CN107429670A - 用于陆基和近海应用的减小轮廓的风力塔架系统 - Google Patents

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Abstract

一种减小轮廓的风力塔架系统包括从基座竖直地向上延伸的细长圆柱形脊芯。涡轮机机舱安装在芯的顶端上。风力涡轮机叶片从机舱伸出。由芯支撑的多个轴向受载的管状臂围绕芯隔开，并通过连续切变翼或分立的支架组件与芯联接。管状臂和切变翼从所述基座向上延伸。管状臂可以被竖直或略微倾斜地设置。其他实施方案涉及将缆索替代为管状臂和/或将塔架改造为浮动式结构。

Description

用于陆基和近海应用的减小轮廓的风力塔架系统
技术领域
本发明涉及高风力涡轮机塔架。
背景技术
存在这样的广泛共识，世界正朝着风能发电大幅扩张进发。根据美国能源信息管理局(EIA)，2010年风能源仅占美国总发电量的约2％。尽管如此，从2000年至2010年，美国由风产生的电力增长了十五倍以上。EIA报告称，在2013年美国风能超过总体美国电力容量的4％。许多人认为到2030年时，来自风能的电力供应将达到20％。
根据美国能源部，为了在风速较高的高海拔获得更多能源，风力塔架正变得更高。同时，为了降低单位成本，风力涡轮机逐渐变得更大更重，并且叶片变得更长。三角商业杂志报道，“2000年，叶片旋转的风力涡轮机达到了80米，并且到2012年，旋转叶片达到130米的高度。允许高度超过180米可能会是一种变革”。因此，以下考虑至关重要：
风能项目成本的主要组成部分投资于支承结构和基座的制造、运输以及安装。减少上层结构(superstructure)和基座系统的成本以及使得塔架到项目现场的安装和运输更方便，在使风能与其他能源相比更具竞争力的方面是必要的。
目前，最常见的风力塔架结构是锥形管构造：大直径的圆锥形塔架。其为庞大且昂贵的结构。随着塔架更高、涡轮机更大更重和叶片更长的趋势，现今塔架的直径将会继续变得更大，并且总成本急剧上升。现今塔架的制造、运输和架设成本将不成比例地增加，阻碍了风能设施的效率，并使现有的塔架结构越来越不可行。现今，在一些市场中，风力是有竞争力的能源形式。本文提出的创新解决了现今塔架的缺点，为风能成为更广阔市场中的主流能源提供了更大的优势。
根据美国能源部(DOE)2007-2012计划的报告，较高的风力涡轮机塔架由于风切变可以获得高速风(随着在地面之上的高度增加，风速增加)。然而，较高的塔架更昂贵，并且更难运输和架设。为了支承更高的塔架，涡轮机基部的直径通常必须增大。直径大于约4米的基部由于受道路容量、桥梁高度和公用设施线路高度的限制，导致运输成本飞涨。
到迄今安装的所有风力塔架，无论是锥形管还是锥形格栅结构，基本上为相同的基本结构系统：独立式竖直悬臂。多年来，格栅塔架结构一直用于输电线路和天线设施。一种或另一种形式的一些格栅塔架已被用于风力塔架设施。然而，目前最常见的风力塔架结构是锥形管，大直径的圆锥形塔架。其为庞大且昂贵的结构。当这种结构高于约80米时，这种结构的基部直径可超过4米。
塔架结构经受静态和动态力(主要是竖直力，诸如塔架、涡轮机以及叶片的自重)，并经受侧向力，诸如风力和地震力。然而，通常，侧向力驱动着风力塔架的设计。侧向力产生弯曲力矩并使塔架结构摆动。随着塔架变高并且涡轮机变大变重，弯曲力矩和摆动的量大大增加。
由于现今的独立式锥形管塔架结构变得过大，所以其变得极其昂贵，阻碍了风能作为替代能源的竞争力，从而使这种结构系统越来越不可行。为了防止风力塔架设施的成本急剧失控，迫切需要逆转现有塔架系统的局限性。
发明目的
本发明的目的在于提供一种简单的、结构有效且美观的风力涡轮机塔架。
本发明的目的还在于提供一种在制造、运输和安装方面具有成本效益的风力涡轮机塔架。
本发明的目的还在于提供一种可以达到高度并且适应高海拔处的强风的风力涡轮机塔架。
本发明的目的还在于提供一种在陆地和近海均可使用的风力涡轮机塔架。
发明内容
上述特征和目的通过以下方式来实现：利用减小轮廓的风力涡轮机塔架(RPWTT)结构，其具有与现有大型锥形管塔架相同的占地面积，但作为替代使用细长均匀圆柱形脊芯，其中该芯由经由切变翼与塔架芯相互作用的多个轴向受载的管状臂围绕。臂通过脊芯利用支撑环被侧向支撑。塔架的整体稳定性利用互相连接的脊芯、切变翼以及管状臂一起作用而实现。
基于使用的管状臂的数量、支撑环的类型、敞开或闭合的切变翼或支架以及成扇形散开或直的管状臂而描述多个不同的实施方案。
其他实施方案涉及用缆索替代管状臂。缆索被后张紧，使得其能够抵抗张拉和压缩两者。后张紧是通常用于在桥梁、停车库和建筑物建造中加固混凝土板和其他结构系统和元件的公知技术。
还描述了基座上的陆上RPWTT以及浮动式平台上的近海RPWTT的解决方案。
本发明的减小轮廓的风力涡轮机塔架设计从根本上改变了塔架的结构性能，并为更高、更细长、更具成本效益的风力塔架开辟了新的机会，这样的风力塔架在制造、运输和安装方面明显更加容易且快捷。本发明的减小轮廓的风力涡轮机塔架具有无与伦比的通用性和设计灵活性，使其能适用于许多陆基和近海应用。这允许能够驾驭更高海拔处的更强风的高效经济的超高风力塔架。减小轮廓的风力涡轮机塔架设计允许整个风能系统的优化，以包括具有发电系统的塔架结构和基座，从而开启减少总支出并降低能源的单位成本的先前尚未发掘的潜力。
