CN108138751B - 用于栓系式风轮机塔架的塔架节段 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于栓系式风轮机塔架的塔架节段(103)，该塔架节段包括适合于收纳从其穿过的线缆(205)并将所述线缆固定在所述内管端处的多个管(202)。所述塔架节段可以进一步包括内部加强环(203)和/或外部加强环(204)。

Description

用于栓系式风轮机塔架的塔架节段

技术领域

本发明涉及一种用于风轮机塔架的接口模块，其中该塔架通过在锚固块上的锚固元件和该塔架处的所述接口模块之间延伸的多个线缆栓系。

背景技术

用于风轮机的传统塔架是具有上下叠置的多个塔架节段的固定在混凝土地基上的管状钢塔架。由于运输和生产限制，外径具有有限大小。因此，在增加塔架高度时，经常将外壳厚度看做主要尺寸参数。

然而，简单地增加塔架外壳厚度来实现承载能力和刚度增加并非非常有效的方式，因为这些参数仅与外壳厚度成线性关系。相比而言，增加塔架直径产生的承载能力增加与直径成二次幂的关系，而刚度增加与直径成三次幂的关系。

为了克服这种尺寸限制问题，已经使用了不同的解决方案。例如，通过从多个锚固件或地基到塔架上的附装点安装多个线缆或线材能够增加诸如风轮机塔架之类的塔架的承载能力并且能够减少部分塔架中的应力。线缆可以给塔架提供稳定性以减少风力引起的振荡，并且可以相当大地减少塔架在线缆以下的部分的载荷。这种所谓的拉线式或栓系式塔架将某种程度通过线材反作用而被去载，并且由此可以潜在地由具有相对较小并且由此更容易运输的直径的更少的长节段构成。

典型地，线材围绕塔架相等地间隔开，并且它们的一端例如借助于安装至塔架的板件中的孔眼附装至塔架，另一端附装至位于地面的锚固块。在例如US4266911中，围绕塔架安装单独的环，该环可以沿着塔架移动，并且可以安装线材。

本发明的目的是对栓系式风轮机塔架提供改进。

发明内容

本发明涉及一种用于栓系式塔架如栓系式风轮机塔架的塔架节段。所述塔架节段具有大体筒状壁并且沿着且围绕纵向中心轴线在纵向方向上从所述塔架节段的下端延伸到上端。所述塔架节段包括围绕所述纵向中心轴线分布的多个管，所述多个管中的每个管具有大体筒状形状，并且从位于所述筒状壁的内侧的内管端穿过所述筒状壁延伸到位于所述筒状壁的外侧的外管端。另外，所述多个管中的每个管具有管中心线，所述多个管中的每个管适合于收纳从该管穿过的线缆并将所述线缆固定在所述内管端处。

通过本发明，已经发现了这样一种解决方案，其中，以非常有利的方式使用多个管将线缆载荷传递至接口模块的其它部分。例如由于来自某一风向的强风引起的暂时附加载荷由于这些管而可以以非常有组织的方式分布在所述塔架节段中。通过插入加强环来辅助载荷分布甚至可以更好地改善这方面。另外，通过相对于所述管中心线调节所述线缆中心线，甚至可以进一步改善这方面，以避免由于这些管和塔架节段之间的接口周围的应力水平增加而引起变形。

在本发明的一个实施方式中，所述塔架节段为铸造结构。

在本发明的一个实施方式中，所述塔架节段为焊接结构。

在本发明的一个实施方式中，所述塔架节段为铸造结构和焊接结构的组合。

在一个实施方式中，在所述塔架节段为铸造结构的情况下，所述管被铸造在所述结构内。

在一个实施方式中，在所述塔架节段为焊接结构的情况下，所述管通过焊接附装至所述结构。

在一个实施方式中，在所述塔架节段为焊接结构的情况下，所述管能够铸造到所述结构内或者通过焊接附装至所述结构。

在本发明的一个实施方式中，所述加强环可以是内部加强环和/或外部加强环。内部加强环可以用来支撑一平台以容易接近内管端和/或用于其它目的。在本发明的一个实施方式中，所述外部加强环可以具有截头圆锥体形状，通过该截头圆锥体，可以获得额外的良好加强，这是因为可以将方向与线缆对准。另外，在其它实施方式中，当所述外部加强环连接至所述管的侧面时，可以获得额外的良好加强。

