塔架连接器的制作方法

背景技术：

1、风力涡轮机塔架可以由堆叠的钢区段制成，如de102014118251a1和wo2013130544a1中所提出的。然而，对于具有高塔架和/或强力发电机和/或长转子叶片的风力涡轮机来说，“全钢”设计(其中塔架仅由钢制成)通常需要大的壁厚和塔架基部处大的直径。因此，这种全钢塔架会非常昂贵，并且下部区段(其可以具有超过公路运输的最大容许限制的直径)运输困难意味着这种塔架只能在具有必要的运输基础设施的位置处实现。

2、风力涡轮机塔架通常具有整体圆锥形形式，在基部处直径最大且在顶部处直径最小。为了在满足灵活性和结构强度的要求的同时最小化成本，风力涡轮机塔架可以以混合的方式构建，例如具有钢下部部分和混凝土上部部分，如wo2011157476a2中所提出的。然而，更常见的是将风力涡轮机塔架构建成具有混凝土下部部分和钢上部部分。在后一种类型的现有技术混合式塔架中，从混凝土到钢的过渡部可以被放置在相对高处，使得可以以较低的费用实现钢区段。如果钢塔架区段的最低直径小于混凝土塔架区段的上部直径，则可以部署锥形过渡区段来连接这两个塔架区段。然而，由于其下部直径宽，这种混合式塔架连接器的运输起来会非常昂贵。在大多数地区，也许甚至不可能将这种混合式塔架连接器运输到安装现场。例如，对于大多数欧洲国家来说，公路所运输的负载的最大容许宽度和高度分别为2.55m和4m，但现有技术的塔架连接器的宽度会超出这些极限。运输超过这些尺寸中的一个的负载可能需要许可证，但许可证申请过程会招致延迟，并且会显著增加所规划的风力涡轮机安装的成本。当然，超过地方公路或铁路基础设施的物理极限的任何负载都是无法运输的。

3、风力涡轮机将在“固有频率”下振荡，该“固有频率”主要由风力涡轮机的结构性质(由塔架支撑的质量、塔架高度、塔架的结构性质等)所确定。过大的振荡幅度或在“禁止”频带内的振荡会导致结构疲劳，并且风力涡轮机塔架设计应最小化这种不期望的行为。一般来说，塔架将被设计成避开“禁止”频带。

4、在包括混凝土下部区段和钢上部区段的混合式塔架的情况下，可以在设计阶段通过以下步骤预先制止不期望的振荡频率：在塔架的顶部附近安装大质量块(例如，混凝土块)；选择较短的混凝土区段以降低混凝土到钢的过渡高度和/或选择更大的塔架壁厚以获得所期望的刚度(导致钢塔架部分的费用更大)；选择整体较短的塔架以降低毂高度(导致总功率输出更低和收益更低)。另一种可能性是实施更高质量的混凝土，但在一些国家，这也许是不可能的。

5、要考虑的另一个风力涡轮机设计约束是转子叶片长度和在向下指向的转子叶片的尖端水平面处的尖端-塔架间隙。这可以通过如下步骤来完成：将风力涡轮机的转子叶片设计成当未加载时沿上风向具有明显的曲率，然而，这将制造成本增加了一显著量。增加尖端-塔架间隙的另一种方式是将风力涡轮机构建成使得发电机的旋转轴线从水平线向上倾斜，但这种设计措施在较低风速下可能损害风能发电厂的效率。

6、对于特定的转子叶片长度和转子叶片形状来说，可以通过在那水平面处相应地窄的塔架直径来实现所期望的最小尖端-塔架间隙。在混合式塔架(具有在转子叶片尖端水平面上方延伸的混凝土下部部分)的情况下，可能有必要将混凝土部分成形为在转子叶片尖端水平面处实现必要的塔架直径。然而，在该高度下直径的减小与关于满足结构约束所需的预先张紧钢筋束和混凝土强度的成本增加相关联。

7、因此，本发明的目的是提供一种改进的风力涡轮机塔架，其克服了上文所概述的问题。

8、该目的通过所要求保护的塔架连接器、所要求保护的风力涡轮机塔架、所要求保护的风力涡轮机、以及所要求保护的构建风力涡轮机塔架的方法来实现。

技术实现思路

1、所要求保护的截锥(frustum)连接器特别适合用作混合式风力涡轮机塔架的中间区段，即，将钢上部塔架区段连接到混凝土下部塔架区段的中间区段。

2、根据本发明，截锥连接器由多个单独或分离的部段组成，这些部段可以连接在一起以形成中间塔架区段。根据本发明，截锥连接器的每个部段包括两个竖直侧边缘、上边缘和下边缘，其中，部段的下边缘的长度超过该部段的上边缘的长度。因此，部段的形状基本为梯形。相邻部段的竖直侧边缘通过合适的紧固器件而连接。

