CN105579703A - 风力发电设备的塔架段之间的过渡体和包含过渡体的风力发电设备的塔架 - Google Patents

风力发电设备的塔架段之间的过渡体和包含过渡体的风力发电设备的塔架 Download PDF

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Abstract

在风力发电设备(2)塔架(1)上塔架段(5)和下塔架段(4)间的过渡体(6,6’)，其有连接过渡体(6)与上塔架段(5)的基本环形的上连接凸缘和至少三个与下塔架段(4)的角支架(3)连接的基本环形的下连接凸缘，过渡体(6,6’)有多个围绕中心塔轴设置的节段(16,16’)，节段(16,16’)数对应角支架(3)数，节段(16,16’)的上段在过渡体(6,6’)外侧构成支承上连接凸缘的环形环绕的连接外壳(17)且节段(16,16’)的下段构成支承下连接凸缘的环形环绕的节段外壳(19)。为了降低安装费且改善力线通量而不使运输费不成比例增高，过渡体中节段外壳(19)在上区域在向内的区段以锐角相过渡。

Description

风力发电设备的塔架段之间的过渡体和包含过渡体的风力发电设备的塔架
技术领域
本发明涉及一种用于设置在风力发电设备的塔架的上塔架段和下塔架段之间的过渡体，该过渡体具有基本上环形的用于连接过渡体和上塔架段的上连接凸缘并且具有至少三个基本上环形的分别用于与下塔架段的角支架连接的下连接凸缘，其中过渡体具有多个围绕中心塔架轴设置的节段，其中节段的数量对应于角支架的数量，其中节段的上部区段在过渡体的外侧上构成了环形环绕的、支承上连接凸缘的连接外壳并且其中节段的下部区段分别构成了环形环绕的、支承下连接凸缘的节段外壳。此外，本发明还涉及一种风力发电设备的塔架，该塔架具有：成型为管状塔架的上塔架段、具有至少三个角支架的下塔架段和连接上塔架段与下塔架段的过渡体。
背景技术
为了提高风力发电设备的效率，使用高度越来越大的轮毂以及更大的转子和功率更强的发电机。为了使风力发电设备的塔架具有足够的强度、抗弯阻力和疲劳强度，需要直径越来越大且壁厚更大的塔架节段。已经预制的管状的塔架节段，其直径明显超过了例如4.4m的特定值，只能够用巨大的费用将其运输到风力发电设备的安装位置。这尤其是由于可供运输的道路的宽度和沿路的桥梁的通行高度所造成的。但是，在塔架节段非常大的情况下，通过水路的运输本身也十分昂贵。
例如在DE60317372T2中并且还在WO2009/048955A1中给出了可能的解决方式，即特别应用在塔架的下部区域中的所谓纵向定向的构造方式。在此将弧形的塔架段运输到施工现场，随后立即组装成管状的塔架节段。弧形的塔架段可以通过多个螺栓紧固件借助于相应的凸缘实现连接。然而，纵向定向的构造方式的缺点在于，在运输期间弧形的塔架段会变形，这可能使当场安装显著变难或者受到阻碍。此外，安装费用明显增加。
此外，已知一种风力发电设备，其中转子和发电机安装在框架塔架(Fachwerkturm)上。这种构造方式特别在小的和低的设备中是可靠的。在较大和较高的设备中，安装费用就会不成比例的高，这是因为框架的单个部件的安装必需仅现场进行并且因此几乎不能进行节约时间和费用的预制加工。
DE102006056274A1中已知一种风力发电设备的塔架，其在下部区域中成型为具有至少三个角支架的栅栏塔架(Gitterturm)(框架塔架)并且在上部区域中成型为具有圆形的横截面的管状塔架。上塔架段和下塔架段通过过渡体互相连接。过渡体在此成型为截锥体外壳，其中各个角支架突出到过渡体中并且在那通过两个纵向焊缝与截锥体外壳的外面连接。
DE10339438A1中已知一种用于风力发电设备的塔架，其同样由以栅栏塔架形式的下塔架段和以管状塔架形式的上塔架段组成。在这两个塔架段之间设置过渡体，过渡体将下塔架段与上塔架段连接。WO2013092626A1中描述了一种同类的风力发电设备的塔架。
