CN110740963A - 用于安装风力涡轮机的提升系统 - Google Patents

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Abstract

一种提升系统，该提升系统用于风力涡轮机的安装、拆散和维护中的至少一者，该风力涡轮机包括至少一个基座、塔架、偏航部件以及具有至少一个叶片的直径为至少80米的转子，该提升系统包括第一提升装置，该第一提升装置包括用于与风力涡轮机的位于基座上方的已经构建的部分建立负载承载接合的措施，其中，提升系统的特征在于，提升装置的最大提升负载与最重的部件的质量之间的比值大于0.2且小于1、并且特别地小于0.8、并且更特别地小于0.7、并且优选为小于0.6，其中，最重的部件是作为单件被提升的且属于风力涡轮机的偏航部件的最重的部件。

Description

用于安装风力涡轮机的提升系统
技术领域
本发明涉及一种用于风力涡轮机的安装的提升系统，风力涡轮机包括便于下述操作的措施：所述提升系统的使用、风力涡轮机的重型部件的高效安装、风力涡轮机的直接驱动发电机或转子的安装、风力涡轮机的拆散和维护，一种用于将提升系统安装至风力涡轮机的方法以及一种用于使用提升系统来高效地提升风力涡轮机的重型部件的方法。
背景技术
风力涡轮机的劳工成本和维护成本仅逐渐随着风力涡轮机尺寸的增加而增加，并且因此，为了使成本最小，风力涡轮机变得越来越大。随着尺寸和高度的增加，涡轮机的安装成本不会逐渐升高但至少随着涡轮机尺寸而线性地增加。需要可用的最大的工业起重机来安装最大的陆基式风力涡轮机。这些重型组合式起重机单元是昂贵的，经常需要加固道路和特殊的运输许可证。除了这些缺点之外，所述起重机需要很多并不总是可利用的空间，并且当风电场中的下一个涡轮机需要这种起重机时，可能发生起重机不能移动至下一个涡轮机的情况，例如因为地形复杂或者道路狭窄。然后起重机必须拆散、进行分批运输并再次使用，这是一种效率低下的耗时操作。
如所述的，安装成本随着所需的起重机的尺寸而迅速升高。起重机的尺寸由提升机的最大重量以及由起重机的外伸幅度确定。起重机的外伸幅度基本由涡轮机的高度确定。所以，特别是风力涡轮机的顶部处的重型部件会导致高的安装成本。在陆上的涡轮机的情况下，仅需要数十辆卡车来运输这种起重机。对于海上的涡轮机而言，需要安装在所谓的自升式钻塔上的起重机：自升式平台具有能够使船体升高到海面上的可移动支脚。这也是非常昂贵的方法。
一种相对较新的解决方案是使用沿着在建造过程中的风力涡轮机的塔架爬升的起重机。这种起重机使得大大降低了安装成本。然而，为了安装风力涡轮机顶部的最重的部件，由爬升式起重机施加至风力涡轮机的负载非常高。这增加了爬升式起重机的成本并且需要加固风力涡轮机，这进一步增加了成本。在US8069634中公开了另一种方法，其中，使用常规的起重机来将吊升框架安装在风力涡轮机塔架的顶部，使得随后吊升框架能够将重型部件提升至塔架顶部。这种解决方案的吊升框架是大型且笨重的结构，并且与大型工业起重机相比虽然存在一些改进，但是成本仍然很高，并且在现场需要很长时间来使用吊升框架。
因此，需要能够更有效地并且特别是在不需要大型通用起重机的情况下安装海上和陆上风力涡轮机。
发明内容
本发明的目标是克服现有解决方案的上述缺点。
就此而言，根据本发明的一个方面，提出了用于风力涡轮机的安装和/或拆散和/或维护的提升系统，该风力涡轮机包括至少一个基座、塔架、偏航部件以及具有至少一个叶片的直径为至少80米的转子，该提升系统包括第一提升装置，该第一提升装置包括与风力涡轮机的位于基座上方的已经构建的部分建立负载承载接合的措施，其中，提升系统的特征在于，第一提升装置的最大提升负载与最重的部件的质量之间的比值大于0.2且小于1、并且特别地小于0.8、并且更特别地小于0.7、并且优选地小于0.6，其中，最重的部件是作为单件被提升的且属于风力涡轮机的偏航部件的部件。
