專利名稱：可運輸?shù)娘L力渦輪塔架的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及風力渦輪塔架(tower)構造，更具體而言涉及容許對大型塔架的 區(qū)段進行軌道運輸?shù)娘L力渦輪塔架及其構造方法。
背景技術：
多年來一般的慣例是在車間設施中單獨建造鋼制風力塔架區(qū)段，然后將各個完工 的區(qū)段移動到現(xiàn)場，在現(xiàn)場進行風力渦輪塔架安裝。塔架區(qū)段將典型地具有圓柱形或略微 錐形的形狀，并且繼而可沿著軸向線將各個區(qū)段分成足夠數(shù)量的殼體。由于對更高且更大容量的塔架的日益增長的需求以及隨之引起的建造這種塔架 所需的所有部件的更大尺寸的原因，物理限制由基礎設施(infrastructure)影響，諸如橋 梁或隧道或地道(Underpass)上的空隙。對于給定的風力渦輪來說，風力載荷按照風速的平方增大。當塔架高度增大時，風 切變由于風速的地面效應而非線性地增大。因此，渦輪塔架越高，結構就應該在尺寸方面設 置成更堅固，這繼而意味著壁厚應該增大，或者直徑應該延長。增大的厚度將意味著更高的 材料成本以及對更大型的運輸交通工具(不管是卡車、火車、輪船或直升機)的要求，同時 需要適當?shù)卦O置直徑的尺寸以便經(jīng)過橋梁以及通過隧道和地道。而且，形成和制造更厚的 鋼制品更加困難且成本更高。圖1和2分別示出了美國國內(nèi)的卡車和軌道運輸?shù)淖畲罂臻g包絡的一個實例。此 包絡包括裝運的塔架的最大直徑，包括任何突起的凸緣。軌道運輸是用于大型塔架區(qū)段的 最不昂貴的運輸模式。示例性的80米塔架典型地包括直徑和厚度不同的三個塔架區(qū)段。 目前已知的可用卡車運輸?shù)幕亢椭虚g塔架區(qū)段具有約15ft(約4.6米)的最大直徑。目 前已知的頂部區(qū)段具有約lift (約3. 4m)的最大直徑。用于由卡車運輸?shù)目臻g包絡10為 約11至15ft (約3. 4至4. 6mm)，從而允許大約為那個直徑的管狀區(qū)段20適合在空間包絡 內(nèi)。用于由軌道運輸?shù)目臻g包絡40 (參看圖2)在一側上達約lift (約3. 4m)至約13ft (約 4m)，從而允許大約達那個直徑的管狀區(qū)段50適合在空間包絡內(nèi)。在一些軌道線路上，最大 寬度為約13英尺6英寸(約4. Im)。因此，目前的頂部區(qū)段可通過軌道進行運輸。但是，目 前的基部和中間塔架區(qū)段超過了軌道包絡?；亢椭虚g塔架區(qū)段必須由卡車運輸，并且一 般大小設置成在約14+ft(>=4.3m)的卡車裝運包絡內(nèi)。美國以外的卡車和軌道運輸也 受到類似的空間包絡考慮的約束，但是尺寸是針對當?shù)囟囟ǖ摹?br>
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種用于通過將塔架區(qū)段構造成落在用于軌道運輸允許的空間包絡 內(nèi)來允許大型風力渦輪塔架的區(qū)段通過軌道運輸而運輸?shù)斤L場現(xiàn)場的裝置和方法。簡單來說，根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種具有多個軸向區(qū)段的塔架。該塔架包 括至少一個下軸向區(qū)段，該至少一個下軸向區(qū)段在其至少一部分中具有非圓形的截面。下 軸向區(qū)段位于塔架的底部附近。至少一個上軸向區(qū)段在其至少一部分中具有基本圓形的截面，并且位于塔架的頂部附近。塔架具有從非圓形的截面過渡到基本圓形的截面的截面輪 廓，而且塔架的外徑小于指定的最大直徑。