專利名稱：無法蘭風塔的設(shè)計的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
0001]本發(fā)明總體上涉及風塔，更具體地涉及無法蘭風塔的設(shè)計。
背景技術(shù)：
0002風力渦輪機塔通常由管狀橫截面構(gòu)件形成的多個單元構(gòu) 造而成。管狀支撐結(jié)構(gòu)具有很多不同類型的應(yīng)用。某些支撐結(jié)構(gòu)存在 于在離地面較高的地方支撐設(shè)備的位置。這些多部分支撐結(jié)構(gòu)可以是 高的，且可以在頂部承載不同重量的操作設(shè)備，因而使這些結(jié)構(gòu)中的 多個部分之間的接合部承受高應(yīng)力。該管狀的、多部分支撐結(jié)構(gòu)可以 被用于很多應(yīng)用中，包括移動電話塔、雷達塔、以及風塔。 風力渦輪機支撐塔為大型結(jié)構(gòu)，有時延伸到非常高的高 度以容納大型風力渦輪機的轉(zhuǎn)子葉片并策略性地將轉(zhuǎn)子葉片置于風路 中。比如，典型的塔可具有大約IOO米(m)的高度。這樣的塔可以包 括多個部分，通常是底部、中部和頂部。單個部分的長度和數(shù)量可以 根據(jù)應(yīng)用場合和結(jié)構(gòu)高度而變化。很多這種塔的橫截面大體上是圓形 的且在較高水平面上可以是錐形的。錐形可以通過采用獨立的管狀節(jié) 段來實現(xiàn)，所述管狀節(jié)段的錐度沿著軸向豎直方向設(shè)計成正圓錐形節(jié) 面。 某些現(xiàn)有技術(shù)的管狀風力渦輪機結(jié)構(gòu)由焊接節(jié)段組件的 管狀部分制成，法蘭焊接在管狀部分的端部。然后，相鄰部分的頂部 閉合法蘭和底部閉合法蘭被沿著螺栓線栓接在一起從而將各部分組裝 起來。示例性的風力渦輪機支撐塔的現(xiàn)存問題包括在塔彎曲過程中出現(xiàn)的焊接裂化、塔壁翹曲、緊固件的預(yù)載荷松弛、需要維護、法蘭變形和螺栓失效，每個問題都會導致塔的使用壽命成本增大。此外，在法蘭焊接過程中所產(chǎn)生的熱量會使法蘭變形到螺栓平面之外，從而產(chǎn)生包括螺栓預(yù)載荷過大以及焊接殘余應(yīng)力在內(nèi)的接合問題。 圖1示出了管狀組件的指板組件10的側(cè)視截面圖，指板組件IO克服了前面所描迷的問題在具有焊接法蘭接合部的管狀組件中，焊接后法蘭發(fā)生變形的問題。形成管狀組件(無法蘭)的兩個相鄰的無法蘭管狀部分20和30的端面的環(huán)形圍被緊密地聚合在點25處。相鄰的管狀部分20、 30之間的空間28^皮稱為罐間間距。內(nèi)指板40設(shè)置在指板組件10的內(nèi)部。該內(nèi)指板40可設(shè)置有與無法蘭管狀部分20和30的彎曲內(nèi)徑相匹配的彎曲外徑。該內(nèi)指板40被設(shè)置成用于連接相鄰的無法蘭管狀部分20、 30的內(nèi)表面22和32。外指板50設(shè)置在指板組件10的外部，用于與相鄰的無法蘭管狀部分20、 30的外表面24、34相連接。外指板50可設(shè)置有與管狀部分20、 30的彎曲外徑相匹配的彎曲內(nèi)徑。外指板50被設(shè)置成用于連接相鄰的無法蘭管狀部分20、30的外表面24和34。通孔55的緊固陣列設(shè)置在每個指板40、 50上，并且與i殳置在無法蘭管狀部分20、 30的相應(yīng)的鄰接端部上的通孔55的緊固陣列相匹配。該組件進一步還可包括與通孔陣列一致的螺栓60和螺母65。然而，根據(jù)具體應(yīng)用，可以使用其它合適的緊固裝置。00081圖2示出了采用螺母和螺栓緊固方式的典型指板的立體圖。該典型指板70具有內(nèi)表面72和外表面74。對于內(nèi)指板來說，它的外表面與相鄰管狀部分的彎曲外表面相匹配。對于外指板而言，它的內(nèi)表面與相鄰管狀部分的相應(yīng)表面相匹配。典型的螺栓通孔陣列76示出為與一個管狀部分連接，而典型的螺栓穿孔陣列78示出為與相鄰的管狀部分連接。指板設(shè)計根據(jù)標準的設(shè)計實踐進行，包括從指板的邊緣到螺栓通孔的間距、相鄰螺栓通孔之間的間距、指板的厚度、指板的表面尺寸以及板材選擇。
