CN112135949A - 增材制造的塔架结构和制作方法 - Google Patents

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K·I·萨拉斯诺布雷加
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方飙
G·E·库珀
N·A·特恩奎斯特
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Abstract

一种用于塔桅(102)的多材料塔架区段(130)。塔桅由至少一个多材料塔架区段构成，以及一种用于制造该区段的方法。该区段包括：至少一个增材制造的壁结构(132)，其由至少一种第一材料构成；以及多个增材制造的内部加强结构(142)，其由至少一种额外的材料构成，并且与至少一个增材制造的壁结构一起设置。

Description

增材制造的塔架结构和制作方法
技术领域
本发明涉及风力涡轮，并且更特别地涉及一种用于风力涡轮塔架的增材制造的风力塔架结构区段和制作方法。
背景技术
大体上，风力涡轮包括转子，该转子包括具有多个叶片的可旋转毂组件。叶片将风能转换成机械旋转扭矩，该扭矩经由转子驱动一个或多个发电机。发电机有时但不总是通过齿轮箱旋转地联接到转子。齿轮箱为发电机提高了转子的固有地低的旋转速度，以高效地将旋转机械能转换成电能，该电能经由至少一个电连接件馈入公用电网。转子、发电机、齿轮箱和其它构件典型地安装在壳体或机舱内，该壳体或机舱定位在包括桁架或管状塔架的基座上。
风力涡轮塔架典型地包括联接到彼此的多个圆柱形区段。塔架区段通常通过内部放置的水平凸缘来螺栓连接在一起，水平凸缘焊接到各个塔架区段的顶部和底部。需要大型塔架来支承风力涡轮，并且塔架需要承受由诸如风的环境条件引起的强侧向力。塔架区段需要大的壁厚来承受这些力，从而导致针对完成的塔架的高材料成本、制造成本和运输成本。另外，数吨所需的质量添加到塔架的基座，以满足刚度需求，以便承受强的侧向风力。例如，对于一些已知的塔架，近似30吨的质量添加到塔架基座以符合刚度需求。
已知的塔架制造过程中的一些涉及许多劳动和设备密集型步骤。大体上，在制造期间，挤出的金属板在非现场位置处围绕纵向焊接机器卷起。焊机将卷起的板纵向地焊接到塔架长度，其被称为“筒”。然后筒移动并以端对端构造安装在块上。缝焊机继续焊接邻接筒之间的接口以形成管状塔架区段。然后，各个区段移动并装载到卡车上，以用于单独运输到塔架组装现场。
然而，运输法规限制了装运产品的装载尺寸。例如，由于道路运输障碍，诸如跨越公路的桥梁，故塔架区段的直径限制在约4.3米(m)(14英尺(ft))。为了符合运输法规，各个组装塔架区段的长度缩短。因此，成型塔架长度的数量的增加造成制造成本、运输成本和现场组装成本的增加。
因此，本领域需要提供一种风力涡轮塔架，其提供现场制造以解决随着较大直径塔架区段而出现的运输困难不断增大的问题。另外，需要定制的风力涡轮塔架壁设计，其增加强度或减少所需的加强量，同时提供现场制造。
发明内容
现有技术的这些和其它缺点通过本公开解决，本公开包括一种用于操作燃气涡轮发动机的方法。
本公开的一个方面在于一种用于具有纵向轴线的塔桅的多材料塔架区段。材料塔架区段包括：至少一个增材制造的壁结构，其由至少一种材料构成；以及多个增材制造的内部加强结构，其由至少一种额外的材料构成，并且与至少一个增材制造的壁结构一起设置。
本公开的另一方面在于一种具有纵向轴线的塔桅。塔桅包括：至少一个增材制造的壁结构，其由至少一种第一材料构成；以及多个增材制造的内部加强结构，其由至少一种额外的材料构成，并且与至少一个增材制造的壁结构一起设置。
本公开的又一方面在于一种制作塔桅的方法。该方法包括：通过增材制造沉积至少一种第一材料以形成多材料塔架区段的第一部分；以及通过增材制造沉积至少一种额外的材料以形成多材料塔架区段的额外的部分。在实施例中，至少一种第一材料和至少一种额外的材料不相同。
关于本公开的多种方面，存在上文所注意到的特征的多种改进。另外的特征也可并入这些多种方面中。这些改进和额外的特征可单独地或以任何组合存在。例如，下文关于图示的实施例中的一个或多个讨论的多种特征可单独地或以任何组合并入到本公开的上文描述的方面中的任何方面。再次，上文呈现的简要概述仅旨在使读者熟悉本公开的某些方面和上下文，而不限于所要求保护的主题。
