CN113056606A - 用于制造风力涡轮塔架结构的系统和方法 - Google Patents

用于制造风力涡轮塔架结构的系统和方法 Download PDF

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Abstract

提供一种增材打印装置和一种用于使用其来制造风力涡轮的塔架结构的方法。增材打印装置包括竖直支承结构、悬挂自竖直支承结构的支承环，以及可移动地联接到支承环以用于选择性地沉积粘结材料的打印机头。诸如齿条和小齿轮之类的驱动机构使打印机头围绕支承环移动，同时选择性地沉积粘结材料。竖直支承结构可提升，且/或竖直支承结构与打印机头之间的相对位置可调整以提升打印机头来打印随后的层。可重复该过程以从地面向上逐层打印塔架结构。

Description

用于制造风力涡轮塔架结构的系统和方法
技术领域
本公开内容大体上涉及风力涡轮塔架，且更特别地涉及用于增材制造风力涡轮塔架结构的系统和方法。
背景技术
风力被认为是目前可用的最清洁、最环境友好的能源中的一种，且风力涡轮在该方面获得了增加的关注。现代的风力涡轮典型地包括塔架、发电机、齿轮箱、机舱以及一个或多个转子叶片。转子叶片使用已知的翼型原理来获取风的动能。转子叶片传输呈旋转能形式的动能，以便转动轴，该轴将转子叶片联接到齿轮箱(或如果不使用齿轮箱，直接地联接到发电机)。发电机然后将机械能转换成电能，该电能可部署至公用网。
风力涡轮塔架大体上由钢管、预制混凝土区段或其组合来构造。此外，管和/或混凝土区段典型地不在现场形成，运送于现场，且然后布置在一起以竖立塔架。例如，一种制造方法包括形成预铸混凝土环，将环运送到现场，将环布置在彼此顶上，以及然后将环固定在一起。然而，随着风力涡轮在尺寸上不断增长，常规的制造方法受运输规定所限制，该运输规定禁止运送具有大于约4至5米的直径的塔架区段。因此，某些塔架制造方法包括形成多个弧节段，以及将节段在现场固定在一起以形成塔架的直径，例如经由栓接和/或焊接。然而，此类方法需要大量的劳动且可为耗时的。
考虑到前述内容，本领域不断寻求用于制造风力涡轮塔架的改进方法。相应地，本公开内容涉及解决上述问题的用于制造风力涡轮塔架结构的方法。特别地，本公开内容涉及用于使用安装到可扩展的竖直支承结构的自动增材打印装置来在现场增材制造风力涡轮塔架结构的方法。
发明内容
本发明的方面和优点将在以下描述中部分地阐述，或可从描述中明显，或可通过实施本发明来获悉。
在一方面，本公开内容涉及一种用于制造风力涡轮的塔架结构的增材打印装置。增材打印装置包括至少部分地沿竖直方向定位在塔架结构上方的竖直支承结构，以及悬挂自竖直支承结构的支承环。打印机头可移动地联接到支承环，且构造成用于围绕支承环的周边移动，同时选择性地沉积粘结材料以形成塔架结构。
根据另一方面，本公开内容涉及一种制造风力涡轮的塔架结构的方法。方法包括将竖直支承结构定位在塔架结构的基部上方，以及使支承环悬挂自竖直支承结构。方法还包括将打印机头可移动地联接到支承环，以及通过使用打印机头选择性地沉积粘结材料来使用打印机头打印塔架结构的一层或多层。
参照以下描述和所附权利要求书，本发明的这些及其它特征、方面和优点将变得更好理解。结合于该说明书中且构成该说明书的一部分的附图示出本发明的实施例，且与描述一起用来解释本发明的原理。
附图说明
针对本领域普通技术人员的本发明(包括其最佳模式)的完整且开放(enabling)的公开内容在参照附图的说明书中阐述，在附图中：
图1示出根据本公开内容的风力涡轮的一个实施例的透视图；
图2示出根据本公开内容的风力涡轮的塔架结构的一个实施例的截面图；
图3示出根据本公开内容的可用来打印图2的示例性塔架结构的增材打印装置的示意图；
图4示出根据本公开内容的图3的示例性增材打印装置的某些构件的局部放大图；
图5示出根据本公开内容的示例性增材打印装置的某些构件的另一局部放大图；
图6示出根据本公开内容的增材打印装置的控制器的一个实施例的框图；以及
图7示出根据本公开内容的用于制造风力涡轮的塔架结构的方法的一个实施例的流程图。
本说明书和图中参考符号的重复使用意在表示本发明的相同或相似的特征或元件。
具体实施方式