0009圖3示出了無法蘭接合部90,指板組件92繞下管狀部分96的圓周均勻分布。為了清楚起見，示出了內(nèi)指板93和外指板94以及下管狀部分96。上管狀部分和緊固件為了清楚起見而被省略。對于約80m高的示例性風力渦輪機支撐塔，5個指板組件可繞著風力渦輪機支撐塔的相鄰部分的圓周分布。進一步的螺栓連接可以被用作風力渦輪機支撐塔的緊固裝置。
0010螺栓通孔的布置的簡化視圖示出在圖3中。圖2示出了具有用于示例性的風力渦輪機支撐塔的更為典型的通孔陣列的指板。對于示例性的80m塔而言，指板可具有大約2m的弧形尺寸、大約lm的高度、大約20mm的厚度。指板的材料可以優(yōu)選地包括ASTMA572Gr50鋼板。指板上的螺栓通孔陣列76和78可以優(yōu)選地配置為施加到塔的每個相鄰部分上的兩行，每個指板上總共具有大約48個螺栓孔。螺栓通孔的直徑可以優(yōu)選地為大約1.25英寸。螺栓通孔之間的最小間距可以為大約5英寸。用于80m塔中的指板的典型螺栓可以優(yōu)選地為M3610. 9級的螺栓，該螺栓被扭到具有大約510MPa(74ksi)的螺栓預(yù)應(yīng)力。
0011盡管這種無法蘭風塔如前所述消除了法蘭風塔的不利因素，對無法蘭風塔原理的進一步分析表明，具有指板的無法蘭塔的整體剛度很低。無法蘭風塔的剛度可以低至法蘭塔的十分之一。低剛度可以導致塔過度搖擺，致使塔的組成部分和指板在接合部產(chǎn)生高的壓縮力。該高壓縮力可以導致位于接合部的塔的組成部分和指板產(chǎn)生不可接受的變形，可能會由于壓縮引發(fā)的翹曲而導致局部失效或者結(jié)構(gòu)不穩(wěn)。
0012因此，需要對無法蘭風力渦輪機塔布局的要素進行改進以便將其剛度提高到與其所取代的基礎(chǔ)法蘭風塔相當?shù)某潭取?br>
發(fā)明內(nèi)容
0013本發(fā)明總體上涉及一種無法蘭風塔結(jié)構(gòu)以及為該結(jié)構(gòu)提供剛度的方法。
0014簡單地說，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種風力渦輪機塔。該風力渦輪機塔包括多個管狀部分，其中每個管狀部分包括大體上平坦的端面。多個無法蘭接合部被形成，每個單獨的無法蘭接合部設(shè)置在相鄰管狀部分的相對端面之間。指板組件繞每個無法蘭接合部的圓周均勻分布，每個指板包括周向角(限定指板的圓弧寬度)、縱向尺寸和徑向厚度。還設(shè)置有用于提高風力渦輪機塔的剛度以抵抗橫向搖擺的裝置。
0015] 根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種用于提高風力渦輪機塔的剛度的方法，該風力渦輪機塔在具有大體上平坦的端面的多個相鄰管狀部分之間的多個無法蘭接合部采用指板組件來提高其剛度。該方法包括限制由指板組件接合的無法蘭接合部處的、多個塔部分的相鄰端面之間的罐間間距。該方法進 一 步包括選擇用于緊固多個無法蘭接合部中的每個接合部的指板的數(shù)量以及確定指板組件的指板的周向角、縱向長度和徑向厚度。此外還要為指板選擇材料，該材料的楊氏模量要小于管狀部分的材料的楊氏模量。該方法還提供了將適用于提高風塔剛度的蓋板附接到頂端管狀部分的上端的步驟，之后再附接到機艙內(nèi)底座的基部的萬向節(jié)軸承。
