CN102235327A - 用于风力涡轮机的钢塔 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于风力涡轮机的钢塔（8），其具有重叠布置的多个节段（12，14，16，18，20，22）。这些节段可包括具有不同品质的钢。钢的品质可以由钢的屈服极限确定。

Description

用于风力涡轮机的钢塔

技术领域

本发明描述了一种改进的用于风力涡轮机的钢塔和制造该钢塔的方法。

背景技术

用于风力涡轮机的塔架可以由钢或混凝土构造。当由混凝土制造的风力涡轮机是相对成本有效时，它们具有明显较高的质量。例如，具有3个转子叶片直径为60米的转子由总质量大约为207吨的机舱支撑。转子的轮毂高度大约是50米。适于这类转子的混凝土塔架具有范围从大约430吨到大约540吨的质量。与此形成对比的是，用于支撑这类转子的钢塔的质量范围可以在大约87吨到大约114吨。然而，与钢塔有关的制造成本大约是与制造混凝土塔架相关的成本的两倍。在地面不能承载塔基和混凝土塔架的质量时，优选使用钢塔。

用于风力涡轮机的钢塔通常被构造为由预制塔架节段制成的中空钢塔。塔架是通过连续地提升并重叠设置一系列塔架节段而构造或组装的，从而最下面的塔架节段安装在通常由混凝土制成的塔基上，并包括进入装置，诸如门以便以后维修人员可以进入。通常，塔架节段向塔架的顶部在直径上连续变小。相邻的塔架节段可以通过紧固件来连接在一起，诸如将构造螺栓插入到末端凸缘中的连接孔。例如，对于包括“下”塔架节段和“上”塔架节段的一对塔架节段，相邻节段的连接孔被定位在使下塔架节段的顶端凸缘中的连接孔匹配上塔架节段的底部凸缘中的连接孔的位置。

典型的风力涡轮机支撑件因此具有2个结构主元件：塔基和塔架。塔基可以各种方式设计，诸如增强混凝土扩展底部，它优选作为一种成本有效的解决方案。这种类型的塔基非常适合地面提供良好承载能力的地点。与钢塔的接口常常是螺栓连接。

风力涡轮机钢塔受承受动态负载和静态负载。静态负载是基本作用于垂直方向的转子和机舱的质量。另一静态负载是基本作用于水平方向上的风压。动态负载是由例如转子的旋转和气流通过塔架时的变向导致在通过塔架的转子叶片上产生局部降低的压力。由于风力涡轮机和关联塔架是动态加载结构，所以塔架的自然频率对涡轮机和塔架本身的载荷有主要影响。因此，塔架必须有一部分被制成这样的尺寸，以避免与转子的旋转速度对应的某些自然频率以及除疲劳和静态载荷之外的其它结构元件的频率。风力涡轮机系统以及风力涡轮机塔架的静态和动态负载大致在Windkraftanlagen, Robert Gasch and Jochen Twele Eds., 2010年第6版，Vieweg+Teubner有描述。

传统的钢塔是具有圆锥形、圆柱形或这两种形状的管状焊接钢塔。这些钢塔包括焊接或栓接在一起成为完整塔架或如之前提到的几个塔架节段的壳体。传统上，在塔架中使用根据EN 10025的钢类型S355。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种用于风力涡轮机的改进钢塔。与现有技术的风力涡轮机钢塔的状态相比，改进的风力涡轮机钢塔优选具较低质量。与现有技术的钢塔相比，改进的风力涡轮机钢塔还可以具有较高的机械稳定性。由于改进的风力涡轮机钢塔的较低质量和较高稳定性，这类塔架可能是更加成本有效的，原因是整个风力涡轮机系统的结构元件的尺寸可以被制成更小。

本发明的目的是通过根据权利要求1所述的风力涡轮机钢塔和通过根据权利要求10所述的制造该钢塔的方法来实现的。

本发明的风力涡轮机钢塔包括由钢制成并重叠布置的多个结构元件，以形成钢塔。最下面的结构元件适于连接到塔基，最高的结构元件适于连接到风力涡轮机的机舱。至少两个结构元件包括具有不同品质（或称质量）的钢。结构元件可以是限定塔架的外表面的中空圆椎形或圆柱形元件。