在本发明的一个实施方式中，所述内部加强环和/或所述外部加强环为板状，即薄扁平金属片。该板可以形成为截头圆锥体或套环以匹配所述塔架节段。

此外，本发明涉及一种包括如上所述的塔架节段和至少两个另外的塔架节段的风轮机，所述至少两个另外的塔架节段可以是标准塔架节段。由此，例如与如US4266911中一样使用单独外部环相比，可以通过将所述线缆连接集成到塔架节段内而减少材料总用量。

附图说明

在下文中，将参照附图描述本发明的不同实施方式，其中：

图1示出了栓系式风轮机；

图2示出了根据本发明的一个实施方式的接口模块；

图3示出了变形的接口模块；

图4和图5示出了根据本发明一个的实施方式的接口模块；以及

图6和图7示出了根据本发明的实施方式的锚固板系统。

具体实施方式

对于栓系式风轮机，线缆的张紧和附装对于风轮机塔架承受变化并且潜在较高的风力来说至关重要，这种风力在与转子相互作用时产生复杂且有时相当高的动态载荷。

当这里使用术语“锚固板”时，这是对本领域技术人员公知的术语，锚固板用来固定线缆的端部。另外，用于多股线线缆的锚固板可以是具有多个孔的线缆，每个孔使得各个股线能够穿过并且分别被拉紧。

线缆均可以是单元件线缆或系泊缆、系杆并且/或者每个包括由多个股线构成的多个线材(诸如多股线式线材)，每个股线由多个线材构成，其中这些线材可以并排平行地、结合地、扭曲地或编织地或以上述的组合的方式布置。当这里以多股线缆系统的含义对“线缆”进行参考时，在该解释下，多股线线缆系统在出于所有实践原因安装之后可以被认为是一个单线缆，而各个股线仅在安装过程中有所不同，其中如本领域技术所公知的，分别拉紧揭示了许多优点。在此进一步，当这里针对多股线线缆讨论“线缆中心线”时，这将是表示线缆的几何中心的线。这意味着即使通常用于紧固各个股线的多股线线缆正好在锚固板之前被分成分开的股线，由此同样地获得该线缆的更大直径，这是因为在各个股线中相等地承受这些力，并且将仍然很好地限定线缆中心。

线缆可以由钢和/或其它材料如制成。锚固块可以放置在地面或海床之上或之内，或者可以另选地附装至另一个结构(如浮动平台、深度锚或另一个塔架地基等)或形成该结构的一部分。

线缆可以单独地锚固在锚固元件处和接口模块处，或者可以例如通过连接至其它线缆或加强件而在沿着其长度的一个或多个点中被支撑或附装。

塔架可以包括在定位在彼此上之前或之后或者在这两种情况下结合至彼此的一个或多个塔架节段。塔架可以典型地形成大体筒状塔架壁。塔架可以至少部分地由钢和/或混凝土制成，并且可以通过其它或附加材料在一些地方进行加强。在优选实施方式中，塔架节段为钢结构。塔架可以利用附装的线缆或不用线缆而自我支撑。塔架可以另选地仅利用附装并张紧的线缆自我支撑。在这种情况下，塔架可以在竖立过程中由暂时支撑件暂时加强或支撑，直到线缆附装完毕为止。

图1示出了风轮机塔架100的草图，在该塔架100的顶部上支撑有风轮机机舱和转子。多个线缆101将塔架栓系。塔架沿着并围绕竖直纵向中心轴线在纵向方向上延伸。总体来说，每个线缆101在锚固至塔架上的接口模块103的第一线缆端和附装至锚固元件102的第二线缆端之间延伸。在附图所示的优选实施方式中，三个不同的线缆101在它们锚固至位于塔架的上部塔架节段104和下部塔架节段105之间的接口模块103的第一线缆端与它们附装至总共三个不同锚固元件102(这里，这些锚固元件102位于地面上)的第二线缆端之间延伸。这里，如在优选平坦的地形中描述的，锚固元件102放置在距离塔架相同距离处，并且围绕塔架间隔开120°，从而使得线缆张紧对称。这里，线缆以近似45°的角度延伸至塔架，并且在正好位于风轮机叶片顶端(当位于最下面位置时)高度下面的高度处附装至塔架。这样，线缆在任何天气条件下也不会被叶片撞击到。总体来说，优选三个线缆，但是也可以采用另选数量的线缆。另外，塔架上的不同高度和不同角度也可以起作用，并且实际上由于非平坦地形线缆的长度也不同。在图1中，从地面到接口模块103的中心的高度表示为“h”，从塔架中心到线缆进入锚固元件102的入口点的距离表示为“d”。显然，在平坦地形中，对于近似45°的线缆角度，d和h将基本相等；然而，在非平坦地形中，对于每个线缆d可能覆盖不同的值d1、d2和d3，其中没有一个会必然地接近h。

