TWI797349B - 預組裝系統及用於塔結構之最適定位的方法 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於一種預組裝系統，其包含一支撐配置及多個塔結構，該等多個塔結構各自具有一平均直徑D，其中該等多個塔結構在預組裝及/或儲存期間垂直地置放於該支撐配置上，該支撐配置包含一組附接構件以供各個塔結構之用，該等附接構件經組配以用於定位該等多個塔結構而具有一相互距離a，其中比率a/D低於2.3，諸如低於2.2、諸如低於2.1、且諸如低於2.0，以便在該等多個塔結構被緊固至該預組裝系統時減小該等多個塔結構上之歸因於渦流剝離的負載。本發明進一步係關於一種相關聯方法及一種用於運輸多個垂直定向之塔結構的海輪。

Description

預組裝系統及用於塔結構之最適定位的方法
本發明係關於一種預組裝系統，該預組裝系統用於以最適方式相互地定位多個垂直定向之塔結構，以便在該等多個塔結構被緊固至預組裝系統時減小該等多個塔結構上之歸因於渦流剝離的負載。本發明進一步係關於一種用於定位多個塔結構之相關聯方法。
亦稱為渦流誘發振動(VIV)之渦流剝離為歸因於圍繞物件之氣流的不穩定性所發生之現象，該物件諸如塔結構，包括垂直定向之風力機塔。氣流之不穩定性將引起塔結構上之高及低壓力的振盪。
由於風力機塔已變得更大且可容易地超過75米，因此此問題已變得更明顯。
若一群組之垂直定向之塔結構在例如與預組裝結合時及/或包括運輸之儲存時而相對彼此靠近地定位，則圍繞一塔結構的氣流之不穩定性將影響其他塔結構。
若不採取措施，則歸因於渦流剝離之振盪可導致塔結構的嚴重偏斜(deflection)。
在臨界風速下，振盪之頻率符合塔的自然頻率。此處，偏斜將為嚴重的且可影響塔之壽命，此係例如歸因於增強之疲勞損傷及原則上歸因於超過塔結構之極限強度的故障風險。此外，振盪直至風速減小至低於臨界風速才會停止(seize)。因此，不可能接近塔來應用緩解措施。因此，阻尼器或如板列之空氣動力學裝置必須被引入以保護塔。此等阻尼器及板列對塔預組裝添加了成本及複雜性。此外，此等阻尼器及板列各自具有與其安裝及後續移除相關之安全問題。
提供一種方法可視為本發明之實施例的目標，該方法用於以最適方式相互地定位多個塔結構以便減小該等多個塔結構上歸因於渦流剝離之負載。
提供一種減小個別塔或一群組之塔之所需阻尼容量的方法可視為本發明之實施例的目標。
提供一種預組裝系統可視為本發明之實施例的另一目標，該預組裝系統允許多個塔結構可以最適方式相互地定位以便減小該等多個塔結構上之歸因於渦流剝離的負載。
上文所提及之目標係藉由在第一態樣中提供一種預組裝系統來遵從，該預組裝系統包含一支撐配置及多個垂直定向之塔結構，該等多個塔結構各自具有一平均直徑D，其中該等多個塔結構在預組裝及/或儲存期間置放於該支撐配置上，該支撐配置包含一組附接構件以供各個塔結構之用，該等附接構件經組配以用於垂直地定位該等多個塔結構而具有一相互距離a，其中比率a/D低於2.3，諸如低於2.2、諸如低於2.1、且諸如低於2.0，以便在該等多個塔結構被緊固至該預組裝系統時減小該等多個塔結構上之歸因於渦流剝離的負載。
因此，本發明在第一態樣中係關於一種用於多個垂直定向之塔結構之預組裝及/或儲存的預組裝系統，該等塔結構諸如風力機塔或風力機塔區段。該預組裝系統的有利點在於，其可允許該等多個風力機塔之相互定位，使得比率a/D可低於2.3，諸如低於2.2、諸如低於2.1、諸如低於2.0。
在根據本發明之實施例中，預組裝系統具有經組配有在範圍1.8至2.3內之比率a/D的附接構件。
已發現，本發明之益處在此範圍內尤其明顯。低於1.8之比率的進一步減小將仍達成本發明之效應，但無顯著的進一步改良，且尤其對於極高的塔結構，導致對於低於1.8之比率且尤其對於低於1.5的比率而言，塔結構頂部碰撞相鄰塔結構的渦流剝離之風險可急劇地增大。