附图说明
当参考附图阅读以下详细描述时，本公开的上述和其它特征、方面和优点将变得更好理解，在附图中，遍及附图，相似的字符表示相似的部件，其中：
图1是根据本公开的一个或多个实施例的示例性风力涡轮的示意性视图；
图2是根据本公开的一个或多个实施例的用于便于塔桅的组装的多材料增材制造塔架区段的示例性实施例的示意性等距视图；
图3是根据本公开的一个或多个实施例的图1的多材料增材制造塔架区段的示意性俯视图；
图4是根据本公开的一个或多个实施例的用于便于塔桅的组装的多材料增材制造塔架区段的另一个实施例的示意性等距视图；
图5是根据本公开的一个或多个实施例的图4的多材料增材制造塔架区段的示意性俯视图；
图6是根据本公开的一个或多个实施例的用于便于塔桅的组装的多材料增材制造塔架区段的另一个实施例的示意性等距视图；
图7是根据本公开的一个或多个实施例的图6的多材料增材制造塔架区段的示意性俯视图；
图8是根据本公开的一个或多个实施例的用于便于塔桅的组装的多材料增材制造塔架区段的另一个实施例的示意性等距视图；
图9是根据本公开的一个或多个实施例的图8的多材料增材制造塔架区段的示意性俯视图；
图10是根据本公开的一个或多个实施例的多材料增材制造塔架区段的部分的剖视等距视图；
图11是根据本公开的一个或多个实施例的塔架凸缘和多材料增材制造塔架区段的部分的局部分解正交视图；
图12是根据本公开的一个或多个实施例的联接到多个凸缘的多个多材料增材制造塔架区段的横截面；
图13图示了根据本公开的一个或多个实施例的通过紧固件联接在一起的图12中所示出的凸缘部分；
图14是根据本公开的一个或多个实施例的形成图2和图3的多材料增材制造塔架区段的方法的示例性实施例的示意性俯视图；
图15是根据本公开的一个或多个实施例的形成图2和图3的多材料增材制造塔架区段的方法的另一个示例性实施例的示意性俯视图；
图16是根据本公开的一个或多个实施例的形成图6和图7的多材料增材制造塔架区段的方法的示例性实施例的示意性俯视图；
图17是根据本公开的一个或多个实施例的形成图6和图7的多材料增材制造塔架区段的方法的另一个示例性实施例的示意性俯视图；
图18是根据本公开的一个或多个实施例的用于便于塔桅的组装的处于嵌套构造的多个多材料增材制造塔架区段的另一个实施例的示意性等距视图；以及
图19是根据本公开的一个或多个实施例的图18的多个多材料增材制造塔架区段的示意性俯视图。
具体实施方式
将仅出于说明的目的结合某些实施例来描述本公开；然而，将理解，通过根据本公开的附图的以下描述，将使得本公开的其它目的和优点显而易见。虽然公开了优选实施例，但是它们并不旨在为限制性的。相反，本文中所阐述的一般原理被认为仅仅是本公开的范围的说明，并且将进一步理解，在不偏离本公开的范围的情况下，可作出许多改变。
“增材制造”是本文中用于描述一种涉及逐层构建或增材制作(与如同常规机加工过程一样的材料移除相反)的过程的用语。这样的过程也可被称为“快速制造过程”。增材制造过程包括但不限于：直接金属激光熔融(DMLM)、激光净成形制造(LNSM)、电子束烧结(EBS)、选择性激光烧结(SLS)、3D打印、立体光刻(SLA)、电子束熔融(EBM)、激光工程化净成形(LENS)和直接金属沉积(DMD)。另外，用语“3D打印”和“增材制造”具有相同的含义，并且可能够互换地使用。在本发明的实施例的上下文中使用的3D打印装置可被实现为打印或沉积适合于构建塔架的任何材料的层。
用语“第一”、“第二”等在本文中不表示任何顺序、数量或重要性，而是用于将一个元件与另一个元件区分开。用语“一”和“一种”在本文中不表示数量的限制，而是表示存在所引用的项目中的至少一个。结合数量使用的修饰语“约”包括所陈述的值，并且具有由上下文指定的含义(例如，包括与特定数量的测量相关联的误差度)。另外，用语“第一”、“第二”等旨在用于使读者关于具体的构件部件而定向的目的。
如本文中所使用的，用语“多材料”表示多种材料的使用，并且旨在涵盖任何数量的材料的使用，诸如两种或更多种材料的使用。