如所指出的，塔架由多个管状塔架节段构成。在所示的实施方式中，接口模块103作为位于上部塔架节段104和下部塔架节段105之间的单独塔架节段发挥作用。在图2中可以看到该接口模块的近视图，其中线缆连接点被放置在非常短的塔架节段中，即安装在标准塔架节段之间的接口模块103中。然而，也可以将具有线缆连接点的结构集成在标准塔架节段中，这将节省法兰连接成本。因而，在一个实施方式中，该塔架节段具有上部塔架节段和下部塔架节段的平均值的至少一半的纵向长度，诸如与其它塔架节段具有基本相同长度。在短模块的另一个实施方式中，该塔架节段具有比筒状壁直径尺寸的两倍小的纵向长度。

形成线缆/拉线线材与塔架的连接点的结构可以包括厚片材201、用于每个线缆205的管202、内部加强环203和外部加强环204。厚片材具有与塔架的其余部分相同的横截面轮廓(在本实施例中为圆形)，并且经由上部法兰210和下部法兰211连接至塔架的其余部分。这意味着，在该实施方式中，所述上端和所述下端包括用于连接至另一个塔架节段104、105的附装法兰210、211。作为厚片材的另选方案，该结构可以通过具有更高强度和/或刚度而与其相邻塔架节段相比具有其它附加增强。

线缆围绕中间模块以均匀间隔附装在相同高度，由此从线缆均匀地分布这些力，并且方便将线缆附装至一个接口模块。在另一个实施方式中，塔架可以通过附装在塔架的不同高度处的更多线缆或更多组线缆栓系。

在图2和图3中，为了简单起见，线缆205被示出为填满管的全部内部的圆形单线缆，其中每个线缆205被馈送到其单独管202内并且在内管端208处附装至锚固板206。然而，可以使用不同的解决方案，其中管的全部内部将不完全填满。在优选实施方式中，使用由锚固板206支撑的多股线线缆系统，但是在另选实施方式中，也可以使用利用类似接口模块结构设计而使用其它线缆和/或锚固系统(例如，U形夹)。在典型的情况下，例如对于多股线线缆系统来说，这些管可以具有450mm的直径，并且线缆可以具有125mm的直径。在这种情况下，线缆仅填充管的内部容积的大约8％。

根据各种实施方式，这些管可以具有在300mm至600mm之间诸如在400mm至500mm之间的直径。根据各种实施方式，线缆可以具有在50mm至300mm之间诸如在100mm至150mm之间的直径。根据各种实施方式，线缆填充管的内部容积的4％至40％之间诸如6％至20％之间。

这些管202用来将线缆引导到塔架内，支撑锚固板206并且将线缆载荷传递至接口模块的其它部分。外管端207也可以用来安装标准线缆凹槽管或线缆鞘套，以便保护线缆端免受天气影响。

外部环204连接至这些管的侧面并连接至厚片材201。该外部环具有截头圆锥体形状，并且像管一样在一个实施方式中以与线缆相同的角度放置。该外部环提供了刚度并且将一部分载荷从塔架分布到线缆管，反之亦然。

内部环203近似在附装外部环的高度处连接至结构的内部。该内部环被示出为水平的并且对该结构进行加强。在另一个实施方式中，该内部环可以以其它角度放置，诸如也是截头圆锥体(基本作为外部环的延伸部)。该内部环可以设计成使其或其一部分能够用来支撑一平台，以在内管端处接近线缆端。

通过该设计，可以从塔架内部接近线缆端，例如进行安装、后张紧和维护。这给安装过程、操作和维护(包括更换各个股线)带来了优点，并且完全防止线缆端和连接点受到天气影响。该设计对于运输来说相对紧凑，同时仍然给塔架内部提供了内部空间。将所需的加强仅放置在外部对于运输可能有问题，因为尺寸可能变得太大。将所需的加强仅放置在内部也可能有问题，因为这将使得内部通道孔非常小并且可能给人员和材料通过带来问题。因此，认为对于大多数实施方式，最优选的解决方案是使诸如加强环之类的加强既位于内部又位于外部。