初看起来，本领域的专家将永远不会设计这种提升系统，因为它似乎不能提升最大的提升机。出乎意料的是，应该意识到，通过使用第一提升装置与用于安装第一提升装置的起重机的组合，具有足够的负载能力。令人惊讶的结果是，第一提升装置可以较轻因此较便宜，并且将要施加在涡轮机上的负载较小，使得接头可以更便宜并且提升系统能够提升最重的部件。有利地，提升系统将提升负载分配在至少第一提升装置和另一提升装置上。这样，两个系统可以定尺寸成用于较低的最大负载并且因此将更便宜且更轻。
本发明的实施方式的另一益处是，其中，提升机通过两根提升线缆提升，所述两根提升各自在一端处固定至提升机且在另一端处固定至不同的提升装置，使得提升机能够被更好的控制并且对风变得不敏感。提升机可以更准确的地定位，这加快了安装过程并且降低了提升机与风力涡轮机的已经安装的部件之间的破坏性碰撞的风险。
在实施方式中，提升系统的第一提升装置被支承在风力涡轮机的偏航部件上。偏航部件被定义为风力涡轮机的能够相对于塔架顶部偏转的部件。另一可能的定义是，在偏航轴承存在的情况下，偏航部件是风力涡轮机的连接至风力涡轮机的偏航轴承的可旋转部件的部件。风力涡轮机的通常属于偏航部件的部件是主框架、吊舱，发电机可以是直接驱动发电机、齿轮箱(如果存在)、轮毂、叶片、可能的变压器。偏航轴承本身也被认为是偏航部件的一部分。
在实施方式中，第一提升装置连接至塔架顶部并且因此不连接至偏航部件。
在优选的实施方式中，第一提升装置的最大提升能力小于100吨并且特别地小于90吨并且更特别地小于80吨。在更优选的实施方式中，以单件被提升的且属于风力涡轮机的偏航部件的最重的部件的重量大于100吨并且特别地大于110吨。
在提升系统的实施方式中，第一提升装置包括固定至第一提升装置的绞车，使得由绞车施加的负载经由第一提升装置并且经由其连接点被传递至风力涡轮机的已经安装的部分。
在实施方式中，提升系统的第一提升装置包括具有吊升点的梁和至少一个连接点，所述至少一个连接点用于在提升装置与风力涡轮机的已经构建的部件之间建立负载轴承连接，其中，吊升点可以相对于至少一个连接点移动，并且特别地，该运动允许大于1米的水平位移、并且更特别地大于3米的水平位移、并且优选地大于5米且小于30米的水平位移。水平位移可以同时伴有竖向位移。
在实施方式中，风力涡轮机是直接驱动风力涡轮机，并且最重的部件是直接驱动发电机或者是直接驱动发电机的主要部件。
根据本发明的实施方式，提升系统还包括第二提升装置，该第二提升装置可以是多功能工业起重机。优点是工业起重机可以具有较小的能力，因为其不需要提升最重的部件的全部重量，而是可以与第一提升装置分担负载。第二提升装置还可以是由安装有风力涡轮机的水的底部支承的起重机，或者是在船上的起重机，该船可以通过结构稳定至水的底部。
根据本发明的实施方式，第二提升装置是安装至风力涡轮机的塔架的起重机，该第二提升装置可以具有沿着塔架爬升的能力。在第二提升装置不需要单独提升最重的部件的情况下，这样的第二提升装置可以更小且更便宜。此外，通过这样的第二提升装置传递至塔架的负载较小的并且因此需要较少的塔架加固件，这进一步降低了成本。根据本发明的实施方式，通过第一提升装置以及通过第二提升装置提升最重的部件。
根据本发明的实施方式，第二提升装置包括与风力涡轮机的塔架产生负载轴承连接的措施，其中，风力涡轮机塔架包括用于接纳第二提升装置的匹配点。第二提升装置还可以包括用于沿着塔架爬升的措施、特别地是包括基本上在竖向方向上沿着塔架爬升的措施。
最重的部件的定义是风力涡轮机的属于风力涡轮机的偏航部件且在单个提升中被提升的最重的部件。最重的部件的示例是直接驱动发电机、风力涡轮机的转子、或者直接驱动发电机或转子的重要部件。
