CN114641611A - 对带有能量产生单元的风力涡轮机进行改造的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用第二能量产生单元对具有塔架和第一能量产生单元的风力涡轮机进行改造的方法。该方法包括：相对于具有第二能量产生单元的塔架的第一额定工作频率来分析塔架的第一固有频率；当第一固有频率在第一额定工作频率内时，修改塔架和第二能量产生单元中的一者或两者，使得塔架和第二能量产生单元中的经修改的一者或两者具有不重叠的第二固有频率和第二额定工作频率；以及用所述第二能量产生单元来替换所述第一能量产生单元。

Description

对带有能量产生单元的风力涡轮机进行改造的方法

技术领域

本发明总体上涉及风力涡轮机，并且更具体地涉及一种利用第二改进型能量产生单元对具有塔架和第一能量产生单元的风力涡轮机进行改造以及以延长塔架的预期寿命的方式来使经改造的风力涡轮机进行工作的方法。

背景技术

风力涡轮机用于使用可再生资源并且不燃烧化石燃料来产生电能。通常，风力涡轮机将来自风的动能转换成电力。水平轴线风力涡轮机包括塔架和定位在塔架顶部上的能量产生单元。能量产生单元典型地包括用于容纳机械和电气部件(例如发电机)的机机舱以及通过从机机舱延伸的主轴在工作上联接至机机舱中的部件的转子。转子进而包括中央轮毂和多个叶片，这些叶片从中央轮毂径向地延伸并且被配置成与风相互作用以引起转子的旋转。转子被支撑在主轴上，该主轴直接地或间接地在工作上与容纳在机机舱内的发电机联接。因此，当风迫使叶片旋转时，发电机产生电能。

通常，在可跨越数十年的风力涡轮机寿命期间，新技术变得可用。作为示例，以较低价格(能量水平成本-LCOE)具有较高电力生产的新一代发电涡轮机变得可用。在某个时刻，在风力涡轮机的某些部件的寿命结束之前，用新一代发电涡轮机替换旧一代的发电涡轮机可能变得经济。这通常通过更换包括底座的整个风力涡轮机来完成。然而，这是相当昂贵的，因此风力涡轮机行业正在寻找用于改进利用新一代发电涡轮机进行改造的商业案例的解决方案。

发明内容

为这些和其它目的，提供了一种对风力涡轮机进行改造的方法。该风力涡轮机具有塔架和第一能量产生单元。在改造过程中，第一能量产生单元被第二能量产生单元替换。该方法包括：相对于具有第二能量产生单元的塔架的第一额定工作频率来分析塔架的第一固有频率；当第一固有频率在第一额定工作频率内时，修改塔架和第二能量产生单元中的一者或两者，使得塔架和第二能量产生单元中的经修改的一者或两者具有不重叠的第二固有频率和第二额定工作频率；以及用第二能量产生单元替换第一能量产生单元。

在一个实施方式中，修改塔架和第二能量产生单元中的一者或两者的步骤包括将塔架的高度从第一塔架高度增大至第二塔架高度，第一塔架高度与第二塔架高度之间的高度差足以将第一固有频率减小至第二固有频率，并且第二固有频率不在第二额定工作频率内。作为例子，修改塔架的步骤可包括向塔架添加适配器以将第一塔架高度增大至第二塔架高度。

在一个实施方式中，修改塔架和第二能量产生单元中的一者或两者的步骤包括将塔架的高度从第一塔架高度减小至第二塔架高度，第一塔架高度与第二塔架高度之间的高度差足以将第一固有频率减小至第二固有频率，并且第二固有频率不在第二额定工作频率内。

在一个实施方式中，塔架至少具有第一节段和第二节段，并且向塔架添加适配器的步骤包括将适配器定位在第一节段与第二节段之间。在该实施方式中，适配器可以大体上是圆柱形的。在替代性实施方式中，向塔架添加适配器的步骤包括将适配器定位在塔架的顶部，并且用第二能量产生单元替换第一能量产生单元的步骤包括将第二能量产生单元联接至适配器。在该实施方式中，适配器可以大体上是圆锥形的。

此外，在一个实施方式中，塔架至少具有第一节段和第二节段，并且向塔架添加适配器的步骤包括移除第一能量产生单元和第一节段，将适配器联接至第一节段与第二节段中的一者，以及将第一节段与第二节段中的另一者联接至适配器，适配器位于第一节段与第二节段之间。

在又一实施方式中，塔架联接至底座并且向塔架添加适配器的步骤包括将适配器定位在塔架与底座之间并且用第二能量产生单元替换第一能量产生单元的步骤包括将第二能量产生单元联接至塔架。在这个实施方式中，适配器可以是总体上圆柱形或圆锥形的。