此外，在本说明书中，前缀“(一个或多个)”通常旨在包括其所修饰的用语的单数和复数两者，从而包括该用语的一个或多个(例如，“开口”可包括一个或多个开口，除非另外规定)。遍及说明书对“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施例”等的引用意味着结合实施例描述的特定要素(例如，特征、结构和/或特性)被包括在本文中所描述的至少一个实施例中，并且可存在于或可不存在于其它实施例中。类似地，对“特定构造”的引用意味着结合构造描述的特定要素(例如，特征、结构和/或特性)被包括在本文中所描述的至少一个构造中，并且可存在于或可不存在于其它构造中。另外，将理解，所描述的发明特征可在多种实施例和构造中以任何合适的方式组合。
如下文详细讨论的，本公开的实施例提供了一种双材料增材制造风力塔架结构和制作方法。使用诸如3D打印的增材制造技术实现在本文中也被称为塔桅的塔架结构的现场制造。
图1是示例性风力涡轮100的示意性视图。在示例性实施例中，风力涡轮100是水平轴线风力涡轮。备选地，风力涡轮100可为竖直轴线风力涡轮。在示例性实施例中，风力涡轮100包括从支承表面104延伸并联接到支承表面104的塔桅102。塔桅102由多个圆柱形塔架区段(目前描述)构成。例如，塔桅102可利用多个锚定螺栓或经由基础安装件(两者均未示出)联接到支承表面104。机舱106联接到塔桅102，并且转子108联接到机舱106。转子108包括可旋转的毂110和联接到毂110的多个转子叶片112。在示例性实施例中，转子108包括三个转子叶片112。备选地，转子108可具有使得风力涡轮100能够如本文中所描述的那样起作用的任何合适数量的转子叶片112。塔桅102可具有使得风力涡轮100能够如本文中所描述的那样起作用的任何合适的高度和/或构造。
转子叶片112围绕可旋转毂110隔开，以便于旋转转子108，从而将来自风力114的动能转换成可用的机械能，并且随后转换成电能。转子108和机舱106围绕塔桅102在偏航轴线116上旋转，以控制转子叶片112相对于风114的方向的视角或方位角。转子叶片112通过在多个负荷传递区域120处将叶片根部部分118联接到毂110而配合到毂110。各个负荷传递区域120具有毂负荷传递区域和叶片负荷传递区域(两者均未在图1中示出)。诱导至转子叶片112的负荷经由负荷传递区域120传递到毂110。各个转子叶片112还包括叶片末梢122。
在示例性实施例中，转子叶片112具有在近似30米(m)(99英尺(ft))和近似120 m(394 ft)之间的长度。备选地，转子叶片112可具有使得风力涡轮100能够如本文中所描述的那样起作用的任何合适的长度。例如，转子叶片112可具有小于30 m或大于120 m的合适长度。在风114接触转子叶片112时，叶片升力被诱导至转子叶片112，并且在叶片末梢122被加速时，诱导转子108围绕旋转轴线124的旋转。
转子叶片112的桨距角(未示出)(即确定转子叶片112相对于风114的方向的视角的角)可通过变桨组件(图1中未示出)来改变。增加转子叶片112的桨距角通过减小转子叶片112上的空气负荷和由于改变几何取向而增加平面外刚度来减少叶片偏转。转子叶片112的桨距角在各个转子叶片112处围绕变桨轴线126被调节。在示例性实施例中，转子叶片112的桨距角被单独控制。备选地，转子叶片112的桨距角作为组合来被控制。
图2和图3是如本文中所公开的多材料塔架区段的示例性实施例的示意性视图。在示意性等距视图(图2)和示意性俯视图(图3)中图示了用于便于塔桅102(图1中示出)的组装的多材料塔架区段130。在示例性实施例中，多材料塔架区段130由壁结构132限定，并且围绕纵向轴线“X”134以管状形状取向。然而，多材料塔架区段130可包括便于塔桅102的组装的任何构造。多材料塔架区段130具有在约1 m和约60 m之间的范围内的如在端部136、138之间测量的长度L1。此外，多材料塔架区段130具有在约4.3 m和约10.0 m之间的范围内的直径D1和在约3.7 m和约9.4 m之间的范围内的内径D2，直径D1和内径D2各自取决于多材料塔架区段130在塔桅结构102内的放置。多材料塔架区段130可在整个长度L1上具有恒定的直径，或者从端部136到端部138渐缩，从而造成渐缩的塔桅。在示例性实施例中，区段130包括基本上笔直的构造，以便于形成塔桅，诸如具有基本上笔直的圆柱形形状的塔桅102(图1)。在备选实施例中，多材料塔架区段130可构造成提供具有备选形状(诸如但不限于三角形、椭圆形、正方形、多边形、六边形、八边形形状、蜂窝状以及被认为对于在涡轮现场处的风力条件来说最佳的任何其它横截面)的塔桅。
