CN109154278B - 用于自动提升风轮机的塔架段及其自动提升方法 - Google Patents

用于自动提升风轮机的塔架段及其自动提升方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及塔架段和在其上部部分上具有完整的新风轮机或现有风轮机的情况下自动提升所述塔架段的方法，借助在地面处操作并且逐渐通过下部部分插入模块的自动提升系统，将组件提升至大于120m的高度。模块具有10m至14m之间的高度，并且由至少三个竖直柱(5)和斜杆元件(6)的网格形成，斜杆元件(6)对因风力作用而产生的扭矩和剪切力起反应。在模块的顶部设置有过渡部件(7)，过渡部件(7)具有足以在大于15m/s的风况下提升的基部(d2)。该提升方法有几个步骤，例如：制造和安装基座(12)；将过渡部件(7)组装在底脚的连接元件(15)上；安装具有其管状塔架(1)、机舱(2)和转子(3)的风轮机成品；将升降系统(10)和接合结构(14)安装在底脚的连接元件(16)上；抬高模块N；组装不同的模块；以及最后组装最后的模块并且去除自动提升系统。

Description

用于自动提升风轮机的塔架段及其自动提升方法
技术领域
本发明的涵盖领域是风轮机、其自动提升方法，并且具体地涉及，借助带有其对应的顶部过渡件及其底脚的格构式塔架段，使用已知的外部自动提升系统来执行新风轮机或已存在的风轮机的提升的方式。
背景技术
搜索有更大风势的地点使最佳的岸上风力位置目前已饱和。寻找未开发风能的可利用率高的区域变得越来越困难。
风能行业的趋势是利用其他具有更大风力可利用率的岸上位置或者改善已存在的位置。为了使在具有较小风力资源可利用率的岸上位置产生的能量的量最大化，或者为了改善已存在的位置，所采用的策略和设定市场趋势的策略应该是通过增大塔架高度进行的。由于与地面的摩擦，风速随高度而增加，这导致风切变剖面。由于所产生的能量随风速的立方而变化，因此高度的小幅增加使得产出能够显著增加。
为了解决使用风力大但已被其他风轮机占用的区域的问题，提出了用新的更高风轮机替换旧风轮机的可能性。
顺着使用已存在的位置并且使用专利WO2015150594中描述的自动提升系统的这条思路，提出了提升正在已存在的位置处操作的风轮机或者提升需要传统塔架不能满足的较高高度的新风轮机的解决方案。
解决本发明的第二个问题是安装120米至180米的塔架。由于这种类型的安装目前意味着成本显著增加，因此要使用的起重机非常复杂并且在市场上是稀缺的，因此它的可利用率非常低。对于超过120米的塔架，很难找到经济上可行的组装系统。
发明内容
本发明的领域是设计塔架段及其对应的过渡件，过渡件有效地用于自动提升管状塔架连同其安装在塔架顶部部分上的机舱和完整转子。该风轮机可以是已存在的并且在岸上位置可用的风轮机，与其他风轮机一起构成所谓的风电场，或者可以是希望提供更大高度以更好地利用现有风力的新风轮机。在这两种情况下，在整个自动提升方法中将遵循相同的程序。
本发明的模块化格构式塔架段被设计成在不需要用起重机的情况下被从地面自动提升，并且由两个不同的部分构成：
底部部分，其由至少三列的直网格结构构成，塌陷角为0°，并且被制成10m至14m高的段，使得这些段是模块化的并且能在传统卡车中完好地运输。
锥形段和网格结构之间的过渡件必须足够宽，以在必要时能够稳定地自动提升风轮机，从而使其支撑来风并且防止其由于转子、塔架或机舱段上的风力而翻倒。
本发明的该领域和其他领域是借助格构式结构部分实现的，在格构式结构部分中，构成其的每个模块均由接合在一起的两种纵向元件构成：
竖直柱，其支撑由风轮机转子上的风力作用在塔架上的主弯曲应力。收集元件(斜杆和横杆)，其在风力产生的弯曲力矩和剪切应力期间起反应。
借助与剪切栓接接头焊接在一起的板，将收紧元件接合于竖直柱。借助剪切栓接接头，将收紧元件接合在一起。使用焊接在每个端部上的圆形凸缘，借助轴向栓接接头将竖直柱接合在一起。斜杆柱和横杆柱将具有闭合的几何形状，优选地，为圆柱形。
收紧元件有两种优选的配置：
在第一配置(K接头)中，每个模块的每个面的收紧由两个横杆收紧元件和两个斜杆收紧元件构成，所述两个横杆收紧元件和两个斜杆收紧元件在与所述竖直柱的等距点处接合在所述横杆收紧元件的高度处。