在一个实施方式中，修改塔架和第二能量产生单元中的一者或两者的步骤包括对第二能量产生单元的工作参数进行限制，以将第二额定工作频率的极限改变成低于或高于第二固有频率。更具体地，修改塔架和第二能量产生单元中的一者或两者的步骤包括：对第二能量产生单元的工作参数进行限制，以将第二额定工作频率的下极限增大至高于第二固有频率的频率。作为例子，更改风力涡轮机的工作以改变额定工作频率的步骤可包括使第二能量产生单元上的一个或多个叶片俯仰。可选地，更改风力涡轮机的工作以改变塔架的额定工作频率的步骤可包括对第二能量产生单元上的转子的速度进行限制。

在另一实施方式中，一种利用第二能量产生单元对具有第一能量产生单元的风力涡轮机进行改造的方法，其中，风力涡轮机包括具有至少第一节段和第二节段的模块化塔架，该方法包括：在第一节段与第二节段之间插入适配器以增大塔架的高度；以及将第二能量产生单元联接至第一节段和第二节段中的一者。

在又一实施方式中，一种风力涡轮机包括模块化塔架，该模块化塔架具有被配置成联接至圆柱形节段的至少两个圆锥形节段，其中，圆柱形节段被配置成位于至少两个圆锥形节段之间。风力涡轮机可进一步包括第二圆柱形节段，该第二圆柱形节段被配置成联接在圆锥形节段中的一个圆锥形节段与底座之间。能量产生单元被配置成联接至圆锥形节段中的另一圆锥形节段。

附图说明

并入本说明书中并构成本说明书的一部分的附图示出了本发明的一个或多个实施方式，并且与以上给出的本发明的一般描述和以下给出的详细描述一起用于解释本发明。

图1是具有塔架和第一能量产生单元的风力涡轮机的立体图；

图2是具有图1的塔架且用第二能量产生单元造改的风力涡轮机的立体图；

图3A是图1所示的风力涡轮机的固有频率和额定工作频率的示意图；

图3B是现有塔架的固有频率和根据本发明的一个实施方式的改造之后的额定工作频率的示意图；

图3C为现有塔架的固有频率和根据本发明一个实施方式的塔架修改之后的固有频率的示意图；

图4示出了用于控制能量产生单元的示例性系统；

图5A、图5B和图5C示出了根据本发明的一个实施方式的改造过程；

图6A、图6B、图6C和图6D示出了根据本发明的一个实施方式的改造过程；以及

图7示出了根据本发明的一个实施方式的底座适配器。

具体实施方式

参照图1，风力涡轮机10包括模块化塔架12和设置在塔架12的顶部处的能量产生单元14。如常规的，模块化塔架12可以在其下端处联接至底座16。示例性模块化塔架12包括三个节段12a、12b和12c，这三个节段共同限定总体上竖直的塔架轴线18，能量产生单元14可以通过偏航机构(未示出)围绕该塔架轴线旋转。底座16可以是相对大的质量，例如，混凝土、钢等，嵌入在地面中并且风力涡轮机10上的力最终可以通过该底座进行传递。虽然未示出，但是在替代性实施方式中，底座16可包括用于海上风力涡轮机应用的海上平台或类似物。能量产生单元14包括风力涡轮机的将风的能量转换成电能的部分。对此，能量产生单元14通常包括壳体或机机舱20、具有中心轮毂24和安装至该中心轮毂24并从该中心轮毂24径向延伸的一个或多个叶片26(例如，三个叶片)的转子22以及用于将机械能转换成电能的发电机(未示出)。在一个实施方式中，能量产生单元14可进一步包括驱动系(未示出)，该驱动系包括将转子22与发电机互连的齿轮装置。发电机和驱动系的大部分可以被定位在风力涡轮机10的机舱20的内部。除了发电机之外，机舱20通常容纳将风能转换成电能所需的各种部件以及操作、控制和优化风力涡轮机10的性能所需的各种部件。风力涡轮机叶片26被配置成与自由流空气流(风62)相互作用以产生升力，该升力使转子22大致在由风力涡轮机叶片26限定的平面内转动或旋转。因此，能量产生单元14能够从经过转子22的扫过区域的气流产生动力。能量产生单元14在顶部凸缘28处附接至塔架12。塔架12支撑由能量产生单元14提供的负载，并且进行工作以将能量产生单元14(特别是转子22)升高到高于通常存在较低湍流的较快运动的气流的地平面或海平面的高度。

在风力涡轮机的寿命的某个点处，可以替换现有的风力涡轮机。在改造过程中，现有的能量产生单元可以被另一改进的能量产生单元替换。这在图2中作为例子示出。改造方法要求将相同的塔架12用于第二能量产生单元42。经改造的风力涡轮机40应该以将塔架12的使用寿命至少延长至并且优选地超过塔架12的预期寿命设计值的方式来工作。

