选为标准管的钢管1.11、1.12连在一起。
交叉支柱1.15是由钢型材形成的，并且基本在水平方向上延伸。在相同高度上部署的那些交叉支柱1.15被实现为相同的部件。交叉支柱1.15的长度在本例中取决于它们的安装高度。随着塔高增加，安装到环状凸缘1.13的交叉支柱1.15的长度减小。
根据本发明的塔1，至少其下部的格型塔部分1.1，通过使用标准化的钢型材1.11、1.12、1.15而具有了模块化结构。
交叉支柱1.15例如被实现为U形型材(参见图2)。然而，还可以具有某些其它型材形状，例如L型材或T型材。
每个具体交叉支柱1.15的端部优选具有端侧面1.16，端侧面1.16以凹形或燕尾形的方式形成，或者是多边形凹进的形式。结果，交叉支柱1.15和环状凸缘1.13之间的接触表面或支承表面可被放大(参见图2)。
为了确保整个塔1所需稳定性的进一步增加，可以进一步提供额外的张紧支柱1.17，张紧支柱1.17在每种情形中被紧固在凸缘区域中，从而他们在由基本彼此平行延伸的两个交叉支柱1.15和两个相邻角杆1.10限定的桁架中沿对角延伸。
张紧支柱1.17例如是由线缆形成的。线缆1.17的端部通过适当的紧固装置被紧固到环状凸缘1.13中的通口1.14。为了其长度调整，张紧支柱或线缆1.17每个可以设有张紧设备(未示出)。张紧支柱或线缆1.17和螺栓为了显示清楚并未在图2中示出。
被配置为横截面为圆形的管状塔的上部塔部分1.2自例如约60m的高度开始。其可以以传统的横向取向结构类型来实现，并且相应地可以由多个环状管段拼装而成。
根据本发明的塔1的管状塔1.2优选被实现为锥形钢管塔。然而作为替代，其还可以被实现为圆柱形钢管塔。
在其面向格型塔或桁架塔1.1的端部，管状塔1.2具有锥形或截头锥形套管形的纵向部分。角杆1.10的上端被安装到管状塔1.2的该下部分1.21。角杆1.10的上钢管1.12在本例中可以延伸进入管状塔1.2的截头锥形套管形或锥形的纵向部分1.21中，并且随后连接到管状塔1.2的内侧，例如被焊接到管状塔1.2的内侧。然而，在其下端，管状塔1.2还可以具有圆盘形或环形盘形连接板(未示出)，其具有多个紧固孔，角杆1.10的上钢管1.12在紧固孔处通过紧固到其的环形凸缘而被安装或拧紧。
由格型塔1.1和管状塔1.2或转子2.1的中枢高度构成的整个塔1的高度例如约110m。
图3示出了根据本发明的风力发电设施塔的被配置为格型塔或桁架塔的下部1.1的另一示例性实施例。塔的上部与图1中的方式类似，是由横截面基本为圆形的管状塔形成的，因此并未在图3中示出。
在该示例性实施例中，格型塔或桁架塔1.1具有至少两个角杆1.10，每个角杆1.10是由在纵向上被连接在一起的至少三个钢管型材1.11、1.12拼装成的。为此，钢管型材1.11、1.12在它们的连接点处设有穿孔凸缘1.13，用于保持可拆卸的机械连接装置，例如螺钉。根据图4的凸缘1.13中的每个具有用于保持连接装置的多个通孔1.14。
此外，翼片1.18被设置在钢管型材1.11、1.12的端部或连接点处。翼片1.18和凸缘1.13被焊接到钢管型材1.11、1.12，其中翼片1.18被取向为基本垂直于凸缘1.13。
如果翼片1.18被制造为单独部件，其优选还被焊接到凸缘1.13(参见图4)。然而，将翼片1.18和凸缘1.13一体形成也在本发明的范围内。在本例中，翼片1.18例如通过定义凸缘1.13的钢板坯件形成而被生产。
每个具体翼片1.18同样具有用于保持可拆卸机械连接装置的多个通孔1.19。翼片1.18用于安装张紧支柱1.17。此外，交叉支柱1.15也可以被安装到翼片1.18。然而作为替代或此外，交叉支柱1.15还可以被安装到凸缘1.13。
根据图3和4的示例性实施例提供了将钢管型材1.11、1.12的端部切割为基本垂直(成直角)于纵轴的可能性，即这里没有如图2所示的管端部的倒角。于是交叉支柱1.15安装到钢管型材1.11、1.12是可能的，不用管他们基本直角的切割端部或凸缘1.13相对于钢管型材纵轴的基本垂直取向，并且无需弯曲交叉支柱1.15的端部，因为后者在本例中被安装到翼片1.18。翼片1.18因而可以在钢管型材纵轴(角杆纵轴)的任意期望倾斜角度下，来补偿交叉支柱1.15和钢管型材纵轴之间的安装角度。