之前描述的用于风力发电设备的混合塔架具有所谓的分解的塔架结构，该结构具有框架构造方式的下塔架段和成型为管子的上塔架段，缺点在于，上下塔架段之间的过渡体需要增加的安装费用并且不具有优化的力线通量(Kraftfluss)。
发明内容
因此，本发明的目的在于，这样设计和扩展分别在开头提到和之前详细阐述的类型的过渡体和塔架，即能够降低安装费用且改善力线通量而不导致运输费用的不成比例的增高。
该目的在根据权利要求1的前序部分的过渡体中这样实现，即，使节段外壳在上部区域中在指向内部的区段上以锐角互相过渡。
此外，所提到的目的在根据权利要求13的前序部分所述的塔架中这样实现，即成型根据权利要求1到12中任一项所述的过渡体。
根据本发明，这样将过渡体设置为上塔架段和下塔架段之间的过渡，以便于以这种方式提供用于风力发电设备的塔架。为了过渡体的连接设置成型为环形的上连接凸缘。上连接凸缘优选成型为圆形的，以便于与管状塔架的同样成型的凸缘相连接。因此，管状塔架优选具有圆形的、特别是大约相同大小的横截面，这改善了塔架在风载荷下的稳定性。即使原则上并不那么优选，上连接凸缘原则上还可以成型为椭圆形或者角形。为了防止在较高的高度上的焊接作业，优选上连接凸缘设置用于与上塔架段的连接凸缘螺栓连接。
根据本发明下塔架段优选为分解的塔架结构，该塔架结构包括以角支架形式的多个脚。为了确保足够的稳定性，设置至少三个角支架。然而为了进一步提高稳定性，还可以优选设置至少四个角支架。特别是可以利用五个角支架或六个角支架来实现稳定性和组装费用之间的良好折中。因此，过渡体具有至少三个可以分别与角支架连接的连接凸缘。上塔架段优选定向为与中心塔架轴平行，而角支架则优选略微向外倾斜以便于更好的力的转移并且因此与中心塔架轴形成锐角。此外，优选地，将角支架优选以均匀的方式围绕中心塔架轴设置。因此例如，使来自各个侧面的风载荷都可以同样良好地转移。
这样实现了构造的简化，即过渡体具有围绕在中心塔架轴周围分布设置的节段，其中这些节段的数量对应于角支架的数量。因此，从上塔架段转移的力可以通过这些节段分散到角支架上并且通过角支架而转移。为了塔架的均匀构造，可以将节段以同样的形状围绕中心塔架轴而设置。节段的上部区段在过渡体的外侧共同构成环形环绕的、优选为闭合的连接外壳。该连接外壳支承上连接凸缘并且因而能够使从上塔架段传递来的力以均匀的方式向下转移。
节段的上部区段在外部区域中互相过渡，而节段在下部区域中则构成单独的环形环绕的节段外壳。连接外壳优选具有圆形的横截面，节段外壳则至少区段地优选偏离于圆形横截面的形状。然而，同时优选节段外壳的下部末端具有圆形的横截面。于是，节段外壳可以经由下部连接凸缘使力均匀地转移到角支架上。为了相同的目的，角支架优选具有相同大小的横截面，特别同样是圆形的横截面。为了避免在很高的地方进行焊接，下部连接凸缘也成型为与角支架的相应的连接凸缘螺栓连接。
在此，本发明发现当节段外壳在上部区域中在指向内部的区段上以锐角互相过渡时，则这些节段允许具有更好的力线通量。以这种方式减小了应力峰值。在此，指向内部的区段可以中央地以中心塔架轴的方向指向内部。但这并非是必须的。相应的区段还可以以邻接的角支架的方向指向内部。因此，这些节段的外部区域在外部的连接外壳的区域中聚拢并且这些节段的内部区域在过渡体的内部区域中、特别是在中心塔架轴的区域中聚拢。在此，相应的节段具有额外的优点，即由于其尺寸，可以相对容易地将这些节段分开运输到塔架的安装地点并且可以在那组装成过渡体。如果必要，可以通过焊接进行安装。焊接可以在地面上进行并且仅在将节段互相焊接之后才可以将过渡体抬到下塔架段上。此外，上连接凸缘和下连接凸缘的设置导致风力发电设备的塔架的下塔架段和上塔架段之间的过渡体的安装非常简单。