现在将详细地参照本发明的实施例，其一个或多个示例在图中示出。每个示例提供作为本发明的解释，不是本发明的限制。事实上，对本领域技术人员将明显的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中进行各种修改和变化。例如，示出或描述为一个实施例的部分的特征可供另一实施例使用，以产生还此外的实施例。因此，意图的是，本发明覆盖如归于所附权利要求书和其等同物的范围内的此类修改和变化。
大体上，本公开内容涉及用于经由诸如增材制造、3-D打印、喷射沉积、挤出式增材制造、混凝土打印、自动纤维沉积以及利用计算机数字控制和多个自由度来沉积材料的其它技术之类的技术使用粘结材料的自动沉积来制造风力涡轮塔架的增材打印装置和方法。更特别地，本公开内容的方法包括使用自动增材打印装置，该自动增材打印装置由可延伸的自竖立的竖直支承结构(其可包括气候控制特征)来支承。另外，增材打印装置可包括用于添加结构支承部件(诸如增强筋)、张紧特征(诸如张紧线缆)的模块以及用于通过在打印期间或直接在打印之后平滑、处理和/或涂敷塔架结构来改进塔架结构的精整度的模块。
因此，本文中描述的方法提供现有技术中不存在的许多优点。例如，本公开内容可允许现场打印具有任何期望大小(例如，直径大于四米)的塔架结构，从而允许构造更大的塔架结构和风力涡轮。这些高大的结构可在不需要高大的起重机的情况下形成，或在其它方面不受现有制造方法所共有的制造或物流约束的限制。方法还增加设计灵活性，消除总体大小限制，并允许形成具有任何期望轮廓和截面形状的塔架结构。增材打印装置还可利用任何合适数量的打印机头来减小制造时间。其它特征和优点对本领域技术人员将是明显的。
现在参照图，图1示出根据本公开内容的风力涡轮10的一个实施例。如示出的，风力涡轮10包括从基部15或支承表面延伸的塔架12，其中机舱14安装在塔架12顶上。多个转子叶片16安装到转子毂18，该转子毂18继而连接到主凸缘，该主凸缘转动主转子轴。风力涡轮功率生成和控制构件容纳于机舱14内。图1的图仅出于示出的目的提供，以使本发明置于示例性使用领域中。应了解的是，本发明不限于任何特定类型的风力涡轮构造。另外，本发明不限于供风力涡轮塔架使用，而是可用于除了风力塔架之外具有混凝土构造和/或高塔架结构的任何应用(包括例如住所、桥、高塔架和混凝土行业的其它方面)中。此外，本文中描述的方法还可应用于制造任何类似的结构，其受益于本文中描述的优点。
现在参照图2，将根据本主题的示例性实施例更详细地描述风力涡轮10的塔架结构12。特别地，图2示出根据本公开内容的风力涡轮10的塔架结构12的一个实施例的局部截面图。如示出的，塔架结构12限定具有外表面22和内表面24的周向塔架壁20。此外，如示出的，周向塔架壁20大体上限定中空内部26，该中空内部26通常用来容纳各种涡轮构件(例如，功率转换器、变压器等)。另外，如下文将更详细描述的，塔架结构12使用增材制造来形成。
此外，如示出的，塔架结构12由粘结材料28形成，该粘结材料由一个或多个张紧线缆30(图2)增强，诸如伸长线缆或线、螺旋状线缆或线、增强筋(也称为增强钢筋)、网状增强纤维(金属或聚合物)、增强金属环(圆形、椭圆形、螺旋形以及如可为相关的其它者)和/或联接件。根据示例性实施例，粘结材料28可通过任何合适的供应系统32(例如，见图4)来提供。如下文更详细描述的，张紧线缆30可在打印过程期间嵌入粘结材料28中。如本文中使用的，粘结材料28可包括构造成在固化之后结合在一起以形成结构的任何合适的可使用的糊状物。合适的粘结材料包括例如混凝土、沥青树脂、沥青、粘土、粘结剂、砂浆、粘结组合物，或者类似的材料或组合物。
根据本主题的示例性实施例，粘合剂材料(未示出)可设在粘结材料28与基部15、粘结材料28与张紧线缆30，或粘结材料28与张紧线缆30的多层中的一个或多个之间。因此，粘合剂材料还可补充材料之间的层间结合。
本文中描述的粘合剂材料可包括例如粘结材料，诸如砂浆、聚合物材料和/或粘结材料和聚合物材料的混合物。包括粘结材料的粘合剂制剂在本文中称为“粘结砂浆”。粘结砂浆可包括任何粘结材料，其可与细集料组合。使用波特兰粘结剂和细集料制成的粘结砂浆有时称为“波特兰粘结剂砂浆”或“OPC”。包括粘结材料和聚合物材料的混合物的粘合剂制剂在本文中称为“聚合物砂浆”。任何粘结材料可包括于与聚合物材料以及可选的细集料的混合物中。包括聚合物材料的粘合剂制剂在本文中称为“聚合物粘合剂”。