附接構件可經組配，使得在多組附接構件之間的距離可為可調整的。因此，一組附接構件可相對於另一組附接構件可調整。每一組附接構件可包含多個附接構件。然而，應注意，一組之附接構件的數目可不同於另一組附接構件之附接構件的數目。結合此，附接構件可經組配，使得在一組附接構件內之附接構件之間的距離可為可調整的以便考慮到不同的塔直徑。
用於將風力機塔附接至支撐配置之附接構件可以各種方式來實施，包括恰當成形之夾具、螺釘等。
塔結構為呈垂直定向之伸長管狀結構，其具有圓形或實質上圓形之橫截面且在正交於圓形橫截面的方向上具有高度H。高度H係自結構固定處至呈垂直定向之塔結構的頂部而算得。塔結構可為圓柱形、圓錐形，或具有圓柱形與圓錐形部分之組合。暴露至非常不同之類型的風誘發振動的格構形塔因此不在本發明之範疇內。
與塔結構相關之術語距離，包括相互距離a，在此處理解為在具有平均直徑D之兩個相鄰塔結構之間的中心至中心距離。因此，當給定塔結構之平均直徑D為已知時，附接構件可事先經置放以遵從a/D > 2.3的關係，亦即，在將塔結構附接至附接構件之前。對於圓柱形塔結構，D為直徑；對於圓錐形塔結構及具有圓錐形區段之塔結構，D為圓錐形區段之中間的直徑。
渦流剝離對於細高結構更明顯，且因此，對於高度H對平均直徑D之比率(H/D)在12至25之間、且較佳地H/D比率在13至18之範圍內的垂直定向之塔結構而言，配置具有a/D > 2.3之塔結構的優點被發現為尤其有利的。塔結構之高度較佳在至少20 m中，但配置具有a/D > 2.3之塔結構的優點對於約50 m之高度更明顯，諸如60至150 m。
支撐配置可包含框架，其中附接構件可附接至框架。
框架可包含多個子框架，其中每一子框架可包含一組附接構件，且其中每一子框架遠離該等多個子框架之其他子框架。因此，該等多個子框架可被允許相對於彼此自由地且獨立地移動。該等多個子框架可因此執行例如相對於彼此之平移移動及旋轉。每一子框架之該組附接構件可包含可在該組內可相對於彼此移動的多個附接構件。
多組附接構件可配置於至少一列中，亦即，沿著至少一直線。或者，多組附接構件可配置於包含至少兩個平行列之矩陣中。矩陣可原則上採用任何形式，諸如2×2矩陣、3×3矩陣、4×4矩陣、2×3矩陣、2×4矩陣、3×4矩陣等。矩陣形式通常具有處於正方形或矩形配置之塔結構，但配置可為歪斜形式。
在替代性實施例中，多組附接構件可以歪斜隊形配置，諸如以菱形或六邊形佈局。
在另一替代性實施例中，多組附接構件可以三角形隊形配置，諸如以三角形佈局。
在根據本發明之實施例中，支撐配置可定位於海輪上或形成海輪之部分。
在第二態樣中，本發明係關於一種用於將具有一平均直徑D之多個塔結構定位於一支撐配置中的方法，該支撐配置包含一組附接構件以供各個塔結構之用，該方法包含以下步驟：定位該等多個塔結構而具有一相互距離a，其中比率a/D低於2.3，諸如低於2.2、諸如低於2.1、且諸如低於2.0，以便在該等多個塔結構被緊固至該支撐配置時減小該等多個塔結構上之歸因於渦流剝離的負載。
在將該等多個塔結構附接至多組附接構件之前，附接構件可經正確地置放，亦即，經置放以使得a/D > 2.3，其中「a」應理解為相鄰塔之中心至中心距離。該等多個垂直定向之塔結構可本質上為等同的塔結構。附接構件之配置可如關於本發明之第一態樣所論述來實施。
在第三態樣中，本發明係關於一種用於運輸具有一平均直徑D之多個垂直定向之塔結構的海輪，該海輪包含一支撐配置，該支撐配置包含一組附接構件以供各個塔結構之用，該等附接構件經組配以用於定位該等多個垂直定向之塔結構而在相鄰的塔結構之間具有一相互距離a，其中比率a/D低於2.3，諸如低於2.2、諸如低於2.1、且諸如低於2.0，以便在該等多個塔結構被緊固至該支撐配置時減小該等多個塔結構上之歸因於渦流剝離的負載。此處，運輸經考慮為塔結構之儲存的子群組。