为此，诸位发明人认识到了在将第二能量产生单元42安装在塔架12上之前必须分析的问题。该问题涉及：相对于在下述改造过程后具有新的能量产生单元42的风力涡轮机40的额定工作频率的范围来考虑风力涡轮机的固有频率。额定工作频率是在风力涡轮机的最佳发电期间产生的振动频率。在新的能量产生单元已被安装在现有塔架上的情况下，在经改造的风力涡轮机的正常工作期间，该新的能量产生单元一定不能产生与风力涡轮机塔架上的该新的能量产生单元的固有振动频率重叠的额定工作频率。风力涡轮机的固有频率是在没有任何驱动或阻尼力的情况下风力涡轮机塔架振荡的频率。

总体上并且参照图1，随着转子22的转速增大，风力涡轮机塔架12上的振动频率增大。风力涡轮机塔架12上的振动可能是由于每个叶片26在其扫过塔架12时的周期性运动引起的。在启动时，转子22的旋转频率从静止位置增大。转子22的转速增大，直到其达到功率输出得到优化的最佳旋转速率。这在由转子22的额定速度确定的预定风速下发生。风力涡轮机10的输出功率通过控制叶片26的俯仰而在可变风条件下保持相对恒定。因此，随着风速的变化，叶片26可以进行俯仰而维持最佳的旋转速率。尽管存在被设计成优化发电的控制件(例如，叶片俯仰控制件)，但在最佳发电过程中，转子22的旋转频率仍存在一些变化。即，在额定工作期间，风力涡轮机塔架12上的额定工作频率上存在一些变化。该变化产生了额定工作频率的范围。如在此提及的，在启动或停机过程中，额定工作频率不包括风力涡轮机塔架12上的振动频率。这些中的每一个可导致与风力涡轮机塔架的固有频率一致的振动频率。但是，一致的时间短，这是因为转子22的旋转速率朝向产生额定工作频率的最佳旋转速率增大，或旋转速率从最佳旋转速率朝向静止位置减小。

作为示例并且参照图1和图3A的示例性风力涡轮机10，风62使机舱20移动。即，风62致使塔架12挠曲(在箭头62的方向上)，从而使得机舱20从轴线18移位。除了周期性位移运动之外，风使转子22旋转。转子旋转产生周期性振动，这些周期性振动遍及风力涡轮机10(包括塔架12)进行传递。考虑风力涡轮机10，塔架12具有固有频率64(图3A)。如果塔架12在接近其固有频率64处经受外部周期性力(例如，风62和/或转子旋转)，则塔架12将共振。为此，如图3A所示，风力涡轮机10被设计成固有频率64在风力涡轮机10的额定工作频率66之外。这些额定工作频率66是由转子22在最佳发电过程中的旋转而产生的，如上所述。如图所示，固有频率64与额定工作频率66的范围之间不存在重叠。塔架12被设计成在风力涡轮机10的最佳发电过程中通常不发生的频率下共振。这种设计避免了过度的振动，这些过度的振动可能导致塔架12在工作过程中由于共振而退化。由此，能够延长风力涡轮机塔架12的寿命。

尽管图3A中所示的额定工作频率66跨越高于0Hz和高于固有频率64的频率范围，但应当理解，这些频率不是风力涡轮机10在工作期间产生的唯一频率。如上所述，例如，在启动之前，转子22是静止的。在启动期间，转子22的旋转速率增大，并且随着转子22朝向最佳发电的旋转速率旋转，风力涡轮机10经历的振动频率可与固有频率64重叠。这通常是暂时发生的，这是因为在达到风力涡轮机塔架12经历额定工作频率66的最佳旋转速率之前转子旋转速率是连续增大的。同样地，在停机期间，随着转子22的旋转速率减慢，转子22的旋转速率将产生暂时与固有频率64重叠的振动频率。对此，额定工作频率66表示风力涡轮机10在最佳发电期间经历的振动频率的额定工作范围。额定工作频率排除了在风力涡轮机10的启动和停机期间观察到的那些频率。

在用第二能量产生单元42对风力涡轮机10进行改造时，如以下所描述的，目标是最大化发电直到达到第二能量产生单元42和/或塔架12的预期寿命(如上所述，优选地它们一起达到它们的使用寿命的终点)。在这方面，目标是尽可能长地延长塔架12的寿命。为此，相对于带有第二能量产生单元42的塔架的额定工作频率的预测来考虑固有频率64。根据该分析的结果，多种情形可解决带有第二能量产生单元42的塔架的额定工作频率与固有频率之间的重叠。

为此，如图3B所示，当利用第二能量产生单元42对塔架12进行改造时，新的风力涡轮机40可能具有新的额定工作频率68。新的额定工作频率68可带来关于塔架12的固有频率64的问题。塔架12的固有频率64主要取决于塔架12的刚度和质量。虽然不受理论限制，但据信用第二能量产生单元42替换能量产生单元14对塔架12的固有频率64具有可忽略的影响(即，固有频率不会明显改变)，但是由于第二能量产生单元42所提供的改善的效率，第二能量产生单元42可引起额定工作频率68相对于额定工作频率66的显著变动。然而，应注意，如果新的能量产生单元具有与现有能量产生单元明显示同的质量，则可发生固有频率的变动。