图2和图3的多材料塔架区段130通过诸如3D打印的增材制造技术(目前描述)在现场形成。多材料塔架区段130由混凝土材料140形成，混凝土材料140中形成有至少一个内部加强结构142。在该特定实施例中，至少一个内部加强结构142包括多个嵌入的钢加强件，并且更具体地包括多个嵌入的钢加强条144，其通常被称为“钢筋”。因此，该特定实施例可被描述为多材料塔架区段130，并且更特别地被构成为双材料塔架结构。在备选实施例中，至少一个内部加强结构142包括多个嵌入的加强件，这些加强件由复合材料或可适用于向总体结构提供所需强度的任何其它材料构成。在又一个备选实施例中，多材料塔架区段103可由多于两种指定材料构成。
在图2和图3的实施例中，至少一个内部加强结构142由连续的金属绞线形成，该金属绞线在增材制造过程(目前描述)期间沿着多材料塔架区段130的整个长度L1容易地形成。至少一个内部加强结构142稳定混凝土材料140，并改进混凝土材料140的抗裂性质。在实施例中，至少一个增材制造的内部加强结构142被工程化和建造到形成多材料塔架区段130的壁结构132内的具体位置，使得多材料塔架区段130和由多材料塔架区段130中的一个或多个形成的所得的塔桅的总体重量减小。
现在参考图4和图5，图示了如本文中所公开的多材料塔架区段的另一个示例性实施例的示意性视图。应当理解，遍及本文中所描述的实施例，相似的元件具有相似的编号。在示意性等距视图(图4)和示意性俯视图(图5)中图示了用于便于塔桅102(图1中示出)的组装的多材料塔架区段150。在示例性实施例中，多材料塔架区段150由壁结构132限定，并且围绕纵向轴线“X”134以管状形状取向。如先前关于图2和图3的实施例而描述的，多材料塔架区段150可包括便于塔桅102的组装的任何构造。多材料塔架区段150具有在约1 m和约60 m之间的范围内的如在端部136、138之间测量的长度L1。此外，多材料塔架区段150具有在约4.3 m和约10.0 m之间的范围内的外径D1和在约3.7 m和约9.4 m之间的范围内的内径D2，外径D1和内径D2各自取决于多材料塔架区段150在塔桅结构内的放置。多材料塔架区段150可在整个长度L1上具有恒定的直径，或者从端部136到端部138渐缩，从而造成渐缩的塔桅102。在示例性实施例中，多材料塔架区段150包括基本上笔直的构造，以便于形成塔桅，诸如具有基本上笔直的圆柱形形状的塔桅102(图1)。在备选实施例中，多材料塔架区段150可构造成提供具有备选形状(诸如但不限于三角形、椭圆形、正方形、多边形、六边形、八边形形状、蜂窝状以及被认为对于在涡轮现场处的风力条件来说最佳的任何其它横截面)的塔桅。
类似于图2和图3的实施例，图4和图5的多材料塔架区段150通过诸如3D打印的增材制造技术(目前描述)在现场形成。多材料塔架区段150由混凝土材料140形成，混凝土材料140中形成有至少一个内部加强结构142。在该特定实施例中，至少一个内部加强结构142包括多个嵌入的钢t形螺柱152。多个嵌入的钢t形螺柱152取向成从多材料塔架区段150的外径D1或内径D2中的至少一个径向地延伸。在图3和图4的图示的实施例中，多个嵌入的钢t形螺柱152从多材料塔架区段150的内径D1和外径D2两者径向地延伸。在图4和图5的实施例中，至少一个内部加强结构142在增材制造过程(目前描述)期间沿着多材料塔架区段150的整个长度L1分散地形成。至少一个内部加强结构142以及更特别地多个嵌入的t形螺柱152稳定混凝土材料140并改进混凝土材料140的抗裂性质。在实施例中，增材制造的至少一个内部加强结构142被工程化和建造到形成多材料塔架区段150的壁结构132内的具体位置，使得多材料塔架区段150和由多材料塔架区段150中的一个或多个形成的所得的塔桅的总体重量减小。
现在参考图6至图9，图示了如本文中所公开的多材料塔架区段的额外的示例性实施例的示意性视图。在示意性等距视图(图6)和示意性俯视图(图7)中图示了用于便于塔桅102(图1中示出)的组装的多材料塔架区段160。另外，在示意性等距视图(图8)和示意性俯视图(图9)中图示了用于便于塔桅102(图1中示出)的组装的多材料塔架区段170。如在先前公开的实施例中那样，在图6至图9的示例性实施例中，多材料塔架区段160和170各自由壁结构132限定，并且围绕纵向轴线“X”134以管状形状取向。