值得注意的是，减小轮廓的风力涡轮机塔架提升了现今典型风力塔架的轮毂高度，但不超过目前的运输限制。新塔架几乎不需要维护。减小轮廓的风力涡轮机塔架更细长、更轻、并且非锥形。处理(handle)减小轮廓的风力涡轮机塔架部段是相当容易的，可以在更短的时间内完成。与传统塔架不同，新塔架的刚度可以根据需要以相对极小的成本增加，以改善塔架性能及其结构响应来满足设计需求。减小轮廓的风力涡轮机塔架可以支持爬升式塔式起重机以用于架设下一塔架层面，并方便涡轮机和叶片的安装，从而不需要庞大且昂贵的以陆地为工作台的起重机。此外，其解决了在任何结构中作为关键联接的塔架连接。已知的所提出的高塔架增加了许多连接，从而增加了许多这样的关键联接。通过减小轮廓的风力涡轮机塔架，连接数量得以最小化，并且现场拼接得以简化。
设计和建造比现今的80m高的风力塔架高得多的塔架是可能的，只要这些塔架符合需要更稳固结构系统的物理学规律。目前，所有已知的所提出的高塔架都将“稳固”结构转译为“较大尺寸”的结构。然而，“稳固”并不意味着“较大尺寸”。通过缩小现今塔架的管系统，同时通过其他更有效的结构装置提高塔架的刚度和抵抗能力，减小轮廓的风力涡轮机塔架实现了更“稳固”的结构。这样，减小轮廓的风力涡轮机塔架逆转了现今塔架的局限性，完全改造了后者的大型结构系统。
附图说明
结合附图可以最佳地理解本发明，其中：
图1是经受侧向力P的现有技术独立式塔架芯的弯曲力矩图。
图2是示出了利用管状臂的方形布置的基本塔架改造的横截面图。以虚线示出了现有技术中的塔架横截面5以进行比较。本发明的新的减小轮廓的风力涡轮机塔架RPWTT10被示出为具有均匀脊芯12、切变翼16以及管状臂14，它们以实线示出。
图3是本发明的减小轮廓的风力涡轮机塔架RPWTT 10的纵截面图，示出了均匀脊芯12、管状臂14、连续切变翼16以及盘形支撑环17。还示出了带有叶片24的风力涡轮机机舱22以及基座20。
图4是本发明的减小轮廓的风力涡轮机塔架RPWTT 10的纵截面图，示出了锥形支撑环26的使用。
图5是现有技术中的圆柱形或锥形管塔架5的弯曲应力分布图。
图6是本发明的减小轮廓的风力涡轮机塔架RPWTT 10的纵截面图，示出了切变翼中的开口28，其中在每个开口的边缘处具有成对的圆凸缘板18。
图7是本发明的减小轮廓的风力涡轮机塔架RPWTT 10的纵截面图，示出了刚性支架32的组件，其中在组件之间具有成对的圆凸缘板18和敞开区域30。
图8是本发明的减小轮廓的风力涡轮机塔架RPWTT 10的纵截面图，使用了成扇形散开的管状臂34，所述管状臂在底部利用可选的水平管36与基座20接合。
图9是本发明的减小轮廓的风力涡轮机塔架RPWTT 10的纵截面图，采用了后张缆索40替代管状臂14；该实施方案还使用刚性支架32的组件，其中在组件之间具有成对的圆凸缘板18和敞开区域30。
图10是本发明的减小轮廓的风力涡轮机塔架RPWTT 10的纵截面图，采用了后张缆索40，该后张缆索在底部与穿过基座42的岩石锚固件44连接。
图11是本发明的减小轮廓的风力涡轮机塔架RPWTT 10的纵截面图，采用了后张缆索40，所述后张缆索优选地在底部围绕基座46成扇形散开48并终止于岩石锚固件44中。
图12是示出本发明的减小轮廓的风力涡轮机塔架RPWTT 10的塔架横截面图，其中管状臂或后张缆索50与典型的现有技术中的塔架5相比距均匀脊芯12的距离更大；管状臂或缆索50以延伸的方形布置示出。
图13是本发明的减小轮廓的风力涡轮机塔架RPWTT 10的塔架横截面图，利用了六个管状臂或后张缆索50的多个六边形布置，所述管状臂或后张缆索通过支架32与脊芯12附接。
图14是本发明的具有塔架高度h的减小轮廓的风力涡轮机塔架RPWTT 10的纵截面图。具有成对的圆凸缘板18的刚性支架32处于两个高度：距底部2/5h和距底部4/5h。塔架脊芯12和管状臂或后张缆索50经受侧向力P。
图15是图14的本发明构造的减小轮廓的风力涡轮机塔架RPWTT 10的弯曲力矩图，在距底部2/5h和4/5h处具有转动固定。
图16是用于近海用途的本发明的浮动式减小轮廓的风力涡轮机塔架RPWTT 10的纵截面图。成扇形散开的后张缆索48锚固在浸没浮筒52中，该浸没浮筒经由海床60中的锚固件62通过系紧缆索54保持在高水位56和低水位58两者之下。
图16A是现有技术构造(锥形管或格栅型或其混合)90的浮动式风力涡轮机塔架的纵截面图，其具有安装在浸没浮筒上的新的可选的成扇形散开的基部段91，如同图16的减小轮廓的风力涡轮机塔架RPWTT 10。
图17是本发明的减小轮廓的风力涡轮机塔架RPWTT 10在支架层面处的俯视图，示出了均匀脊芯12、管状臂14、刚性支架32和顶部圆凸缘板70之间的现场连接的细节。
图18是本发明的减小轮廓的风力涡轮机塔架RPWTT 10在支架层面处的纵截面图，从偏离90度的视角示出了图17的现场连接的细节。
图19是本发明的减小轮廓的风力涡轮机塔架RPWTT 10在支架层面处(与图17相当)的俯视图，示出了均匀脊芯12、缆索组件86、刚性支架32和顶部圆凸缘板76之间的现场连接的细节。
图20是本发明的减小轮廓的风力涡轮机塔架RPWTT 10的从偏离90度视角的图19中的现场连接的支架层面处的纵截面图。
附图标记列表
5 现有技术中的锥形管塔架
10 减小轮廓的风力涡轮机塔架(RPWTT)
12 均匀脊芯
14 管状臂
16 切变翼
17 盘形支撑环
18 圆凸缘板
20 风力塔架的基座
22 风力塔架涡轮机机舱
24 涡轮机叶片
26 锥形支撑环