作为例子并且继续参照图3B，在没有对塔架12进行修改的情况下带有新的第二能量产生单元42的风力涡轮机40的新的额定工作频率68可包含塔架12的固有频率64。也就是说，经由建模或其它数学手段对风力涡轮机40的工作进行的分析可以揭示，在某些风速下，一个或多个额定工作频率将接近或甚至与塔架12的固有频率64一致。如果要维持或延长塔架12的寿命，则需要避免额定工作频率68与固有频率64的重叠。

为此，本发明人已经开发了在改造过程期间解决额定工作频率68和塔架12的固有频率64的重叠的解决方案。总体上，该解决方案涉及通过修改塔架12来使塔架12的固有频率64发生变动和/或涉及使经改造的风力涡轮机40的额定工作频率68发生变动。通过修改固有频率或额定工作频率中的任一者，避免了两者之间的重叠。

使额定工作频率68发生变动的一种方法是对经改造的风力涡轮机40的工作进行控制。如上所述，塔架寿命率取决于在经改造的风力涡轮机40的工作期间施加在塔架12上的振动频率。在塔架12上施加的振动频率可以通过风力涡轮机40的工作而在一定程度上受到控制。参照图3B，一旦额定工作频率68是已知的或已确定的，它们就可与塔架12的固有频率64进行比较(诸如在控制器的存储器中；见下文)。利用该信息，可以确定额定工作频率68和塔架12的固有频率64之间的任何重叠。可以对风力涡轮机40的工作进行控制以将额定工作频率68改变成不同于(例如，低于或高于)塔架12的固有频率64的频率。作为示例，可以通过改变转子22的速度来改变工作频率。

在示例性实施方式中，并且继续参照图3B和图4，示例性系统50可以监测作用在塔架12上的振动频率，包括风力涡轮机40的额定工作频率。就此而言，系统50包括中央控制器52和一个或多个传感器54，这些传感器在工作上联接至风力涡轮机40上并且被配置成直接地或间接地指示塔架12的振动。作为例子，在一个实施方式中，传感器54可以直接联接至塔架12。然而，在替代性实施方式中，这些传感器54可以联接至风力涡轮机40的另一部分，但是被配置成用于测量与作用在塔架12上的振动相关的参数(例如，位于机舱20中的加速计)。中央控制器52可以是用于风力涡轮机40的主控制器或者可以是可在工作上联接至风力涡轮机40的主控制器的单独的控制器。

如图所示，控制器52可在工作上联接至俯仰机构56，该俯仰机构能够使第二能量产生单元42上的一个或多个叶片26俯仰。通过以适当方式使叶片26俯仰，风能可被收获(即，由风力涡轮机捕获)以维持转子22的旋转速率。这可建立额定工作频率的下极限70(图3B)，以将额定工作频率68缩小到新的额定工作频率72。在这种情况下，额定工作频率68的下极限按照箭头74增大，使得额定工作频率72的下极限70大于塔架12的固有频率64。以此方式，避免了这些额定工作频率72与塔架12的固有频率64的重叠。如图所示，控制器52可在工作上联接至阻力机构58(例如，发电机)，该阻力机构58为转子22的旋转提供阻力并且因此控制转子22旋转的速度。

可单独或与图4中所示的系统50结合使用的另一种解决方案是在改造过程期间改变塔架12的质量或刚度。即，在改造以安装第二能量产生单元42的过程中，改变塔架12的质量或刚度中的一者或两者。塔架12的这种结构改变使固有频率发生变动而偏离风力涡轮机40的额定工作频率。

在图3C中，固有频率64发生变动而偏离了额定工作频率68。具体地，固有频率64与塔架12的刚度成正比并且与塔架12的质量成反比。根据本发明的一个实施方式，通过改变刚度和质量中的一者或两者来使塔架12的固有频率64变动到经改造的风力涡轮机40的额定工作频率68之外。刚度是对变形的抵抗。仅作为例子，改变塔架12的刚度可以通过改变塔架12的高度来实现。增大高度降低了刚度，且因此降低了塔架12的固有频率。并且，降低塔架12的高度增大了刚度并且增大了固有频率。

如图3C的示例性实施方式所示，通过增大塔架12的高度，固有频率64相对于风力涡轮机10的额定工作频率68而言减小了。经修改的塔架82在图5A至图6D中示出并在下文进行描述。即，增大高度降低了刚度并且固有频率降低了。在高度增大了足够的情况下，经修改的塔架的新的固有频率76小于利用第二能量产生单元42进行改造之后的额定工作频率68。这在图3C中由箭头78示意性地示出。有利地，由于其它原因，更高的塔架可能是有益的。