可用于粘合剂制剂中的示例性聚合物材料可包括任何热塑性或热固性聚合物材料，诸如丙烯酸树脂、聚环氧化物、乙烯基聚合物(例如，聚醋酸乙烯酯(PVA)、乙烯-醋酸乙烯酯(EVA))、苯乙烯(例如，苯乙烯丁啶(butadine))，以及其共聚物或三元共聚物。示例性聚合物材料的特性在ASTM C1059 / C1059M-13, Standard Specification for LatexAgents for Bonding Fresh To Hardened Concrete(关于用于使新物结合到硬化混凝土的胶乳剂的标准规范)中描述。
现在大体上参照图3至图5，将根据本主题的示例性实施例描述增材打印装置40。值得注意的是，塔架结构12的全部或一部分可使用增材打印装置40逐层打印，该装置可使用任何合适的机构来沉积增材(诸如混凝土)层，以形成塔架结构12。因此，本主题的方面针对经由增材制造来制造风力涡轮塔架的方法。如本文中使用的，增材制造大体上理解成包含用来合成三维物体的过程，其中在计算机控制下形成连续的材料层来产生物体。因而，几乎任何尺寸和/或形状的物体可从数字模型数据产生。还应理解的是，本公开内容的增材制造方法可包含三个自由度以及多于三个自由度，使得打印技术不限于打印堆叠的二维层，而是还能够打印弯曲和/或不规则的形状。
应理解的是，本文中描述的增材打印装置40大体上指具有用于将材料(诸如粘结材料28)沉积到表面上的一个或多个喷嘴的任何合适的增材打印装置，其由控制器自动控制以形成计算机内编程的物体(诸如CAD文件)。更特别地，如在图3中示出且在下文描述的，增材打印装置40包括一个或多个打印机头42，其具有任何合适数量的喷嘴44，且可独立移动以同时打印塔架结构12的层。
仍参照图3至图5，将根据本主题的示例性实施例更详细地描述增材打印装置40。如示出的，增材打印装置40包括竖直支承结构50，该竖直支承结构50大体上构造成用于在打印过程期间将一个或多个打印机头42悬挂在塔架结构12上方。在该方面，竖直支承结构50可从地面或基部15基本沿竖直方向V延伸到至少部分地在塔架结构12的顶部52上方(例如，且在打印第一层之前还在基部15上方)的位置。
如示出的，竖直支承结构50包括多个塔架54和一个或多个台架梁56，该台架梁在竖直支承结构50的顶部58处在多个塔架中的至少两个之间延伸。虽然图3至图5中示出两个塔架54和单个台架梁56，应了解的是，根据备选实施例，可使用任何合适数量和位置的塔架54。另外，塔架54和台架梁56示为桁架状结构(例如，类似于塔式起重机)，但根据备选实施例可以任何其它合适的方式形成或具有任何其它构造。
此外，虽然将竖直支承结构50示为定位在塔架结构12的外侧上，应了解的是，根据备选实施例，竖直支承结构50可定位在塔架结构12的内侧。根据还其它的实施例，竖直支承结构50可包括定位在塔架结构12的内侧和外侧的塔架54。另外，可使用任何其它合适的系统或机构来使增材打印装置40悬挂自竖直支承结构50。
值得注意的是，在增材打印过程期间，塔架结构12的顶部52沿竖直方向V升高地逐层构建。因此，竖直支承结构50可为可扩展的支承结构，其可随着塔架12的高度提升。在该方面，竖直支承结构50可由沿竖直方向V彼此相邻定位并连结以形成刚性竖直支承结构50的多个堆叠的节段60形成。当塔架结构12接近竖直支承结构50的顶部58时，额外的节段62可添加至堆叠的节段60，以提升竖直支承结构50的整体高度。
特别地参照图3，可使用顶升系统64将额外的节段62与堆叠的节段60组合以提升竖直支承结构50。大体上，顶升系统64定位在基部15附近，且构造成用于提升竖直支承结构50(例如，包括堆叠的节段60和台架梁56)并插入额外的节段62。特别地，单独的顶升系统64可定位在每个塔架54的底部处。
根据示例性实施例，顶升系统64包括定位在堆叠的节段60的底部处的顶升框架66和顶升机构68。顶升机构68大体上可为用于提升竖直支承结构50的任何合适的液压、气动或机械促动的系统。当需要添加额外的节段62时，专用的顶升机构68同时提升塔架54中的每个，使得额外的节段62可插入。特别地，当额外的节段62定位在最下面的堆叠的节段60下方时，顶升框架66可支承竖直支承结构50的重量。使用任何合适的机械紧固件、焊接等将额外的节段62连结至堆叠的节段60。可根据需要来重复该过程以提升竖直支承结构50的总高度。
