專利名稱：用于支撐海上風力渦輪機的支撐結構的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于支撐海上風力渦輪機的支撐結構。本發明進一步涉及風力渦輪機。
背景技術：
海上風力渦輪機的基座通常分為三組，即重力基座、單樁基座、以及諸如三腳架基座或吸桶基座之類的先進基座。重力基座通常由混泥土制成。它們可被制成為空心的并且具有足夠的浮力以便漂浮就位，可能用浮力元件支撐，或者它們可由駁船運輸并且被提升就位。基座自身的重量通常由于采用重型壓載物進行壓載而增大，諸如橄欖石之類的重型壓載。重力基座的缺點是在大型渦輪機和/或水深很大時，它們傾向于變得非常昂貴。單樁基座由鋼樁組成，該鋼樁通常具有4 一 5米的直徑。取決于地下的類型，樁被驅動進入海床大約20 30米。單樁基座將渦輪機塔有效地延伸到水下并進入海床。這種基座的一個重要優點在于不必對海床進行準備。另一方面，其需要重型打樁設備，并且這種基座類型不適合用在海床中存在許多大巖石的位置。而且，在大型渦輪機和 /或水深很大時，其傾向于變得非常昂貴。最常見的先進海上基座是三腳架基座。這種類型的基座吸收了經驗，從而利用輕重量且成本節約的三足鋼護套，其用于石油產業中的近海邊際油田。該結構通常由中心管和三個傾斜足組成。三個足在底部連接并且也連接到中心管。在每個足的端部，使用短的豎直管作為圍繞鋼樁的護套，該鋼樁被深深地驅動進入海床中。在完成打樁之后，將高強度砂漿注入護套，從而形成樁和足之間的牢固連接。鋼三腳架的缺點是它們是物理上非常大的結構并具有高要求的、復雜的、疲勞加載的焊接點。因此，它們傾向于非常昂貴。對于海上風力渦輪機所用的這些和大多數其他已知基座而言常見的是，當安裝在風力田地點時，支撐風力渦輪機塔的基座結構在水面上伸出。由于明顯的原因，海面以下的包括緊固件(螺栓等)的連接構造可能是困難且危險的。EP1884598中公開的基座是一個例外。在EP1884598中公開了一種海上基座，其包括樁和上部結構。該樁被向下夯到海床中并且僅在海床上伸出有限伸長量。樁提供了用于上部結構的基座柱，該上部結構被緊固在樁的頂部上。這里，問題在于建立樁和上部結構之間的接合，一個通常由注入高強度砂漿所完成的任務。對于幾乎所有海上基座而言常見的是，由于渦輪機上的外部負載可來自所有方向，所以結構的承載部分將通常位于基座的任何給定部分，經歷壓縮和拉伸負載。此外，工作負載帶來的應力將通常在壓縮應力和拉伸應力之間來回變化。 為此，鋼已經成為優選材料，這是因為其在變化應力條件下工作良好。而且，鋼還具有的優點是，單位質量的強度明顯好于例如混凝土。因此，塔通常由鋼制成，以允許道路運輸。然而，相比水泥，鋼有三個主要缺點。第一，相對于強度而言的價格明顯更高，并且在很大程度上受到經濟波動的影響。第二，對于風力渦輪機中的鋼，疲勞常常是設計的驅動力，這里極限負載是對水泥而言的。因此，如果處理恰當，混凝土塔或基座自然具有更長的壽命。第三，鋼要求非常細致的表面處理，以避免在海洋環境中的腐蝕。單樁和風力渦輪發電機通常以零件的形式被安裝，包括自升船(例如單樁的自升船)、過渡件、2 — 3個塔區段、機艙和葉片。通常以兩個步驟來安裝基座和風力渦輪發電機， 因此自升船不得不在每個風力渦輪發電機位置上安裝兩次。由于渦輪機是海上組裝的，所以耗費了昂貴的船上時間和人工工時，完整的測試更加困難并且必須海上執行。此外，自升船是先進的設備件。例如，其具有昂貴的自升系統以及包括多個運動部分的大型旋轉起重機。EP1058787中公開的基座是一個例外，其中，塔由模塊制成，這些模塊利用后拉伸纜線而保持于壓縮狀態。這里，缺點在于諸如用于后拉伸纜線中的高強度鋼相當易受腐蝕和氫脆變。因此，被插入安裝在海平面以下的結構外壁中的通道內的后拉伸纜線的長期完整性可能是成問題的。