28 切变翼中的开口，其中在每个开口的边缘处具有成对的圆凸缘板18
30 敞开区域
32 具有成对的圆凸缘板18的刚性支架
34 成扇形散开的管状臂34，在其底部与基座20或浮筒52接合
36 可选的水平管
40 后张缆索
42 基座
44 岩石锚固件，穿过基座42或外部基座46
46 基座
48 后张缆索40的扇形散开部
50 管状臂或后张缆索，与典型现有技术中的塔架相比距均匀脊芯12的距离更大
52 浸没浮筒
54 浸没浮筒的系紧缆索
56 高水位
58 低水位
60 海床
62 锚固件
70 顶部圆凸缘板
72 底部圆凸缘板
76 顶部圆凸缘板
78 厂焊加固件
80 缆索轴承板
82 凸缘板中的开口
84 底部圆凸缘板
86 缆索组件
90 现有技术中的风力涡轮机塔架
91 提出的用于塔架90的可选的成扇形散开的基部段
P 侧向力
KL 有效屈曲长度
具体实施方式
图1示出了经受侧向力P的具有均匀直径的独立式塔架中的弯曲力矩。弯曲力矩对于锥形管塔架是相同的。即使在恒定力的情况下，弯曲力矩也随着塔架变高而增加，随着弯曲力增加，塔架的摆动也增大。弯曲力矩随着高度线性地增加，而摆动在高度上甚至以三的次幂更快地增大。由于现今的塔架芯必须全靠自身来抵抗全部弯曲力矩并控制塔架的摆动，所以塔架越高，其尺寸就必须越大，需要直径更大且更厚的管。同样，随着塔架直径增加，其外壳厚度也必须增加，以防止局部屈曲。结果，现今的塔架结构变得相当昂贵，并且明显难以制造、运输以及安装。运输超大型塔架受制于特殊的运输许可，并且在复杂的地形或在存在物理基础设施限制的情况下，根本不可能在陆地上运输塔架。
在基座20上方支撑具有叶片24(如图2和图3所示)的涡轮机22的基本的减小轮廓的风力涡轮机塔架结构RPWTT 10使用与现有锥形塔架塔架5相同的占地面积。但是，替代现今的大型结构5，本发明的减小轮廓的风力涡轮机塔架RPWTT 10利用具有强力臂的细长脊(如图2和图3所示)。其采用更小、更轻、且更均匀的圆柱形脊芯12，该芯可承载所有所需的公用设施线路，并提供通向塔架顶部的机舱的保护通路。减小轮廓的风力涡轮机塔架芯12主要承载重力荷载并抵抗切变和扭转。其提供了建造期间所需的结构稳定性，并在每个后续阶段提高塔架的整体稳定性。随着每个层面的安装，塔架获得强度和稳定性。通过每个完成的层面，建立了坚固的独立结构，该结构可以全靠其自身来承受力和力矩。
在均匀的非锥形圆柱形脊芯12的情况下，塔架各段的拼接可以采用将上部塔架段完全直接承载在其下部段上并利用切变拼接，消除了对效率较低的凸缘拼接件的需求，这些凸缘拼接件要求全焊透焊缝并使螺栓和全焊透焊缝经受张力。这可以通过在工厂用螺栓将圆柱形零件装配至塔架芯的下部段并在现场用螺栓将该圆柱形零件装配至其下一上部段来实现。
在减小轮廓的风力涡轮机塔架RPWTT 10中，只有小部分的外部弯曲力矩由细长的圆柱形脊芯12抵抗。较大部分的弯曲力矩由经由连续切变翼16与塔架芯12相互作用的高效轴向受载的管状臂14抵抗。与现今的锥形管塔架5不同，减小轮廓的风力涡轮机塔架的管状臂14均匀地受到应力。管状臂可以被竖直地或略微倾斜地设置。臂14由脊芯12利用盘形支撑环17(如图3所示)或更符合空气动力学的锥形支撑环26(如图4所示)侧向支撑。后者的支撑也是当涉及嵌套时的解决方案。这样，避免了在改造的塔架结构内存在细长的部件。改造的结构系统利用和谐作用的脊芯12、切变翼16以及管状臂14提供了整体稳定性。基座设计主要取决于所使用的具体减小轮廓的风力涡轮机系统、施加在塔架上的荷载以及当地的岩土情况。减小轮廓的风力涡轮机塔架部件之间的连接很简单，并且可以具体地在工厂焊接并且在现场利用螺栓连接，以便于最有效地制造和架设。
现今的现有技术中的塔架5的固有缺点之一源于其结构系统仅通过弯曲来抵抗倾覆力矩。圆柱形或锥形管塔架在抵抗弯曲和扭转方面非常有效，但在抵抗弯曲或限制摆动方面不是很有效，抵抗弯曲和限制摆动是风力塔架设计中的两个关键驱动因素。在圆柱形或锥形管塔架中，工作条件下的弯曲产生内部应力的梯度，其中只有塔架横截面中的末端纤维受到材料的全部强度的应力，使塔架的大部分材料经受的应力不足(如图5所示)。因此，在工作条件下，现今塔架材料的大部分在经受弯曲时都未被充分利用。现今的塔架5变得越高越大，其材料的未充分利用率就越大，其结构系统越低效。
本发明的减小轮廓的风力涡轮机塔架RPWTT 10通过显著地降低圆柱形芯12上的弯曲力矩并将该圆柱形芯主要应用在其最适合的抵抗重力荷载、切变、扭转以及屈曲的方面，从而解决了该限制。
此外，切变翼16可以被设计成具有开口28，以进一步简化制造和架设，并降低成本(如图6所示)。在该限制下，翼部区域的大部分可以保持敞开，使切变翼16简化为位于不同层面的刚性支架32(或刚性悬臂)(如图7所示)。支架32由竖直切变板和水平圆凸缘板18形成。支架组件将被封闭以改善空气动力学并防止嵌套。为了保持塔架芯12的内部大部分敞开，在支架32处可能需要较强的过渡芯段。这可以局部通过利用稍微较厚的芯同时保持芯12的外径不变来实现。具有其圆凸缘板18(如图7所示)的刚性支架32的附加优点在于支架提供了坚固的平台，这些平台可用于架设下一塔架层面并便于涡轮机22和叶片24的安装。换句话说，除了其在塔架RPWTT 10中的结构功能之外，支架还可以作为支承爬升式塔式起重机的工作台，不需要更大、更昂贵的以陆地为工作台的起重机。