根据本发明的实施方式，提升系统还包括第三提升装置。例如，第一提升装置固定至风力涡轮机的偏航部件，第二提升装置固定至风力涡轮机的塔架，以及第三提升装置是相对小的多功能工业起重机，该第三提升装置可以被用于将第二提升装置安装至塔架或者可以用于从卡车上将第一提升装置提起到第二提升装置可以将其接管的位置。第三提升装置还可以用于从运输装置、比如说卡车提起最重的负载，并且将最重的负载移动至第一提升装置和第二提升装置接管负载的位置。更一般而言，第三提升装置可以至少在提升操作的一部分期间承载最重的部件的质量的一部分。
在实施方式中，提升系统还包括平衡装置，该平衡装置将最重的部件的质量分配成由第一提升装置承载的质量部分以及由第二提升装置承载的部分，其中，由第一提升装置承载的质量部分在1％与99％之间、特别地在20％与80％之间、更特别地是在40％与60％之间，并且优选地是，其中，第一提升装置与第二提升装置各自承载大约50％。平衡装置可以是其轴连接至提升机的滑轮，并且其中，滑轮上的线缆的一侧连接至第一提升装置且另一侧连接至第二提升装置。平衡装置可以替代性地为在一端处由第一提升装置支承以及在另一端处由第二提升装置支承的结构梁。提升负载可以连接至结构梁中间的吊升点，使得当结构梁在大约水平位置中时，提升负载均匀地分配在提升装置中。吊升点还可以更接近一端，使得提升系统在该端部处的将承受更高的负载分担。
在实施方式中，提升系统还包括控制系统，该控制系统使用支架上的数据以及第一提升装置和第二提升装置这两者的负载来控制两个装置，并且特别地，使用第一提升装置的测量负载来控制第二装置的操作，并且更特别地还使用第二提升装置的负载来控制第一提升装置的操作。这样的控制系统避免了第一提升装置的操作导致第二装置的过载，以及第二装置的操作导致第一装置的过载。
根据本发明的方面，提出了用于安装风力涡轮机的方法，该方法包括通过另一提升装置来将第一提升装置提升至下述位置：在该位置中，第一提升装置固定至风力涡轮机的在基座上方的已经构建的部件。特别地，第一提升装置安装至风力涡轮机的偏航部件。
在实施方式中，该方法还包括通过至少第一提升装置提升最重的部件，其中，在提升操作期间，最重的部件的由第一提升装置承载的最大质量部分小于99％、特别地小于80％、更特别地小于60％并且优选地大约50％。
在实施方式中，方法还包括在通过仅第一提升装置和第二提升装置进行的最重的部件的提升操作的一部分期间，存在下述提升位置：在该提升位置处，在仅第一提升装置将承载最重的部件的情况下，第一提升装置将会过载，并且特别地存在下述提升位置：在该提升位置处，在仅该第二装置将承载最重的部件的情况下，第二提升装置将会过载。
在提升系统的实施方式中，提升系统包括：第一提升装置，该第一提升装置包括用于将其支承正在建造的涡轮机的偏航部件上的装置；呈爬升式起重机的形式的第二提升；以及呈相对小的工业起重机的形式的第三提升装置。工业起重机安装爬升式起重机。爬升式起重机安装较高的塔架部段、主框架和吊舱以及第一提升装置。第一提升装置与爬升式起重机一起随后安装直接驱动发电机、轮毂和叶片。使用这种提升方法的这种提升系统的优点是对于陆上风力涡轮机不需要大型的工业起重机。在海上涡轮机的实例中，通过使用爬升式起重机来安装第一提升装置且随后使用第一提升装置和爬升式起重机部分地或在单个提升中来提升风力涡轮机的偏航部件而避免了最大的吊升船或自升式钻塔的使用。
附图说明
以下附图示出了本发明的示例性实施方式：
图1示出了正在建造的风力涡轮机以及提升系统；
图2示出了正在建造的风力涡轮机以及提升系统；
图3示出了正在建造的风力涡轮机以及提升系统；
图4示出了具有爬升式起重机和固定点的风力涡轮机塔架；以及
图5示出了具有轨道型固定点的正在建造的风力涡轮机。
附图应当被理解为未按比例绘制。
具体实施方式