根据本发明的背景的结构元件被定义为构成整个塔架结构的主要部分并具有负载承受能力的元件。连接元件，诸如螺栓和铆钉不认为是结构元件。同样，屏蔽元件也不认为是结构元件。塔基或具有相似功能的支撑结构不认为是塔架的一部分。

钢的品质可以优选在不使结构元件塑性形变的情况下，由屈服极限，即最大可容许屈服应力确定。

与较低品质的钢相比，较高品质的钢提供较高的静态负载承受能力。然而，钢品质对疲劳能力没有影响。因此，对于为高疲劳负载设计的结构元件，不需要高品质昂贵的钢。对于必须相对于自然频率特别设计的结构元件，高品质的钢和因此的昂贵材料也不是必须的。因此，本发明建议针对承受较高静态负载的结构元件使用高品质的钢。基本上针对疲劳负载优化和/或针对频率要求设计的结构元件可以通过使用较低品质的钢来制造。

换言之，本发明建议在塔架中改变钢的品质。在静态载荷是决定性设计标准时，可以使用具有较高强度和较高品质的钢。在疲劳是决定性设计标准时，可以使用较低品质的钢。在仅将材料加入到结构元件以获得硬度和/或满足自然频率要求的钢塔的各部分中，可以使用较低品质的钢。最后，在设计是由以上提到的要求中的一种以上的要求确定时，可以使用在不同设计标准之间表现最佳的钢品质。塔架的各个结构元件可以关于结构设计优化，使得通过改变各结构元件中钢的品质及结构元件的厚度可以优化塔架的最终成本。

针对每一结构元件的钢品质和每一结构元件的尺寸之间的最大成本有效关系可以由迭代方法来确定。例如，在为了降低成本使用较低品质的钢时，可以递增地（例如以1毫米步长）增大结构元件的厚度。这可以通过模拟风力涡轮机钢塔的构造的方法的背景来实现，包括步骤：重叠地布置代表由钢制成的多个结构元件的多个虚拟结构元件。在这种模拟中，根据本发明，至少两个虚拟结构元件代表包括不同品质的钢的结构元件。此模拟可以用作后续实际构造风力涡轮机钢塔的基础。由此，可以确定提供适当结构品质和最佳成本的钢品质，以便将钢塔的总成本降到最小。

从属权利要求给出本发明的特别有利的实施例和特征，这在下面的描述中进行揭示。由此，在一个权利要求类型的背景中揭示的特征也可以在另一个权利要求类型的背景中实现。

每一结构元件可以是塔架壳体的一部分。至少一个结构元件形成风力涡轮机塔架的一个节段。优选地，一个节段是结构元件。每一节段可以基本形成管状，多个节段被布置成形成基本为管状的钢塔。节段的横截面可以是圆的、椭圆的、方的、多边形的等等。

各节段可以通过焊接、螺栓和/或铆钉连接。具有不同品质的钢组件可通过适当的焊接技术连接。

结构元件还可以是基本为板形的元件，其中多个这种板形元件连接在一起，以便形成塔架的中空节段。这种板形元件可以通过焊接、螺栓和/或铆钉连接。

如上文提到的，承受较高静态载荷的结构元件可以使用具有较高品质的钢来制造。与此形成对照的是，基本或主要承受疲劳和/或基本或主要为塔架的频率特征设计的结构元件可以使用具有较低品质的钢来制造。风力涡轮机钢塔的上面部分的结构元件可以包括比风力涡轮机钢塔的下面部分的结构元件更高品质的钢。典型地，对于风力涡轮机钢塔的上面部分的决定性设计标准是静态载荷。因此，在上面部分中使用较高品质的钢。结果，可以降低塔架的较高部分中结构元件的厚度。这使塔架的质量更低，相应地，塔架的下面部分中的结构元件可以制成更小的尺寸。另外，整个风力涡轮机系统的塔基可以被制成更小的尺寸。由此，可以降低整个风力涡轮机系统的成本和质量。