類似於第一態樣，附接構件可經組配以使得多組附接構件之間的距離可為可調整的。因此，一組附接構件可相對於另一組附接構件可調整。每一組附接構件可包含多個附接構件。然而，應注意，一組之附接構件的數目可不同於另一組之附接構件的數目。結合此，附接構件可經組配，使得在一組附接構件內之附接構件之間的距離可為可調整的。
用於將垂直定向之風力機塔附接至支撐配置之附接構件可以各種方式來實施，包括恰當成形之夾具、凸緣、螺釘等。
又，與塔結構相關之術語距離，包括相互距離，在此處理解為在具有平均直徑D之兩個垂直定向之塔結構之間的中心至中心距離。因此，當塔結構之平均直徑D為已知的時，附接構件可在將塔結構附接至附接構件之前經置放以遵從a/D > 2.3的關係。
支撐配置可包含框架，其中附接構件可附接至框架。
框架可包含多個子框架，其中每一子框架可包含一組附接構件，且其中每一子框架遠離該等多個子框架之其他子框架。因此，該等多個子框架可被允許相對於彼此自由地且獨立地移動。該等多個子框架可因此執行例如相對於彼此之平移移動及旋轉。每一子框架之該組附接構件可包含多個附接構件，該等多個附接構件可在該組內相對於彼此可移動。
一組附接構件可配置於至少一列中，亦即，沿著至少一直線。或者，一組附接構件可配置於包含至少兩個平行列之矩陣中。矩陣可原則上採用任何形式，諸如2×2矩陣、3×3矩陣、4×4矩陣、2×3矩陣、2×4矩陣、3×4矩陣等。
在替代性實施例中，多組附接構件可以歪斜隊形配置，諸如以菱形或六邊形佈局。
在另一替代性實施例中，多組附接構件可以三角形隊形配置，諸如以三角形佈局。
在一般態樣中，本發明係關於一種預組裝系統，該預組裝系統允許多個垂直定向之塔結構可以最適方式相互地定位，以便在該等多個塔結構被緊固至預組裝系統時減小該等多個塔結構上之歸因於渦流剝離的負載。
一般而言，諸如風力機塔之多個垂直定向之塔結構可相互地定位於一維隊形中，諸如列，或二維隊形中，諸如2×2、3×3、4×4矩陣、菱形等。
為了減小多個本質上等同之塔結構上的渦流剝離誘發之負載，塔結構可有利地定位於某一中心至中心距離a處，該距離取決於塔結構之平均直徑D。
現參看圖1a，描繪了配置於一列中之三個垂直定向之風力機塔101-103的俯視圖。每一風力機塔具有平均直徑D，且相鄰之塔之間的中心至中心距離表示為a。風力機塔101-103在風力機塔101-103之預組裝及/或儲存期間位於預組裝系統上。如結合圖3進一步詳細地解釋，預組裝系統包含支撐配置。支撐配置包含一組附接構件以用於風力機塔101-103中之每一者，該等附接構件經組配以用於將風力機塔相對於彼此而定位。
如圖1a中所描繪，垂直定向之風力機塔位於相互的中心至中心距離a處，使得比率a/D低於2.3。在圖1a中，比率a/D等於2.25。藉由確保比率a/D低於2.3，風力機塔101-103上歸因於渦流剝離之負載得以顯著地減小。應注意，比率a/D可不同於2.25，只要其低於2.3即可。因此，比率a/D亦可低於2.2，諸如低於2.1、諸如低於2.0。比率a/D之下限對於圓柱形塔而言理論上為1，此係因為此對應於風力機塔101-103經定位為恰好彼此緊挨而在其間無任何開口的情形。然而，為了避免相鄰的垂直定向之塔結構之頂部，比率a/D較佳至少為1.5且更佳地至少為1.8。對於圓錐形塔結構及具有圓錐形及圓柱形部分之組合的塔結構尤其如此。一般而言，已發現，若比率a/D在範圍1.8至2.3內，則歸因於渦流剝離之塔振盪顯著地減小。
平均直徑D通常在範圍2.3至4.5 m內，從而產生落在範圍5至12 m內之典型中心至中心a。