0016簡單地說，根據(jù)本發(fā)明的第三個方面，提供一種風力渦輪機塔。該風力渦輪機塔包括多個管狀部分。每個管狀部分包括大體上平坦的端面，所述端面形成了位于相鄰管狀部分之間的被控制的罐間間距。無法蘭接合部在相鄰管狀部分的相對端面之間形成，包括繞每個無法蘭接合部的圓周均勻分布的三個指板組件。每個指板組件包括為提高塔的剛度而優(yōu)化的周向角、縱向長度和徑向厚度。指板組件包括一種指板材料，該指板材料的楊氏模量小于管狀部分的材料的楊氏模量。蓋板被附接到風塔的頂端管狀部分。該蓋板包括具有比指板材料的楊氏模量大的楊氏模量的材料。


0017當在參照附圖的基礎(chǔ)上閱讀下面的詳細描述時，本發(fā)明的這些以及其它特征、方面和優(yōu)點會變得更易理解，在所有附圖中相同的標記代表相同的部分，其中圖9示出了用于限制環(huán)繞指板的局部塔管變形的方法的流程圖，該方法提高了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性(抗彎)并提高了無法蘭風力渦輪機塔的最上部塔部分的上端的剛度。
具體實施例方式本發(fā)明的以下實施例具有很多優(yōu)點，包括提高無法蘭風力渦輪機塔的剛度和避免高的拉應(yīng)力施加在無法蘭接合部的管狀部分和指板上。
0029由Cairo等人于2006年8月18日申請的美國專利申請No. 11, 506, 421中公開的無法蘭風塔的剛度與基礎(chǔ)法蘭風塔設(shè)計相比低很多。本發(fā)明所確立的設(shè)計特點和多種設(shè)計方法提高了無法蘭風塔組件的剛度且使其剛度與Cairo等人的基礎(chǔ)法蘭風塔的情形相當，Cairo等人的基礎(chǔ)法蘭風塔通過分析以及在組裝塔的實地使用性能方面顯示出令人滿意的剛度。法蘭布置的基礎(chǔ)塔結(jié)構(gòu)可以包括3個塔部 分，其中每個塔部分包括多個以端對端方式焊接的管。這些塔部分形 成約80m的總體高度，各部分之間具有兩個接合部。對每個接合部而 言，Cairo等人的無法蘭風力渦輪機塔需要5個繞相鄰部分的圓周分布 的指板組件。
0030創(chuàng)新的方法可以優(yōu)化并因而減少繞著風塔的指板的數(shù)量。 提高塔的剛度使得用于管狀部分之間的每個接合部的指板的數(shù)量得以 實質(zhì)性地從5個減少到3個。因此，在具有兩個接合部的3個部分的 優(yōu)化設(shè)計中，指板數(shù)量可以從10減少到6，從而也節(jié)約了大量的材料 并直接提高了材料生產(chǎn)率。這是除前面描述過的優(yōu)點之外的優(yōu)點，前 面描述過的優(yōu)點是無需再次焊接已經(jīng)變形的常規(guī)焊接法蘭以及不具有 包含限制保養(yǎng)引發(fā)的應(yīng)力能力水平的預(yù)應(yīng)力的塔部分，其中常規(guī)焊接 法蘭的變形是超過對配合塔部分進行組裝所需的焊接水平的焊接的熱 量所致。進行分析以評估與Cairo等人大致描述的風塔相關(guān)的指板 接合部的優(yōu)化設(shè)計，該三部分塔的高度約為80m,包括具有8個罐且長 度約22米的基座部分；具有8個罐且長度約26米的中間部分；以及 具有IO個罐且長度約30米的頂端部分，如圖4所示。該基礎(chǔ)塔的直 徑為4300mm，厚度為10nun;底部和頂部罐的長度為2000mm;沿周向具 有12個螺栓孔，在縱向上螺栓孔的間距為200mm;指板厚度為20mm; 指板縱向尺寸為lOOOmm。