在第二配置(X接头)中，每个模块的每个面的收紧由四个斜杆收紧元件构成，所述四个斜杆收紧元件接合在所述面的中心中。为了改善斜杆的下垂稳定性，可增加接合每个面中心的另外三个横杆。
塔架段的基座(支撑完整风轮机传递的载荷)由现场制造的或预制造的正方形或矩形几何形状的三个独立的底脚构成。每个预制造的底脚均可被纵向细分成多个预制造元件，所述多个预制造元件在工厂中被制造并随后被分别运输、组装并借助后张紧的线缆在现场被后张紧，所述后张紧的线缆与所述底脚的工件中的水平孔交叉。预制造的底脚(被细分或不被细分)可被预张紧，以改善其结构性能。
所述塔架段被设计成适于完整风轮机的自动提升系统。已在(在专利WO2015150594中描述的)现有技术的风轮机中使用了该自动提升系统。
该提升方法由以下阶段组成：
阶段1：制备基座。
阶段2：组装过渡件并紧固于所述基座。
阶段3：将风轮机的管状塔架、机舱和完整转子组装到所述过渡件上。
阶段4：安装自动提升系统。
阶段5：将所述自动提升系统紧固于所述过渡件的底部部分，去除所述基座，抬高顶部组件。
阶段6：将N模块组装到所述组件下方；
阶段7：松开所述自动提升系统并紧固于所述N模块的底部部分；
阶段8：将所述N模块随所述顶部组件一起抬高；
阶段9：对每个模块重复步骤5-8。
阶段10：组装最后一个模块并去除工具包。
上述所有内容都有以下优点。
用新的自动提升系统，通过首先借助液压致动器提升网格结构塔架的顶部部分以将下段通过底部部分插入来执行组装，即，在地面上执行工作。开始组装时先抬高附接于钢塔架的网格结构部分，在安装最接近地面的塔架段后结束组装。另外，由于在塔架基座底脚上执行升降系统与其接头结构的安装，因此不需要修整地面。该技术的主要优点在于其设计是专门创建的，使得风轮机的所有组件在组装期间和运行时工作。这样，因不需要另外的加固件，风轮机的经常性成本没有增加并且解决方法证明是非常高效的。所有部分都能在传统卡车中运输，这就是最大预期长度为14m的原因。
附图说明
以下是对一系列有助于更好理解本发明的附图的简要描述。这些附图仅仅用作示例并且明确相关，而不限于构成本发明。
图1的a是现有技术的现有风轮机的视图，图1的b是本发明的具有格构式结构塔架段的风轮机。
图2的a和图2的b示出在自动提升过程期间由于传统的风轮机和本发明的风轮机上的来风导致的性能。
图3示出过渡件、其带有升降系统的锚、其接头结构和竖直柱。
图4的a、图4的b和图4的c示出了基座底脚的优选的几何形状。
图5的a是基座的视图，图5的b示出过渡模块，图5的c-图5的d-图5的e-图5的f示出使用起重机进行风轮机的组装。
图6的a、图6的b、图6的c和图6的d示出自动提升系统和N模块的完全提升。图6的e和图6的f示出N+1模块的升降和组装。
图7示出组装模块的其余部分直到完成本发明的塔架段的过程。
具体实施方式
如图1的a中所示，现有的3000千瓦风轮机由三个或四个圆柱形塔架段(1)、机舱(2)和完整转子(3)(即叶片已安装好)构成。该风轮机被抬高到地面(4)上方的70m和80m之间的距离，其转子(3)的直径是大约120m并且其塔架(1)在基部具有最大宽度4.5。
在图1的b中，示出了另一个较高的风轮机，其安装有由以下两部分构成的塔架段：底部部分，该底部部分由至少三个竖直柱(5)的网格模块制成，在竖直柱(5)之间具有斜杆(6)和横杆(6)。
网格结构模块的紧固由以下部分组成：
a)两个横杆(6')和两个斜杆(6)，它们在与竖直柱(5)的等距点处接合在横杆的高度处(图1的b)。
b)用于改善斜杆(6)的下垂稳定性的四个和更多个斜杆(6)，增加了另外三个接合每个面的中心的横杆(图7的d)。
并且在顶部部分上，过渡件(7)可用在管状塔架的锥形段和网格段之间。它们都抵靠独立的基座(12)。