現轉至圖1b，描繪了位於正方形2×2矩陣中之四個風力機塔104-107的俯視圖。又，風力機塔104-107位於包含支撐配置之預組裝系統上，該支撐配置包含一組附接構件以用於風力機塔104-107中之每一者，參看圖3。附接構件經組配，使得在中心至中心距離a與平均直徑D之間的比率在相鄰的風力機塔之間低於2.3，諸如低於2.2、諸如低於2.1、諸如低於2.0。在對角地定位之風力機塔之間，諸如在塔104與107之間，以及在塔105與106之間，的比率a/D被允許超過2.3限制，此係由於此等塔並非考慮為相鄰的塔。
圖2展示替代性組態，其中四個垂直定向之風力機塔201-204配置於歪斜佈局中，在此實施例中類似於菱形，其中在對角地配置之最靠近的相鄰風力機塔201/203、202/203及202/204之間的比率a/D在範圍1.8至2.3內。
現轉至圖3a，描繪了用於多個垂直定向之風力機塔301-303的預組裝系統。預組裝系統可在岸上抑或離岸應用，諸如在經調適來將風力機塔自岸上位置運輸至安裝地點之海輪上。岸上預組裝系統可結合在岸上位置上之風力機塔之預組裝及/或儲存來應用。
預組裝系統包含靜態結構307，適當數目個支撐配置304-306附接至該靜態結構(較佳可移動地附接)。每一支撐配置304-306包含一組附接構件以用於將風力機塔附接至其上。多組附接構件內之附接構件可相對於彼此水平地可移動，以便考慮到不同的風力機塔尺寸。
如上文所陳述，支撐配置304-306經組配以用於定位呈垂直定向之風力機塔301-303，使得比率a/D低於2.3，諸如低於2.2、諸如低於2.1、且諸如低於2.0，以便在風力機塔被緊固至預組裝系統時減小風力機塔上之歸因於渦流剝離的負載。如先前所提及，「a」為風力機塔301-303之間的中心至中心距離，且「D」為如上文所定義的風力機塔301-303之平均直徑。
在將垂直定向之風力機塔301-303定位在支撐配置304-306之前，支撐配置304-306可經調整以遵從a/D > 2.3的條件。因此，當風力機塔301-303之平均直徑D為已知的時，支撐配置304-306可相應地相互定位。可調整之支撐配置304-306可因此亦考慮到不同的風力機塔直徑。
應注意，被附接至預組裝系統之垂直定向之風力機塔的數目可當然不同於圖3a中所描繪之三個風力機塔301-303。
現轉至圖3b，兩個垂直定向之風力機塔308、309附接至各別支撐配置312、313，支撐配置312、313附接(較佳為可移動地附接)至子框架316。類似地，兩個風力機塔310、311附接至各別支撐配置314、315，支撐配置314、315可移動地附接至子框架317。子框架316、317中之每一者可移動地附接至靜態結構318，且子框架316、317可相對於彼此自由地且獨立地移動。
如圖3b中所描繪，藉由使支撐配置312、313相對於彼此定位，風力機塔308、309可相對於彼此定位以便遵從a/D > 2.3的關係。類似地，藉由使支撐配置314、315相對於彼此定位，垂直定向之風力機塔310、311可相對於彼此定位以便遵從a/D > 2.3的關係。此外，藉由使子框架316、317相對於彼此定位，風力機塔308、309可作為一對相對於作為一對的風力機塔310、311而定位。
被附接至預組裝系統之垂直定向之風力機塔的數目可當然不同於圖3b中所描繪之四個風力機塔308-311。另外，附接至子框架316、317中之每一者的風力機塔之數目可不同於圖3b中所描繪的兩個風力機塔。此外，附接至一子框架316之風力機塔的數目可不同於附接至另一子框架317之風力機塔的數目。
圖3a及圖3b中所描繪之預組裝系統促進，上文所提及的用於定位多個塔結構以使得歸因於渦流剝離之負載減小的方法可得以實行。