本发明还涉及一种制造用于风力涡轮机的钢塔的方法，包括步骤：重叠布置多个由钢制成的结构元件，其中至少两个结构元件包括具有不同品质的钢。

所述方法可进一步包括步骤：使用具有较高品质的钢来制造承受较高静态载荷的结构元件。所述方法可进一步包括步骤：使用具有较低品质的钢来制造基本承受疲劳和/或基本针对塔架的频率特征设计的结构元件。而且，所述方法可进一步包括步骤：使用具有较高品质的钢来制造塔架的上面部分中的结构元件，并使用具有较低品质的钢来制造塔架的下面部分中的结构元件。

通过结合附图考虑下文的详细描述，本发明的其它目的和特征是很显然的。不过，应理解的是，附图只是为了图示目的设计的，不作为对本发明的限制性定义。

附图说明

图1显示具有钢塔的风力涡轮机的侧视图；

图2显示不同的钢类型的σ-ε关系；和

图3显示图解说明针对风力涡轮机钢塔的不同区段的决定性设计标准的图。

在附图中，相同附图标记在整个说明书中指示相同物体。附图中的物体不一定是按比例绘制的。

具体实施方式

图1显示风力涡轮机系统1的示意图。风力涡轮机系统1包括具有3个转子叶片6a、6b的转子4。转子4安装在机舱2上。机舱2由钢塔8支撑。钢塔8栓接到塔基10。钢塔8包括多个结构元件12、14、16、18、20、22，每个结构元件被配置为一个管状节段。管状节段重叠布置。管状节段可以通过焊接或栓接连接在一起。最下面的节段12可以栓接到塔基。机舱2栓接到上面节段22。结构元件12、14、16、18、20、22中每一个都由钢组成。

钢的一个重要特征是应力σ[kN/cm²]相对于张力ε[%]的关系。图2显示不同钢类型的σ-ε图。图2已经由“Der Prüfingenieur”2003年4月，“Plastische Bemessung im Stahlbau”，Univ.-Prof. Dr.-Ing. Rolf Kin

Dermann and Dr.-Ing. Jörg Freckel出版。如果施加在结构元件上的应力比屈服极限低，张力与应用成比例，如图2左侧的线性上升部分表示的。只要应力σ达到屈服极限，尽管应力不会增大，张力也会增大。这是由不同钢类型的σ-ε曲线的水平部分表示的。如果应力进一步增大，结构元件塑性形变，最后损坏。从图2中可以看出，不同钢品质具有不同的屈服极限。

下表显示根据EN 10025对于不同钢类型的屈服极限。

钢类型	对于压应力和张应力的屈服极限[N/毫米2]
		S235	235
S355	355
		S460	460
S600	600

尽管不同的钢类型包括不同的屈服极限，但这些钢类型包括相同的杨式模量。相应地，不同的钢类型对于弹性形变和频率行为具有相同性质。

示例性风力涡轮机系统1可以是类型为WKA-60-II的风力涡轮机系统。图1的系统包括具有3个转子叶片的转子。转子的额定速度是23min^-1。轮毂高度大约是50米。机舱具有大约207吨的质量。塔架具有大约90吨的质量。下面节段的直径大约是7.5米，上面节段的直径大约是3.2米。上面节段和下面节段都可以具有20毫米的壁厚。在塔架中，壁厚可以变化。上面节段可以具有20毫米的壁厚，而下面节段可以包括35毫米的壁厚。

参考图3，如之前提到的，风力涡轮机系统的钢塔承受静态载荷和动态载荷。在用于风力涡轮机的塔架设计中，塔架8的不同区段必须被优化以用于不同要求。由于塔架的上面区段的决定性设计标准是极端负载设计标准，上面提到的示例性风力涡轮机钢塔的上面区段28必须被设计成用于高的静态载荷。相应地，节段20、22是由高品质的钢制成的，诸如S460。塔架8的中间区段26既承受静态负载又承受动态负载，且因此由组合负载设计标准来确定。因此，塔架的中间区段中的节段16、18可以由具有平均品质，诸如S355的钢来制造。