3、可假设各部段具有长度相同的竖直侧边缘。当塔架连接器的所有部段都沿着它们的侧边缘联结时，所得结构具有共同的下部周长(具有对应于下边缘的组合长度的长度)和共同的上部周长(具有对应于上边缘的组合长度的长度)。由于其下部周长超过其上部周长，因此发明性塔架连接器的整体形状为直截锥。术语“截锥连接器”、“分段式连接器”、“分段式截锥连接器”、“塔架连接器”等被视为同义词，并且可在本文中可互换地使用。

4、发明性截锥连接器克服了引言中所描述的问题，该截锥连接器允许优化具有下部部分高度(混凝土塔架部分的高度)和上部部分高度(钢塔架部分的高度)的基本任何所期望的组合的风力涡轮机塔架。截锥连接器的许多可能的构型允许将混凝土到钢的过渡部放置在任何所期望的高度处，并且促进有利地宽且短的混凝土区段与有利地窄且长的钢区段进行组合。

5、此外，在截锥连接器和上部塔架区段之间的结合处实施相对小的直径的可能性意味着可以针对长转子叶片实现塔架-尖端间隙。这使得有可能以相对低的成本安装具有高塔架和长转子叶片的风力涡轮机，特别是在否则与大直径塔架部分的成本高得惊人的运输问题相关联的物流方面困难的位置中。

6、发明性截锥连接器的进一步的优点在于，自由地将混凝土到钢的过渡部放置在较低的水平面处，并且在混凝土区段的顶部处具有有利地大的直径，使得可以以较低的成本满足关于混凝土区段的预先张紧钢筋束的要求。

7、根据本发明，风力涡轮机塔架包括下部塔架部分、上部塔架部分和发明性塔架连接器的实施例，其中，截锥连接器的共同的下边缘连接到下部塔架部分的顶端，并且截锥连接器的共同的上边缘连接到上部塔架部分的基部。

8、下文中，可假设下部塔架部分由混凝土制成，并且上部塔架部分由钢制成，例如一组堆叠的钢区段。塔架部分(下文中也称为“塔架区段”)可以具有直圆柱体的形状，即，其上部直径和下部直径类似或相同。替代地，塔架区段可以具有截头圆锥形形式，即，其上部直径小于其下部直径。

9、锥形形式通常被采用用于风力涡轮机塔架区段，因为出于结构稳定性的原因，宽的基部是优选的，而塔架顶端处相对小的直径是由偏航组件的直径所确定的。由于风力涡轮机塔架的最下面的直径超过了最上面的直径，因此塔架的整体形状为直截锥，即，塔架关于竖直轴线对称并且具有基本为截头圆锥形的形状。在不以任何方式限制本发明的情况下，可假设风力涡轮机塔架基本为空心的，并且选择各个塔架区段的壁厚和直径的组合以达到所期望的结构强度。应理解，混凝土塔架部分、钢塔架部分和截锥连接器全部都是空心结构。

10、根据本发明，风力涡轮机包括：发明性风力涡轮机塔架的实施例；机舱，其安装在上部塔架部分的顶端处；以及空气动力学转子，其安装在机舱的前部处，该空气动力学转子包括安装到毂的多个转子叶片。

11、发明性风力涡轮机的优点在于，它可以被构建成利用由在安装现场的风力等级和发电机额定值的组合所确定的容许毂高度。

12、根据本发明，构建风力涡轮机塔架的方法至少包括以下步骤：在风力涡轮机安装现场构建下部塔架部分；将发明性截锥连接器的实施例的部段运输到安装现场；组装截锥连接器(通过联结相邻部段的竖直侧)并将截锥连接器的共同的下边缘连接到下部塔架部分的顶端。

13、发明性方法的优点在于，可以以较低的成本进行对高的混合式塔架的构建。截锥连接器的运输是相对经济的，并且可以以相对低的成本将发明性塔架连接器的各部段带到偏远的地理区域或基础设施差的地区。通过发明性方法使较高的风力涡轮机塔架成为可能意味着可以更好地利用这种地理位置的普遍风况。

14、本发明的特别有利的实施例和特征由从属权利要求给出，如以下描述中所揭示的。不同权利要求类别的特征可在适当时进行组合以给出本文中未描述的进一步实施例。

15、下文中，可假设发明性塔架连接器的各部段是使用任何合适的制造技术由钢(例如，轧制钢)制成的。在一个实施例中，发明性截锥连接器在制造现场被制成为单个部分，且然后在运输之前被切割成适当数量的部段。替代地，在本发明的进一步优选的实施例中，各部段可以分开形成。