为了在没有外部起重机的情况下将图1的a中的已预先安装有其塔架(1)、其机舱(2)和其转子(3)的风轮机提升到相对于地面(4)的120m和180m之间的高度处，必须解决随着来风(8)出现的技术问题。在超过100m的高度处，机舱(2)和转子(3)上的来风产生相反的力(9)，从而将不能够使用将支持本发明的风轮机(图2的b)领域的传统风轮机(图2的a)来支撑升降系统(10)。这是因为，对于管状风轮机(图2的a)而言，升降系统(10)的基部的宽度在5m的距离处工作，而对于具有网格结构段的风轮机(图2的b)而言，其在14m和18m之间的距离处工作。只有在其致动器之间具有足够距离的升降系统(10)才能在出现来风(8)时支撑它。
为了在网格结构段的竖直柱(5)之间获得足够的距离，必须具有过渡件(7)，如图3中所示。该空心锥形件从3m至4.5m的顶部直径(d1)延伸至限定基部的14m至18m(d2)的直径的底部基部。基部的形状将取决于网格结构塔架是具有三个、四个还是更多个竖直柱(5)。过渡件(7)具有连接于升降系统(10)的底部界面(11)。这些底部界面(11)负责与网格结构的竖直柱(5)连接。利用该过渡件(7)，可以在风况大于15m/s的情况下实现提升。
塔架段的基座(12)由至少三个独立的底脚构成，这三个独立的底脚包括针对塔架的连接元件(15)和自动提升系统的第二连接区域(16)。由于该段的配置，基座的总体积比传统风轮机基座的总体积小得多。这样使得能用工厂进行预制造并且将其以一件或现场连接在一起的多件的形式运输到场地。底脚可具有正方形或矩形的截面并且可被预张紧。
图4的b示出由中心壁(17)、底板(18)和至少一个中枢(19)制成的构造好的底脚(现场、在工厂中或工厂中的现场的后张紧件)，中心壁(17)储存具有竖直柱(5)或具有过渡件(7)的连接系统(15)，底板(18)将负载分布到地形上，中枢(19)位于其中连接件(16)与自动提升系统集成的壁的每侧上。
图4的c和图4的d示出不同工件(组装之前和之后)中的替代的预制造基座以及用于定位张紧线缆以便进行最终后张紧过程的横向孔(20)的优选细分。
在图5、图6和图7中示出的提升方法由以下阶段组成：
阶段1：制备基座(12)。
阶段2：组装过渡件(7)并紧固于基座(12)。
阶段3：将风轮机的管状塔架(1)、机舱(2)和转子(3)组装到过渡件(7)上。
阶段4：安装具有其升降系统(10)和接头结构(14)的自动提升系统。
阶段5：将自动提升系统紧固于过渡件的底部部分，去除基座，抬高顶部组件。
阶段6：将N模块组装到组件下方。
阶段7：松开自动提升系统并紧固于N模块的底部部分。
阶段8：将N模块随顶部组件一起抬高。
阶段9：对每个模块重复步骤5-8。
阶段10：组装最后一个模块并去除工具包。
如图5的a中所示，阶段1是制备基座(12)。第一个步骤是在地面(4)下方建设基座(12)并且按照要支撑的重量来确定其尺寸。开始该过程时，先挖掘与网格结构塔架上的竖直柱(5)一样多的独立基座(12)。然后，将预制造的基座(12)定位，以进行该替代过程。最后，用填料覆盖基座(12)并且重新构造地形。
图5的b示出构成网格结构塔架的顶部部分的过渡件(7)的组装。首先，将底部界面(11)安装在连接元件(15)上。然后，将过渡件(7)组装在由以上提到的界面(11)构成的工作基部上。(参见图3)。
在图5的c、图5的d和图5的e中，根据阶段3描述风轮机的管状塔架(1)、机舱(2)和转子(3)的组装过程。在该阶段中，在过渡件(7)上执行管状塔架(1)的组装过程。在管状塔架(1)之后，将风轮机的机舱(2)组装到管状塔架(1)的顶部凸缘上。最后，安装带有其对应的组装叶片的风轮机的转子(3)。使用传统的起重机(13)执行整个组装。
如图6中所示，一旦安装好风轮机，其自动提升方法就开始了。在图6的a和图6的b中，示出了安装升降系统(10)并抬高组件的阶段4至8。一旦安装好塔架(1)、机舱(2)和完整转子(3)，就将自动提升工具包安装在底脚的连接元件(16)上。即，在每个基座(12)上将安装尽可能多的升降系统(10)和竖直柱(5)，竖直柱(5)具有含所有升降系统(10)当中延伸的接头结构(14)的网格结构塔架。当升降平台中的每个从对应的自动提升系统的底部点延伸到顶部点时，发生安装好的组件的抬高。(如WO2015150594中描述的)。
在图6的c和图6的f之间，示出了对应于新模块组装的阶段9。一旦组件被抬高，就插入新的塔架模块并且紧固触摸它的模块。释放连接凸缘，然后降低构成升降系统(10)之间的接头结构(14)的升降平台。随后，对底部部分，重复进行新模块的插入操作。