风力涡轮机塔架8的下面区段24必须被优化，以用于动态载荷和频率要求。塔架的该区段因此是由频率控制的设计标准确定的。因此，下面节段12、14可以由具有较低品质，诸如S275的钢来制造。

钢的品质可以被称作最大可容许钢应力，即屈服极限，如它用于塔架的稳定性和屈曲计算时。钢塔8是通过优化塔架中使用的局部结构钢元件，相对于总成本来优化的。然后基于设计标准和总成本优化每一钢元件的结构能力。这可实现具有较低成本但与现有技术中已知的在塔架中具有一种品质的钢元件的更加昂贵的钢塔相同的总稳定性的塔架。另外，塔架的质量降低了。

图3显示疲劳能力30的图和极端负载能力32的图。术语“能力”指设计要求的超额实现。即上面区段28的节段20、22被设计成满足极端负载要求，即静态负载。不过，该设计包括所需的如由曲线32表示的较高负载能力。由于上面区段28不是由疲劳标准确定的，所以上面区段28包括如由曲线30所示的高疲劳能力。相应地，上面区段28的节段20、22可以由较高品质的钢（例如之前提到的S460）来制造，且可以具有更薄的壁。这导致相同的静态负载能力，但较低的疲劳能力以及塔架8上面区段的较低质量。塔架的能力仍像要求的那样高，但质量和成本已经降低。已经达到最佳效果。

中间区段26必须既满足频率要求又满足静态载荷要求。相应地，中间区段26的节段16、18可以包括比上面区段28的节段20、22更厚的壁，以便满足频率要求和相应的疲劳要求。在中间区段26中存在如曲线32表示的明显的静态负载能力。因此，可以使用具有较低品质诸如较低屈服极限的钢，例如S355。

在此实施例中，对于适中的静态负载和疲劳负载的设计，最佳效果可以是具有适中能力，诸如S355的钢。能力仍像要求的那样高，但成本优化了。

如之前提到的，下面区段必须主要满足塔架的频率要求。特别是，塔架必须是坚硬的，塔架的自然频率不能与涡轮机旋转频率冲突。因此，下面区段24的节段12、14包括比中间区段26的节段16、18更厚的壁。相应地，下面区段24的节段12、14可包括具有比中间区段26的节段16、18更低品质的钢，诸如S275。

根据塔架设计和/或塔架的工作位置，疲劳能力可以是设计的驱动因素，而不是频率能力。在另一塔架设计和/或工作位置，静态载荷（极端载荷）可以是设计的驱动因素。塔架的结构元件的钢品质必须选择成满足能力要求，且成本最小。

要理解的是，可以在迭代过程中确定塔架8的节段12、14、16、18、20、22的钢品质、壁厚和质量的最大成本有效组合。第一步骤可以由传统塔架设计开始，其中所有的节段都包括相同的钢品质。在第二步骤中，在使用具有较高品质的钢和更薄的壁设计上面区段28的节段20、22的条件下，执行稳定性计算。在接下来的步骤中，可以重新设计中间区段26和下面区段24，这是由于以上区段包括不同的质量和频率行为。最后，由于塔架具有较低质量，可重新计算塔基10。由此，可以迭代地选择钢品质和可选的结构元件的厚度，使塔架的成本最小。

在实际建造塔架之前，可以用模拟来执行这种迭代方法。在这种模拟的背景中，结构元件12、14、16、18、20、22由虚拟结构元件代表。相应地，模拟得出结果：至少两个这类虚拟结构元件代表包括具有不同品质的钢的结构元件。模拟方法的步骤可以在具有CPU和RAM的计算机上执行。计算机程序产品可包括程序代码装置，其在计算机上执行时，执行之前提到的模拟方法的步骤。这类计算机程序产品可以基于已知的构造计算，和在市面上可购买的模拟程序或其部分。这类程序具体可以使用基于有限元方法的计算，但也可以替代或附加使用其它逻辑。具体地，如果程序具有用于塔架的基本结构数据的输入的接口，则这是有利的，数据诸如尺寸（高度和/或节段高度）和/或诸如风力涡轮机和/或机舱等的负载数据。用户和/或自动逻辑可以定义这些数据中的任一种数据。然后，基于所提供的输入，可以使用迭代计算来关于（在其它问题中）用于构造的钢来优化塔架设计。此迭代步骤可以是例如以向用户提出问题的问-答方式来执行。在这类程序的一个非常好用的版本中，输出不仅可以包括参考构造本身的数据，这类塔架预期要承受的最大负载，还有构造成本近似。对于此目的，程序可以包括用于引入针对单组件和/或材料的成本数据的输入段。