發明內容
本發明的第一目的是提供有利的支撐結構，用于支撐海上風力渦輪機。本發明的第二目的是提供有利的風力渦輪機。通過如權利要求1所要求保護的用于支撐海上風力渦輪機的支撐結構來實現第一目的。通過如權利要求15所要求保護的風力渦輪機來實現第二目的。從屬權利要求限定了本發明的進一步發展。本發明的用于支撐海上風力渦輪機的支撐結構包括構造成至少部分地接觸海床的基座和塔的至少一部分。該基座和塔的至少一部分是單件式的。這樣的優點是不再需要花費代價將塔緊固到基座上。在本發明的上下文中，單件式意味著基座和塔或者塔的一部分是整體形成的或者由單個構件形成。最后，在基座和塔或者塔的一部分之間沒有連接裝置，或者在基座的不同區段之間沒有連接裝置。作為本發明支撐結構的一部分的塔的至少一部分也稱為塔區段。塔或塔區段可連接到風力渦輪發電機，特別是連接到風力渦輪機機艙。基座可包括狹窄區段，該狹窄區段的直徑小于塔的最大直徑。優選地，當支撐結構安裝到海床上時，狹窄區段可位于海洋的波浪拍打區域。狹窄區段比塔或塔區段更窄的好處在于這樣的事實狹窄區段暴露于波浪負載，而塔或塔區段暴露于風力負載。塔或塔區段的較大直徑使得塔的結構更加剛硬。有利地，支撐結構可包括混凝土和/或鋼。例如，其可包括45 Mpa或30 Gpa類型的混凝土。混凝土的優點在于其是相對便宜的材料。因此，基座以及風力渦輪機的成本可得到降低。此外，基座可包括具有變化直徑的過渡區段和/或下區段。下區段可構造成至少部分地接觸海床。優選地，下區段可以至少部分是圓錐形的，例如以減小沖刷。過渡區段可位于狹窄區段與塔或塔區段之間。當支撐結構被安裝到海床上時，過渡區段可有利地位于最高的波浪高度之上。優選地，過渡區段的直徑例如從狹窄區段到塔區段連續地或逐步增加，從而用大于狹窄區段直徑的直徑來形成平臺和/或來支撐塔。通常，過渡區段可具有比狹窄區段更大的直徑。過渡區段可用于在安裝期間提升支撐結構。塔或者塔區段可包括外壁。狹窄區段也可包括外壁。有利地，狹窄區段的外壁可比塔或塔區段的外壁更厚。有利地，支撐結構的至少一部分可被后加應力。后加應力可用于降低拉伸應力，尤其在混凝土的至少一部分中。例如，狹窄區段中的后加應力水平可不同于塔中的應力水平。 在本文中，后加應力水平意味著在拉緊、激活或加轉矩于加應力裝置之后，在特定結構元件中的應力。加應力裝置可指的是例如纜索、棒或線絲。在支撐結構的不同區段中提供不同應力水平，從而考慮到使特定應力水平適合于特定環境條件。例如，在海平面下面和上面， 不同的應力水平可能是有利的。通常，支撐結構可包括至少一個后加應力裝置和/或至少一個后拉伸加強裝置， 例如纜索、線絲或棒。至少一個后加應力裝置和/或至少一個后拉伸加強裝置可放置在支撐結構內部或者支撐結構的壁的內部，或者沿著結構的側面位于外部。下區段和狹窄區段中的后加應力可在支撐結構內部施加，例如在混凝土支撐結構內部。