在项目条件允许的情况下，管状臂14可以在34处成扇形散开以减少到基座中从而到锚固件自身中的锚固力(如图8所示)。在管状臂14的下端处，水平力分量可以被传递至基座，或者可选地，该力可以经由水平管36(如图8所示)被传递回到塔架芯。这样，本发明通过在管状臂的上端处的成扇形散开的管状臂34“抵消”了塔架芯12中产生的水平力分量，从而不需要考虑芯与基座之间的连接以及管状臂34与基座20之间的连接中的水平力分量。
在塔架设计的另一改造中，可以使用后张缆索40替换管状臂14(如图9所示)。缆索40被后张紧以确保缆索在所有设计荷载条件下保持适当的张力。后张紧增加了芯12中的压缩力。另一方面，在利用缆索时，减少了现场连接并简化了制造、运输以及架设。事实上，运输变得不是问题，因为航运缆索是相当标准的货运工作。缆索40可以被成形为遵循任何轮廓，以满足设计需求和选择。后张紧的附加益处在于，实际上在建造过程中就对塔架系统进行了荷载测试。此外，缆索40可以直接锚固到基座20中，进一步简化了施工操作。缆索40被设计为可重复经受应力且可更换。减小轮廓的风力涡轮机塔架的缆索40可以在每个支架层面利用刚性支架32支撑，使得其未支撑的长度比在桥梁中使用的典型缆索短得多。
塔架芯12可以采取各种形式，并且可以由不同材料诸如钢、预制混凝土、现浇钢筋混凝土或后张混凝土来构建。对减小轮廓的风力涡轮机塔架的缆索40进行后张紧将压缩引入塔架芯12中，这降低了芯结构中的力矩引起的张力，从而允许更简单且更小的拼接连接。缆索40的后张紧在混凝土结构中具有附加的益处，因为后张紧降低了塔架芯12中的张力，从而需要较小的加固和/或较小的内部后张紧。此外，为了效率起见，可以使用滑动模板来现浇塔架的均匀脊芯12。
如果需要，可以通过将每个缆索放置在距离地平面大约20至25英尺高的保护壳体内而在地坪处局部保护缆索40。根据所需的安全类型，壳体与缆索之间的空间可以灌浆，或者也可以安装防爆护套。然后将密封整个组件。这样的系统由本发明人(同时是另一公司的负责人)在1995年开创，随后在包括乔治华盛顿大桥、韦拉札诺海峡大桥以及白石大桥在内的几个悬索桥成功地得到实施。
在合格的岩石基板中，缆索40可以通过岩石锚固件44直接锚固到岩石中，从而显著地减小基座的尺寸(如图10所示)。此外，类似于具有管状臂14(如图2至图4和图6至图8所示)的减小轮廓的风力涡轮机塔架RPWTT 10，具有后张缆索40的减小轮廓的风力涡轮机塔架RPWTT 10可以使缆索40可选地在下缆索部分48处成扇形散开，以便大幅减小锚固力和锚固件及基座的尺寸(如图11所示)。
现有塔架5(其中在增加其抵抗外部弯曲力矩并控制其摆动的能力的情况下需要附加成本的具有较大直径和/或较厚外壳的塔架)不同，减小轮廓的风力涡轮机塔架RPWTT10通过使管状臂或缆索50之间的距离变宽并提高塔架效率(如图12所示)而以低成本提供了增加的刚度和能力。这样，管状臂或缆索50中的轴向力和刚性支架32中的切变力减小，而由支架32抵抗的弯曲力矩实际上保持相同。这使得模块化减小轮廓的风力涡轮机塔架设计可以用于一系列减小轮廓的风力涡轮机塔架尺寸，因为用户可以保持芯尺寸恒定，而仅使塔架的受风力涡轮机22和叶片24所限的管状臂或缆索50之间的距离变宽。
对于高塔架，采用其他布置的管状臂或缆索50可以是有利的。例如，图13示出了六个管状臂或缆索50的六边形平面布置。这种扩展布置将是优选的，以减小每个臂或缆索50中的力，从而减小臂或缆索50的尺寸、支架32的尺寸以及支架32处的过渡芯段的尺寸。刚性支架32的层面的数量也可以增加以进一步减小管状臂或缆索50中的力和脊芯12中的弯曲力矩，以达到良好平衡的解决方案。
发明的减小轮廓的风力涡轮机塔架设计产生两个相互依赖的子系统：一个是均匀塔架芯12(芯子系统)，另一个包括管状臂或缆索50及其相应的具有成对的圆凸缘板18的刚性支架32(支架子系统)。这两个子系统共同抵抗外部力和力矩，限制塔架RPWTT 10的摆动并控制塔架10的整体稳定性。这为设计者提供了确定这两个子系统在整个设计中应该如何分配的选择。通常，两个子系统的相对刚度驱动着塔架RPWTT 10的总体性能。硬度较低的塔架芯12将产生对硬质支架子系统的控制，而硬度较低的支架子系统则将产生对刚性塔架芯12的控制。
两个子系统之间的相互作用为我们提供了如下工具：允许设计人员修改塔架结构性能以满足项目特定需求。替代单一的独立式锥形管塔架系统5，用户如今具有无限可能性来对塔架RPWTT 10结构系统进行模制并成形为对其有利。减小轮廓的风力涡轮机塔架创新完全将设计从设计师仅具有被动作用的设计转变为设计师在很大程度上掌控的设计。用户可以在发电系统的设计中、例如在寻求增加塔架力矩臂而不损害涡轮机22和叶片24的效率的方法上探索相关的灵活性。这可以开启用于优化结构设计和风能发电系统整的体设计上的新的可能性的财富宝库，从而开启减少总支出并降低能源的单位成本的先前尚未发掘的潜力。
本发明的减小轮廓的风力涡轮机塔架RPWTT 10提供了许多设计选择，用户可以从这些设计选择中针对给定的一组条件选择最有效的替代方案。用户可以为芯12和支架子系统选择不同的相对刚度、不同的支架平面布置以及不同的支架层面。对于第一次设计迭代，用户假定塔架芯12抵抗所有切变力和扭转以及涡轮机和叶片重力荷载，同时结构自重可以被单独施加到每个结构构件。为了降低成本，均匀芯12的顶部段被作为独立式悬臂而独立存在，没有支架子系统的辅助。这是可能的，因为在实践中，均匀脊芯12本身具有靠其自身足以抵抗力和力矩的一定的固有能力。此外，使用者假定芯12在其基部处经受完全固定，并且在每个支架层面的竖直平面中经受转动固定。后一种假定旨在通过将弯曲力矩的更大部分分配给更有效的抗力矩支架子系统来使芯的尺寸最小化。这进而又转化为芯12硬度较低而支架子系统较硬。在随后的迭代中，用户对设计进行微调以产生最有效且最经济的整体系统。