图1示出了提升系统，该提升系统包括用于对正在建造的风力涡轮机3进行安装的第一提升装置1和第二提升装置2。风力涡轮机包括基座11、塔架4和偏航轴承10。偏航部件包括吊舱5、直接驱动发电机6和转子，该转子包括轮毂8和一个或更多个叶片7。转子可能是最重的部件。第一提升装置被支承在风力涡轮机的偏航部件上，并且包括梁15和固定至转子的提升点13的提升线缆14。第二提升装置包括提升线缆12且固定至转子的提升点9。该风力涡轮机3还包括致动器16，该致动器16还允许提升点17的水平运动。
图2示出了包括用于对正在建造的风力涡轮机进行安装的第一提升装置1和第二提升装置20的另一提升系统。正在建造的风力涡轮机的吊舱5在图中被绘制成透明的，使得支承至偏航轴承10的主框架26是可见的。主框架具有支承部27，在其上安装有第一提升装置1的梁28。第一提升装置经由固定至提升点29的提升线缆14来提升发电机6的质量的一部分。第二提升装置是具有柱24的爬升式起重机，柱通过安装至塔架的固定点25安装至风力涡轮机塔架4。爬升式起重机还包括梁23和提升线缆21，该提升线缆21固定至直接驱动发电机6上的提升点22。直接驱动发电机可以是最重的部件，该最重的部件通过第一提升装置5和第二提升装置的组合提升。
图3示出了又一提升系统，该提升系统包括呈爬升式起重机35的形式的第一提升装置和呈爬升式起重机36的形式的第二提升装置。在图3中，多个固定点25中的仅两个固定点被编号。最重的部件是通过提升系统、即通过两个爬升式起重机提升的吊舱33。
在图1至图3中，第一提升装置和/或第二提升装置不具有足够的负载量以单独提升且安装最重的部件。
图4示出了风力涡轮机的具有下塔架部段40及上部塔架部段41的塔架的一部分的横截面、固定点25的截面图以及爬升式起重机24的一部分的截面图，还绘制了该起重机锁定销48和锁定钩47。固定点通过螺栓43和44以可拆卸的方式固定至塔架部段。通过移除螺母42和46，固定点25可以被取下并且被重复使用在另一个风力涡轮机上。在塔架部段之间的连接通过螺栓44与螺母45相结合来保持。
图5示出了正在建造的风力涡轮机，其具有带有梁51和提升线缆52的爬升式起重机。爬升式起重机附接至轨道型固定点53并且可能能够在大致竖直方式上沿着轨道型固定点移动。可以将轨道型固定点完全地或者部分地从塔架移除。爬升式起重机可以安装较高的固定点并且可以将固定点完全地或部分地取下，使得固定点能够被重复用于另一风力涡轮机。轨道型固定点可以彼此连接并且可以通过比如说螺栓连接之类的任何已知的方法连接至风力涡轮机。在图5中未示出该连接。
根据本发明的提升系统或另一提升系统可以包括爬升式起重机，该爬升式起重机固定至塔架上的固定点中的任何固定点并且可能能够沿着塔架移动。安装风力涡轮机所需的固定点大大增加了成本。根据本发明的实施方式，能够将固定点是部分地或完全地移除使得能够在风力涡轮机的安装之后将取下并且能够将固定点重复用于另一风力涡轮机的安装或维护或拆散。用于安装固定点的方法包括下述步骤中的任何步骤：通过小型多功能起重机来安装一个或更多个塔架固定点、将爬升式起重机安装至安装的固定点以及通过爬升式起重机来安装较高的固定点。
替代性地，固定至风力涡轮机的、例如固定至风力涡轮机的偏航部件的小型辅助起重机被用于将固定点提升至固定点待被安装的位置。可以以相反的顺序使用相同的方法来将固定点移除。一种可能性是固定点中的一部分固定点被移除并且一部分固定点未被移除，另一种可能性是一些固定点被部分地移除，例如基本上塔架的外侧处的部分可以被移除而基本上内部部分则保留在塔架上。
根据一个方面，固定点使用螺栓附接至塔架，螺栓附接成以水平的方式延伸穿过塔架壁，特别是用于将由金属制成的两个搭接的塔架部段相互连接，并且使用螺栓中的至少一个螺栓以及使用将固定点固定至螺栓的附加螺母来将每个固定点完全地或部分地附接至塔架，并且因此将固定点固定至塔架。如此，可以以有效的方式安装固定点并且同时提供了允许将固定点移除的解决方案。根据一个方面，当移除固定点时螺栓保留在塔架壁中，并且可以避免需要封闭对应的孔。
