專利名稱：用于風力渦輪機塔架的壁區段和風力渦輪機塔架的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于風力渦輪機塔架的壁區段和一種風力渦輪機塔架。特別是， 本發明涉及一種用于風力渦輪機塔架，具有用來增大風力渦輪機塔架剛度的突出部的壁區段。風力渦輪機包括塔架、安裝于塔架頂部的機艙和連接于機艙的輪轂，其中一個或更多個轉子葉片安裝于輪轂上，將機械能傳遞到與發電機連接的轉子軸。通常在塔架的底部部分提供用來進入塔架內部以用于維持目的的門。門要求在風力渦輪機塔架的壁內部有開口。風力渦輪機塔架的壁通常由諸如鋼的金屬制成。
背景技術：
WO 2006/050723 Al公開了一種用于風力渦輪機的具有適于安裝門的孔的塔架部件。塔架部件具有基本一致的厚度，且比安裝具有孔的塔架部件的塔架壁片段要厚。WO 03/036085 Al公開了一種用于構造風力渦輪機的塔架的結構單元，其中該結構單元具有通孔以用于容納門，其中該結構單元至少部分形成為澆鑄部件。可能存在對于具有適于容納門的開口的風力渦輪機塔架的壁區段的需求，其同時提供足夠的結構硬度和剛度，以便不會降低風力渦輪機塔架的剛度，這時壁區段用作風力渦輪機塔架的底部部件的一部分。而且，可能存在對于具有降低的重量并能提供足夠結構硬度和強度以適于作為風力渦輪機塔架殼體的一部分的風力渦輪機塔架的壁區段的需求。
發明內容
此需求可以通過根據獨立權利要求的主題來滿足。本發明的有利實施例通過附加權利要求來描述。根據一個實施例，提供一種用于風力渦輪機的塔架的壁區段，其中壁區段包括圍繞壁區段的開口的內邊緣；和在壁區段的厚度方向上突出且橫向于厚度方向延伸的突出部。壁區段可被配置成形成風力渦輪機塔架的一部分，或特別是在風力渦輪機塔架的底部部分形成風力渦輪機塔架殼體的一部分。壁區段主要沿兩個不同的側向方向延伸，這兩個不同的側向方向即壁區段的最大跨度的方向。壁區段在橫向于這兩個側向方向的厚度方向上延伸一非常小的量，其中該量表示壁區段的厚度。厚度具體可以在20mm-100mm之間，具體在20mm和75mm之間，更具體是在30mm和50mm之間。在垂直方向上的側向跨度可以在200cm和400cm之間，具體在300cm左右，在另一側向方向具體是在塔架的圓周方向上的側向跨度可以在IlOcm和300cm之間，具體在250cm左右。壁區段可包括一個外邊緣，其包括在垂直方向上走行的兩個垂直外邊緣，并包括沿風力渦輪機塔架的圓周方向走行的兩個圓周外邊緣。在壁區段的中央部分，提供由壁區段的內邊緣圍繞的一個開口。內邊緣可包括沿垂直方向走行的兩個垂直內邊緣部分和分別界定上側和下側開口的上部內邊緣和下部內邊緣。上部內邊緣以及下部內邊緣可具有弧形形狀(具體是圓的一個片段)或可具有筆直形狀。而且，根據一個實施例，壁區段可包括用于通風的通風口，其中，壁區段中通風口的數目可以在1和20之間，具體是在1和10之間，更具體是在1和3或者更大之間。(若干)通風口可具有比開口更小的尺寸。開口可被配置成容納門。開口的尺寸可制成使人能在直立位置橫越開口(例如門口)。根據另一實施例，開口的尺寸可以取決于應用情況。該尺寸可以例如足夠大以將大的組件(跨度具體在2m和IOm之間，或者跨度在2m和5m之間)通過該開口運進風力渦輪機內部，或通過該開口將這些組件運出渦輪機。壁區段可包括用于安裝門的安裝元件。突出部可成形為肋、隆起部或適用于壁區段的通常的支架結構。突出部可被設計成增加壁區段的剛度或結構硬度。不考慮突出部，壁區段可具有一致厚度。突出部可提供對壁區段的加強或支撐，以補償由于壁區段中央的開口造成的降低的剛度。因此，壁區段能很好地用作風力渦輪機塔架的殼體部分，而不會不利地影響風力渦輪機塔架的結構硬度和剛度。