为了证明这种方法，图14和图15示出了具有均匀芯12和两个支架层面的减小轮廓的风力涡轮机塔架RPWTT 10，其中一个支架层面在距塔架底部2/5高度处，另一个在距塔架底部4/5高度处，其中h是塔架的总高度。芯的上部1/5高度作为独立式悬臂独立存在。图15示出了在塔架的顶部处施加的侧向力P下芯和支架子系统的弯曲力矩图。这种单个力P的简化假定并不减损本文提出的结论。在实践中，替代单个侧向力P，用户使用施加在塔架RPWTT10上的实际侧向荷载。
在该实例中，两个层面中的每个层面处的每个支架子系统抵抗全部弯曲力矩的40％(如图15所示)。由每个支架32抵抗的弯曲力矩从相应的支架层面向下到基座20处的塔架底部都是恒定的。两个层面处的支架32一起抵抗施加在塔架RPWTT 10上的全部弯曲力矩的80％。芯12仅抵抗全部弯曲力矩的1/5，仅仅20％。这比当芯12为独立式芯时将会施加在其上的弯曲力矩小五倍。此外，应当注意，芯12中的弯曲力矩并不是如在独立式塔架(如图1所示)中那样持续增加，而是沿芯12更均匀地重新分布，证明该设计是均匀的、更具有成本效益的芯结构。
对于图15所示的弯曲力矩图，芯12顶部的摆动减小了25倍，减小到在相同条件下仅为独立式芯的摆动的4％。塔架摆动的这种大幅度减小对减小塔架设计中的P-效应具有显著的有益结果。此外，从根本上改变了芯12的变形形状，使理论有效屈曲长度(KL)下降五倍，从独立式芯的KL＝2h下降到这种情况下的KL＝(2/5)h。因此，和相同尺寸的独立式芯相比，这种情况下的芯能够抵抗显著更大的压缩力。该实例明显地证明了两个子系统之间的有益的相互作用，并且说明了减小轮廓的风力涡轮机塔架设计的通用性和结构效能。
当用户沿塔架RPWTT 10引入更多的支架32层面时，可以进一步减小芯12的弯曲力矩和塔架摆动。然而，即使对于高塔架，该过程也不必无限期地继续，因为几个支架32层面将足以产生最佳的解决方案。在实践中，用户将支架32层面定成与塔架芯12的最大可运输长度一致。
如前所述，在减小轮廓的风力涡轮机塔架中，芯12和支架子系统之间的固定度由设计者确定。该关系中重要的变量是塔架芯12的刚度与支架子系统的刚度之间的比率。设计者在塔架芯12的尺寸、管状臂或缆索50的尺寸、支架层面的数量以及管状臂或缆索50的平面布置之间进行权衡。这些变量的适当选择在很大程度上取决于塔架高度、施加在塔架RPWTT10上的力、管状臂或缆索50(力矩臂)之间的平面距离以及当地土壤条件。减小轮廓的风力涡轮机塔架RPWTT 10为设计者提供了其可以控制、模制和成形塔架设计的强大工具。通过适当校准减小轮廓的风力涡轮机塔架设计，用户可以生产高效且具有成本效益的项目专用塔架结构RPWTT 10。
轮减小轮廓的风力涡轮机塔架RPWTT 10中的缆索40可以是暴露的，如同在用于桥梁时那样。类似地，管状臂14可以是暴露的。在暴露的情况下，这提供了抵抗风的最小的投影表面积。然而，如果出于非结构性原因，期望封闭整个塔架RPWTT 10，则可以容易地利用轻质加固织物包层(例如，特氟隆涂覆的编织玻璃纤维)将整个系统遮盖，其中该织物包层以类似于帐篷状结构的方式通过将织物附接至塔架主缆索40或通过引入附加的纵向缆索来独立于主支撑结构缆索系统支撑织物封闭而附接至缆索系统。织物在缆索上伸展拉紧以防止松弛，并在荷载下提供所需的织物稳定性。如果不需要完全封闭，则遮盖物不需要从塔架RPWTT 10的顶部延伸至其基座20。相反，遮盖物可以终止于地面上方的任何期望高度。具有其成对的圆凸缘板18的每个支架32可以充当自然终止点。帐篷和其他形式的缆索支撑式织物结构是已知的且经测试的技术，可以非常好地整合到减小轮廓的风力涡轮机塔架设计中。目前，织物结构提供的寿命约为30年。
轮减小轮廓的风力涡轮机塔架RPWTT 10是利用了通过对现今塔架结构的完整改造所提供的可能性和益处的通用且强大的先驱系统。减小轮廓的风力涡轮机塔架RPWTT 10逆转了现今的塔架5的限制，并且提高了新塔架RPWTT 10系统的性能和效率。利用减小轮廓的风力涡轮机塔架RPWTT 10，塔架RPWTT 10的摆动得到有效控制，并且由塔架芯12抵抗的弯曲力矩变得相当小并且沿着其高度更均匀地分布。这些结果为更高、更细长、更具成本效益的风力塔架RPWTT 10开启新的可能性，这可以帮助降低风能设施的资本成本，并有助于使风能成为更具竞争力的能源。
海近海解决方案：浮动式
根据Navigant 2013年的调查，在没有建设融资的情况下，风力塔架支承件、基座、物流以及安装占近海设施资本成本的47％。
DOE报告：
几乎所有近海风力设施都已在深度不到20米(65英尺)的水域中使用单极或混凝土重力基部基座。无论是固定于海底还是浮动式，用于安装在较深水域中的大型近海风力结构的基座都是将会影响在过渡深度处的风力研发的可行性的关键问题之一。美国能源部风能多年计划的2007-2012年计划(U.S.Department of Energy Wind Energy MultiyearProgram,Plan for2007-2012)。减小轮廓的风力涡轮机塔架的设计、通用性以及简单性使其也成为近海应用中有效且经济的系统。减小轮廓的风力涡轮机塔架通过将水的无限浮力整合到其结构系统中而能够无缝地适应于浮动式塔架。浮动式桥和浮动式结构诸如浮筒自圣经时代以来已被知晓。然而，虽然水可以提供经济的浮动式基座，但是其引入了流体动力、晃动、摆动、扭转以及跷跷板运动形式的新挑战，这些新挑战在风力塔架应用中需要被控制。所提出的浮动式减小轮廓的风力涡轮机塔架系统以最有效的方式应对这些挑战。