塔或塔區段中的后加應力可至少部分地在外壁的外部施加，該外壁可以是混凝土壁，例如在塔或塔區段內部。至少一個后加應力裝置和/或至少一個后拉伸加強裝置可放置在塔中或者在塔區段中，至少部分地在外壁外部和/或在塔或塔區段內部。此外，至少一個后加應力裝置和 /或至少一個后拉伸加強裝置可放置在下區段中，在下區段的外壁內部。而且，至少一個后加應力裝置和/或至少一個后拉伸加強裝置可被放置在狹窄區段中，在狹窄區段的外壁內部。優選地，塔或塔區段中的后加應力裝置可連接到過渡區段中的后加應力裝置，和/ 或連接到狹窄區段中的后加應力裝置，和/或連接到下區段中的后加應力裝置。此外，過渡區段中的后加應力裝置可連接到狹窄區段中的后加應力裝置，和/或連接到下區段中的后加應力裝置。狹窄區段中的后加應力裝置可連接到下區段中的后加應力裝置。后拉伸加強可在混凝土結構的導管中施加或者沿著結構的側面在外部施加。與內部后拉伸結合起來，波紋鋼或至少一個塑料導管可被澆鑄到混凝土構造中，在其兩端具有錨。線絲可被拉著穿過導管，并借助于例如液壓拉伸護套被拉伸。可向導管中填充保護物。 優選地，膨脹的高強度水泥漿可用于將纜索鎖定到被澆鑄進混凝土結構中的導管壁。可采用其他保護材料，例如油脂或蠟，這兩者均允許額外的拉伸，這是處理鋼線中的松弛和混凝土變形的優選方式。內部加強所具有的優點是拉伸線絲在混凝土壁的內部得到了良好的保護，尤其被保護免于水泥漿的濕氣、油脂或蠟。外部后拉伸線絲可具有塑料套和/或被油脂保護。優選地，外部后拉伸金屬線可放置于水泥結構旁邊。在一個優選實施例中，基座被內部后加應力，導管可填充有保護材料，例如水泥漿、油脂或蠟，用于腐蝕防護。塔部分的后拉伸可被內部后加應力。線絲可連接到錨，用于基座后加應力。優選地，用于基座部分的后拉伸線絲被從結構的底部拉拽，并且被加應力到該水平以最小化起重機工作、平臺和腳手架布置。有利地，下區段和/或狹窄區段和/或過渡區段和/或塔或塔區段是空心的。在這種情況下，支撐結構的至少一部分可填充有壓載物，例如泥土。這增加了支撐結構在負載下的穩定性。
下區段可包括例如至少一個裙部，以提供支撐結構與海床的固定。而且，該裙部可構造成減少沖刷或者用水泥漿填塞下面以使得支撐結構和下部土壤之間的連接牢固。此外，該裙部可分為3個或更多個室(champer)。其可用于使基座水平。通常，土壤界面可以是深的或淺的基座。深基座可包括一個或多個樁。淺基座可以是重力基座或吸桶基座。重力基座可被制有裙部以降低對海底準備和/或沖刷保護的要求。不具有裙部的重力基座是優選的。本發明的風力渦輪機，尤其是海上風力渦輪機，包括如前所述的本發明的支撐結構。本發明的風力渦輪機具有和本發明的支撐結構相同的優點。本發明的支撐結構或者本發明的風力渦輪機的所有部件可在港口附近位置的移動生產線上制造。搭扣加強件可通過滾動網或者通過旋轉加強到回轉模型上而預先制造。 可使用跳躍成形(jumpforming)來獲得良好的表面質量。可通過浮動起重機來進行安裝。對于遠的地點，可進行駁船運輸。浮動起重機可被制成為雙體船，其在中心上面進行提升，由此在提升時不需要移動壓載物。此外，浮動起重機可被制成為具有壓載罐，允許在安裝期間使得浮動起重機的更多部分浸沒，以獲得穩定性。對于駁船運輸，可延伸移動生產線，以將完整的渦輪機裝載到運輸駁船上。本發明支撐結構和本發明風力渦輪機的一個優點是所述支撐結構和/或所述風力渦輪機可在岸上安裝和測試。