0032還發(fā)現(xiàn)罐間距離在塔遭受側(cè)向載荷時對指板的剛度具有 重要影響。當罐間間距從3mm減少到0畫，提高剛度的效果大大增強。 罐間間距接近Omm是理想的假定情形，當罐間間距接近Omm時，剛度 接近基礎(chǔ)情形。圖5A所示為具有5個指板和約1. 5mm標準罐間間距的 無法蘭風力渦輪機塔的最終變形。圖5B所示為在具有3個指板和縮小 為接近Omm的罐間間距的創(chuàng)新型無法蘭風力渦輪機塔的布置的一個實 施例中，能夠獲得相當?shù)那伊钊藵M意的最終局部變形。
00331由于減小罐間間距而導致的剛度增大使得指板數(shù)量從 Cairo等人的5個指板減少到3個指板，且得到了與基礎(chǔ)設(shè)計相當?shù)膭偠?。[0034圖6示出了具有三個指板組件510和減小的罐間間距的創(chuàng) 新型無法蘭風塔接合部500。參與到接合部500中的下塔部分560被示 出。接合部500的上塔部分未被示出，目的是強調(diào)接合部中的指板的 布置。具有給定直徑的塔的指板的幾何體積通過指板540的下述參數(shù) 描述周向角515 (等同于特定部分半徑525的周向尺寸520 )、縱向 長度530和徑向厚度535?；A(chǔ)指板包括約1000mm的縱向長度、約 2000mm的周向尺寸和約20m的厚度。指板的周向角被發(fā)現(xiàn)對塔的剛度 有很大影響。當周向尺寸減小且縱向尺寸增大以使指板的體積保持恒 定時，結(jié)果組件的剛度被提高。在每個接合部具有三個指板的布置中， 周向角設(shè)置為約40至約50度，用于增大剛度?？v向尺寸可以在IOOO -llOOmm之間。減小指板的周向角(以及周向尺寸)也具有減少每排 的螺栓孔數(shù)量的優(yōu)點?；诏B加作用，每排8-10個螺栓孔的4排螺 栓孔可用于提高剛度。
[0035在保持指板的總體積不變的同時，周向尺寸的減小也使得 指板的厚度增加到約40mm。厚度尺寸大大增強了塔的剛度，且在維持 指板材料的體積不變的同時，周向尺寸的減小使得厚度增加到最佳水 平。
0036指板的楊氏模量也對風塔橫截面的總體變形產(chǎn)生重要影 響。當指板的楊氏模量大幅度增加而超過塔部分的罐材料的剛度時， 該板抵抗大部分載荷，因而導致罐的橫截面發(fā)生嚴重的局部變形。當 指板具有較低的楊氏模量時，指板就不會過多地壓迫較薄的罐部分。 因此發(fā)現(xiàn)這些罐具有較低的總體橫截面變形，而其剛度與基礎(chǔ)設(shè)計的 相當。然而，沒有發(fā)現(xiàn)塔頂(尖)位移在板模量較高的情況下有所改 善。
0037本發(fā)明的進一步的方面包括在塔的頂部使用蓋板。分析表 明，在頂部塔部分使用剛性蓋板而保持塔的橫截面不變可以大大降低 風塔的頂部位移(防止局部變形)。這種蓋板可以被內(nèi)配合到頂部塔 部分的上端。
[0038圖7示出了用于提高風力渦輪機塔剛度的蓋板的一個實施 例。該蓋板620可以為實心的柱體或圓錐幾何體，這取決于塔的橫截 面，并且蓋板620具有等于塔部分的內(nèi)徑的半徑624。該蓋板620可以側(cè)延伸并被檸入
蓋板的外部徑向表面上的孔中的徑向螺栓，如圖8所示。
0039較小的塔尖位移是因下列因素而產(chǎn)生的，即由與塔部分所 使用的材料相比具有較低楊氏模量(鋼鐵)的材料制成的指板和由與 塔部分所使用的材料相比具有較高楊氏模量的材料制成的蓋板。實際 上，蓋板可用作犧牲性蓋板以轉(zhuǎn)移大部分載荷。比如，蓋板可以被附 接到最高位的罐且通?？梢跃哂写蠹s300mm的軸向長度625。