以上描述中的术语爬升式起重机可以被解释为下述任何起重机：该起重机能够附接至风力涡轮机的在基座上方的已经安装的部件并且能够安装塔架的至少上四分之一部分。爬升式起重机的实施方式可以基本上在竖向方向上沿着塔架爬升。在爬升式起重机的另一实施方式中，起重机可以固定在基座上方的塔架的单个位置处，并且爬升只是指从地面移动至该单个位置的单个步骤。
固定点可以是在爬升式起重机连接至塔架之前附接至塔架的任何结构，固定点的目的是将爬升式起重机施加至塔架的力分布在特定的塔架区域上，使得塔架将不会过载。根据本发明的实施方式，可以将这样的固定点部分地或完全地从塔架移除并且可拆卸的部分可以被安装在另一塔架上。塔架可以具有若干不同的固定点，这些固定点在爬升式起重机连接的位置之间具有至少5米并且特别地至少10米。替代性地，固定点可以是线性类型，例如固定点可以是爬升式起重机可以在其上上下移动的轨道，并且被称为轨道型固定点。根据本发明的实施方式，还可以将这样的轨道型固定点部分地或完全地移除，使得可移除的部分可以被安装在另一塔架上。
术语另一塔架可以指正在建造的另一塔架。涡轮机的塔架可以由任何材料制成并且特别是由金属、混凝土、木材或这些的材料的复合物或组合物制成。塔架壁中的一个或更多个孔是一种选择，以便于例如安装固定点，并且可以在将固定点部分地或完全地移除的情况下使用例如橡胶的塞来封闭这样的孔。
以上描述聚焦于使用提升系统来安装风力涡轮机。本发明不限制于风力涡轮机的安装并且可以附加地或者替代性地被用于使用提升系统进行的风力涡轮机的维护或拆散。
提升系统可以通过计算机进行控制，该计算机仅允许在系统的操纵极限内进行的操作。该系统可以例如从地面由远程的固定控制器控制，远程的固定控制器在起重机中和正在建造的涡轮机中。起重机操作者可以由相机辅助。
应该理解的是，在本申请中，术语“包括”不排除其他的元件或步骤。同样，每个术语“一”和“一种”中的每一者不排除多个。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制权利要求的范围。

Claims (14)

1.一种提升系统，所述提升系统用于风力涡轮机(3)的安装、拆散和维护中的至少一者，所述风力涡轮机包括基座(11)、塔架(4)、偏航部件和具有至少一个叶片(7)的直径为至少80米的转子，所述提升系统包括第一提升装置(1，35)，所述第一提升装置包括用于与所述风力涡轮机的位于所述基座上方的已经构建的部分形成负载承载接合的措施，其中，所述提升系统的特征在于，所述第一提升装置的最大提升负载与最重的部件的质量之间的比值大于0.2且小于1、且特别地小于0.8、且更特别地小于0.7、并且优选地小于0.6，其中，所述最重的部件是作为单件被提升的且属于所述风力涡轮机的所述偏航部件的部件。
2.根据权利要求1所述的提升系统，其特征在于，所述第一提升装置(1)被支承在所述风力涡轮机的所述偏航部件上。
3.根据权利要求1或2所述的提升系统，其特征在于，所述第一提升装置具有小于100吨且更特别地小于80吨的最大提升负载，并且所述最重的部件具有大于100吨的质量。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的提升系统，其特征在于，所述风力涡轮机是直接驱动风力涡轮机，并且所述最重的部件是直接驱动发电机(6)或者是所述直接驱动发电机的主要部件。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的提升系统，所述提升系统还包括第二提升装置(2，20，36)，所述第二提升装置未被支承在所述风力涡轮机的已经构建的部分的偏航部件上，其特征在于，在所述最重的部件的提升期间，所述提升系统将负载分配在至少所述第一提升装置和所述第二提升装置上。