突出部的厚度和/或寬度可在lmm-200mm之間，具體在20mm-60mm之間，更具體在 30mm-50mm之間，具體約40mm。突出部可具體包括諸如鋼的金屬。突出部可被固定到壁區段，諸如通過使用螺栓或通過焊接。根據其它實施例，突出部(一個或更多個突出部)是與壁區段一體成形的，諸如通過澆鑄包括突出部的壁區段。開口可以在澆鑄壁區段之后切割得到。可替代地，壁區段可包括軋制金屬，使金屬彎曲并在彎曲的金屬上安裝突出部的制造步驟。因此，制造成本可被降低，同時提供適于結合到風力渦輪機塔架中的壁區段。根據一個實施例，突出部的幾何形狀、材料、尺寸和布置可通過計算機建模計算得出ο根據一個實施例，突出部橫向于厚度方向且平行于壁區段的內邊緣的一部分和/ 或平行于外邊緣的一部分延伸。因此，突出部可提供圓周(水平)肋加強，并且還可以提供壁區段的垂直肋加強和/或對角加強。具體地，突出部可被設置成與壁區段的外邊緣隔開，并且可被設置成也與壁區段的內邊緣隔開。突出部可以例如被設置在壁區段的外邊緣和壁區段的內邊緣之間。因此，壁區段的硬度和剛度可提高、增強而不會增加壁區段的整體厚度， 因此降低了壁區段的重量，并降低了壁區段的成本。根據一個實施例，突出部在壁區段的外邊緣的一部分和內邊緣的一部分之間縱向地延伸。具體地，突出部可向上延伸到壁區段的外邊緣的一部分和/或內邊緣的一部分。因此，突出部可一直從外邊緣部分延伸到內邊緣部分。由此，特別是在開口區域或者在開口周圍的區域，壁區段通過突出部得到有利加強，以達到增加其剛度目的。根據一個實施例，突出部在壁區段的一部分外邊緣和與壁區段的該部分外邊緣相對的另一部分外邊緣之間縱向地延伸。具體地，突出部可以從壁區段的一部分外邊緣一直延伸到與壁區段的該部分外邊緣相對的另一部分外邊緣。因此，突出部可在兩個側向方向上，即垂直方向和圓周(水平)方向上越過壁區段的整個側向跨度而延伸。在其它實施例中， 突出部不會延伸越過壁區段的整個側向跨度，而是延伸到壁區段的一部分外邊緣和另一部分外邊緣之間的側向跨度的大約60-80%。由此，重量可以減輕，同時可以加強特別是開口周圍的區域，從而增加其剛度和強度。
根據一個實施例，壁區段進一步包括設置在以下兩者之間的另一突出部，即開口和外邊緣的圓周側部分，開口和外邊緣的垂直向上部分和/或開口和外邊緣的垂直向下部分。具體地，該另一突出部可提供壁區段的附加加強。具體地，該另一突出部可圍繞在開口周圍以有效地從結構上支撐壁區段，尤其是開口周圍的區域內的那部分。可提供在壁區段的厚度方向上突出并在垂直方向、圓周方向和/或圓周方向和垂直方向之間的方向上延伸的一個或者更多個突出部。根據一個實施例，壁區段的厚度從壁區段的外邊緣向內邊緣(且因此向開口)增加。由此，可不考慮突出部在厚度方向上突出的厚度，來確定壁區段的厚度。因此，突出部的厚度不會計算在以此定義確定壁區段的厚度之內。從壁區段的外邊緣向內邊緣的厚度增加可等于50-200%，具體是55-150%。因此，壁區段在外邊緣的厚度可等于約10mm-70mm， 具體是20mm-50mm，更具體是25mm-40mm，具體約32mm，壁區段在內邊緣的厚度可等于 10mm-150mm，具體是75mm-125mm，具體在IOOmm左右。因此，從外邊緣到內邊緣厚度可增加 1. 5-4倍，具體是2-3. 5倍，具體是3倍左右。由此，壁區段的結構硬度和剛度可在不要求沿壁區段的整個區域以一致方式增加壁區段的整個厚度的情況下得以提高，而不會阻礙結構強度。澆鑄的壁區段可具有可在開口周圍增大的板厚度，以產生由于開口損失的剛度。 通過一點一點增加板厚度，可以利用內殼在所有方向上以少的材料產生的大的慣性力矩， 其中內殼的該大的力矩尤其集中在開口周圍。