最后，在图7中，示出了组装最后一个模块并且拆卸自动提升系统的阶段10。

Claims (10)

1.一种用于自动提升新风轮机或现有风轮机的塔架段，所述塔架段被设计成设置在其自身的风轮机下方，并且通过使用支撑在独立基座(12)上的自动提升系统，在无需外部起重机的情况下抬高整个组件，其特征在于：
-所述塔架段为模块化网格，具有均能在传统车辆中运输的10m至14m高的模块化部分、竖直柱(5)和在所述竖直柱(5)之间的收紧系统；
-所述塔架段具有至少三个竖直柱(5)，所述至少三个竖直柱(5)具有中空闭合截面，为0°塌陷，彼此分离14m至18m，通过斜杆收紧元件(6)接合在一起，所述斜杆收紧元件(6)具有圆形中空闭合截面；
-所述塔架段具有过渡件(7)以及底部界面(11)，所述过渡件(7)在其顶部部分上支撑传统风轮机，顶部直径(d1)为3m至4.5m并且底部直径(d2)为14m至18m，所述底部界面(11)在其基部处具有锚固系统，所述锚固系统用于将其本身附接于所述竖直柱(5)并且临时附接于底脚的连接元件(15)；
-构成所述塔架段和过渡件(7)的模块中的每个都具有用于锚固于所述自动提升系统的外部元件；以及
-能用自动提升系统自动提升具有所述塔架段和完整风轮机的整个组件，所述自动提升系统由附接于所述底脚的连接元件(16)的升降系统(10)和接头结构(14)构成。
2.根据权利要求1所述的塔架段，其特征在于，所述至少三个竖直柱(5)还通过横杆收紧元件(6')接合在一起，所述横杆收紧元件(6')具有圆形中空闭合截面。
3.根据权利要求1所述的塔架段，其特征在于，所述基座(12)由与所述塔架段的竖直柱(5)一样多的正方形或矩形底脚构成，并且具有允许所述基座(12)进行预制造并在传统车辆中运输的尺寸。
4.根据权利要求3所述的塔架段，其特征在于，所述底脚被纵向细分成多个预制造元件，所述多个预制造元件在工厂中被制造并随后被分别运输、组装并借助后张紧的线缆在现场被后张紧，所述后张紧的线缆与所述底脚的工件中的水平孔交叉。
5.根据权利要求4所述的塔架段，其特征在于，所述预制造工件被预张紧，以改善其结构性能。
6.根据权利要求2所述的塔架段，其特征在于，每个模块的每个面的收紧系统由两个横杆收紧元件(6')和两个斜杆收紧元件(6)构成，所述两个横杆收紧元件(6')和两个斜杆收紧元件(6)在与所述竖直柱(5)的等距点处接合在所述横杆收紧元件的高度处。
7.根据权利要求1所述的塔架段，其特征在于，每个模块的每个面的收紧系统由四个斜杆收紧元件(6)构成，所述四个斜杆收紧元件(6)接合在所述面的中心中。
8.根据权利要求7所述的塔架段，其特征在于，为了改善所述斜杆收紧元件(6)的下垂稳定性，增加了接合每个面的中心的另外三个横杆收紧元件。
9.根据权利要求1所述的塔架段，其中，所有元件都通过焊接于管状轮廓间隙的元件而被栓接接头接合。
10.一种自动提升根据权利要求1的塔架段的方法，所述塔架段在其顶部部分上具有完整风轮机，其特征在于，该方法包括以下步骤：
阶段1：在地面(4)下方制备基座(12)，设置与竖直柱(5)一样多的独立基座(12)，放置预制造的所述基座(12)、填料并修复地形；
阶段2：通过过渡件(7)的基部上的现有底部界面(11)和底脚的连接元件(15)将所述过渡件(7)组装和紧固于所述基座(12)；
阶段3：使用起重机(13)将风轮机的机舱(2)和转子(3)组装到管状塔架(1)的所述过渡件(7)上；
阶段4：将自动提升系统安装在所述基座(12)上，包括将升降系统(10)和接头结构(14)组装到所述底脚的连接元件(16)上；
阶段5：将所述自动提升系统紧固于所述过渡件(7)的底部部分，去除所述基座(12)的底部界面(11)并且抬高顶部组件；
阶段6：将N模块组装到所述组件下方；
阶段7：松开所述自动提升系统并紧固于所述N模块的底部部分；
阶段8：将所述N模块随所述顶部组件一起抬高；
阶段9：对每个模块重复步骤5-8；
阶段10：组装最后一个模块并去除工具包。
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