图16示出了浮动式减小轮廓的风力涡轮机塔架，其采用了均匀脊芯12、成扇形散开的后张缆索48、系紧缆索54以及完全浸没的浮筒52。浮筒52始终保持在最低预期水位58以下。该浮筒提供了设计成抵抗所有重力的预定向上力，同时提供了塔架系紧缆索54特意张紧于其上的装置。这样，用户引入独立于实际水位的设定抬升力，并且确保系紧缆索54在所有设计荷载条件下都独立于水位保持适当的张力。这也降低了缆索疲劳，并使波浪力对塔架结构的影响最小化。浮筒52可以采取不同的形式并且可以由不同的材料构建。系紧缆索54利用配重或土层锚固件锚固在海床中。后张缆索40在48处成扇形散开以减小后张缆索中的力并且允许有效的较高塔架更深地延伸到水中，由此减小了系紧缆索54的长度。减小系紧缆索54的长度对于使浮动式塔架有效是必要的，因为长的系紧缆索54可能对塔架顶部的摆动带来不利影响，进而对整体的塔架性能带来不利影响。
多年来，系紧缆索54均已经有效地用在浮动式结构中。利用竖直系紧缆索的张力腿平台(TLP)已在浮动式石油钻塔建造中使用了近三十年。然而，与通常较低层、重型、具有相对较宽的基部并且经受相对较小的倾覆力矩的大多数浮动式结构不同，风力塔架本质上是具有较轻重量和较窄基部的高层结构，并且经受相当大的倾覆力矩。因此，塔架基部处的外部倾覆力矩转化为系紧缆索54中的较大轴向力，导致在风力塔架应用中这些缆索发生不可忽视的相当大的伸长和缩短。随着水深的增加，抑制塔架并将塔架锚固在海床中的系紧缆索54的长度也增加。结果，这些缆索的差异性伸长和缩短在外部倾覆力矩下增加，进而，塔架顶部处的摆动变得明显更大。
浮筒52基本上铰接在水中并且塔架基部相对较窄的情况下，系紧缆索长度的变化可以以风力塔架顶部处的摆动的形式放大几倍。这种大的摆动对塔架性能带来不利影响。大的摆动也可能会增加塔架基部处的倾覆力矩，因为塔架重力荷载对摆动的塔架位置的倾覆力矩的贡献变得相当大。塔架越高，则系紧缆索54之间的水平距离越窄，并且系紧缆索54变得越长，则系紧缆索54的伸长和缩短对塔架顶部处的摆动的影响越显著。为了将缆索的伸长和缩短保持在可接受的界限内，这些缆索的直径必须变得更大并且/或者系紧缆索54之间的水平距离需要变宽。当然，这个解决方案具有其经济限制。解决该问题的有效方法是建造较高的塔架并将该塔架更深地沉入水中以缩短系紧缆索54的长度。尽管如图16A中使用锥形格栅或锥形管结构90的传统塔架可以利用该新方法，但将该新方法与本发明的减小轮廓的塔架一起使用是有利的。与现今塔架(其中较长塔架需要成本显著较高的较大直径的结构)不同，减小轮廓的风力涡轮机塔架通过使塔架的后张缆索48成扇形散开或使管状臂34在水下，可以以相对极小的边际额外成本将该塔架制造得更高并且更深地沉没在水中。
整个浮动式减小轮廓的风力涡轮机塔架可以在岸上预组装，然后在与其浮筒52完全组装在一起的情况下将该塔架浮动并拖曳至其最终近海目的地，在该最终近海目的地，该塔架将永久锚固在海床中。这样，完全消除了现今的塔架中使用的庞大且昂贵的单极基座、重力基部或护套结构。
图17至图20示出了用于管状臂实施方案(如图17至图18所示)以及后张缆索实施方案(如图19-20所示)两者的支架层面处的现场连接的替代实施方案的细节。
应当一起查看图17和图18。这些连接被示出为现场焊接，但它们也可以被设计为在现场利用螺栓连接。脊芯12焊接至顶部圆凸缘板70以及底部圆凸缘板72两者。管状臂14在现场焊接至底部圆凸缘板72，而管状臂的切割件在工厂焊接至支架32和凸缘板70和72。
在图19和图20的相应视图中，顶部圆凸缘板76和底部圆凸缘板84在现场焊接至脊芯12。工厂焊接的加固件78焊接至顶部和底部凸缘板两者并焊接至支架32。缆索组件86穿过顶部凸缘板76和底部凸缘板84中的开口82。
总之，本发明将现今的单个部件的塔架5改造成三个一般部件：脊芯12、轴向受载的管状臂14和切变翼16，切变翼将所有三个部件连接以作为一个单元来工作，用于抵抗施加在塔架上的外力和力矩。管状臂14由脊芯通过支撑环17或26支撑。在本发明的减小轮廓的风力涡轮机塔架10中，脊芯12抵抗外部力矩的一小部分，而管状臂抵抗这些力矩的较大部分。管状臂部件主要轴向受载。当用户在切变翼中引入开口28时，增加圆凸缘板18以加固切变翼并支撑管状臂14。随着使用者增加切变翼开口的尺寸，切变翼被简化为具有成对的圆凸缘板18的强力刚性支架，其与管状臂一起形成用于抵抗施加在塔架上的外部力矩的较大部分的支架子系统。该系统可以由陆地上的或水中浮筒上的基座支承。在一般的变型中，后张缆索40用于替代管状臂14。管状臂和后张缆索两者以类似的方式工作，通过刚性支架32及其成对的凸缘板18与芯12相互作用；不同之处在于缆索必须张紧。可以扩大管状臂或后张缆索之间的距离，以提高本发明的减小轮廓的风力涡轮机塔架10的抵抗系统的效率。脊芯、支架组件以及浮筒可以由能够抵抗施加在其上的力和力矩的任何材料构建。尽管本文示出了用于管状臂的管，但是管状臂可以由任何标准型材截面构建。
结论