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種風力渦輪塔架，其具有至少一個下區(qū)段和至 少一個上區(qū)段，其中，該至少一個下區(qū)段具有非圓形的截面，該至少一個上區(qū)段具有基本圓 形的截面。塔架的截面輪廓從下區(qū)段中的非圓形的截 面過渡到上區(qū)段中的基本圓形的截面。根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供了一種風力渦輪，該風力渦輪具有至少一個下塔架 區(qū)段，該至少一個下塔架區(qū)段在其至少一部分中具有非圓形截面。至少一個上塔架區(qū)段在 其至少一部分中具有基本圓形的截面。風力渦輪塔架的截面輪廓從下塔架區(qū)段中的非圓形 的截面過渡到上塔架區(qū)段中的基本圓形的截面。


當參看附圖閱讀以下詳細描述時，本發(fā)明的這些和其它特征、方面及優(yōu)點將變得 更好理解，在附圖中，相同的標號在圖中始終表示相同的部件，其中圖1示出了用于美國國內(nèi)的卡車運輸?shù)淖畲罂捎每臻g包絡；圖2示出了用于美國國內(nèi)的軌道運輸?shù)淖畲罂捎每臻g包絡；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的一方面的風力渦輪；圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的一方面的下塔架區(qū)段的透視圖；圖5示出了用于裝運的最大可用空間包絡的截面圖和圖4的下塔架區(qū)段的截面 圖；圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的另一方面的下塔架區(qū)段的透視圖；圖7示出了用于裝運的最大可用空間包絡的截面圖和圖6的下塔架區(qū)段的截面 圖。部件列表10空間包絡卡車運輸20管狀區(qū)段40空間包絡軌道運輸50管狀區(qū)段100風力渦輪102 塔架104 支面106夕卜罩108 轉(zhuǎn)子110 輪轂112 葉片116中心軸線131底部區(qū)段132中部區(qū)段133頂部區(qū)段
400塔架區(qū)段410 基部 420 頂部500空間包絡軌道運輸502傳統(tǒng)塔架600塔架區(qū)段610 基部620 頂部
具體實施例方式本發(fā)明的以下實施例具有許多優(yōu)點，包括容許為了結構完整性具有之前要求的大 直徑的風力渦輪塔架區(qū)段結合落在用于軌道運輸允許的空間包絡內(nèi)的減小的直徑。圖3是示例性風力渦輪100的示意圖。在示例性實施例中，風力渦輪100是水平 軸線式風力渦輪。備選地，風力渦輪100可為豎直軸線式風力渦輪。風力渦輪100具有從 支承面104延伸的塔架102，安裝在塔架102上的外罩106，以及聯(lián)接到外罩106上的轉(zhuǎn)子 108。轉(zhuǎn)子108具有可旋轉(zhuǎn)的輪轂110和聯(lián)接到輪轂110上的多個轉(zhuǎn)子葉片112。在示例性 實施例中，轉(zhuǎn)子108具有三個轉(zhuǎn)子葉片112。在備選實施例中，轉(zhuǎn)子108可具有多于或少于 三個的轉(zhuǎn)子葉片112。在示例性實施例中，塔架102由管狀鋼制造，并且具有在支承面104 和外罩106之間延伸的空腔(未在圖3中顯示)。典型地，塔架102包括三個區(qū)段，底部區(qū) 段131、中部區(qū)段132及頂部區(qū)段133。對于80至100米的塔架，各個區(qū)段131，132，133可 具有約20至約35米的長度。塔架的下區(qū)段可包括區(qū)段131和/或區(qū)段132。塔架的上區(qū) 段可包括區(qū)段133和/或區(qū)段132。