在某些情况下，可期望保护塔架结构12和增材打印装置40的构件免受使用它们的外部环境的影响。因此，如图4中示出的，本主题的方面涉及塔架覆盖物70的使用，该塔架覆盖物70可围绕竖直支承结构50定位以限定其中的受控环境72。塔架覆盖物70大体上可为围绕竖直支承结构70定位的任何合适的材料。例如，塔架覆盖物70可为披覆或附接到竖直支承结构50(例如，在塔架54和/或台架梁56上方)的织物状材料。
此外，塔架覆盖物70可包括可移动或静止、刚性或柔性的盖，该盖定位在竖直支承结构50的顶部58上，支承环80的顶部上，或在塔架结构12上方的任何其它合适的支承表面上，以用于排除环境因素并用于保持塔架结构12内的温度。此外，塔架覆盖物可限定开口或包括适于保护受控环境72不受环境因素影响的任何其它特征。
虽然塔架覆盖物70在图4中示为定位在整个竖直支承结构50上的单个覆盖物，应了解的是，根据备选实施例，塔架覆盖物70可为部分地覆盖竖直支承结构50的任何合适数量的覆盖物。例如，塔架覆盖物70可包括悬挂自竖直支承结构50的顶部58的平片(sheet)。平片将随着增长的竖直支承结构50延伸，例如，通过从地面水平处的辊拉动片(具有反张力)。此外，塔架覆盖物70可完全包围或可不完全包围受控环境72。
另外，气候调节系统74可定位在受控环境72内，例如，用于调节受控环境72内的温度、湿度或其它环境因素。在该方面，例如，气候调节系统74可为加热系统、空调系统、湿度控制系统或用于调节受控环境72内的空气的任何其它合适的装置。例如，气候调节系统74可包括用于加热、冷却、除湿、加湿等的某种装置或多种装置，以及用于监视温度、湿度等的测量设备。根据示例性实施例，气候调节系统74可配置成用于将受控环境72保持在适于沉积以形成塔架结构12的粘结材料28的期望固化的温度下。
另外，虽然将气候调节系统74图示为定位在受控环境72内(例如，由塔架覆盖物70所限定)，应了解的是，根据备选实施例，气候调节系统74可定位在塔架结构12自身内。以该方式，气候调节系统74可调节塔架结构的内部26内的温度和湿度，无论是否具有塔架覆盖物70，以便于改进的打印过程。此外，应了解的是，气候调节系统74可为独立的系统，或可例如使用允许自动和手动控制的有线或无线控制器来远程监测和控制。
如上文简要提到的，竖直支承结构50大体上构造成用于支承一个或多个打印机头42和/或便于塔架结构12形成的其它模块。特别地参照图3至图5，增材打印装置40还可包括一个或多个支承环80，其悬挂自竖直支承结构50，或更特别地在塔架结构12上方悬挂自台架梁56。例如，如示出的，使用竖直定位机构82将支承环80安装到台架梁56上。大体上，竖直定位机构82构造成用于沿竖直方向V调整在台架梁56与支承环80的顶部之间测量的高度或竖直距离84。例如，竖直定位机构82可包括在台架梁56与支承环80之间延伸的一个或多个液压促动器86，在塔架结构12逐层建立时，液压促动器沿竖直方向V移动支承环80和打印机头42。
如示出的，液压促动器86构造成用于调整竖直距离84，以将打印机头42的喷嘴44精确地定位在塔架结构12的顶部52直接上方。以该方式，可精确地控制增材打印过程。然而，应了解的是，根据备选实施例，可以任何其它合适的方式来调整打印机头42的竖直运动。例如，根据示例性实施例，支承环80可刚性地固定到台架梁56，而支承环80和/或打印机头40用来便于竖直运动以精确地定位喷嘴44。例如，打印机头42可使用竖直导轨和定位机构可滑动地安装到支承环80，以调整相对于支承环80和塔架结构12的竖直位置。
根据示出的实施例，打印机头42可移动地联接到支承环80，使得喷嘴44可围绕塔架结构12的周边沉积粘结材料28，同时支承环80相对于台架梁56保持旋转固定。在该方面，例如，驱动机构100可将打印机头42可操作地联接到支承环80，使得打印机头42可构造成用于围绕支承环80的周边102(例如，围绕周向方向C)移动，同时选择性地沉积粘结材料28。一个示例性驱动机构100在下文描述且在图中示出，但应了解的是，在本主题的范围内还可考虑其它驱动机构。
如图4中最佳示出的，驱动机构100包括定位在支承环80上的环形齿轮104和可旋转地安装到打印机头42的驱动齿轮106。特别地，如示出的，环形齿轮104限定在支承环80的底部108上。因此，当打印机头42安装在支承环80的底部108上时，驱动齿轮106接合环形齿轮104。驱动机构100还可包括驱动马达110，该驱动马达110机械地联接到驱动齿轮106以用于选择性地旋转驱动齿轮106来使打印机头42围绕支承环80的周边102移动。以该方式，支承环80可保持静止，同时打印机头42围绕支承环80移动，同时沉积粘结材料28以形成塔架结构12的截面层。