轮减小轮廓的风力涡轮机塔架RPWTT 10是一种通用且结构强大的开创性系统，该系统逆转了现今的塔架限制，呈现了卓越的性能，并提供了转化为非常高效且具有成本效益的风力塔架的显著优点。减小轮廓的风力涡轮机塔架RPWTT 10的创新彻底改变了现今的风力塔架，为更容易且更快制造、运输以及安装的更高更细长的风力塔架开启了新的可能性。
轮减小轮廓的风力涡轮机塔架系统在风力塔架的制造和架设中提供了许多优点。利用减小轮廓的风力涡轮机塔架系统的实际成本节约取决于项目特定情况、岩土情况以及所采用的具体减小轮廓的风力涡轮机塔架系统。利用均匀且较小的塔架芯，减小轮廓的风力涡轮机塔架的制造和架设可以更快且更低成本地进行。要处理和组合在一起的塔架芯段的连接较少且数量较少。因此，大大减少了装配、焊接、螺栓连接、监测以及测试。此外，大幅削减了塔架的钢板轧制、切割和废料以及表面处理和喷涂。在通过后张缆索40将预压缩引入到塔架芯12的情况下，塔架芯12可以由彼此承载的管道段构建并由外部环和内部环加以限制，从而简化安装并缩短构建时间。芯12可以由合适的结构材料诸如钢或混凝土、预制混凝土、现浇或后张混凝土或其混合物来构建。更细长且更轻的减小轮廓的风力涡轮机塔架芯12解决了现今塔架的运输限制，并且要求较小且成本较低的起重机来架设。此外，支架32连同其圆凸缘板18能够提供坚固的工作台，以支承爬升式塔式起重机来架设下一塔架层面，并方便涡轮机22和叶片24的安装，从而不需要更大更昂贵的以陆地为工作台的起重机。
轮减小轮廓的风力涡轮机塔架RPWTT 10的细长轮廓削弱了现今的风力塔架的视觉冲击。这是重要的优点，该优点可以缓和环境团体对近海风电场的反对意见，并允许建造靠近岸边的风力塔架。鉴于其细长的轮廓，新塔架10将比迄今安装的任何其他塔架更快地从视觉上“消失”。
所有已知的浮动式风力塔架都使用现今的陆基锥形管结构，并尝试使该结构在水中浮动并稳定。没有一个已知的结构系统试图使风力塔架浮动，同时产生可以有效控制其运动的较细长的非锥形塔架。浮动式减小轮廓的风力涡轮机塔架完全消除了现今塔架设施中使用的庞大且昂贵的单极基座、重力基部或护套结构。如图所示，浮动式减小轮廓的风力涡轮机塔架可以在岸上预先组装，然后在完全组装的情况下将该塔架浮动并拖曳至其最终近海目的地。
现今的现有技术中的塔架5仅提供了单一的结构解决方案：其基部处受限制的独立式悬臂。结果，目前，对风能系统整体不能执行风能系统的优化。与此形成鲜明对照，减小轮廓的风力涡轮机塔架RPWTT 10的设计允许塔架的多种变化，并允许多个变量相互作用来将整个风能发电系统优化为包括塔架结构10、涡轮机22以及叶片24。这样，减小轮廓的风力涡轮机塔架RPWTT 10开启了减少总支出并降低能源单位成本的先前尚未发掘的潜力。
轮减小轮廓的风力涡轮机塔架RPWTT 10的创新允许经济且高效的超高风力塔架能够在更高的海拔上驾驭更强大的风力，从而推动风能项目远远超出其目前的局限。其将陆基和近海风能转变为不那么昂贵的资源，并为有效地驾驭岸上、近海以及更远近海的丰富的风能提供新的可能性。本文概述的独特、广泛且重要的优点呈现了重大突破，该突破将确实推动减小轮廓的风力涡轮机塔架RPWTT 10成为将来塔架的选择。
应当理解，上述附图和描述仅仅是对本发明的说明，并且除了在所附权利要求中限定的之外，并没有对本文所示出的构造或设计的细节进行限制。

Claims (35)

1.一种减小轮廓的风力涡轮机塔架系统，包括：
细长圆柱形脊芯12，所述细长圆柱形脊芯从基座竖直地向上延伸；
涡轮机机舱22，所述涡轮机机舱安装在所述芯的顶端上；
风力涡轮机叶片24，所述风力涡轮机叶片从所述机舱伸出；
多个轴向受载的管状臂14，所述多个轴向受载的管状臂与所述芯隔开地围绕所述芯，锚固在所述基座中并竖直地或略微倾斜地从所述基座向上延伸；
连续切变翼16，所述连续切变翼从所述芯的外表面伸出，与所述管状臂连接；以及
间隔开的支撑环，所述支撑环从所述芯伸出，以提供对所述管状臂的侧向支撑。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机塔架系统，其中，提供侧向支撑的所述装置包括间隔开的盘形支撑环17。
3.根据权利要求1所述的风力涡轮机塔架系统，其中，提供侧向支撑的所述装置包括间隔开的空气动力学的锥形支撑环26。
4.根据权利要求1所述的风力涡轮机塔架系统，其中，所述管状臂终止于所述机舱下方。
5.根据权利要求4所述的风力涡轮机塔架系统，其中，所述切变翼是从所述基座延伸至所述管状臂的顶端的径向延伸的平板16。
6.根据权利要求5所述的风力涡轮机塔架系统，其中，所述平板具有间隔开的开口28，所述开口带有成对的间隔开的圆凸缘板18。
7.根据权利要求1所述的风力涡轮机塔架系统，其中，利用间隔开的刚性支架32和成对的间隔开的圆凸缘板18来替代所述切变翼和所述支撑环来用于接合所述管状臂并用于为爬升式起重机提供坚固的工作台，以便于塔架、涡轮机以及叶片的架设。
8.根据权利要求1所述的风力涡轮机塔架系统，其中，所述切变翼16和管状臂14成扇形散开以减小进入所述基座的锚固力。
9.根据权利要求6所述的风力涡轮机塔架系统，其中，所述切变翼16和所述管状臂14成扇形散开以减小进入所述基座的锚固力。
10.根据权利要求7所述的风力涡轮机塔架系统，其中，所述管状臂14成扇形散开以减小进入所述基座的锚固力。
11.根据权利要求8所述的风力涡轮机塔架系统，其中，水平管36连接所述管状臂的下端，以抵消由所述管状臂14的成扇形散开的部分所产生的水平力分量。