在其它實施例中，塔架102可包括多于或少于三個的區(qū) 段。在備選實施例中，塔架102可為格架式塔架或格架式和管狀塔架構造的組合，或為至少 部分由混凝土形成的塔架。組成塔架的材料殼體負責承受由風力或其它必需的應用引起的載荷。最成本有效 的這種殼體通過具有圍繞中心軸線116的最大可能的直徑來抵抗這些彎曲載荷。就不使用 最大外徑來說，成本低效率通過必需不僅在底部塔架殼體中而且可能在未使用最大潛在外 徑的所有塔架區(qū)段中增大塔架殼體厚度而得到證明。由于一直減小的平均殼體直徑和載荷 承載能力的原因，在固定的外徑處的各個附加的厚度增大與前述情況相比效率低。增大塔 架殼體直徑將允許相關的殼體厚度粗略地按平方冪減小(decrease roughly to a square power)0因此，可為有利的是增大塔架直徑而非鋼板或其它壁材料的厚度。對于給定的風 力載荷，抵抗這個載荷所需的壁厚度與直徑的平方相反地變化。直徑減小百分之十將需要 變大百分之二十一的壁厚度以具有在結構上抵擋與之前一樣的載荷的塔架。原則上，這意 味著，具有位于塔架中心的遠的外側的部分的任何塔架設計將導致更小的壁厚度。因為可 用的可通過軌道運輸或可通過卡車運輸?shù)拇翱?window)在一定程度上為矩形的，所以可 使用在圓形截面和方形截面之間的空的轉(zhuǎn)角空間來最大程度地提高結構的有效性。塔架的基部的最下面的截面經(jīng)歷由于風力載荷引起的最高的載荷和應力。正是這 個區(qū)段需要最多塔架材料(在選定的直徑處的壁厚度)。在更高的區(qū)段處的載荷將逐漸減小，從而需要更薄的壁。因此，在基部的下部處的截面近似為方形(例如，具有圓角的矩形、 八邊形等)的塔架可更輕，并且具有可能最薄的壁?？拷艿闹胁亢蜕喜康膮^(qū)段可在正 頂部(在偏航軸承(未顯示)的附近)處融合成圓形截面。這種到圓形的過渡可發(fā)生在塔 架中的任何位置上，因為在一些中間(intervening)高度處，塔架的直徑將可容易地進行 軌道運輸，并且可管理塔架重量。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的一方面的改進的可通過軌道運輸?shù)乃軈^(qū)段。在這個實 例中，塔架區(qū)段400是下部或底部塔架區(qū)段。這個區(qū)段的基部410具有為帶有圓角的矩形 的截面輪廓。這個區(qū)段的頂部420具有圓形截面輪廓。這個塔架區(qū)段400的截面輪廓從底 部處的帶有圓角的矩形形狀過渡到頂部處的圓形形狀。 這個設計的優(yōu)點在于改進的強度對重量的比和塔架的更優(yōu)化的尺寸(從運輸?shù)?立場上看)。通過使用具有非圓形截面的多邊形基部區(qū)段，塔架的外周緣可擴大，以利用可 用的裝運窗口。圖5示出了用于地面運輸?shù)淖畲罂捎每臻g包絡500。在這個實例中，距離D是四米。 假設空間包絡500是方形的，并且可為用于軌道運輸?shù)淖畲蟪叽绲呢浳锇j的實例。塔架 區(qū)段400具有帶有多邊形截面的底部部分410。傳統(tǒng)塔架502具有圓形截面，并且沒有利用 那么多的可用空間包絡500。塔架400的整個外周緣比圓形塔架502相對于中心點C更徑 向向外。這使得塔架400能夠由更薄的材料制成，同時具有相對于塔架502的改進的強度。 傳統(tǒng)塔架502需要更厚的壁來保持相同的載荷額定值。因此，另一個優(yōu)點是塔架400在重 量上比塔架502更輕。通過改變塔架的底部的形狀，與傳統(tǒng)塔架502相比，塔架400可制造 得更輕且更堅固。圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的一方面的改進的可通過軌道運輸?shù)乃軈^(qū)段的另一個 實施例。