101、102、103、104、105、106、107、201、202、203、204、301、302、303、308、309、310、311:風力機塔 304、305、306、312、313、314、315:支撐配置 307、318:靜態結構 316、317:子框架 a:中心至中心距離 D:平均直徑
現將參看隨附諸圖進一步詳細地解釋本發明，其中 圖1展示以列配置之三個垂直定向之塔結構的俯視圖，及以2×2矩陣隊形配置之四個塔結構的俯視圖， 圖2展示以菱形隊形配置之四個垂直定向之塔結構的俯視圖，及 圖3展示根據本發明之預組裝系統。
儘管本發明易受各種修改及替代形式影響，但已在圖式中藉由實例展示具體實施例且將在本文中對其進行詳細描述。然而，應理解，本發明不欲限於所揭示之特定形式。而是，本發明將涵蓋屬於如藉由所附申請專利範圍所界定的本發明之精神及範疇內的所有修改、等效物及替代。
101、102、103、104、105、106、107:風力機塔
a:中心至中心距離
D:平均直徑

Claims (15)

  1. 一種預組裝系統，其包含一支撐配置及多個塔結構，該等多個塔結構各自具有一平均直徑D、一高度H、及在12至25之範圍內的H/D，其中該等多個塔結構在預組裝及/或儲存期間為垂直定向的且置放於該支撐配置上，該支撐配置包含一組附接構件以供各個塔結構之用，該等附接構件經組配以用於垂直定向地定位該等多個塔結構而在最靠近的相鄰塔之間具有一相互距離a，其中比率a/D介於1.8與2.3之間，以便在該等多個塔結構被緊固至該預組裝系統時減小該等多個塔結構上之歸因於渦流剝離的負載。
  2. 如請求項1之預組裝系統，其中該等附接構件經組配，使得多組附接構件之間的距離為可調整的。
  3. 如請求項1或2之預組裝系統，其中該等附接構件經組配，使得在一組附接構件內之附接構件之間的距離為可調整的。
  4. 如請求項1或2之預組裝系統，其中該支撐配置包含一框架，其中該等附接構件附接至該框架。
  5. 如請求項4之預組裝系統，其中該框架包含多個子框架，且其中每一子框架包含該組附接構件之附接構件，且其中每一子框架遠離該等多個子框架之其他子框架。
  6. 如請求項1或2之預組裝系統，其中該等附接構件被配置於至少一列中。
  7. 如請求項1或2之預組裝系統，其中該等附接構件被配置於包含至少兩個平行列之一矩陣中。
  8. 如請求項1或2之預組裝系統，其中該支撐配置位於一海輪上或形成一海輪之部分。
  9. 一種用於將具有一平均直徑D之多個垂直定向之塔結構定位於一支撐配置中的方法，該支撐配置包含一組附接構件以供各個塔結構之用，該方法包含以下步驟：垂直定向地定位該等多個塔結構而在最靠近的相鄰塔之間具有一相互距離a，其中比率a/D介於1.8與2.3之間，以便在該等多個塔結構被緊固至該支撐配置時減小該等多個塔結構上之歸因於渦流剝離的負載。
  10. 如請求項9之方法，其中該等多個塔結構為本質上等同之塔結構。
  11. 一種海輪，其用於運輸具有一平均直徑D之多個垂直定向之塔結構，該海輪包含一支撐配置，該支撐配置包含一組附接構件以供各個塔結構之用，該等附接構件經組配以用於垂直定向地定位該等多個塔結構而具有一相互距離a，其中比率a/D介於1.8與2.3之間，以便在該等多個塔結構被緊固至該支撐配置時減小該等多個塔結構上之歸因於渦流剝離的負載。
  12. 如請求項11之海輪，其中該等附接構件經組配，使得多組附接構件之間的距離為可調整的。
  13. 如請求項11或12之海輪，其中該等附接構件經組配，使得在一組附接構件內之附接構件之間的 距離為可調整的。
  14. 如請求項11或12之海輪，其中該等附接構件被配置於至少一列中。
  15. 如請求項11或12之海輪，其中該等附接構件被配置於包含至少兩個平行列之一矩陣中。
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