0040蓋板620可以進一步包括穿過面640的大約5 - 8個的多 個加強筋690。加強筋690可以包括高度691、寬度692、間距693以 及長度694的I梁或H梁。加強筋690可以大體上占據(jù)蓋板的底面640。 加強筋690可以通過焊接或其它本領(lǐng)域公知的方式被附接到蓋板上。 采用加強筋690大大減少了塔尖的位移，同時使得蓋板的軸向長度625 大大減小。比如，在采用加強筋的情況下，軸向長度約20誦的鋁質(zhì)蓋 板提供很高的剛度，從而將塔尖位移減小到大約與基礎(chǔ)塔相似的程度。 [0041圖8示出了包括蓋板620的示例性風力渦輪機塔610的一 個實施例，蓋板620被附接到最上端的罐630,位于風力渦輪機塔610 的頂端部分655內(nèi)，用于提高剛度。該蓋板620包括與最上端罐630 的內(nèi)部半徑相匹配的半徑624。該蓋板620可以包括軸向長度或厚度 625。環(huán)狀周向法蘭650可以通過焊接或其它本領(lǐng)域公知的方式被徑向 地附接到上部罐630的頂端645。周向法蘭650的上水平面675可以支 撐偏航軸承660，偏航軸承66G具有塔至偏航軸承的緊固件665。該偏 航軸承660承受底座670的重量，底座670支撐位于機艙680內(nèi)的風 力渦輪機傳動系675。該周向法蘭650可以進一步包括塔至蓋板的緊固 件635，緊固件635穿過最上端的罐630而附接并且為蓋板620提供豎 向支撐。
[00421圖9示出了用于提高風塔剛度的方法的流程圖。在多個具 有大體上平坦的端面的相鄰管狀部分之間的多個無法蘭接合部采用指 板組件。在步驟810中選擇了用于指板的材料，該材料的楊氏模量比 管狀部分材料的楊氏模量小以限制管狀部分的變形。在步驟820中限 制在由指板組件接合的無法蘭接合部處的、位于多個塔部分的相鄰端 面之間的罐間間距，該步驟可以包括將罐間間距限制在Omm到大約3隱 之間，優(yōu)選地為Omm或盡可能接近Omm。在步驟830中選擇用于緊固多
ii個無法蘭接合部中的每個接合部的指板的數(shù)量，該步驟可以包括將用 于緊固每個接合部的指板的數(shù)量選定為，使得該數(shù)量在罐間間距受到 限制的情況下提供可接受的塔變形。限制罐間間距導致風塔的剛度得
到提高，使得指板數(shù)量被減少到基礎(chǔ)設(shè)計的5個指板以下。因此，該 步驟可以包括選擇3個用于緊固每個接合部的指板。
[0043在步驟840中確定指板組件中的指板的周向角(因而確定 周向尺寸)、縱向長度和徑向厚度。為指板選擇尺寸包括設(shè)定大約40 至大約50度的周向角、設(shè)定大約lOOOmm至約1100mm的徑向長度、以 及設(shè)定大約40mm的徑向厚度。這些優(yōu)化的尺寸在保持指板材料的體積 恒定不變的同時使塔的變形最小化。在步驟850中將適用于增加風塔 剛度的蓋板安裝到頂端管狀部分的上端部。步驟850可以包括選擇指 板材料，該材料的楊氏模量比蓋板的材料的楊氏模量低。在步驟860 中可以通過將加強構(gòu)件附接到蓋板的表面上而加強塔的頂端。
0044雖然本文中僅圖示并描述了本發(fā)明的某些特征，本領(lǐng)域技 術(shù)人員可以想到很多改型和變型。因此，可以理解的是，所附權(quán)利要 求旨在覆蓋落入本發(fā)明的真實范圍內(nèi)的所有這些改型和變型。
權(quán)利要求
1.一種風力渦輪機塔(100)，包括多個管狀部分(140)，其中所述多個管狀部分中的每個管狀部分(140)包括大體上平坦的端面；無法蘭接合部(500)，其中每個單獨的無法蘭接合部設(shè)置在相對且相鄰的管狀部分(140)之間；多個指板組件(510)，所述多個指板組件(510)繞每個無法蘭接合部(500)均勻分布，其中每個指板(540)包括周向角(520)、縱向尺寸(530)、和徑向厚度(535)；以及用于提高所述風力渦輪機塔(100)的剛度以抵抗橫向搖擺的裝置。