在這個實例中，塔架區(qū)段600是下部或底部塔架區(qū)段。這個區(qū)段的基部610具有 為八邊形的截面輪廓。這個區(qū)段的頂部620具有圓形截面輪廓。這個塔架區(qū)段600的截面 輪廓從底部處的八邊形形狀過渡到頂部處的圓形形狀。圖7示出了用于地面運輸?shù)淖畲罂捎每臻g包絡500。在這個實例中，距離D是四米。 假設空間包絡500是方形的，并且可為用于軌道運輸?shù)淖畲蟪叽绲呢浳锇j的實例。塔架 區(qū)段600具有帶有八邊形截面的底部部分410。傳統(tǒng)塔架502具有圓形截面，并且沒有利用 那么多的可用空間包絡500。塔架600的整個外周緣比圓形塔架502相對于中心點C更徑 向向外。這使得塔架600能夠由更薄的材料制成，同時具有相對于塔架502的改進的強度。 傳統(tǒng)塔架502需要更厚的壁來保持相同的載荷額定值。因此，另一個優(yōu)點是塔架600在重 量上比塔架502更輕。通過改變塔架的底部的形狀，與傳統(tǒng)塔架502相比，塔架600可制造 得更輕且更堅固。在本發(fā)明的所有實施例中，從非圓形截面到基本圓形的截面的過渡可發(fā)生在一個 塔架區(qū)段、多個塔架區(qū)段中，或發(fā)生在一個塔架區(qū)段的一部分內(nèi)。另外，通過使用構造成將 具有非圓形截面的一個塔架區(qū)段聯(lián)結到具有基本圓形的截面的另一個塔架區(qū)段上的轉(zhuǎn)接 件，過渡可發(fā)生在塔架區(qū)段之間。轉(zhuǎn)接件同樣還可用于單個塔架區(qū)段中。在塔架區(qū)段的任何部分或一部分中的非圓形截面可具有特定應用期望的任何適 當?shù)男螤睢Ｗ鳛榉窍拗菩詫嵗?，非圓形截面可具有這樣的形狀多邊形、帶有圓角的多邊形、 三角形、矩形、帶有圓角的矩形、五邊形、帶有圓角的五邊形、六邊形、帶有圓角的六邊形、七邊形、帶有圓角的七邊形、八邊形、帶有圓角的八邊形、九邊形、帶有圓角的九邊形、十邊形、 帶有圓角的十邊形、十一邊形、帶有圓角的十一邊形、十二邊形、帶有圓角的十二邊形。 典型地，軌道運輸公司(rail carrier)容許最大重量、寬度、高度及長度的物品。 根據(jù)本發(fā)明的方面的塔架可大小設置成適合在這些限制內(nèi)。各個塔架區(qū)段的重量可設計成 在約1400001bs (約64000kg)以下，或者在由典型的軌道運輸公司或卡車公司所實行的任 何重量限值以下。各個塔架區(qū)段的寬度和高度可設計成在約13英尺6英寸(約4. 1米) 以下，或者在由典型的軌道運輸公司所實行的任何高度和/或?qū)挾认拗狄韵?。各個塔架區(qū) 段的長度可設計成在約89英尺(約27米)以下，或者在由典型的軌道運輸公司所實行的 任何長度限值以下。在美國之外的軌道運輸同樣由重量、寬度、高度及長度的類似的考慮所 約束，但是尺寸針對當?shù)囟詾樘囟ǖ摹Ｒ虼?，已?jīng)提供了可通過軌道裝運的改進的塔架， 從而使得能夠?qū)崿F(xiàn)用于大型塔架的較廉價的運輸。單個火車可運輸許多風力渦輪塔架，然 而運輸單個塔架需要至少三輛卡車。結合用于風力渦輪的塔架來對本發(fā)明進行了描述；但是，應理解的是，根據(jù)本發(fā)明 的方面的塔架可用于需要升高的塔架的任何應用。例如，本發(fā)明可應用于電力事業(yè)功率傳 輸線塔架、通訊塔架、陸上或海上風力渦輪塔架、燈塔、火災檢測塔架、農(nóng)業(yè)貯料垛(silo)、 住宅或商業(yè)應用，以及需要塔架的任何其它應用。雖然本文對本發(fā)明的僅某些特征進行了說明和描述，但是本領域的技術人員將想 到許多修改和變化。因此，應理解的是，所附權利要求書意在覆蓋落在本發(fā)明的真實精神內(nèi) 的所有這種修改和變化。
權利要求