根據一個實施例，壁區段包括一個凸面和一個凹面，其中突出部被設置在凹面上。 凹面可以是提供組裝后風力渦輪機塔架內表面的一部分的表面。與將突出部設置在凸面相比，將突出部設置在凹面可產生增強的結構硬度和剛度。根據一個實施例，壁區段具有圓柱形片段或圓錐體片段的形狀。具體地，壁區段可以至少基本具有圓柱體分段或圓錐體分段的形狀。由此，壁區段可容易地插入到風力渦輪機塔架殼體中。圓柱體的直徑可以在200cm-800cm，根據一個實施例具體是350cm-450cm。根據一個實施例，壁區段包括澆鑄金屬。壁區段可由許多個澆鑄金屬部件組裝而成，或者可以被制造成一體成形的澆鑄金屬結構。從而，由于不一定要由需要彼此固定的許多個部件來組裝壁區段，所以可以簡化制造過程。澆鑄壁區段可具有適于作為風力渦輪機塔架殼體的殼體部分的形狀，且具有形成在壁區段的厚度方向上突出的突出部的形狀。根據一個實施例，澆鑄金屬包括鋼，具體是根據DIN標準17182的GS_20Mn5V鋼， 或者具有與GS-20Mn5V鋼至少基本相同性質的鋼，或者具有與S355鋼至少基本相同性質的鋼。由此，由澆鑄金屬制成的壁區段可完全焊接到風力渦輪機塔架的其它壁區段。根據一個實施例，澆鑄金屬包括性質不如上述鋼的鋼。根據一個實施例，壁區段進一步包括至少一個(或者更多個，具體1-10)適于空氣通過的洞。根據一個實施例，提供一種包括上述實施例的壁區段并包括塔壁部分的風力渦輪機塔架，其中壁區段在壁區段的外邊緣的至少一部分連接到塔壁部分。通過將壁區段連接到塔壁部分，可以組裝風力渦輪機塔架的至少底部部分。壁區段的外邊緣可包括在垂直方向上延伸的部分和在水平(圓周)方向上延伸的部分。垂直方向可至少基本平行于風力渦輪機塔架的對稱軸。圓周方向可至少基本垂直于垂直方向。通過在風力渦輪機塔壁或風力渦輪機塔架殼體中使用壁區段，可以簡單方式制造風力渦輪機塔架，同時降低成本。根據一個實施例，塔壁部分通過焊接與壁區段連接。可以進行焊接把壁區段的外邊緣的一部分和塔壁部分的邊緣連接在一起。通過焊接，在塔壁部分和壁區段之間可提供足夠強的連接，而不需要附加的安裝元件。在一個實施例中，壁部分是使用螺栓或螺絲連接到壁區段的。根據一個實施例，突出部適于補償由于壁區段中的開口造成的塔架剛度的降低。 具體地，通過在壁區段中提供突出部，可(例如根據風力渦輪機的容量)補償剛度的降低至少50%，具體是75%，更具體是90%，更具體是100%。根據其它實施例，與沒有壁區段的塔架相比，通過在在塔架的下部提供具有突出部的壁區段，塔架的剛度甚至會被增強(具體增強超過10%)。因此，塔架可位于高風速的惡劣環境中。根據一個實施例，提供一種用于制造風力渦輪機塔架的制造方法，其中該方法包括制造用于風力渦輪機塔架的壁區段，以及將壁區段組裝并安裝到塔壁部分。所述壁區段包括圍繞壁區段的開口的內邊緣；和在壁區段的厚度方向上突出并橫向于厚度方向延伸的突出部。應該注意已經參照不同的主題描述了本發明的實施例。具體地，已經參照方法類型的權利要求描述了一些實施例，參照設備類型的權利要求描述了其它實施例。但是，本領域技術人員會從上述及下文描述得出，除非另外注明，除屬于一種類型主題的特征的任何組合之外，與不同主題相關的特征之間，具體是方法類型權利要求的特征和設備類型權利要求的特征之間的任何組合認為被本文檔公開。通過下文將要描述的實施例的示例，本發明的上述定義的方面和其它方面會很明顯，并參照實施例的示例來對其進行解釋。下文將參照實施例的示例更加詳細地描述本發明，但本發明并不局限于此。
現在參照附圖描述本發明的實施例。圖IA示意性顯示根據一個實施例用于風力渦輪機塔架的壁區段的側視圖IB示意性顯示根據一個實施例插入了壁區段的風力渦輪機塔架的橫截面頂視圖； 圖2A、圖2B和圖2C示意性圖解說明根據一個實施例用于風力渦輪機塔架的壁區段的側視圖和壁區段的橫截面視圖3以透視圖示意性顯示根據圖2A、圖2B和圖2C中圖解的實施例用于風力渦輪機塔架的具有插入了壁區段的風力渦輪機塔架的一部分；和