虽然在此将驱动机构100示为使用驱动齿轮106和环形齿轮104的齿条和小齿轮传动布置，应了解的是，根据备选实施例，可使用任何其它合适的驱动机构100。例如，驱动机构100可包括磁性驱动系统、带驱动系统、摩擦辊驱动系统，或在打印机头42与支承环80之间的允许并便于两者之间的选择性运动的任何其它机械联接。
值得注意的是，根据示出的实施例，支承环80的直径大体上可基本等于塔架结构12的直径。然而，可期望打印具有非固定直径或锥形轮廓的塔架结构12。另外，如在例如图5中示出的，塔架结构12可包括沿径向方向R与内塔架122间隔开的外塔架120。例如，内塔架122中的外塔架120可打印成限定用于接收浇筑的混凝土的模具，例如，以减小打印时间和总构造时间。
为了在内塔架122中打印外塔架120，增材打印装置40可包括多个同心支承环80和打印机头42，以同时打印外塔架120和内塔架122中的每个。特别地，如示出的，外支承环124可定位在外塔架120上方，且具有与外塔架120基本相等的直径。类似地，内支承环126可定位在内塔架122上方，且具有与内塔架122基本相等的直径。应了解的是，如本文中使用的，诸如“大致”、“基本”或“约”之类的近似用语是指在百分之十的误差裕度内。根据该示例性实施例，外支承环124和内支承环126中的每个可包括专用的打印机头42和/或其它模块，以分别便于外塔架120和内塔架122的打印过程。
再次参照图4，打印机头42可包括用于调整喷嘴44在打印机头42上的位置的机构。例如，打印机头42可包括径向调整机构130，该径向调整机构构造成用于使打印喷嘴44沿径向方向R移动。特别地，根据示出的实施例，径向调整机构130包括滑轨132，该滑轨132安装到打印机头42的底部134。滑轨132基本沿径向方向延伸，且构造成用于可滑动地接收喷嘴44。
径向调整机构130还可包括促动机构136，该促动机构使打印喷嘴44在滑轨132内沿径向方向R移动。例如，促动机构136可包括任何合适的促动器或定位机构，以使喷嘴44在滑轨132内移动。在该方面，例如，促动机构136可包括多个线性促动器、伺服马达、履带输送机系统、齿条和小齿轮机构、滚珠丝杠线性滑块等中的一个或多个。这些促动机构仅用于解释本主题的方面的目的，且无意以任何方式进行限制。
仍参照图3和图4，增材打印装置40可包括任何其它合适数量的子系统或模块，以便于和改进打印过程或改进塔架结构12的精整。例如，如图4中最佳示出的，增材打印装置40可包括增强模块140，其可移动地联接到支承环80，且构造成用于将一个或多个支承部件142至少部分地嵌入塔架结构12内。在该方面，例如，增强模块140可与打印机头42类似，其在于，接合支承环80且可围绕支承环80的周边102移动，同时沉积支承部件142。
例如，如下文简要解释的，根据示例性实施例，支承部件142可为增强筋(即，钢筋)、张紧线缆或任何其它合适的结构支承部件。例如，如图2中示出的，增强模块140可在塔架结构12的一个或多个部分内至少部分地嵌入一个或多个张紧线缆30。在该方面，增强模块140将张紧线缆30至少部分地定位在塔架结构12内。应理解的是，此类线缆30可沿塔架12的整个高度(例如，如图2中示出的)或仅沿塔架高度的一部分延伸。
根据示例性实施例，在塔架结构12建立时，增材打印装置40可在使用增强模块140沉积张紧线缆30与使用打印机头42与喷嘴44打印粘结材料28之间交替。备选地，如图3和图4中示出的，增强模块140可定位成邻近打印机头42，且构造成用于在沉积粘结材料28之前将张紧线缆30或钢筋展开或解绕到打印区域中，使得张紧线缆30变为嵌入到粘结材料28内或打印在粘结材料上方。备选地，增材打印装置40可包括任何其它合适的特征，用于在张紧线缆凝固或固化之前将张紧线缆30压缩或嵌入到粘结材料28中。在备选实施例中，增材打印装置40构造成喷射具有短聚合物和/或金属纤维或环作为增强物的粘结材料28，以改进塔架结构12的结构强度。
张紧线缆30大体上可构造成用于保证粘结材料28(例如，混凝土)中的应力可保持大的压缩。这些线缆30可在粘结材料28中预张紧且可围绕线缆30打印，或打印过程可在整个塔架结构12中限定孔，在固化之后可通过孔放置张紧线缆30且然后进行后张紧。在备选实施例中，增材打印装置40可构造成在塔架结构12的打印期间向线缆30提供张力。在此类实施例中，增材打印装置40可在打印过程期间根据塔架结构12的截面来改变一个或多个线缆30的张力。因此，此类张紧线缆30构造成管理塔架结构12的拉伸应力。