風力渦輪機和基座可立刻安裝。由于結構的相對低質量的緣故，所以這是可能的。在安裝船上不需要自升系統。在安裝船上不需要大型回轉起重機。 由于所選擇的材料，由其是混凝土，不需要對支撐結構進行維護或少量維護。支撐結構的壽命可能達到收集系統的壽命，其為約60年。移動生產線可產生更工業化的生產。本地化生產可產生本地工作機會，這可成為決策者的考慮因素。該結構是剛性的并且因此具有抵抗更深的水的潛力。可使用廉價的混凝土，例如45 Mpa和30 Gpa0因此，本發明提供了低成本的海上風力渦輪機基座和塔以及低成本的海上風力渦輪機。
從下面對實施例的描述并結合附圖，本發明的其他特征、性質和優點將變得清楚。圖1以剖視圖示意性地示出了本發明的支撐結構。圖2示意性地示出了本發明支撐結構的變體。圖3示意性地示出了本發明的風力渦輪機。圖4示意性地示出了本發明的風力渦輪機和安裝船。圖5示意性地示出了本發明的具有后加應力纜索的支撐結構。
具體實施例方式現在將參照圖1至圖5描述本發明的一個實施例。圖1以剖視圖示意性地示出了本發明的用于支撐海上風力渦輪機的支撐結構。支撐結構1包括基座2和塔的至少一部分3。支撐結構1的中心線用附圖標記11表示。基座 2和塔的至少一部分3是單件式的。這意味著基座2和塔的至少一部分3被制成單件式的或者是被整體地形成的。換句話說，在支撐結構1的不同區段之間沒有連接。基座2包括下區段4、狹窄區段5和過渡區段6。下區段4后面是狹窄區段5。狹窄區段5后面是過渡區段6。過渡區段6后面是塔3或塔區段3。下區段4構造成至少部分地接觸海床。下區段4具有圓柱形狀以減少沖刷。下區段4包括多個裙部8。裙部8放置在下區段4的底部。裙部8被制造成適合于減少沖刷，并且可用于使用水泥漿填塞下面以使得支撐結構1和下面土壤之間的連接牢固。而且，通過將裙部8分為三個或更多個室，裙部8可用于使基座2水平。整個支撐結構1，或者至少基座2，或者基座2的至少一部分(例如下區段4或下區段4的一部分)可以是空心的。空心部分或空心區段的至少一部分可填充有諸如泥土之類的壓載物。在圖1中，整個支撐結構是空心的，其包括內部的空心空間對。塔3具有最大直徑10。狹窄區段具有直徑9。塔3的最大直徑10大于狹窄區段 5的直徑9。而且，塔3包括外壁22，狹窄區段5包括外壁23。塔3的外壁22的厚度12小于狹窄區段5的外壁23的厚度13。下區段4具有圓錐形狀，從底部到狹窄區段5，直徑減小。過渡區段6具有從狹窄區段5到塔區段3連續地或逐步增大的直徑四。而且，過渡區段6具有從狹窄區段5到塔區段3增大的壁厚。在過渡區段6的上表面上(在那里，過渡區段6后面跟著塔區段3)，形成了平臺18。平臺在支撐結構1內部延伸。塔3或塔區段3具有從底部(在那里，其跟著過渡區段6)到頂部(在那里，風力渦輪發電機可安裝到塔3上)減小的直徑。通常，塔區段3或塔3可連接到風力渦輪機，尤其是連接到風力渦輪機機艙。當支撐結構1適當地安裝到海床上時，狹窄區段5位于波浪拍打區域，而過渡區段 6位于最高的波浪水平高度之上。支撐結構1包括混凝土。此外，支撐結構1包括后加應力裝置，例如至少一個纜索、 線絲、棒、或任何其他合適的用于給結構或支撐結構1的至少一部分后加應力的裝置。在圖 1中，支撐結構1包括至少兩根后加應力纜索7。后加應力纜索7放置在支撐結構1內部。 更具體地，后加應力纜索的第一部分7a位于塔區段3內部，在塔區段3內部的空心空間M 內。