与先前的实施例对比，多材料塔架区段170图示为由多个子构件172、174形成，这些子构件在制作(目前描述)之后接合在一起，但是可以以类似于多材料塔架区段160的方式形成为单件。如所图示的，多材料塔架区段170图示为形成为两件，但是预期多材料塔架区段170可由任何数量的子构件件形成。另外，应当理解，另外，多材料塔架区段130、150和160尽管图示为由单件形成，但是可被制作为包括在制作之后接合在一起的子构件。
如先前关于图2和图3的实施例而描述的，多材料塔架区段160和170可包括便于塔桅102的组装的任何构造。多材料塔架区段160和170具有类似于所公开的先前实施例的如在端部136、138之间测量的长度L1。此外，多材料塔架区段160和170中的各个具有类似于所公开的先前实施例的外径D1和内径D2，外径D1和内径D2各自取决于多材料塔架区段160和170在塔桅结构内的放置。多材料塔架区段160和170可在整个长度L1上具有恒定的直径，或者从端部136到端部138渐缩，从而造成渐缩的塔桅。在示例性实施例中，多材料塔架区段160和170包括基本上笔直的构造，以便于形成塔桅，诸如具有基本上笔直的圆柱形形状的塔桅102(图1)。在备选实施例中，多材料塔架区段160和170可构造成提供具有备选形状(诸如但不限于三角形、椭圆形、正方形、多边形、六边形、八边形形状、蜂窝状以及被认为对于在涡轮现场处的风力条件来说最佳的任何其它横截面)的塔桅。
类似于图2和图3的实施例，图6和图7的多材料塔架区段160以及图8和图9的多材料塔架区段170通过诸如3D打印的增材制造技术(目前描述)在现场形成。与先前公开的实施例对比，多材料塔架区段160和170以及更特别地各个的壁结构132由内部管状壳162和外部管状壳164形成。在实施例中，内部管状壳162和外部管状壳164由钢形成。在另一个实施例中，内部管状壳162和外部管状壳164由复合材料形成。多材料塔架区段160和170进一步由至少一个内部加强结构142形成。在图6至图9的实施例中，至少一个内部加强结构142包括跨越内部管状壳162和外部管状壳164之间的距离的内部桁架结构166。在实施例中，桁架结构166可包括任何数量的桁架构造，诸如但不限于如图6和图7中最佳地图示的正弦构造、如图8和图9中最佳地图示的笔直构造、梯形构造(未示出)、蜂窝等。
在图6至图9的图示的实施例中，内部桁架结构166在外部管状壳164的内径D3和内部管状壳162的外径D4之间基本上径向地延伸。在备选实施例中，内部桁架结构166可与外部管状壳164和内部管状壳162的至少部分重叠。在图6至图9的实施例中，内部管状壳162、外部管状壳164和内部加强结构142以及更特别地桁架结构166在增材制造过程(目前描述)期间沿着多材料塔架区段160和170中的各个的整个长度L1形成。在实施例中，增材制造的内部管状壳162、外部管状壳164和内部加强结构142中的各个被工程化和建造到形成多材料塔架区段160和170的壁结构132内的具体位置，使得多材料塔架区段160和170中的各个以及由多材料塔架区段160和170中的一个或多个形成的所得的塔桅的总体重量减小。另外，通过分开内部管状壳162和外部管状壳164，诸如图1的塔桅102的塔桅的惯性矩可增加，从而造成更高的持续负荷、最小化的应力和改进的抗屈曲性。
图10图示了接合图8和图9的多材料塔架区段170的多个多子构件172和174以及将多材料塔架区段170接合到塔桅102的另一个塔架区段的方法。应当理解，接合的方法另外可适用于多材料塔架区段130、150和160(当由多个子构件形成时，子构件各自小于360度)的接合和/或多材料塔架区段130、150和160到塔桅102的另一个塔架区段的接合。在所描述的方法中，多材料塔架区段170图示为由多个子构件172、174形成。在该特定实施例中，多个子构件172、174在由多个子构件172、174的重叠部分形成的竖直拼接接头176处接合。在图10的图示的实施例中，提供内部接合区段178，以在竖直拼接接头176处接合多个子构件172、174。内部接合区段178可由钢、打印复合材料等形成。