在根据图3-6的示例性实施例中被实现为弯曲件或轧制型材的张紧支柱1.17优选地在它们的交叉区域1.20中被连接在一起。为了在交叉区域1.20中连接或固定张紧支柱1.17，例如螺钉的机械可拆卸连接装置被再次使用。在张紧支柱1.17的预制阶段即可进行张紧支柱1.17在交叉区域1.20中的连接或预固定，从而在根据本发明塔的安装地点对格型塔或桁架塔1.1的组装得以简化或缩短。
根据本发明的塔的实施例不限于附图中示出的示例性实施例。相反，可以设计多种变化形式，它们即使在与所示示例性实施例的配置不同的情况下，也能利用所附权利要求中限定的发明。因此，例如除了钢缆1.17，还可以使用钢材条如L形弯曲件，作为张紧支柱安装到角杆管1.11、1.12的凸缘1.13。

Claims (14)

1.一种风力发电设施的塔(1)，具有带有至少两个角杆(1.10)的格型塔或桁架塔形式的下部(1.1)以及横截面基本为圆形的管状塔形式的上部(1.2)，其中每个具体角杆(1.10)是由沿纵向连接在一起的多个钢管型材(1.11，1.12)拼装成的，其特征在于
每个具体角杆(1.10)是由至少三个钢管型材(1.11，1.12)拼装成的，所述钢管型材设有用于保持螺钉的穿孔凸缘(1.13)，其中角杆(1.10)由安装到凸缘(1.13)的交叉支柱(1.15)和/或张紧支柱(1.17)连接在一起，并且其中每个具体角杆(1.10)的钢管型材(1.11，1.12)是螺旋焊接钢管型材。
2.根据权利要求1所述的塔，其特征在于，每个具体凸缘(1.13)是环状凸缘的形式，并且被基本水平布置。
3.根据权利要求2所述的塔，其特征在于，钢管型材(1.11，1.12)设有环状凸缘(1.13)的端部被倾斜切割，从而在格型塔或桁架塔(1.1)的完全组装状态下，钢管型材(1.11，1.12)的每个具体切割端部为基本水平的形式。
4.根据权利要求1-3中任一权利要求所述的塔，其特征在于，每个具体凸缘(1.13)被紧紧连接到相关联的钢管型材(1.11，1.12)。
5.根据权利要求1-4中任一权利要求所述的塔，其特征在于，形成格型塔或桁架塔(1.1)高度部分的钢管型材(1.11，1.12)被实现为相同部件。
6.根据权利要求1-5中任一权利要求所述的塔，其特征在于，交叉支柱(1.15)是由基本水平延伸的钢型材形成的。
7.根据权利要求6所述的塔，其特征在于，所述基本水平延伸的钢型材(1.15)被实现为相同部件。
8.根据权利要求1-7中任一权利要求所述的塔，其特征在于，每个具体交叉支柱(1.15)的端部具有端侧面(1.16)，端侧面(1.16)以凹形或燕尾形的方式形成，或者是多边形凹进的形式。
9.根据权利要求1-8中任一权利要求所述的塔，其特征在于，张紧支柱(1.17)是由对角延伸的线缆形成的。
10.根据权利要求1-9中任一权利要求所述的塔，其特征在于，张紧支柱(1.17)的一个或多个在每种情形中设有用于调整相关联的张紧支柱(1.17)的长度的张紧设备。
11.根据权利要求1-10中任一权利要求所述的塔，其特征在于，每个具体角杆(1.10)的钢管型材(1.11，1.12)具有在15mm至30mm范围内的管壁厚度。
12.根据权利要求1-11中任一权利要求所述的塔，其特征在于，每个具体角杆(1.10)的钢管型材(1.11，1.12)具有在500mm至1800mm范围内的直径。
13.根据权利要求1-12中任一权利要求所述的塔，其特征在于，管状塔(1.2)被实现为锥形或圆柱形钢管塔。
14.根据权利要求1-13中任一权利要求所述的塔，其特征在于，管状塔(1.2)具有锥形或截头锥形套管形的纵向部分(1.21)，并且其端部面向格型塔或桁架塔(1.1)。
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