在过渡体的第一优选实施例中，节段成型为基本上相同的。以这种方式可以简化节段的预制及其安装。当节段在结构上基本相同的情况下尤其是如此。于是，在很大程度上可以使用相同的部件并且避免了错误的安装。
过渡体的节段外壳可以这样互相过渡，即过渡体在中心塔架轴的区域中通过所述节段外壳向下封闭。这样导致过渡体的加固并且此外使得作用在风力发电设备的塔架上的力能够更均匀地分散。
替代地或额外地，节段外壳可以这样互相过渡，即节段外壳的过渡构成星形结构。该星形结构优选以中心塔架轴为起点，并且其中进一步优选中心塔架轴延伸穿过该星形结构的中心。在任何情况下，星形结构导致过渡体的加固。节段可以沿星形结构构成连接肋，特别是在诸如风载荷等的侧向负载作用在塔架上的情况下，节段通过连接肋相对于彼此支撑。同时，星形结构可以使得力更均匀地分散以减小过渡体的结构中的应力峰值。基本上，星形结构可以大致设置在上连接凸缘的高度上或者还可以设置在其下方。然而，优选将星形结构设置得高于、特别是明显高于下连接凸缘。
节段的上部区域，如有必要节段外壳的上部区域可以具有圆弧段的形状，也就是说特别是在横向于中心塔轴的平面中，也即在水平的平面中。换言之，节段的上部区域，如有必要节段外壳的上部区域可以以蛋糕切块的形状成型。在此，圆弧段分别优选具有基本上总计为360度的张开角度并且更优选分别具有相同的大小。由此得到的对称同样导致过渡体的进一步加固以及更均匀的力线通量。
为了使节段在上部区域中既在过渡体的内部区域又在过渡体的外部区域中互相过渡并且在下部区域中能够构成单独的节段外壳，建议使节段外壳的横截面的形状总是在上部区域中沿着节段外壳的纵向延伸连续地变化。由此减小了应力峰值并且减少了特别通过弯折导致的局部材料损坏的危险。当由于角支架的横截面而适当的情况下，如有必要，横截面的横截面积在此也可以连续变化，以避免从节段到角支架的横截面过渡不连续。相应的不连续性可能意味着在过渡体方面或在角支架方面的材料的需求的提高。
特别优选，节段外壳朝向下逐渐变细。换言之，节段外壳的横截面积向下一直减小。当角支架的横截面由于角支架的刚性而优选的圆形时，这样可以以节约材料的方式使用壁厚和/或横截面积(即直径)更小的角支架。
可以替代地或额外地这样整体提高塔架的刚性，即上连接凸缘和/或下连接凸缘成型为圆形形状。
为了简化组装和维护，上连接凸缘和/或下连接凸缘可以设置在内侧。在下连接凸缘的情况下，内侧在此特别是指相对于节段外壳的内部，或者在上连接凸缘的情况下，内侧特别是指相对于连接外壳的内部。在这两种情况下，各个凸缘相对于各个外壳完全地围绕整个周侧，因为这样同样导致更坚硬的且更稳定的连接。
过渡体的制造可以这样特别容易地进行，即通过基本上沿着焊接的钢板构成节段外壳，优选构成节段。在此，凸缘可以优选由分开的结构部件构成。通过钢板的焊接，也可以容易地制造复杂的形状。在这种背景下，特别建议钢板是弯曲的三角形和/或梯形钢板。由此过渡体的制造可以进一步简化。
替代性地，节段外壳可以通过侧向连接板和/或以基本横向于中心塔架轴的方式设置的下连接板互相连接。下连接板这样在与塔架区段连接的状态下优选为水平定向。该连接板或这些连接板可以用于进一步加固过渡体。特别地，在过渡体构造特别为有裂缝的情况下，也可以以这种方式来实现更少的抵抗风的迎风面并且过渡体具有迎向风的总体上更小的流阻。
对于塔架，在本发明的第一优选实施例中，上塔架段基本上成型为中空型材。以这种方式在更小重量的情况下实现了高的刚性。特别地，上塔架段成型为管状并且如有必要具有向上逐渐变细横截面。替代地或额外地，出于相同的原因，角支架可以基本上成型为中空型材并且优选具有管状的形状，其横截面如有必要可以向下逐渐变细。
下塔架段特别优选成型为框架塔架。这种类型塔架段又称为栅栏塔架。在这种类型的下塔架段中，本发明的优点特别大程度地得以体现。为了进一步加固下塔架段，角支架可以通过杆互相连接。为了该目的，优选杆水平和/或斜向延伸，其中特别优选水平的或斜向的杆。