多个通孔180可形成在多个子构件172、174和内部接合区段178中的各个中，从而便于紧固件182插入其中并将多个子构件172、174锁定在一起以形成竖直拼接接头176。另外，如图10中所图示的，多材料塔架区段170构造成用于在周向拼接接头184处联接到塔桅102的另一个区段，该另一个区段大体上类似于多材料塔架区段170(未示出)。周向拼接接头184以与竖直拼接接头176大体上相同的方式形成，并且可包括内部接合区段186和形成在多材料塔架区段170和内部接合区段186中的各个中的多个通孔188。多个通孔188便于紧固件190插入其中，并将多材料塔架区段170锁定在一起，以形成周向拼接接头184。类似于内部接合区段178，内部接合区段186可由钢、打印复合材料等形成。
在备选实施例中，多个多材料塔架区段170可通过一个或多个凸缘部分接合，如图11至图13中最佳地图示的。应当理解，接合的方法另外可适用于多材料塔架区段130、150和160到塔桅102的另一个塔架区段的接合。基于塔架高度，一个多材料塔架区段170可焊接到凸缘部分192，并且另一个区段170可焊接到另一个凸缘部分194。
图13图示了通过紧固件196联接到凸缘部分194的凸缘部分192。凸缘部分192、194可具有任何构造，以便于将一个多材料塔架区段170联接到另一个多材料塔架区段170。在一个合适的实施例中，多材料塔架区段170焊接到具有突起198的凸缘194的凸形部分。另一个多材料塔架区段170焊接到具有狭槽200的凸缘192的凹形部分。诸如但不限于HLAW、EBW和FSW焊接的任何焊接过程都可用于将多材料塔架区段170与凸缘部分192、194接合。突起198插入到狭槽200中，并且紧固件196将凸缘部分192联接到凸缘部分194。
图14和图15图示了用于制作本文中所公开的多材料塔架结构的方法。更特别地，图14中图示了制造多材料塔架结构(诸如塔架结构130和150中的任何塔架结构)的方法的第一实施例。出于说明的目的，结合多材料塔架结构130示出了该方法。在制作期间，内部加强结构142的金属打印以及更特别的增材制造发生在高温下，高温可导致周围混凝土材料140的损坏。因此，在实施例中，在增材制造过程期间，首先打印内部加强结构142。混凝土材料140然后可围绕冷却的金属打印，并且更特别地，围绕内部加强结构142打印。为了实现这一点，如图14中最佳地图示的，在增材制造系统200中，打印头202图示为包括混凝土喷嘴204和金属喷嘴206。在旋转期间，如由方向箭头指示的，金属喷嘴206打印金属以形成内部加强结构142，同时混凝土喷嘴204打印混凝土材料140。在如图15中最佳地图示的备选实施例中，图示了增材制造系统210，其包括打印头212，打印头212包括单个喷嘴214，其用于在首次旋转期间打印金属以形成内部增强结构142，接着在随后的旋转期间打印混凝土材料140，如由方向箭头指示的。
图16和图17图示了用于制作本文中所公开的多材料塔架结构的额外的方法。更特别地，图16中图示了制造诸如塔架区段160和170的多材料塔架结构的方法的第一实施例。预期多材料塔架区段160、170可由混凝土材料或金属材料(诸如钢)或两者的任何组合打印而成，诸如具有金属内部加强结构142以及更具体地内部桁架结构166的混凝土壁结构132，或者具有混凝土内部加强结构142以及更具体地内部桁架结构166的混凝土壁结构132。出于说明的目的，结合多材料塔架结构160示出了该方法。因此，在实施例中，在增材制造过程期间，内部加强结构142可与壁结构132的打印同时或分开打印。为了实现这一点，如图16中最佳地图示的，在增材制造系统300中，壁结构132和内部加强结构142以及更具体地内部桁架结构166可在单次旋转期间同时打印。在图17中最佳地图示的备选实施例中，壁结构132可在首次旋转期间打印，接着在下一步骤中，在随后的旋转期间打印内部加强结构142以及更具体地内部桁架结构166。
现在参考图18和图19，图示了用于制作本文中所公开的多材料塔架结构的另一种方法。在该特定实施例中，预期多材料塔架区段130、150、160、170可由混凝土材料或金属材料或两者的任何组合打印而成，诸如具有金属内部加强结构142的混凝土壁结构132或具有混凝土内部加强结构142的混凝土壁结构132。出于说明的目的，结合先前公开的多材料塔架结构130示出了该方法。因此，在实施例中，在增材制造过程期间，多个多材料塔架区段130同时并且以嵌套同心方式打印。因此，塔架结构在塔桅102的整个长度上具有渐缩的直径，但是在各个多材料塔架区段130上可具有恒定或渐缩的直径。