圖4A和圖4B圖解說明根據另一實施例用于風力渦輪機塔架的壁區段。
具體實施例方式附圖中的圖解是示意性的。應注意在不同附圖中，相似或相同元件是用相同的附圖標記或參考符號表示的，相應附圖標記只在第一個數字有所不同。圖IA示意性顯示根據一個實施例用于風力渦輪機塔架的壁區段101的側視圖。在圖解說明的實施例中，壁區段是一個整體成形的澆鑄金屬部件，包括根據DIN標準17182的鋼GS-20Mn5V。此種鋼的性質類似于鋼S355的材料性質，楊式模數為2. Ie5 MPa，泊松比為0. 3，密度為7. 85e (-6) kg/mm3，抗拉屈服強度為355MPa，鋼的分項系數為1. 2。圖IA中圖解說明的壁區段101包括在垂直方向103和水平方向105上延伸的類板結構。壁區段101具有兩個垂直外邊緣107，即上部水平邊緣109和下部水平邊緣111。 在壁區段101的中央部分，提供開口 113，其具有適當的尺寸以使人能越過開口 113。開口被壁區段101的兩個垂直內邊緣115和壁區段101的兩個水平內邊緣117圍繞。壁區段101的厚度方向垂直于圖IA的制圖平面走行。壁區段101在水平方向105 的范圍依應用而定，可以例如在IOOcm和500cm之間，具體在200cm和300cm之間，或者可具有不同的尺寸。壁區段101在垂直方向103的跨度可在250cm和350cm之間。壁區段在與方向103和105垂直的厚度方向上的厚度可以是20mm-150mm，具體是30mm-100mm。根據一個實施例，壁區段的厚度(不考慮壁區段提供的任何突出部)在整個壁區段上是一致的， 厚度為30mm-50mm。根據另一實施例，厚度(不考慮任何突出部)在垂直方向103和水平方向105的范圍內是變化的，其中具體地壁區段的厚度從壁區段101外邊緣107、109、111向內邊緣115、117增加。外邊緣107、109、111是直邊。同樣，內邊緣115、117包括直的部分， 也包括彼此垂直走行的邊緣115、117接合位置處的圓形部分。為了增加壁區段101的剛度，壁區段包括許多個突出部119、121、123和125。這些突出部在厚度方向上即垂直于IA的繪圖平面從壁區段上突出，從而形成加強肋。突出部119、125在垂直方向103上延伸，而突出部121、123在水平方向105上延伸。具體地，突出部119在壁區段101的上部水平外邊緣109和下部水平外邊緣111之間延伸。突出部125 從壁區段101的水平內邊緣117延伸到水平上部外邊緣109和下部水平外邊緣111。突出部121設置于開口 113上面和下面，并在垂直的外邊緣107之間延伸，其中它們的跨度等于壁區段在水平方向105上的整個跨度的約80%。突出部123從垂直內邊緣115延伸到垂直外邊緣107，但并不跨越垂直外邊緣和垂直內邊緣之間的整個距離，而僅跨大約70%-90%。 突出部可以看作是具體增加壁區段101的機械穩定性的肋或隆起部，它們提供對增加壁區段101的剛度的加強。圖IB示意性顯示圖IA中圖解的壁區段101結合到風力渦輪機塔架126中的橫截面頂視圖。風力渦輪機塔架部分127是一個具有圓形橫截面的圓柱體片斷。圓柱體的直徑可以等于350cm-450cm。圓柱體片斷127的厚度“a”可以是30mm-40mm。圓柱體片斷127 可以由軋制鋼形成。壁區段101在垂直外邊緣107焊接到圓柱體片斷127。從圖IB中可以看出，壁區段101的突出部119、125形成于壁區段101的凹面129。凹面1 表示風力渦輪機塔架1 的內表面的一部分。