在另一实施例中，塔架结构12可包括例如多个增强筋，其形成以圆柱形构造布置以对应于塔架结构12的形状的金属网(未示出)。此外，圆柱形金属网可在材料28固化之前并周期性地沿塔架12的高度嵌入到塔架结构12的粘结材料28中。另外，增材打印装置40构造成以考虑其固化速率的方式打印粘结材料28使得塔架壁20在它形成时可结合至它自身。另外，虽然增材形成的粘结材料28在打印期间可弱，增材打印装置40构造成打印塔架结构12使得它可承受壁20的重量。
现在特别地参照图4，增材打印装置40还可包括精整模块150，该精整模块可移动地联接到支承环80，且大体上构造成用于改进塔架结构12在打印之后的精整度。在该方面，根据示出的实施例，精整模块150包括抹刀152，该抹刀152大体上构造成用于平滑所沉积的粘结材料28。在该方面，当精整模块150围绕支承环80的周边102移动时(例如，以类似于针对打印机头42所描述的方式)，抹刀12可沿外壁22和/或内壁24滑动以平滑所沉积的粘结材料28。备选地，精整模块150可包括机加工系统，该机加工系统用于向塔架结构12的精整表面添加特征、平滑精整表面的研磨操作，等等。
另外，根据示例性实施例，精整模块150还可包括施加器(applicator)，诸如喷射喷嘴154，其大体上构造成用于向塔架结构12的内侧或外侧施加任何处理。例如，处理可为密封剂、处理剂、粘合剂、固化剂、涂料、另一液体材料或用于改进与塔架结构12的内侧或外侧的层间结合的任何其它材料。应了解的是，任何合适的喷嘴、喷射装置或其它施加器头可用于施加此类处理。
虽然在本文中将增强模块140和精整模块150描述为便于通过打印机头42改进打印过程，应了解的是，本主题的方面可针对包括任何其它合适的子系统或模块以改进塔架结构12的质量、打印塔架结构12的速度，或制造过程的任何其它合适方面。例如，增材打印装置40可包括任何合适数量的打印机头42或具有任何合适数量和构造的喷嘴44的其它模块。
另外，虽然本文中的描述涉及由单一材料(例如，混凝土)打印塔架结构12，应了解的是，还可使用任何合适的材料打印每个塔架结构12，即便与其它区段不同。另外，每个塔架结构12可具有任何合适的截面轮廓(例如，沿轴向方向A截取)和轮廓(例如，沿轴向方向A限定)。在该方面，如示出的，塔架结构12可为基本圆柱形的或具有圆形截面。然而，根据还其它的实施例，塔架结构12可为多边形、椭圆形、卵形、方形、泪滴形、翼型件或任何其它合适的形状。另外，根据又一实施例，取决于沿塔架结构12的竖直位置，塔架结构12可为锥形的或在截面面积上改变。
现在参照图6，示出增材打印装置40的控制器190的一个实施例的框图。如示出的，控制器190可包括一个或多个处理器192和相关联的存储器装置194，其配置成执行多种计算机实施的功能(例如，如本文中公开的那样执行方法、步骤、计算等以及存储相关的数据)。另外，控制器190还可包括通信模块196，以便于控制器190与增材打印装置40的各种构件之间的通信。此外，通信模块196可包括传感器接口198(例如，一个或多个模数转换器)，以允许从一个或多个传感器或反馈装置传输的信号转换为可由处理器192理解和处理的信号。应了解的是，这些传感器和反馈装置可使用任何合适的手段，例如经由有线或无线连接(其使用本领域中已知的任何合适的无线通信协议)，通信地联接到通信模块196。
如本文中使用的，用语“处理器”不仅指本领域中被认为是包括于计算机中的集成电路，而且指控制器、微型控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、专用集成电路以及其它可编程电路。处理器192还配置成计算先进的控制算法且以多种Ethernet或基于串行的协议(Modbus、OPC、CAN等)通信。另外，存储器装置194大体上可包括存储器元件，其包括但不限于计算机可读介质(例如，随机存取存储器(RAM)、计算机可读非易失性介质(例如，闪速存储器)、软盘、高密度光盘-只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)、数字多功能盘(DVD)和/或其它合适的存储器元件)。此类存储器装置194大体上可配置成存储合适的计算机可读指令，该指令在由处理器192实施时使控制器190配置成执行如本文中描述的各种功能。