附图说明
下面借助示出了唯一的实施例的附图详细阐述本发明。附图中示出了：
附图1以立体图示出了根据本发明的风力发电设备的塔架，该塔架包括根据本发明的过渡体，
附图2以从上方视角的立体图示出了第一种根据本发明的过渡体，
附图3以从下方视角的立体图示出了附图2中的过渡体，
附图4A-D以不同的视角示出了附图2中的过渡体的细节，
附图5以立体图示出了附图2中的过渡体的一个节段，
附图6以从上方视角的立体图示出了第二种根据本发明的过渡体，并且
附图7以立体图示出了附图7中的过渡体的一个节段。
具体实施方式
附图1中所示的风力发电设备2的塔架1由具有多个角支架3的下塔架段4、成型为横截面是圆形的管状塔架的上塔架段5和设置在上塔架段与下塔架段之间的过渡体6构成。在上塔架段5的管状塔架的上部末端上安装风力发电设备2，该风力发电设备以围绕基本上垂直延伸的轴转动的方式安装。风力发电设备2包括带有三个转子叶片8的能够围绕水平的轴转动的转子7。此外，转子叶片8以能够围绕其纵向延伸转动的方式在风力发电设备2的轮毂9上安装，以便于能够基本上无极的面向风运行。在所谓的吊舱外壳10中设置发电机，其轴通过传动机构和联轴器与转子旋转刚性地连接。
下塔架段4在所示的和就此优选的塔架1中具有6个角支架3，其中也可以是多于或少于6个角支架3。然而，塔架1具有至少三个角支架3，其互相之间的水平距离从过渡体6向下逐渐增大。优选基本上直线的角支架3因此构成了三个或多个腿的塔架构造，其腿部互相呈锐角张开。下塔架段4也可称为分解的塔架结构。所示的和就此优选的塔架1的每个角支架3由多个(这里是三个)在纵向上互相连接的钢管型材11组装并且因此自身成型为管状。钢管型材11的连接位置通过螺栓的、打孔的凸缘12形成，凸缘可以成型为环形凸缘。
用作角支架3的钢管型材11优选是纵向缝焊或螺旋缝焊的相同部件。角支架3的钢管型材11优选具有在5mm到30mm范围内的壁厚，而直径优选为500mm到1900mm之间。
在所示的和就此优选的塔架1中，角支架3互相通过水平杆13和斜杆14互相连接。水平杆13和斜杆14由相同类型的钢型材构成，这些型材例如具有U形的、L形的或T形的横截面。通过尽可能使用相同部件，使用下塔架段4因此具有模块化的构造。
上塔架段5具有一系列环形的和圆锥形的向上逐渐变细的塔架节段15，其互相螺栓连接。塔架节段15基本上成型为中空型材并且构成管子。然而在管子中设置例如横隔板、梯子和/或阶梯的组装件，从而使人可以登上塔架1。上塔架段5通过作为适配器的过渡体6与下塔架段4，特别是与下塔架段4的角支架3相连。
附图2和3中详细示出了过渡体6，其设置用于与包括四个角支架3的下塔架段4连接和与以具有圆形横截面的管状塔架形式的上塔架段5连接。在此为了更加清楚省略了连接凸缘，过渡体6通过连接凸缘与上塔架段5和下塔架段4的角支架3螺栓连接。连接凸缘成型为开孔的环形凸缘并且相对于各个开口和/或过渡体6而言内部地设置。连接凸缘因此可以从过渡体6的内部空间与上塔架段5和下塔架段4的相邻的连接凸缘螺栓连接。
过渡体6包括四个结构相同的节段16，其在过渡体6的上方区域中互相过渡。节段16的外部的区域通过形成环形的连接外壳17互相过渡。该连接外壳17在其上部末端支承在附图2和3中未示出的连接凸缘，连接凸缘用于将过渡体6与上塔架段5螺栓连接。节段16的内部部件同样互相过渡。节段16的内部区域的连接位置18形成了十字形，其中心点基本上位于风力发电设备2的塔架1的中心塔架轴上。
过渡体6的节段16以相同形状围绕中心塔架轴设置。此外，节段16在其上部末端上具有以1/4的扇形形式的横截面，其具有分别大约90°的张开角度。然而，节段的横截面从上到下发生改变。节段16在下部末端上具有基本上圆形的横截面。在那节段16过渡到连接凸缘中，连接凸缘也是圆形的但并未示出。下连接凸缘在此围绕中心塔架轴而对称设置。