從圖IB可以看出，當忽略突出部119、125的厚度時，壁區段101的厚度“d”是一致的。其它實施例可包括處于不同位置在與突出部119、121、123和125不同的方向上走行的附加突出部。根據一個實施例，壁區段101不是一體成形的澆鑄金屬部件，而是通過軋制鋼、彎曲鋼并將肋部安裝到彎曲的鋼板上制成的。圖2A示意性顯示根據一個實施例的壁區段201的側視圖。在圖中用毫米單位給出壁區段201的尺寸。開口 213由兩個垂直延伸的具有筆直形狀的內邊緣215和具有圓形片段形狀半徑為611. 4mm的兩個內邊緣217界定。這種特殊的略圓形狀增強了壁區段201的穩定性。與圖IA中圖解的實施例不同，圖2A中圖解的壁區段201只包括4個基本圍繞開口 213的突出部219和221。其它實施例包括更多的用于壁區段201的突出部。圖2A中圖解的壁區段201的實施例和圖IA和圖IB中圖解的壁區段101的實施例的不同之處是圖2A、圖2B和圖2C中圖解的壁區段201在垂直方向203和水平方向205 上具有變化的厚度，使得在垂直于圖2A的繪圖平面的厚度方向上的厚度從壁區段201的外邊緣207、209和211到內邊緣215和217是增加的。壁區段201的外形從顯示橫截面圖的圖2B和圖2C中可明顯看出。顯然，厚度從外邊緣209的32mm增加到內邊緣217的100mm。 同樣，從圖2C中顯然，壁區段的厚度從垂直外邊緣207的40mm單調增加到垂直內邊緣215 的102mm。因此，與具有一致厚度32mm或40mm的壁區段相比，壁區段201的剛度和結構強度得以增強。而且，突出部219和221增強了壁區段的機械強度。根據一個實施例，一個或者更多個突出部可應用于圖1A、圖IB中圖解的壁區段 101或者圖2A、圖2B和圖2C中圖解的壁區段201的凸面。圖3示意性圖解說明根據一個實施例的風力渦輪機塔架326的一部分。風力渦輪機塔架326包括為風力渦輪機塔架提供壁結構或殼體結構的片斷327。該片斷327可具有類似于圓錐體的形狀或者類似于圓柱體的形狀。為了維修人員能夠進入風力渦輪機塔架 326內部，圖2A、圖2B和圖2C中圖解的壁區段201在其邊緣207、209處被焊接到塔架片斷 327。維修人員然后可以通過開口 213進入塔架326的內部。開口 213可以通過門關閉，門可通過未圖解的安裝元件可轉動地連接到壁區段201。圖4A和圖4B示意性顯示根據另一實施例的壁區段401。壁區段401與圖1和圖2 中圖解的壁區段101、201類似地被構造，但其與這些實施例的不同之處在于它包括對稱設置于對稱軸(鏡像軸)433兩側的突出部430，其中這些突出部430是沿對角線(即在垂直方向403和水平方向405之間的方向上)設置的。由此，關于水平方向405的傾角可以在20。 和70°之間，具體在30°和60°之間，具體在45°左右。 從圖4B的橫截面圖可以看出，突出部430從壁區段401突出一個量P，其中P可以等于30mm和80mm，具體在60mm左右。而且，壁區段401和突出部的厚度t是相似尺寸的， 可以等于30mm-50mm之間，具體在40mm左右。壁區段的突出部和外表面之間的邊緣是圓形的，具有半徑R可以介于30mm和50mm之間，具體是40mm。根據一個實施例，壁區段的幾何形狀、制造材料和其它機械參數是被優化的，使得插入了壁區段的風力渦輪機塔架具有等于或者大于不帶開口的塔架的慣性模量的一個慣性模量。具體地，可以使用3個剛度(在水平方向的位移和繞另一水平方向和垂直方向的兩個旋轉度)作為拓撲優化、幾何形狀優化模擬的約束。而且，可以考慮澆鑄約束以及幾何形狀約束。由此，形狀優化適應不改變風力渦輪機塔架的整體剛度。具體地，可以使用有限元分析來進行模擬。具體地，可以分析剪切力效應，以及彎曲力矩效應，關于垂直方向施加的力矩的效應和由變形載荷引起的效應。具體地，可針對不同的設計布局分析范米斯應力 (Von Mises Stress)，以便選擇表現出最佳性能的壁區段的設計。應注意詞語“包括”并不排除其它元件或步驟，“一個”并不排除是復數。同樣，與不同實施例結合描述的元件可以進行組合。還應注意權利要求書中的標記不應認為是對權利要求范圍的限制。