后加應力纜索的第一部分7a在塔區段3的頂部上或者附近連接到塔區段3。后加應力纜索的第二部分7b位于過渡區段6、狹窄區段5和下區段4的外壁23、25J6的內部。后加應力纜索的第二部分7b的端部在下區段4的底部連接到下區段4，例如靠近裙部8。替代性地，后加應力纜索7可通過另一種合適方式連接到支撐結構1。而且，后加應力纜索7可至少部分地位于支撐結構1的外部。當支撐結構1或支撐結構1的至少一部分被后加應力時，狹窄區段5中的后加應力水平可不同于塔區段3中的應力水平。圖5示意性地示出了圖1的本發明支撐結構的變體。為了簡明而省略了裙部8。 而且，相比圖1，過渡區段6具有略微不同的形狀。圖5示出了固定元件19、20和21，用于固定后加應力纜索7。固定元件21位于塔區段3頂上，靠近塔區段3的外壁22。固定元件20位于過渡區段6的平臺18處。后加應力纜索的第一部分7a從固定元件21延伸到固定元件22，固定元件22在塔區段3的內空心空間M中，靠近外壁22。后加應力纜索的第二部分7b從過渡區段6處的第二固定元件 20延伸到第三固定元件19。第三固定元件19位于靠近下區段4的底部，在下區段4的外壁25內部。后加應力纜索的第二部分7b在狹窄區段5的外壁23內部和/或在下區段4的外壁25內部延伸。而且，后加應力纜索的第二部分7b也可在過渡區段6的壁沈內部延伸。通常，后加應力纜索的第一部分7a和后加應力纜索的第二部分7b可被分別加應力。這意味著塔區段3和基座2中的應力水平可以不同。例如，可將另外的固定元件放置在下區段4和狹窄區段5之間，以提供下區段4和狹窄區段5中的不同應力水平。圖2示意性地示出了本發明支撐結構100的變體，其略微不同于圖1和圖5的支撐結構1。支撐結構100與支撐結構1的不同在于其包括位于狹窄區段5和過渡區段6之間的第一中間區段26，以及位于下區段4和狹窄區段5之間的第二中間區段27。圖3以部分透視圖示意性地示出了本發明的風力渦輪機28。風力渦輪機28包括結合圖1、圖2和圖5所描述的支撐結構100。機艙14安裝在塔3頂上。機艙14包括具有多個轉子葉片15的轉子。風力渦輪機通常包括兩個或三個轉子葉片15。圖4示意性地示出了圖3的本發明風力渦輪機觀，其固定到安裝船16。海平面由附圖標記17表示。安裝船16可包括具有升降起重機的浮動雙體船起重機。例如，安裝船 16可包括兩個自推進的駁船，其可由承載了升降或回轉起重機的巨型框架連接。在這種情況下，海上工作被減少到最少，僅包括運輸和放置具有預安裝且測試的風力渦輪機的支撐結構。
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權利要求
1.一種用于支撐海上風力渦輪機的支撐結構(1、100)，包括構造成至少部分地接觸海床的基座(2)以及塔(3)的至少一部分，其中，所述基座(2)和所述塔(3)的至少一部分是單件式的。
2.如權利要求1所述的支撐結構(1、100)，其特征在于，所述支撐結構(1、100)包括混凝土和/或鋼。
3.如權利要求1或2所述的支撐結構(1、100)，其特征在于，所述基座(2)包括狹窄區段(5)、和/或下區段(4)、和/或過渡區段(6)，所述狹窄區段(5)的直徑(9)小于所述塔 (3 )的最大直徑(10 )，所述過渡區段(6 )具有變化直徑(29 )。