所示的和在就此优选的节段16的壁通过弯曲或压制成相应的形状的钢板成型。钢板在节段的整个纵向延伸上构成了环绕的节段外壳19。在所示的和就此优选的过渡体6中，在侧向上的分别在两个相邻的节段外壳19之间设置基本上垂直延伸的侧向的连接板20。过渡体6总共具有四个这种侧向的连接板20。此外，还设置基本上水平定向的连接板21，其一方面到达垂直的连接板20的下部边缘上，另一方面到达节段外壳19的内部区域。后者以大约其周长的一半由下部的连接板21包围。
为了更好的理解过渡体6的形状，参考附图4A到4D。这些附图示出了过渡体的内部结构，其如何通过经十字形的连接位置18的节段16的连接而产生。过渡体6的所有其余的部件，例如连接板20,21和连接凸缘因此在附图4A到4D省略。附图4A中以仰视图并且附图4B中以俯视图示出过渡体6。此外，在附图4C中以立体图并且附图4D中以侧视图示出示出过渡体6。
单个节段16在其下部末端上具有圆形的横截面。在节段16的上部末端的方向上，该横截面连续变化，直到其得到大约扇形或蛋糕切块的形状。节段16的内部区域在线状的连接位置18处交接，连接位置成型为大约星形的、这里大约十字形。通过连接位置18在节段16之间成型的星形或者十字形的结构的中心大约设置在在中心塔架轴上，并且优选连接外壳17的中心也是这样。连接外壳17由节段16的外部的区域构成并且在过渡体6的上部末端上环绕地设置。
此外，在附图2到4所示的过渡体6中，未示出的连接凸缘焊接到连接外壳17的上部末端和节段16的下部末端上。然而，过渡体6自身优选通过连接凸缘与上塔架段4和下塔架段5螺栓连接。在根据附图2到4的过渡体6中，过渡体6的环绕的连接外壳17具有非常小的垂直的延伸。在此，连接外壳17的高度基本限制于节段16互相连接以及连接外壳17到连接凸缘上的连接。然而替代性地，连接外壳17还可以具有更大的高度，其中节段16的内部区域到星形或十字形形结构的连接还可以进一步大致设置在连接外壳17的高度上，特别是在连接外壳17的上部末端或者下方。然而，节段16的内部区域应在节段16的下部末端上方互相过渡。
节段16在结构上是相同的，并且由梯形的相应弯板22和23焊接而构成。在该背景下，特别参考附图5，其中示出了根据附图2到4的过渡体6的单个节段16。所示的节段16由总共三个改型的且互相焊接的板22和23构成。在此，两个板22由基本上相同的板切片构成并且基本相同地成型。这样，这些板22具有基本相同的形状。这两个板22相对于过渡体6构成内部区域，而以不同于其它板22的方式弯曲的第三个板23相对于过渡体6基本上构成节段16的外部区域。以这种方式成型的节段16同样互相通过焊接相互连接。
在附图6中示出过渡体6’的替代的设计。在此，相应的过渡体6’在其基本结构方面类似于附图2到5的过渡体6，因此以下仅需描述过渡体6和6’的差异。在附图6的过渡体6’中，分别在两个节段16’之间设置侧向的连接板20’，这些板大多垂直。此外，这些连接板20’设置为与过渡体6’的外部大致对齐。所示出的和就此优选的侧向的连接板20’在其下边缘上具有弯曲的凹陷24。在根据附图6的过渡体6’中不存在基本上水平定向的连接板。
根据附图6的过渡体6’与附图2到4的过渡体6的其他的区别在于单个节段16’的制造和设计。这些是通过对大致五个三角形板25,26和一个梯形板27进行焊接而得到。三角形板25和26可以从金属板的基本相同的切片得到，其中板25和26以两种不同的方式成形，以便于得到期望的弯曲形状。成型之后，三个板25具有基本相同的形状，而其他两个三角形的板26同样具有基本上相同的形状。梯形的且同样由平面的切片成型的板27构成了节段16’的在过渡体6’中指向外的一侧的大部分。

Claims (15)