12.根据权利要求9所述的风力涡轮机塔架系统，其中，水平管36连接所述管状臂的下端，以抵消由所述管状臂14的成扇形散开的部分所产生的水平力分量。
13.根据权利要求10所述的风力涡轮机塔架系统，其中，水平管36连接所述管状臂的下端，以抵消由所述管状臂14的成扇形散开的部分所产生的水平力分量。
14.一种减小轮廓的风力涡轮机塔架系统，包括：
细长圆柱形脊芯12，所述细长圆柱形脊芯从基座20竖直地向上延伸；
涡轮机机舱22，所述涡轮机机舱安装在所述芯的顶端上；
风力涡轮机叶片24，所述风力涡轮机叶片从所述机舱伸出；
多个后张缆索40，所述多个后张缆索与所述芯隔开地围绕所述芯，锚固在所述基座中并竖直地或略微倾斜地从所述基座向上延伸，以在所述缆索中提供张力并在所述芯上引发压缩力；以及
间隔开的刚性支架32和成对的间隔开的圆凸缘板18，用于沿缆索的长度在隔开的层面处锚固并接合所述缆索，并用于为爬升式起重机提供坚固的工作台，以便于塔架、涡轮机以及叶片的架设。
15.根据权利要求14所述的风力涡轮机塔架系统，其中，所述缆索40穿过基座并利用岩石锚固件44锚固在合格的岩石中，以大幅减小所述基座的尺寸。
16.根据权利要求14所述的风力涡轮机塔架系统，其中，所述缆索40在其下部成扇形散开以绕过所述基座并且所述缆索锚固在合格的岩石中，以大幅减小锚固力和所述锚固件及所述基座的尺寸。
17.根据权利要求14所述的风力涡轮机塔架系统，其中，所述缆索40在其下部成扇形散开并锚固在所述基座20中，以大幅减小锚固力和所述锚固件的尺寸。
18.一种浮动式减小轮廓的风力涡轮机塔架系统，包括：
细长圆柱形脊芯12，所述细长圆柱形脊芯从浸没浮筒52竖直地向上延伸；
所述浮筒由系紧缆索锚固，所述系紧缆索锚固在海床60处或锚固在海床中；
涡轮机机舱22，所述涡轮机机舱安装在所述芯的顶端上；
风力涡轮机叶片24，所述风力涡轮机叶片从所述机舱伸出；
多个后张缆索40，所述多个后张缆索与所述芯隔开地围绕所述芯，锚固在所述浮筒中并从所述浮筒向上延伸，以在所述缆索中提供张力并在所述芯上引发压缩力；以及
间隔开的刚性支架32和成对的间隔开的圆凸缘板18，用于沿缆索的长度在隔开的层面处锚固并接合所述缆索，
所述缆索的下部成扇形散开以减小其中的力并允许有效的更高的塔架。
19.根据权利要求18所述的风力涡轮机塔架系统，其中，利用管状臂替代所述缆索。
20.根据权利要求18所述的风力涡轮机塔架系统，其中，由切变翼和管状臂采用支撑环17或26来替代所述缆索和所述刚性支架，其中所述切变翼和管状臂在其下部处成扇形散开。
21.根据权利要求18所述的风力涡轮机塔架系统，其中，由具有开口的切变翼和管状臂采用成对的间隔开的圆凸缘板18替代所述缆索和所述刚性支架，其中所述切变翼和管状臂在其下部处成扇形散开。
22.根据权利要求18所述的风力涡轮机塔架系统，其中，所述塔架靠近海床地深陷在水域中，增加了塔架的长度但是大幅减小了所述系紧缆索的长度，以显著改善浮动式塔架的性能。
23.根据权利要求19所述的风力涡轮机塔架系统，其中，所述塔架靠近海床地深陷在水域中，增加了塔架的长度但是大幅减小了所述系紧缆索的长度，以显著改善浮动式塔架的性能。
24.根据权利要求20所述的风力涡轮机塔架系统，其中，所述塔架靠近海床地深陷在水域中，增加了塔架的长度但是大幅减小了所述系紧缆索的长度，以显著改善浮动式塔架的性能。
25.根据权利要求21所述的风力涡轮机塔架系统，其中，所述塔架靠近海床地深陷在水域中，增加了塔架的长度但是大幅减小了所述系紧缆索的长度，以显著改善浮动式塔架的性能。
26.根据权利要求1所述的风力涡轮机塔架系统，其中，所述管状臂位于传统风力塔架的预定边界的外部。
27.根据权利要求14所述的风力涡轮机塔架系统，其中，所述后张缆索位于传统风力塔架的预定边界的外部。
28.根据权利要求18所述的风力涡轮机塔架系统，其中，所述后张缆索位于传统风力塔架的预定边界的外部。
29.根据权利要求1所述的风力塔架系统，其中，所述风力塔架至少部分地被遮盖套覆盖。
30.根据权利要求14所述的风力塔架系统，其中，所述风力塔架至少部分地被遮盖套覆盖。
31.根据权利要求18所述的风力塔架系统，其中，所述风力塔架至少部分地被遮盖套覆盖。
32.根据权利要求1所述的风力塔架系统，其中，所述风力塔架结构由选自由钢、现浇混凝土、预制混凝土、后张混凝土或其混合物所组成的组中的材料制成。
33.根据权利要求14所述的风力塔架系统，其中，所述风力塔架结构由选自由钢、现浇混凝土、预制混凝土、后张混凝土或其混合物所组成的组中的材料制成。
34.根据权利要求18所述的风力塔架系统，其中，所述风力塔架结构由选自由钢、现浇混凝土、预制混凝土、后张混凝土或其混合物所组成的组中的材料制成。
35.一种浮动式风力涡轮机塔架系统，包括：
锥形管或锥形格栅塔架结构90，所述锥形管或锥形格栅塔架结构在其下部91具有或不具有成扇形散开的段，所述锥形管或锥形格栅塔架结构从浸没浮筒52竖直地向上延伸；
所述浮筒由系紧缆索锚固，所述系紧缆索锚固在海床60处或锚固在海床中；
涡轮机机舱22，所述涡轮机机舱安装在所述塔架结构的顶端上；
风力涡轮机叶片24，所述风力涡轮机叶片从所述机舱伸出；
所述浮动式塔架结构靠近海床地深陷在水域中，从而增加了塔架结构的长度但是大幅减小了系紧缆索的长度，以显著改善所述浮动式塔架的性能。
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