權利要求
1.一種用于風力渦輪機的塔架的壁區段(101，201)，所述壁區段包括圍繞所述壁區段的開口(113，213)的內邊緣(115，117 ；215,217)；在所述壁區段的厚度方向上突出且橫向(103，105 ；203, 205)于所述厚度方向延伸的突出部(119，121，123，125 ；219，221)。
2.根據權利要求1所述的壁區段，其中所述突出部橫向于所述厚度方向并且并行于所述壁區段的內邊緣的一部分和/或平行于外邊緣(107，109，111 ；207，209，211)的一部分延伸。
3.根據權利要求1或2所述的壁區段，其中所述突出部(123，125)在所述壁區段的外邊緣的一部分和內邊緣的一部分之間縱向延伸。
4.根據權利要求1-3中任一項所述的壁區段，其中所述突出部(119，121；219，221)在所述壁區段的外邊緣的一部分和與所述壁區段的該部分外邊緣相對的另一部分外邊緣之間縱向延伸。
5.根據權利要求1-4中任一項所述的壁區段，其中所述壁區段包括設置在以下兩者之間的另一突出部開口和外邊緣的圓周側部分之間，開口和外邊緣的垂直上部之間，和/ 或開口和所述外邊緣的垂直下部之間。
6.根據權利要求1-5中任一項所述的壁區段，其中所述壁區段的厚度從所述壁區段的外邊緣到內邊緣是增加的。
7.根據權利要求1-6中任一項所述的壁區段，其中所述壁區段包括凸面(130)和凹面 (1 )，其中所述突出部設置于所述凹面處。
8.根據權利要求1-7中任一項所述的壁區段，其中所述壁區段具有圓柱體片段形狀。
9.根據權利要求1-8中任一項所述的壁區段，其中所述壁區段包括澆鑄金屬。
10.根據權利要求9所述的壁區段，其中所述澆鑄金屬包括鋼，特別是根據DIN標準 17182的GS-20Mn5V鋼，或具有與GS_20Mn5V鋼至少基本相同性質的鋼，或具有至少基本與 S355鋼相同性質的鋼。
11.根據權利要求1-10中任一權利要求所述的壁區段，進一步包括適于用作空氣通道的至少一個洞。
12.—種風力渦輪機塔架，包括塔壁部分(127，327)；和根據權利要求1-10中任一項所述的壁區段(101，201)，其中所述壁區段在所述壁區段的外邊緣的至少一部分連接到所述塔壁部分。
13.根據權利要求12所述的風力渦輪機塔架，其中所述塔壁部分通過焊接連接到所述壁區段。
14.根據權利要求12或13所述的風力渦輪機塔架，其中所述突出部適于補償由于所述壁區段的開口造成的塔架剛度的降低。
全文摘要
本文描述了一種用于風力渦輪機的塔架的壁區段(101，201)，所述壁區段包括圍繞所述壁區段的開口(113，213)的內邊緣(115，117；215，217)；在所述壁區段的厚度方向上突出并橫向(103，105；203，205)于所述厚度方向延伸的突出部(119，121，123，125；219，221)。本文還描述了一種風力渦輪機塔架，包括塔壁部分(127，327)；和根據實施例的壁區段(101，201)，其中所述壁區段在所述壁區段的外邊緣的至少一部分連接到所述塔壁部分。
文檔編號F03D11/00GK102235320SQ20111010087
公開日2011年11月9日 申請日期2011年4月21日 優先權日2010年4月21日
發明者A.阿姆達, J.雅各布森, S.K.詹森 申請人:西門子公司