通过使用增材制造技术，将多材料塔架区段130在这样的“嵌套”同心塔架区段中打印就位，使得在打印完整的塔桅结构或总体塔桅结构的期望部分之后，嵌套的多材料塔架区段130可“伸缩”，并且然后利用先前公开的方法中的任何方法或者另外通过在打印过程期间使用灌浆或额外的粘合剂等来附连在一起，以将塔桅102的延伸部保持在其全高处。
因此，通过利用诸如3D打印的增材制造技术，实现了“在现场的”风力涡轮塔架制造。另外，通过利用诸如3D打印的增材制造技术，可开发用于风力涡轮塔架的优化的塔桅结构，其便于减小塔桅的壁厚和重量，同时增加塔桅的刚度。另外，通过利用诸如3D打印的增材制造技术，可开发用于风力涡轮塔架的优化的塔桅结构，其便于塔桅的制造和组装，同时降低材料、运输和组装成本。此外，通过利用诸如3D打印的增材制造技术，可开发用于风力涡轮塔架的优化的塔桅结构，其便于符合运输法规。
另外，增材制造技术提供了3D打印的内部加强结构，其可被工程化和建造到壁结构内的具体位置，使得风力涡轮塔架的总体重量可减小。本文中所公开的多材料塔架结构可另外包括拉线稳定器。
塔架区段可用于风力涡轮的新制造或用于与现有风力涡轮的集成。在一个实施例中，多材料塔架区段包括渐缩结构，该渐缩结构便于减小塔桅的壁厚并减小塔桅的质量。渐缩结构还增加了塔桅的刚度，以提高塔架的强度/重量比。另外，塔架区段进一步提高了塔架的惯性矩，因为惯性与刚度成比例。塔桅的增加的刚度和较低的质量减小了在地面上支承塔桅所需的基座质量。
本文中所描述的多材料塔架区段的技术效果包括优化区段内的轮廓和材料的能力，该能力便于减小塔桅的壁厚和重量。优化轮廓和材料的另一个技术效果包括增加塔桅的刚度。通过优化轮廓和材料，可建造具有较高塔桅高度的大型兆瓦级涡轮。多材料塔架区段的另一个技术效果包括在组装现场处将塔架区段联接在一起。多材料塔架区段通过降低直接材料成本、运输成本和组装成本来降低塔架的总体成本。
上文详细描述了多材料塔架区段以及制造和组装塔桅的方法的示例性实施例。多材料塔架区段和方法不限于本文中所描述的具体实施例，而相反，多材料塔架区段的构件和/或方法的步骤可相对于本文中所描述的其它构件和/或步骤独立地且分开地利用。例如，多材料塔架区段和方法也可与其它功率系统和方法组合使用，并且不限于仅利用如本文中所描述的风力涡轮来实践。相反，示例性实施例可结合许多其它涡轮或功率系统应用或其它支承结构来实施和利用。
尽管本发明的多种实施例的具体特征可在一些附图中示出，而未在其它附图中示出，但这仅仅是为了方便。根据本发明的原理，附图的任何特征可与任何其它附图的任何特征组合来引用和/或要求保护。
本书面描述使用示例来公开本发明(包括最佳模式)，并且还使得本领域中的任何技术人员能够实践本发明(包括制造和使用任何层或系统以及执行任何并入的方法)。本发明的可专利性范围由权利要求书限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这样的其它示例具有不异于权利要求书的字面语言的结构元件，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质性差异的等效结构元件，则这样的其它示例旨在处于权利要求书的范围内。

Claims (20)

1. 一种用于具有纵向轴线的塔桅的多材料塔架区段，所述多材料塔架区段包括：
至少一个增材制造的壁结构，其由至少一种材料构成；以及
多个增材制造的内部加强结构，其由至少一种额外的材料构成，并且与所述至少一个增材制造的壁结构一起设置。
2.根据权利要求1所述的多材料塔架区段，其特征在于，所述至少一个增材制造的壁结构包括由混凝土材料构成的壁结构，并且其中，所述多个增材制造的内部加强结构包括在增材制造期间嵌入所述混凝土材料中的多个金属加强件、在增材制造期间嵌入所述混凝土材料中的多个复合加强件、在增材制造期间嵌入所述混凝土材料中的多个混凝土加强件和在增材制造期间嵌入所述混凝土材料中的多个t形螺柱中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的多材料塔架区段，其特征在于，所述至少一个增材制造的壁结构包括内部管状壳和外部管状壳，并且其中，所述多个增材制造的内部加强结构包括跨越在所述内部管状壳和所述外部管状壳之间的桁架结构。