尽管已经以优选实施例和其变形的形式公开了本发明，但应理解在不偏离本发明的范围的情况下可以对其进行各种附加修改和变形。

应理解，在塔架中，钢品质和/或设计标准的目前选择只是示例性的。根据涡轮机特征、地震要求、本地风力和波浪情况，该选择可以变化。

为简洁起见，应理解，在本申请中“一个”的使用并不排除复数，且“包括”并不排除其它步骤或元件。

Claims (14)

1. 一种风力涡轮机钢塔（8），包括：

由钢制成的多个结构元件（12，14，16，18，20，22），其重叠布置形成钢塔（8），最下面的结构元件（12）适于连接到塔基（10），最高的结构元件（22）适于连接到风力涡轮机的机舱（2），

其特征在于，至少两个结构元件包括的钢具有不同品质。

2. 根据权利要求1所述的风力涡轮机钢塔（8），其中钢的品质是由钢的最大可容许屈服应力确定的。

3. 根据权利要求1或2所述的风力涡轮机钢塔（8），其中至少一个结构元件形成风力涡轮机钢塔（8）的节段（12，14，16，18，20，22）。

4. 根据权利要求3所述的风力涡轮机钢塔（8），其中每一节段（12，14，16，18，20，22）形成为基本上呈管状，多个节段被布置成形成基本上呈管状的钢塔（8）。

5. 根据权利要求4所述的风力涡轮机钢塔（8），其中节段（12，14，16，18，20，22）通过焊接、螺栓和/或铆钉连接。

6. 根据权利要求3-5中任一项所述的风力涡轮机钢塔（8），其中形成节段（12，14，16，18，20，22）的多个结构元件通过焊接、螺栓和/或铆钉连接。

7. 根据权利要求1-6中任一项所述的风力涡轮机钢塔（8），其中承受较高静态载荷的结构元件（20，22）是使用具有较高品质的钢制造的。

8. 根据权利要求1-7中任一项所述的风力涡轮机钢塔（8），其中风力涡轮机钢塔（8）的上面部分的结构元件（20，22）包括比风力涡轮机钢塔（8）的下面部分的结构元件（12，14）更高品质的钢。

9. 根据权利要求8中所述的风力涡轮机钢塔（8），其中风力涡轮机钢塔（8）的上面部分的结构元件（20，22）比风力涡轮机钢塔的下面部分的结构元件（12，14）要薄。

10. 一种制造风力涡轮机钢塔（8）的方法，包括步骤：

重叠布置由钢制成的多个结构元件（12，14，16，18，20，22），其特征在于，至少两个结构元件包括具有不同品质的钢。

11. 根据权利要求10中所述的风力方法，进一步包括步骤：使用具有较高品质的钢制造承受较高静态载荷的结构元件（20，22）。

12. 根据权利要求10或11所述的方法，进一步包括步骤：

使用具有较高品质的钢，制造塔架（8）的上面部分中的结构元件（20，22）；和

使用具有较低品质的钢，制造塔架（8）的下面部分中的结构元件（12，14）。

13. 一种模拟风力涡轮机钢塔（8）的构造的方法，包括步骤：

重叠布置多个虚拟结构元件，其代表由钢制成的多个结构元件（12，14，16，18，20，22），其特征在于，至少两个虚拟结构元件代表包括具有不同品质的钢的结构元件。

14. 一种计算机程序产品，其可直接装载到计算装置的内存中，包括当所述产品在计算装置上运行时用于执行根据权利要求13所述方法各步骤的软件代码部分。

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