4.如權利要求3所述的支撐結構(1、100)，其特征在于，所述過渡區段(6)位于所述狹窄區段(5)和所述塔(3)之間。
5.如權利要求1至4中任一項所述的支撐結構(1、100)，其特征在于，所述支撐結構 (1、100)包括過渡區段(6)，所述過渡區段(6)的直徑大于所述狹窄區段(5)的直徑。
6.如權利要求1至5中任一項所述的支撐結構(1、100)，其特征在于，所述塔(3)包括外壁(22 )，所述狹窄區段(5 )包括外壁(23 )，所述狹窄區段(5 )的外壁(23 )厚于所述塔(3 ) 的外壁(22)。
7.如權利要求1至6中任一項所述的支撐結構(1、100)，其特征在于，所述支撐結構 (UlOO)的至少一部分被后加應力。
8.如權利要求7所述的支撐結構(1、100)，其特征在于，所述狹窄區段(5)中的后加應力水平不同于所述塔(3)中的應力水平。
9.如權利要求1至8中任一項所述的支撐結構(1、100)，其特征在于，所述支撐結構 (1、100)包括至少一個后加應力裝置(7、19、20、21)和/或至少一個后拉伸加強裝置(7、19、 20、21)。
10.如權利要求9所述的支撐結構(1、100)，其特征在于，所述后加應力裝置(7)和/ 或至少一個后拉伸加強裝置(19、20、21)放置在所述支撐結構(1、100)內部，或放置在所述支撐結構(1、100)的壁(22、23、25、26)的內部，或沿所述結構(1、100)的側面位于外部。
11.如權利要求9或10所述的支撐結構(1、100)，其特征在于，所述后加應力裝置(7) 和/或至少一個后拉伸加強裝置(19、20、21)放置在所述塔(3)中且至少部分地位于外壁 (22)的外部，和/或放置在所述下區段(4)中且位于所述下區段(4)的外壁(25)內部，和/ 或放置在所述狹窄區段(5)中且位于所述狹窄區段(5)的外壁(23)的內部。
12.如權利要求9至11中任一項所述的支撐結構(1、100)，其特征在于，所述塔(3)中的后加應力裝置(7)連接到所述過渡區段(6)中的后加應力裝置(7)，和/或連接到所述狹窄區段(5)中的后加應力裝置(7)，和/或連接到所述下區段(4)中的后加應力裝置(7);和 /或所述過渡區段(6)中的后加應力裝置(7)連接到所述狹窄區段(5)中的后加應力裝置 (7)，和/或連接到所述下區段(4)中的后加應力裝置(7);和/或所述狹窄區段(5)中的后加應力裝置(7)連接到所述下區段(4)中的后加應力裝置(7)。
13.如權利要求1至12中任一項所述的支撐結構(1、100)，其特征在于，所述下區段 (4)和/或狹窄區段(5)和/或過渡區段(6)和/或塔(3)是空心的。
14.如權利要求1至13中任一項所述的支撐結構(1、100)，其特征在于，所述下區段 (4)包括至少一個裙部(8)。
15. 一種風力渦輪機，包括如權利要求1至14中任一項所述的支撐結構(1、100)。
全文摘要
本發明提供了一種用于支撐海上風力渦輪機的支撐結構(1、100)，其包括構造成至少部分地接觸海床的基座(2)以及塔(3)的至少一部分。所述基座(2)和所述塔(3)的至少一部分是單件式的。
文檔編號F03D11/04GK102213193SQ20111003116
公開日2011年10月12日 申請日期2011年1月28日 優先權日2010年2月2日
發明者哈特科普夫 R. 申請人:西門子公司