4.根据权利要求3所述的多材料塔架区段，其特征在于，所述内部管状壳和所述外部管状壳由金属材料、复合材料和混凝土材料中的至少一种之一构成，并且所述桁架结构由金属材料、复合材料和混凝土材料中的至少一种构成。
5.根据权利要求4所述的多材料塔架区段，其特征在于，所述桁架结构包括正弦构造、笔直构造、梯形构造和蜂窝构造中的一种。
6.根据权利要求1所述的多材料塔架区段，其特征在于，进一步包括设置在所述多材料塔架区段的相对端上的联接凸缘。
7.根据权利要求1所述的多材料塔架区段，其特征在于，所述至少一个多材料塔架区段形成为单件结构中的一个，或者包括联接在一起以形成所述至少一个多材料塔架区段的多个子构件结构。
8.一种具有纵向轴线的塔桅，所述塔桅包括：
至少一个多材料塔架区段，其包括：
至少一个增材制造的壁结构，其由至少一种第一材料构成；以及
多个增材制造的内部加强结构，其由至少一种额外的材料构成，并且与所述至少一个增材制造的壁结构一起设置。
9.根据权利要求8所述的塔桅，其特征在于，进一步包括紧固件，所述紧固件构造成便于将所述至少一个多材料塔架区段联接到所述塔桅的另一个部分。
10.根据权利要求8所述的塔桅，其特征在于，所述至少一个多材料塔架区段延伸所述塔桅的完整轴向长度。
11.根据权利要求8所述的塔桅，其特征在于，所述塔桅包括多个多材料塔架区段，所述多个多材料塔架区段端对端联接在一起以延伸所述塔桅的至少部分。
12.根据权利要求11所述的塔桅，其特征在于，所述多个多材料塔架区段利用凸缘、粘合剂、灌浆和多个紧固件中的至少一种联接在一起。
13.根据权利要求8所述的塔桅，其特征在于，包括从嵌套构造延伸以形成所述塔桅的至少部分的多个多材料塔架区段。
14. 制作塔桅的方法，包括：
通过增材制造沉积至少一种第一材料，以形成多材料塔架区段的第一部分；以及
通过增材制造沉积至少一种额外的材料，以形成所述多材料塔架区段的额外的部分，
其中，所述至少一种第一材料和所述至少一种额外的材料不是相同的。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述多材料塔架区段延伸所述塔桅的完整轴向长度。
16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，进一步包括重复所述过程以形成多个多材料塔架区段，并且以端对端的方式联接所述多个多材料塔架区段以形成所述塔桅的至少部分。
17.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述第一部分包括壁结构或内部加强结构中的一个，并且所述额外的部分是壁结构或内部加强结构中的另一个。
18.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，沉积所述至少一种第一材料包括通过增材制造沉积复合材料和金属材料中的至少一种以形成多个内部加强结构，并且其中，沉积至少一种额外的材料包括通过增材制造以逐层方式围绕所述多个内部加强结构沉积混凝土材料以形成所述多材料塔架区段。
19.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，沉积所述至少一种第一材料包括通过增材制造沉积金属材料、复合材料和混凝土材料中的至少一种，以形成内部管状壁结构和外部管状壁结构，并且其中，沉积至少一种额外的材料包括通过增材制造沉积金属材料、复合材料和混凝土材料中的至少一种，以便以逐层方式形成跨越在所述内部管状壁结构和所述外部管状壁结构之间的多个桁架结构，以形成所述多材料塔架区段。
20.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，通过增材制造沉积所述至少一种第一材料以形成多材料塔架区段的第一部分和通过增材制造沉积至少一种额外的材料以形成所述多材料塔架区段的额外的部分包括沉积所述至少一种第一材料和所述至少一种额外的材料以形成处于嵌套构造的多个多材料塔架区段，所述多个多材料塔架区段在延伸时形成所述塔桅的至少部分。
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