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的風力渦輪機塔(100),其中，所述無法蘭接合 部(500 )包括介于相鄰的管狀部分(140)之間的被控制的罐間間距(28)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2的風力渦輪機塔(100)，其中，用于提高所述風 力渦輪機塔的剛度以抵抗橫向搖擺的裝置包括被控制的罐間間距(28 )，該罐間間距(28 )優(yōu)選地保持為接近Omm。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3的風力渦輪機塔(100)，其中，用于提高所述風 力渦輪機塔的剛度以抵抗橫向搖擺的裝置包括以約為4 0度至5 5度的 周向角(520 )繞所述無法蘭接合部(500 )均勻分布的三個指板組件(510)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4的風力渦輪機塔(100),其中，繞所述無法蘭接 合部(500 )均勻分布的所述三個指板組件(510)中的每個包括設(shè) 定的大約1000mm至1100mm的纟從向尺寸(530 )。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5的風力渦輪機塔(100 )，其中，所述指板組件(510 ) 的徑向厚度(535 )接近40mm。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1的風力渦輪機塔(100)，其中，繞所述無法蘭接 合部(500 )均勻分布的所述三個指板組件(510)中的每個包括具 有比所述管狀部分(140)的材料的楊氏模量小的楊氏模量的材料。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5的風力渦輪機塔(100),其中，頂端部分(655 ) 包括接合在頂端(645 )處的加強蓋板(620 )。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8的風力渦輪機塔(100 )，其中，所述加強蓋板(620 )包括背襯加強筋(690 )。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的風力渦輪機塔(100),其中，所述加強蓋板 (620 )進一步包括具有比所述指板組件(510)的楊氏模量大的楊氏 模量的材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及無法蘭風塔的設(shè)計。一種風力渦輪機塔(100)在相鄰的管狀塔部分(140)之間的無法蘭接合部(500)處采用指板組件(510)。用于提高風力渦輪機塔剛度的裝置包括對位于無法蘭接合部(500)處的、相鄰的管狀塔部分(140)之間的罐間間距(28)的限制以及對用于緊固每個無法蘭接合部(500)從而限制變形的指板組件數(shù)量的選擇。為指板選擇最佳尺寸(520)、(530)、(540)可以進一步使局部塔變形最小化。用于指板(540)的材料具有比用于管狀部分的材料的楊氏模量小的楊氏模量，使得局部塔變形得以減少。將蓋板(620)附接到頂端管狀部分限制了塔尖位移。該蓋板(620)可以包括背襯加強筋(690)以及包括具有比指板(540)的楊氏模量大的楊氏模量的材料。
文檔編號F03D11/04GK101684780SQ20091020443
公開日2010年3月31日 申請日期2009年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月25日
發(fā)明者M·馬泰, R·R·凱羅, S·薩蒂安 申請人:通用電氣公司