该结构被设计成使得从线缆传递/传递到线缆的载荷尽可能地分布在结构中，这将应力保持得尽可能低。此外，该结构提供刚度而使得局部变形最小，这有助于使相邻塔架法兰或塔架外壳的变形最小。

如上所述，在第一实施方式中，线缆205的角度与支撑结构(管202和外部加强件203)的角度一样。在分析过程中，已经发现，支撑结构可以由于线缆载荷而挠曲，并由此而可能向下倾斜(如下面图3的草图中所示，出于例示性原因而将变形夸大。挠曲的管以202a示出)。尽管挠曲有限，但是它在线缆管周围导致一些局部载荷应力水平增加。

因此，根据接口模块的实施方式，图4公开了在线缆(以401表示的线缆中心线)和管(以402表示的管中心线)之间刻意引入的错位。由此，线缆载荷引发局部弯矩403，该局部弯矩403抵消在没有错位的设计中观察到的一些或全部倾斜挠曲。该抵消导致管周围区域中的应力极大减小。据认为这样能够在最高应力区域中提供高达25％的应力减少。因此，实施错位可以使得材料使用少(板厚小)因而实现重量和成本降低。

最佳错位有待决定，但是例如在5°，已经看到了显著的效果。因此，预期通过在1°到20°，诸如2°到10°或3°到8°的范围的错位角度看到改善。据认为，这种刻意错位优选相对于管向下，从而使得线缆中心线、管中心线和纵向中心轴线200都位于基本相同平面内。

在图4中，线缆被置于相当于45°的错位角度中。然而，根据其它实施方式，维持预定线缆角度，而将错位角度结合在结构设计中。

如图5中所示的另一个可能性是，通过将线缆偏心地放置在支撑结构的管中实现相同效果。线缆中心线501和管中心线502由此平行但是之间具有一距离。如至少在内管端208处测量的，该距离例如可以是管半径的至少2％，诸如至少5％、10％、20％或至少30％。类似于角度错位，这导致弯矩503，该弯矩503将抵消在没有错位的设计中观察到的一些或大部分倾斜挠曲。应该清楚，角度错位和偏心错位可以组合地使用。

刻意偏心错位可以以本领域技术人员公知的许多方式实现。

根据本发明，刻意角度错位可以以各种方式获得。

例如，刻意偏心错位可以简单地通过将锚固板206相对于内管端208偏移放置而获得。这可以以各种方式进行，因为简单地说这是如何关于管设计/放置锚固板的问题。重要的问题仅仅是引入刻意偏心错位。

另外，刻意角度错位可以例如通过调节内管端208从而使得靠着内管端208放置的标准平坦锚固板不垂直于管中心线来获得。

在下文中，描述两种方法，这两种方法可以用来处理线缆地基侧和/或塔架侧上的非刻意错位，例如以补偿安装过程中的公差或不精确。如果在这种情况下将线缆直接附装至塔架和地基，该错位将在线缆系统中引入不利的倾斜和应力。然而，应该指出，这两种方法也可以用来获得如上所述的刻意角度错位。

在第一实施方式中，系统包括包括用于多股线线缆系统的可调节锚固板系统，如图6中所示。锚固板系统由两个部件即环603和锚固板605构成，环603安装至底表面602上的支撑结构，而线缆股线利用标准楔块系统安装至锚固板605。楔块和线缆股线端垂直于锚固板的顶表面607定向。边缘606保持这两个部件居中。

这两个部件之间的接口表面604成角度地放置。顶表面607在两个方向上的倾斜可以通过旋转锚固板或通过旋转所述组件来实现。通过这些旋转，可以在由两个部件之间的角度限定的范围按照期望地实现线缆中心线601。由此，这可以用来将线缆中心线与管方向对准或者如上所述那样刻意地引入期望错位以降低线缆管周围的应力水平。

根据各种实施方式，所述系统可以方便所述锚固板相对于所述环旋转，而这可以使所述线缆中心线相对于所述底表面形成在0.1°到15°诸如在1°和10°之间的角。

在第二实施方式中，在图7中示出可基于球形表面703的系统。该系统由两个部件即具有凸出球表面的锚固板部件704和具有凹入球表面的支撑板702构成。支撑板被固定至支撑结构。线缆股线701进入支撑板702中的开口，并且附装至凸出锚固板部件704。楔块和线缆股线端垂直于锚固板部件的顶表面705定向。根据各种实施方式，该系统可以方便所述锚固板相对于所述支撑板运动，而这可以使所述线缆中心线相对于所述支撑板形成在0.1°和15°之间诸如在1°和10°之间的角。