1.一種具有多個軸向區(qū)段的塔架(102)，所述塔架包括在其至少一部分中具有非圓形的截面的至少一個下軸向區(qū)段(400，600)，所述至少一 個下軸向區(qū)段位于所述塔架的底部附近；在其至少一部分中具有基本圓形的截面的至少一個上軸向區(qū)段(133)，所述至少一個 上軸向區(qū)段位于所述塔架的頂部附近；其中，所述塔架具有從所述非圓形的截面過渡到所述基本圓形的截面的截面輪廓，并 且所述塔架的外徑小于指定的最大直徑。
2.根據(jù)權利要求1所述的塔架，其特征在于，所述指定的最大直徑是用于軌道運輸所 容許的最大直徑，并且其中，所述指定的最大直徑等于或小于約4米。
3.根據(jù)權利要求1所述的塔架，其特征在于，所述多個軸向區(qū)段中的各個具有不大于 指定的最大重量的重量，并且其中，所述指定的最大重量等于或小于用于軌道運輸所容許 的重量。
4.根據(jù)權利要求3所述的塔架，其特征在于，所述指定的最大重量等于或小于約 64000kg。
5.根據(jù)權利要求1所述的塔架，其特征在于，所述多個軸向區(qū)段中的各個具有不大于 指定的最大長度的長度，并且其中，所述指定的最大長度等于或小于用于軌道運輸所容許 的長度。
6.根據(jù)權利要求5所述的塔架，其特征在于，所述指定的最大長度等于或小于約27米。
7.根據(jù)權利要求1所述的塔架，其特征在于，所述塔架是風力渦輪塔架。
8.根據(jù)權利要求1所述的塔架，其特征在于，所述非圓形的截面具有選自以下組中的 至少一個的形狀多邊形、帶有圓角的多邊形、三角形、矩形、帶有圓角的矩形、五邊形、帶有圓角的五邊 形、六邊形、帶有圓角的六邊形、七邊形、帶有圓角的七邊形、八邊形、帶有圓角的八邊形、 九邊形、帶有圓角的九邊形、十邊形、帶有圓角的十邊形、十一邊形、帶有圓角的十一邊形、 十二邊形、帶有圓角的十二邊形。
9.一種風力渦輪(100)，包括在其至少一部分中具有非圓形的截面的至少一個下塔架區(qū)段(400，600)；在其至少一部分中具有基本圓形的截面的至少一個上塔架區(qū)段(133)；其中，所述風力渦輪的塔架(102)的截面輪廓從所述至少一個下塔架區(qū)段(400，600) 中的所述非圓形的截面過渡到所述至少一個上塔架區(qū)段(133)中的所述基本圓形的截面。
10.根據(jù)權利要求9所述的塔架，其特征在于，所述至少一個下區(qū)段(400，600)具有等 于或小于用于軌道運輸所容許的直徑、長度及重量的直徑、長度及重量，并且其中，所述非 圓形的截面具有選自以下組中的至少一個的形狀多邊形、帶有圓角的多邊形、三角形、矩形、帶有圓角的矩形、五邊形、帶有圓角的五邊 形、六邊形、帶有圓角的六邊形、七邊形、帶有圓角的七邊形、八邊形、帶有圓角的八邊形、 九邊形、帶有圓角的九邊形、十邊形、帶有圓角的十邊形、十一邊形、帶有圓角的十一邊形、 十二邊形、帶有圓角的十二邊形。
全文摘要
本發(fā)明涉及可運輸?shù)娘L力渦輪塔架，具體而言，提供了一種具有多個軸向區(qū)段的塔架(102)。該塔架包括在其至少一部分中具有非圓形的截面的至少一個下軸向區(qū)段(400，600)。下軸向區(qū)段(400，600)位于塔架(102)的底部附近。至少一個上軸向區(qū)段(133)在其至少一部分中具有基本圓形的截面，并且位于塔架(102)的頂部附近。塔架具有從非圓形的截面過渡到基本圓形的截面的截面輪廓，并且塔架的外徑小于指定的最大直徑。
文檔編號F03D11/00GK102052263SQ20101054281
公開日2011年5月11日 申請日期2010年11月1日 優(yōu)先權日2009年10月30日
發(fā)明者B·S·巴奇帕利, H·卡拉卡, I·保拉, N·S·迪恩, R·L·趙 申請人:通用電氣公司