1.一种设置在风力发电设备(2)的塔架(1)的上塔架段(5)和下塔架段(4)之间的过渡体(6，6’)，所述过渡体具有将所述过渡体(6)与所述上塔架段(5)连接的基本上环形的上连接凸缘并且具有至少三个分别用于与所述下塔架段(4)的角支架(3)连接的基本上环形的下连接凸缘，其中所述过渡体(6，6’)具有围绕中心塔架轴设置的多个节段(16，16’)，其中所述节段(16，16’)的数量对应于所述角支架(3)的数量，其中所述节段(16,16’)的上部区段在所述过渡体(6,6’)的外侧上构成了环形环绕的、支承上连接凸缘的连接外壳(17)并且所述节段(16，16’)的下部区段分别构成支承所述下连接凸缘的环形环绕的节段外壳(19)，
其特征在于，
所述节段外壳(19)在上部区域中在指向内部的区段上以锐角互相过渡。
2.根据权利要求1所述的过渡体，其特征在于，
所述节段(16)成型为基本上相同类型，优选结构相同。
3.根据权利要求1或2所述的过渡体，其特征在于，
所述节段外壳(19)这样互相过渡，即所述过渡体(6，6’)在中心塔架轴的区域中通过所述节段外壳(19)向下封闭。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的过渡体，其特征在于，
所述节段外壳(19)这样互相过渡，即所述节段外壳(19)的过渡构成优选以所述中心塔架轴为起点的星形结构。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的过渡体，其特征在于，
所述节段外壳(19)的上部区域具有圆弧节段的形状。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的过渡体，其特征在于，
所述节段外壳(19)在上部区域中具有在连续变化的横截面。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的过渡体，其特征在于，
所述节段外壳(19)向下逐渐变细。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的过渡体，其特征在于，
所述上连接凸缘和/或所述下连接凸缘成型为圆形形状。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的过渡体，其特征在于，
所述上连接凸缘和/或所述下连接凸缘在内侧设置。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的过渡体，其特征在于，
所述节段外壳(19)，优选所述节段(6，6’)基本上沿着焊接的钢板(22、23、25、26、27)构成。
11.根据权利要求10所述的过渡体，其特征在于，
所述钢板(22、23、25、26、27)是弯曲的三角形和/或梯形的钢板(22、23、25、26、27)。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的过渡体，其特征在于，
所述节段外壳(29)通过侧向的连接板(20，20’)和/或通过以基本上横向于所述中心塔架轴的方式设置的下连接板(21)互相连接。
13.一种用于风力发电设备(2)的塔架(1)，所述塔架具有：以管状塔架形式的上塔架段(5)、具有至少三个角支架(3)的下塔架段(4)和将所述上塔架段(5)与所述下塔架段(4)连接的过渡体(6)，其特征在于，
所述过渡体(6)是根据权利要求1至12中任一项所述的过渡体(6)。
14.根据权利要求13所述的塔架，其特征在于，
所述上塔架段(5)和/或所述角支架(3)基本上成型为中空型材，尤其是成型为管状的。
15.根据权利要求13或14所述的塔架，其特征在于，
所述下塔架段(4)成型为框架塔架并且所述角支架(3)通过优选水平或斜向延伸的杆(13、14)互相连接。
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