两个球形表面均具有至少近似相同半径。凸出部件可以在期望方向上倾斜以便获得尽可能笔直的线缆中心线。在后张紧线缆之后，该部件将通过摩擦而保持就位，并且倾斜角度将不再改变。除此之外，支撑板702的凹入形状也确保对准系统的稳定性，因为甚至当摩擦消失时线缆张力也会保持凸出板垂直于线缆。在典型的情况下，在风轮机上没有外部载荷的情况下，可以将每个线缆预张紧至在它们标称强度的30％至50％的区间内如在它们标称强度的40％至50％的区间内的值。

图6和图7中所示的两个解决方案都可以在线缆端侧和地基侧中使用。据认为最优选的是在线缆的塔架端上使用可调节锚固板，而对于球形方法，可施加在地基侧。然而，其它组合也是可行的。

另外，注意到，由于地形变化等等，可能必须将锚固件围绕塔架从120°略微偏移放置。在这种情况下，具有能够相应地调节的系统可能也是有利的。

根据本发明的附加实施方式，可以使用本领域人员公知的标准锚固板，其中不能调节线缆中心线的角度。

尽管已经描述了本发明的优选实施方式，但是应该理解，本发明不限于此，并且在不脱离本发明的情况下可以进行修改。本发明的范围由所附权利要求限定，无论是在文字上还是通过等同方式落入权利要求的含义内的所有装置旨在包含在本发明的范围内。

Claims (15)

1.一种用于栓系式塔架的塔架节段(103)，所述塔架节段具有大体筒状壁并且沿着且围绕纵向中心轴线(200)在纵向方向上从所述塔架节段的下端延伸到上端，所述塔架节段包括围绕所述纵向中心轴线分布的多个管(202)，所述多个管中的每个管具有大体筒状形状，并且从位于所述筒状壁的内侧的内管端(208)穿过所述筒状壁延伸到位于所述筒状壁的外侧的外管端(207)，所述多个管中的每个管具有管中心线(402)，所述多个管中的每个管适合于收纳穿过该管的线缆(205)并将所述线缆固定在所述内管端处。

2.根据权利要求1所述的塔架节段，其中，所述塔架节段包括内部加强环(203)和外部加强环(204)中的至少一者。

3.根据权利要求2所述的塔架节段，其中，所述内部加强环在垂直于所述纵向中心轴线的单个平面内沿着所述筒状壁的内侧定位。

4.根据权利要求2或3所述的塔架节段，其中，所述内部加强环适合于支撑一平台以容易接近所述内管端。

5.根据权利要求2所述的塔架节段，其中，所述外部加强环具有截头圆锥体形状。

6.根据权利要求2所述的塔架节段，其中，所述外部加强环连接至所述多个管的侧面。

7.根据权利要求2所述的塔架节段，其中，所述内部加强环在与所述多个管中的每个管的管中心线和所述筒状壁相交之处基本相同的高度处连接至所述塔架节段的内侧。

8.根据权利要求2所述的塔架节段，其中，所述纵向中心轴线和所述多个管中的每个管的所述管中心线之间的角度与所述纵向中心轴线和所述外部加强环之间的角度基本相同。

9.根据权利要求1所述的塔架节段，其中，所述多个管中的每个管的所述管中心线和所述纵向中心轴线具有30°至60°之间的相互角度。

10.根据权利要求1所述的塔架节段，其中，所述大体筒状壁具有至少两个不同厚度，即最接近于所述塔架节段的所述下端和所述塔架节段的所述上端的较薄厚度和围绕所述多个管的壁(201)的较厚厚度。

11.根据权利要求10所述的塔架节段，其中，所述较厚厚度比所述较薄厚度大至少25％。

12.根据权利要求1所述的塔架节段，其中，所述栓系式塔架是栓系式风轮机塔架。

13.根据权利要求1所述的塔架节段，其中，所述多个管中的每个管的所述管中心线和所述纵向中心轴线具有40°至50°之间的相互角度。

14.根据权利要求10所述的塔架节段，其中，所述较厚厚度比所述较薄厚度大至少50％。

15.一种风轮机(100)，该风轮机(100)包括根据权利要求1至14中任一项所述的塔架节段(103)和至少两个另外的塔架节段(104，105)，其中所述塔架节段分别在该塔架节段的所述下端和所述上端上连接至所述至少两个另外的塔架节段。