6.根据权利要求5所述的提升系统，其特征在于，所述提升系统还包括平衡装置，使得所述提升系统将所述最重的部件的质量分配成由所述第一提升装置承载的一部分以及由所述第二提升装置承载的一部分，其中，由所述第一提升装置承载的质量部分在1％与99％之间、特别地在20％与80％之间、更特别地在40％与60％之间，并且优选地，其中，所述第一提升装置和所述第二提升装置各自承载大约50％。
7.根据权利要求5或6所述的提升系统，其特征在于，所述第二提升装置(20，36)包括用于与所述风力涡轮机的所述塔架形成负载轴承连接的措施，并且特别地还包括用于使所述第二提升装置沿着所述塔架移动的措施。
8.根据权利要求5至7中的任一项所述的提升系统，所述提升系统还包括第三提升装置，其特征在于，所述第三提升装置至少在所述提升操作的一部分期间承载所述最重的部件的质量的一部分，并且特别地所述第三提升装置是靠近所述风力涡轮机且与所述风力涡轮机分开定位的常规的起重机。
9.一种特别是根据前述权利要求中的任一项所述的提升系统，所述提升系统用于风力涡轮机(3)的安装、拆散和维护中的至少一者，所述风力涡轮机包括基座(11)、塔架(4)、偏航部件和具有至少一个叶片(7)的直径为至少80米的转子，所述提升系统包括所述塔架上的固定点(25)和固定至所述固定点中的任一固定点且能够沿着所述塔架移动的爬升式起重机(24)，其特征在于，所述固定点中的任一固定点能够被部分地或全部地移除，使得所述固定点能够在所述风力涡轮机的安装之后被取下、并且能够被重复用于另一风力涡轮机的安装、维护或拆散。
10.一种用于使用根据权利要求5至8中的任一项所述的提升系统进行提升操作的方法，其特征在于，通过另一提升装置将所述第一提升装置提升至下述位置中：在所述位置中，所述第一提升装置固定至风力涡轮机的在所述基座上方的已经构建的部件。
11.根据权利要求10所述的方法，所述方法还包括：通过至少所述第一提升装置和所述另一提升装置来提升所述最重的部件，其特征在于，在所述提升操作期间，所述最重的部件的由所述第一提升装置承载的最大质量部分小于99％、特别地小于80％、更特别地小于60％并且优选地为约50％，其中，所述最重的部件是作为单件被提升的且属于所述风力涡轮机的所述偏航部件的最重的部件。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，在由至少所述第一提升装置和所述另一提升装置的组合进行的所述最重的部件的所述提升操作的一部分期间，其中，存在下述提升位置：在所述提升位置处，在仅所述第一提升装置将承载所述最重的部件的情况下，所述第一提升装置将会过载，并且特别地，其中，存在下述提升位置：在该提升位置处，在仅所述第二装置将承载所述最重的部件的情况下，所述第二提升装置将会过载。
13.一种用于使用根据权利要求9所述的提升系统进行提升操作的方法，其特征在于，将一个或更多个固定点部分地或完全地安装在所述塔架上以供所述爬升式起重机和所述塔架使用，将所述一个或更多个固定点中的任何固定点部分地或完全地移除，使得所移除的完整的固定点(25)或者所述固定点的所移除的部分能够被重复用于另一风力涡轮机的另一提升操作。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，
-使用螺栓(44)将所述固定点(25)附接至所述塔架(4)，
-将所述螺栓(44)附接成以水平的方式延伸穿过所述塔架(4)的壁，特别地用于将由金属制成的两个搭接的塔架部段(40、41)彼此连接，以及
-使用所述螺栓中的至少一个螺栓以及使用将所述固定点固定至所述螺栓的螺母而将至少一个固定点完全地或部分地附接至所述塔架，并且因此将所述固定点固定至所述塔架。
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