因为根据本主题的示例性实施例提出了塔架结构12和增材打印装置40的构造和配置，将提供使用增材打印装置制造风力涡轮塔架结构的示例性方法200(例如，见图7)。方法200可用来使用增材打印装置40来形成塔架结构12，或用于使用任何其它合适的增材打印装置来形成任何其它合适的塔架或高大的混凝土结构。在该方面，例如，控制器190可配置成用于实施方法200。然而，应了解的是，本文中仅论述示例性方法200来描述本主题的示例性方面，且不意在限制。
如图7中示出的，方法200包括，在步骤210处，将竖直支承结构定位在塔架结构的基部上方。在该方面，例如，竖直支承结构50可直接定位在地面或基部15上的风力涡轮现场，以开始打印过程。如上文简要解释的，在塔架结构12沿竖直方向V逐层建立时，竖直支承结构50可通过使用顶升系统64延伸塔架54来提升以构建竖直支承结构50的高度。
步骤220包括使支承环悬挂自竖直支承结构，且步骤230包括将打印机头可移动地联接到支承环。以该方式，例如，打印机头42可使用竖直定位机构82、驱动机构100、径向调整机构130或用于将打印机头42可移动地联接到支承环80的任何其它合适的机构或装置可操作地联接到支承环80。
步骤240包括通过使打印机头围绕支承环的周边移动且使用打印机头选择性地沉积粘结材料来使用打印机头打印塔架结构的一层或多层。在该方面，例如，驱动马达110可使与环形齿轮104接合的驱动齿轮106旋转，以使打印机头42围绕支承环80的底部108移动，同时一个或多个喷嘴44将粘结材料沉积在基部15上或在塔架结构12的先前沉积层12上。
步骤250包括例如通过使用竖直定位机构调整竖直支承结构与打印机头之间的竖直距离来提升打印机头。在该方面，例如，竖直定位机构可为联接竖直支承结构52和支承环80的一个或多个液压促动器。相比之下，一个或多个液压促动器86可定位在打印机头42或增材打印装置40的另一模块内，以便于竖直调整(例如，如图4中示出的，用于精整模块150)。步骤260包括打印层以逐层形成塔架结构。因此，在打印机头42沿竖直方向移动以构建具有任何合适高度的塔架结构12时，可重复打印塔架结构12的层的过程。
图7描绘示例性控制方法，其具有以特定顺序执行的步骤，用于说明和论述目的。使用本文中提供的公开内容，本领域普通技术人员将理解，本文中论述的方法中的任一种的步骤可在不脱离本公开内容的范围的情况下以各种方式调整、重新布置、扩展、省略或修改。此外，虽然使用塔架结构12和增材打印装置40作为示例来解释方法的方面，应了解的是，这些方法可应用于增材打印装置的操作以形成任何合适的塔架结构。
该书面描述使用示例来公开本发明(包括最佳模式)，且还使本领域中的任何技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。本发明的可申请专利的范围由权利要求书限定，且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例包括不异于权利要求书的字面语言的结构元件，或如果它们包括与权利要求书的字面语言带有非实质性差异的等同结构元件，此类其它示例意在处于权利要求书的范围内。

Claims (20)

1.一种用于制造风力涡轮的塔架结构的增材打印装置，所述增材打印装置包括：
竖直支承结构，所述竖直支承结构至少部分地沿竖直方向定位在所述塔架结构上方；
支承环，所述支承环悬挂自所述竖直支承结构；以及
打印机头，所述打印机头可移动地联接到所述支承环，所述打印机头构造成用于围绕所述支承环的周边移动，同时选择性地沉积粘结材料以形成所述塔架结构。
2.根据权利要求1所述的增材打印装置，其特征在于，所述增材打印装置还包括：
驱动机构，所述驱动机构将所述打印机头可操作地联接到所述支承环，所述驱动机构构造成用于使所述打印机头围绕所述支承环的周边移动。
3.根据权利要求2所述的增材打印装置，其特征在于，所述驱动机构还包括：
环形齿轮，所述环形齿轮定位在所述支承环上；
驱动齿轮，所述驱动齿轮可旋转地安装到所述打印机头，所述驱动齿轮接合所述环形齿轮；以及
驱动马达，所述驱动马达机械地联接到所述驱动齿轮以用于选择性地旋转所述驱动齿轮来使所述打印机头围绕所述支承环的周边移动。