通过将第二能量产生单元42在存在较快气流和较少湍流的气氛中设置在更高的位置，相信风力涡轮机的年能量产生(AEP)将由于增大的高度而增大。塔架12的增大的高度增大了作用在经修改的塔架82上的弯矩(例如，考虑到端部具有大负载的悬臂梁)并且因此降低了塔架12的寿命。尽管如此，取决于具体应用，有可能增大塔架12的高度并且使第二能量产生单元42以使得经修改的风力涡轮机塔架和第二能量产生单元42同时达到它们的使用寿命的终点的额定功率曲线工作。

图5A至图5C示出了塔架12的高度修改与包括第二能量产生单元42的改造相结合的示例。在图中，塔架12的高度H1(图5A)增大至新的高度H2(图5C)，结果，第二能量产生单元42处在新的高度H2处。一旦改造，经修改的风力涡轮机塔架82(图5C)就对应于图3C中所示的固有频率76和额定工作频率68。即，在图1中示出的具有固有频率64的塔架12在改造过程中被修改。作为修改的结果，经修改的风力涡轮机塔架82具有高度H2，并且具有固有频率76。如图3C所示，该固有频率低于具有第二能量产生单元42的经修改的塔架82的额定工作频率68。

为此，在示例性改造中，图5A中示出的塔架12是按节段构建的。在所示的示例中，塔架12包括共同限定高度H1的三个节段12a、12b和12c。本发明的实施方式不限于三个节段，这是因为具有两个或更多个节段的塔架都可以按在此所描述的方式进行改造。参照图5A，在一个实施方式中，第一能量产生单元14被从塔架节段12c的顶端84移除。这可以通过起重机(未示出)或其它提升装置来实现。

在图5B和图5C中，塔架12的高度H1通过在塔架节段12c的顶端84处添加塔架过渡适配器86而增大。即，经修改的塔架82的高度H2(在图5C中示出)等于高度H1加上塔架过渡适配器86的长度。除了增大相对于塔架12的高度之外，塔架过渡适配器86还可以提供经修改的塔架82的顶端96与第二能量产生单元42之间的几何形状匹配。作为例子，第二能量产生单元42可来自不同于塔架12的制造商的制造商，使得在塔架12与第二能量产生单元42之间存在几何形状不匹配。塔架过渡适配器86可增大塔架12的高度，同时还弥补第一能量产生单元14与第二能量产生单元42之间的几何形状的变化。

在这方面并且参照图5B，塔架过渡适配器86包括具有第一接口94的第一端92，第一接口94的尺寸适于与塔架节段12c的顶端84上的接口90接合。塔架过渡适配器86进一步包括具有第二接口98的第二端96，第二接口98的尺寸适于与第二能量产生单元42上的接口100接合。塔架过渡适配器86联接至塔架节段12c的顶端84。更具体地，塔架过渡适配器86的第一端92处的第一接口94可例如通过焊接或凸缘连接而联接至塔架节段12c的顶端84处的接口90。在示例性实施方式中，塔架过渡适配器86的接口94、98可包括凸缘(例如，环形凸缘)。塔架节段12c和第二能量产生单元42上的接口90、100也可分别包括凸缘。紧固件(如螺母/螺栓)可用于将相应的凸缘联接在一起，如本领域中通常已知的。在替代性实施方式中，可省略这些凸缘，并且塔架过渡适配器86可通过例如焊接而联接至塔架节段12c。

在示例性实施方式中，为了解决经修改的塔架82与第二能量产生单元42之间的电势失配，接口94和98的大小可以彼此不同。更具体地，接口94、98的直径可以不同。在一个实施方式中，例如，第一接口94的直径可以是约3米，并且第二接口98的直径可以是约4米，反之亦然。就此而言，塔架过渡适配器86可具有圆锥形配置以解决尺寸上的差异。然而，根据具体应用，其它尺寸和形状是可能的。此外，塔架过渡适配器86的长度可以改变以将第二能量产生单元42定位在希望的高度H2处。作为例子，塔架过渡适配器86的长度可在约2米与约30米之间。此外，根据特定应用和经修改的塔架82的期望的固有频率76相对于塔架12的固有频率64(在图3C中示出)，其它长度也是可能的。

参照图5C，在塔架过渡适配器86附接至塔架节段12c的情况下，经修改的塔架82的高度是H2。经修改的塔架82的高度H2大于塔架12的高度H1。这使得相对于塔架12而言，经修改的塔架82的固有频率降低了。接下来，第二能量产生单元42可联接至塔架过渡适配器86。更具体地，第二能量产生单元42的接口100可在塔架过渡适配器86的第二端96处例如通过焊接或凸缘连接而联接至第二接口98，以完成改造过程。