4.根据权利要求1所述的增材打印装置，其特征在于，所述竖直支承结构还包括：
多个塔架，所述多个塔架中的每个包括多个堆叠的节段，其中额外的节段添加至所述多个堆叠的节段，以提升所述多个塔架和所述竖直支承结构。
5.根据权利要求4所述的增材打印装置，其特征在于，所述竖直支承结构还包括：
台架梁，所述台架梁在所述竖直支承结构的顶部处在所述多个塔架中的至少两个之间延伸，其中所述支承环在所述塔架结构上方安装到所述台架梁。
6.根据权利要求1所述的增材打印装置，其特征在于，所述增材打印装置还包括：
竖直定位机构，所述竖直定位机构将所述打印机头可操作地联接到所述竖直支承结构，所述竖直定位机构构造成用于使所述打印机头沿所述竖直方向移动。
7.根据权利要求6所述的增材打印装置，其特征在于，所述竖直定位机构还包括：
一个或多个液压促动器，其将所述竖直支承结构可操作地联接到所述支承环，以用于调整所述竖直支承结构与所述支承环之间的竖直距离。
8. 根据权利要求1所述的增材打印装置，其特征在于，所述支承环是外支承环，且所述打印机头是第一打印机头，所述增材打印装置还包括：
内支承环，所述内支承环同心地定位在所述外支承环内；以及
第二打印机头，所述第二打印机头可移动地联接到所述内支承环。
9. 根据权利要求1所述的增材打印装置，其特征在于，所述打印机头还包括：
打印喷嘴，所述打印喷嘴用于选择性地沉积所述粘结材料；以及
径向调整机构，所述径向调整机构用于使所述打印喷嘴沿径向方向移动。
10. 根据权利要求9所述的增材打印装置，其特征在于，所述径向调整机构还包括：
滑轨，所述滑轨安装到所述打印机头的底部且沿所述径向方向延伸；以及
促动机构，所述促动机构用于使所述打印喷嘴在所述滑轨内沿所述径向方向移动。
11.根据权利要求10所述的增材打印装置，其特征在于，所述促动机构包括齿条和小齿轮机构、伺服马达或线性促动器中的至少一者。
12.根据权利要求1所述的增材打印装置，其特征在于，所述增材打印装置还包括：
增强模块，所述增强模块可移动地联接到所述支承环，所述增强模块构造成用于将一个或多个支承部件至少部分地嵌入所述塔架结构内。
13.根据权利要求12所述的增材打印装置，其特征在于，所述一个或多个支承部件是增强筋或张紧线缆。
14.根据权利要求1所述的增材打印装置，其特征在于，所述增材打印装置还包括：
精整模块，所述精整模块可移动地联接到所述支承环，所述精整模块包括以下一者或多者：抹刀，所述抹刀用于使所沉积的粘结材料平滑成精整表面；机加工系统，所述机加工系统用于向所述精整表面添加特征，平滑所述精整表面的研磨操作；以及施加器，所述施加器用于向所述塔架结构施加处理。
15.根据权利要求1所述的增材打印装置，其特征在于，所述增材打印装置还包括：
塔架覆盖物，所述塔架覆盖物限定围绕所述塔架结构的受控环境。
16.根据权利要求15所述的增材打印装置，其特征在于，所述增材打印装置还包括：
气候调节系统，所述气候调节系统定位在所述受控环境内以用于调节所述受控环境内的温度或湿度。
17.根据权利要求1所述的增材打印装置，其特征在于，所述增材打印装置还包括：
气候调节系统，所述气候调节系统定位在所述塔架结构内。
18.一种制造风力涡轮的塔架结构的方法，所述方法包括：
将竖直支承结构定位在所述塔架结构的基部上方；
使支承环悬挂自所述竖直支承结构；
将打印机头可移动地联接到所述支承环；以及
通过使用所述打印机头选择性地沉积粘结材料来使用所述打印机头打印所述塔架结构的一层或多层。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，打印所述塔架结构的一层或多层包括：
(a)使所述打印机头围绕所述支承环的周边移动；
(b)使用所述打印机头选择性地沉积所述粘结材料；
(c)提升所述打印机头；以及
(d)重复步骤(a)至(c)以逐层形成所述塔架结构。
20.一种用于制造结构的增材打印装置，所述增材打印装置包括：
竖直支承结构，所述竖直支承结构至少部分地沿竖直方向定位在所述结构上方；
支承环，所述支承环悬挂自所述竖直支承结构；以及
打印机头，所述打印机头可移动地联接到所述支承环，所述打印机头构造成用于围绕所述支承环的周边移动，同时选择性地沉积粘结材料以形成所述结构。
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