应认识到，在替代性实施方式中，第二能量产生单元42可联接至塔架过渡适配器86的第二端96，然后该组件随后联接至塔架节段12c的顶端84。在任何情况下，在改造过程之后，经改造的风力涡轮机40可返回维修和操作。经改造的风力涡轮机40应当优选地是可工作的，直到经修改的塔架82和第二能量产生单元42的使用寿命已经到期。通过在改造过程中延长风力涡轮机的使用寿命，可以向风力涡轮机操作者提供额外的时间，在该额外的时间内获得它们在风力涡轮机中的投资的回报。

在风力涡轮机所位于的许多区域中，可能存在限制结构(例如风力涡轮机)可以在地面上方延伸的高度的地方或区域法律、法规、条例等。这些可能会例如作为避免航空事故的安全预防措施或出于其它安全考虑而存在。在任何情况下，当增大经改造的风力涡轮机40的总高度时，风力涡轮机操作者可能想要验证第二能量产生单元42的叶片26中的一个叶片处于十二点钟位置时(即，在风力涡轮机40的最大高度处)的叶片叶梢高度，以确保经改造的风力涡轮机40满足适用的标准。如果叶片26的叶梢高度超过由经改造的风力涡轮机40位于其中的地方的法律、法规、条例等确定的预定阈值，那么可能必须要减小塔架过渡适配器86的高度(或可能甚至塔架12的高度，见下文)以便符合适用的法律、法规、条例等。

如上所述，塔架过渡适配器86被添加至塔架12的顶端84，使得基本上整个塔架12在经改造的风力涡轮机40中被“再使用”。这代表了现有结构在改造过程中的有效使用。然而，本发明不限于该实施方式。在这方面并且在替代性实施方式中，可以移除原始塔架12的一部分以建立新的塔架接口，在该塔架接口处可联接塔架过渡适配器86以改变经修改的塔架82的总高度。

如图6A至图6D所示，在一个实施方式中，塔架12的高度H1可通过在除了塔架12的顶端84之外的位置处插入适配器而增大。就此而言，塔架12的任何两个节段12a、12b和12c是可分开的，并且塔架过渡适配器110可联接在这些塔架节段之间。作为例子并且如图6A和图6B所示，塔架过渡适配器110被插入在塔架节段12b与12c之间。尽管未示出，塔架过渡适配器可被插入在节段12a与12b之间或节段12a与底座16之间，如结合图7所描述的。

为此，并参照图6A和图6B，可去除能量产生单元14和塔架节段12c。这使剩余的塔架节段12a和12b留在适当位置。如图所示，塔架节段12b的顶端112形成接口114以接收塔架过渡适配器110。

接下来，并且参照图6B，塔架过渡适配器110具有限定用于联接至塔架节段12b的第一接口120的第一端116并且具有限定第二接口124的第二端122。塔架过渡适配器110的第一端116处的第一接口120联接至塔架节段12b的接口114。在所示的示例性实施方式中，塔架过渡适配器110是圆柱形的。作为示例，接口120和124中的每一个接口均限定具有相同直径的圆。有利地，塔架过渡适配器110的构造被简化，因为每个端部116和122的尺寸不随塔架过渡适配器110的长度而变化。塔架过渡适配器110可经由凸缘连接而联接至接口114。可替代地，塔架过渡适配器110可被焊接至接口114。

一旦塔架过渡适配器110被固定至塔架节段12b，塔架节段12c就被固定至塔架过渡适配器110。在此方面并参照图6C和图6D，节段12c包括限定第一接口130的第一端126并包括限定第二接口134的第二端132。第二接口134可以是顶部凸缘28(在图1中)。塔架节段12c的第一端126处的第一接口130联接至塔架过渡适配器110的第二端122处的接口124。作为例子，塔架过渡适配器110可经由凸缘连接而联接至第一端126。可替代地，塔架过渡适配器110可焊接至第一端126。塔架过渡适配器110的长度可改变以将第二能量产生单元42定位在希望的高度H3处，其中H3比H1大塔架过渡适配器110的长度。作为例子，塔架过渡适配器110的长度可在约2米与约30米之间。此外，根据特定应用和经修改的塔架82的期望的固有频率76相对于塔架12的固有频率64(在图3C中示出)，其它长度是可能的。尽管未示出，塔架过渡适配器110可包括在相邻节段12b和12c的内部梯子之间过渡的内部平台和梯子。

参照图6D，第二能量产生单元42可随后联接至塔架节段12c。更具体地，第二能量产生单元42的接口100可联接至塔架节段12c的第二端132处的第二接口134。应当认识到，在可替代的实施方式中，第二能量产生单元42可联接至塔架节段12c的第二端132，并且然后该组件随后联接至塔架过渡适配器110。有利地，在风力涡轮机操作员利用由同一制造商制造的第二能量产生单元42对第一能量产生单元14进行改造的情况下，可能不需要解决经修改的塔架82(即，塔架节段12c)与第二能量产生单元42之间的不匹配。接口100和134的尺寸可能是相同的。更具体地，接口100和134的直径可能是相同的。在任何两个塔架节段12a、12b和12c之间插入塔架过渡适配器110消除了对经修改的塔架82与第二能量产生单元42之间的过渡的需要。

在一个实施方式中，例如，接口100的直径可以是约3米并且第二接口134的直径可以是约3米。然而，根据具体应用，其它尺寸是可能的。可能的是，塔架过渡适配器110在塔架节段12a与12b或12b与12c之间的添加避免了与能够在适配器的接口处接收第二能量产生单元42的适配器的设计和构造相关联的问题。构造诸如塔架过渡适配器110的圆柱形适配器相对来说更容易且更便宜。作为例子，塔架过渡适配器110可以在接口130、134处构造有联接至塔架节段12b和12c中的每一个(或联接在节段12a与12b之间)的上L形凸缘和下L形凸缘，而待直接联接至第二能量产生单元42的适配器更难以设计并且构造成本更高。

在此实施方式中并且与以上类似，应认识到，经改造的风力涡轮机40的经修改的塔架82的新高度可以大于或小于塔架12的原始高度，这取决于固有频率相对于风力涡轮机40的预期额定工作频率的期望变动。还可以检查叶片26的叶梢高度以确认经改造的风力涡轮机40的高度在适用的标准内。

图6D和图7中示出了本发明的另一个实施方式。作为塔架过渡适配器86、110的补充或替代，可在塔架节段12与底座16之间插入适配器。如图6D所示，相对于H1而言增大的高度H3可完全或部分是由于底座适配器156引起的。除了修改例如图3C中所示的塔架12的固有频率之外，底座适配器156可解决工业中的其它问题。

作为例子并参照图7，工业中的一个问题在于，存在过量的未使用的风力涡轮机底座150。底座150由钢筋混凝土152构成。多个锚固件154嵌入混凝土152中。这些锚固件在混凝土凝固之前被定位在混凝土中并且因此在不破坏底座150的情况下是不可移除的。虽然未示出，但是锚固件154可布置成预定尺寸的环，并且适于接收特定的塔架设计。通常，锚固件154的布局的大小和尺寸是制造商特定的，并且可针对场所进行定制。这呈现了具体问题，由于风力涡轮机塔架之间的设计变化，一个涡轮机制造商通常可能不使用另一个涡轮机制造商的底座。因此，一旦底座150已被安装，如果其不被用于固定专用于该底座的风力涡轮机，则该底座将是不可用的。

在本发明的一个实施方式中，底座适配器156联接在塔架节段12a与底座150之间，其中塔架节段12a与锚固件154之间的尺寸和螺栓布置不配合。就此而言，底座适配器156包括限定侧壁162的外壳160。侧壁162可以是与塔架节段12a的尺寸相匹配的圆柱体的形式。在侧壁162的一个端部164处，L形凸缘166向内延伸，带有多个通孔170，这些通孔被间隔开以便各自接收锚固件154。如图所示，螺母拧到锚固件154上并将适配器156固定至底座150。与端部164相对，在端部172处，T形凸缘178限定多个内部通孔174和多个外部通孔176。孔174和176与塔架节段12a中的相应孔180对准。对准的孔174和180以及176和180接收螺栓或其它紧固件184，使得塔架节段12a可被固定至适配器156。T形凸缘178中的孔174与L形凸缘166中的孔170不对准。以此方式，底座适配器156允许一个制造商利用另一个制造商的不使用的底座并且有利地允许将风力涡轮机安装在另外不可用的底座上。适配器156还升高了第二能量产生单元42的高度并且根据图5A至图5C和图6A至图6D中所示的实施方式修改了经修改的塔架82的固有频率。虽然图7示出了具有下L形凸缘和上T形凸缘的适配器，但是本发明的实施方式不限于所示的构造。作为例子，底座适配器可包括下L形凸缘和上L形凸缘、下T形凸缘和上L形凸缘、或者下T形凸缘和上T形凸缘。另外，虽然描述了圆柱形的适配器，但底座适配器156不限于圆柱形(例如圆形)。就此而言，底座适配器156可具有相反的圆锥形构造，其在底座150与塔架节段12a之间的不同总体尺寸差异之间过渡。

虽然已经通过对不同优选实施方式进行说明来展示了本发明并且虽然已经对这些实施方式进行了一些详细描述，但是本申请人的意图不是将所附权利要求的范围限制或以任何方式限制于此类细节。另外的优点和修改对于本领域技术人员将是显而易见的。因此，本发明的各种特征可以根据用户的需求和偏好单独或以任意组合使用。

Claims (17)

1.一种对风力涡轮机进行改造的方法，所述风力涡轮机具有塔架和第一能量产生单元，其中，所述第一能量产生单元被第二能量产生单元替换，所述方法包括：

相对于具有所述第二能量产生单元的塔架的第一额定工作频率来分析所述塔架的第一固有频率；

当所述第一固有频率在所述第一额定工作频率内时，修改所述塔架和所述第二能量产生单元中的一者或两者，使得所述塔架和所述第二能量产生单元中的经修改的一者或两者具有不重叠的第二固有频率和第二额定工作频率；以及

用所述第二能量产生单元替换所述第一能量产生单元。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，修改所述塔架和所述第二能量产生单元中的一者或两者的步骤包括：将所述塔架的高度从第一塔架高度减小至第二塔架高度，所述第一塔架高度与所述第二塔架高度之间的高度差足以将所述第一固有频率减小至所述第二固有频率并且所述第二固有频率不在所述第二额定工作频率内。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，修改所述塔架和所述第二能量产生单元中的一者或两者的步骤包括：将所述塔架的高度从第一塔架高度增大至第二塔架高度，所述第一塔架高度与所述第二塔架高度之间的高度差足以将所述第一固有频率改变为所述第二固有频率并且所述第二固有频率不在所述第二额定工作频率内。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，修改所述塔架的步骤包括：向所述塔架添加适配器以将所述第一塔架高度增大至所述第二塔架高度。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述塔架至少具有第一节段和第二节段，并且所述适配器是圆柱形的，并且添加所述适配器的步骤包括：将所述适配器定位在所述第一节段与所述第二节段之间。

6.根据权利要求4所述的方法，其中，所述适配器是圆锥形的，并且添加所述适配器的步骤包括：将所述适配器定位在所述塔架的顶部，并且用所述第二能量产生单元替换所述第一能量产生单元的步骤包括：将所述第二能量产生单元联接至所述适配器。

7.根据权利要求4所述的方法，其中，所述塔架联接至底座并且所述适配器是圆柱形的，并且其中，添加所述适配器的步骤包括：将所述适配器定位在所述底座上。

8.根据权利要求3所述的方法，其中，所述塔架至少具有第一节段和第二节段，并且添加所述适配器的步骤包括：

移除所述第一能量产生单元和所述第一节段；

将所述适配器联接至所述第一节段和所述第二节段中的一者；以及

将所述第一节段和所述第二节段中的另一者联接至所述适配器，所述适配器位于所述第一节段与所述第二节段之间。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，修改所述塔架和所述第二能量产生单元中的一者或两者的步骤包括：对所述第二能量产生单元的工作参数进行限制，以将所述第二额定工作频率的极限改变为低于所述第二固有频率或高于所述第二固有频率。

10.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中，修改所述塔架和所述第二能量产生单元中的一者或两者的步骤包括：对所述第二能量产生单元的工作参数进行限制，以将所述第二额定工作频率的上极限降低至低于所述第二固有频率的频率。

11.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，该方法还包括：

提供控制器和在工作上联接至所述风力涡轮机的一个或多个传感器；

在所述控制器处接收来自所述一个或多个传感器的用于指示作用在所述塔架上的所述第二额定工作频率的信息；以及

使用所述控制器更改所述第二能量产生单元的工作以改变所述第二额定工作频率的极限，使得所述第二固有频率低于所述极限或高于所述极限并且不在经修改的第二工作频率范围内。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，更改所述风力涡轮机的工作以改变所述塔架的所述第二额定工作频率的所述极限的步骤包括：使所述第二能量产生单元上的一个或多个叶片俯仰。

13.根据权利要求11或12所述的方法，其中，更改所述风力涡轮机的工作以改变所述塔架的所述第二额定工作频率的所述极限的步骤包括：对所述第二能量产生单元上的转子的速度进行限制。

14.一种利用第二能量产生单元对具有第一能量产生单元的风力涡轮机进行改造的方法，所述风力涡轮机包括至少具有第一节段和第二节段的模块化塔架，所述方法包括：

在所述第一节段与所述第二节段之间插入适配器以增大所述塔架的高度；以及

将所述第二能量产生单元联接至所述第一节段和所述第二节段中的一者。

15.一种风力涡轮机，该风力涡轮机包括：

模块化塔架，该模块化塔架包括被配置成联接至圆柱形节段的至少两个圆锥形节段，其中，所述圆柱形节段被配置成位于所述至少两个圆锥形节段之间。

16.根据权利要求15所述的风力涡轮机，该风力涡轮机还包括第二圆柱形节段，所述第二圆柱形节段被配置成联接在所述圆锥形节段或圆柱形节段中的一者与底座之间。

17.根据权利要求15或16中任一项所述的风力涡轮机，该风力涡轮机还包括能量产生单元，该能量产生单元被配置成联接至一个圆锥形节段。

Images