16、为了完成截锥连接器的制造阶段，可以沿着每个部段的上边缘和下边缘添加(例如，通过焊接)凸缘，以促进在风力涡轮机塔架的构建期间连接到钢塔架部分和混凝土塔架部分。

17、可根据运输限制选择部段的数量，例如以确保负载不宽于2.55m且不高于4m。然后，可以以相对低的成本将截锥部段运输到风力涡轮机安装现场。然后，在安装现场组装截锥连接器，例如通过焊接相邻部段的侧边缘。

18、优选地，塔架连接器部段的最大尺寸不超过适用的公路运输限制，使得可以通过公路或铁路将一个或多个部段运输到风力涡轮机安装现场。以这种方式，本发明克服了与从现有技术中已知的宽塔架连接器相关联的昂贵的运输问题，宽塔架连接器需要特殊的运输解决方案。

19、可假设塔架连接器的各部段基本相同，即，各部段可以按任何顺序连接。此外，可假设塔架连接器的每个部段均关于竖直轴线对称。在发明性塔架连接器的实施例中，各部段是平坦的。在这种情况下，分段式截锥连接器具有直金字塔截锥或直多边形截锥的形状。在本发明的优选实施例中，发明性塔架连接器的各部段是弯曲的，使得当组装时，分段式截锥连接器具有直圆锥截锥的形状。

20、在本发明的优选实施例中，塔架连接器的每个部段包括沿着每个竖直边缘的凸缘，以促进连接到相邻部段的对应凸缘。凸缘可以包括匹配的通孔，使得两个相邻部段可以通过合适的紧固件(例如，螺栓和螺母的布置)而联结。替代地，相邻部段的竖直边缘可以是平坦的并且可搭接，并且可以具有匹配的数组通孔以接收合适的紧固件。

21、塔架连接器可以布置为在下部塔架部分和上部塔架部分之间的中间部分，如上文所指示的。这些部分可以以任何合适的方式联结或连接。在本发明的优选实施例中，塔架连接器的下边缘的共同的长度对应于下部塔架部分的顶端处的周长。优选地，每个塔架连接器部段包括沿着其下边缘的凸缘，以促进连接到下部塔架部分的顶端处的凸缘。沿着平坦的塔架连接器部段的下边缘的凸缘可以是弧形的，使得组装后的金字塔塔架连接器可以连接到下部塔架区段的顶端处的圆形凸缘。替代地，下部塔架区段的顶端可以设置有合适的接口，该接口可以联结到共同地形成在金字塔塔架连接器的下边缘处的多边形凸缘。

22、在本发明的进一步优选的实施例中，塔架连接器的上边缘的共同的长度对应于上部塔架部分的基部处的周长。优选地，每个塔架连接器部段包括沿着其上边缘的凸缘，以促进连接到上部塔架部分的基部处的凸缘。此处同样，即使部段本身是平坦的，沿着该部段的上边缘的凸缘也可以是弧形的。以这种方式，组装后的分段式截锥连接器可以连接到上部塔架区段的基部处的圆形凸缘。替代地，上部塔架区段的基部可以设置有合适的接口，该接口可以联结到共同地形成在金字塔塔架连接器的上边缘处的多边形凸缘。

23、分段式塔架连接器可以具有从圆形顶端延续到多边形基部的形状，使得塔架连接器可以安装在多边形混凝土下部塔架区段和圆柱形上部塔架区段之间的接口处。

24、发明性截锥连接器可以就其高度和直径比(即，下部直径与上部直径的比)来描述。例如，直径比大且高度小的截锥连接器具有整体“矮胖”形状；直径比小且高度大的截锥连接器具有整体“细长”形状。

25、发明性截锥连接器增加了混凝土塔架区段和钢塔架区段的可能组合的数量。例如，“矮胖”塔架连接器可以以相对突然的方式将宽的混凝土区段连接到窄的钢区段；“细长”塔架连接器(高且直径比小)可以以不太突然的方式连接那些相同的塔架区段。对于具有相同的混凝土区段和钢区段的两个塔架，可以通过实施“细长”截锥连接器来增加塔架的高度。替代地，在具有相同的混凝土区段和塔架高度的两个塔架的情况下，实施“矮胖”截锥连接器允许增加窄的钢区段的长度，以便在塔架连接器上方的水平面处实现所期望的尖端-塔架间隙。可以选择截锥连接器的高度、上部直径和下部直径以优化风力涡轮机的多个方面，诸如塔架振荡频率、转子叶片长度、功率输出等。

26、如上文所指示的，风力涡轮机塔架具有固有频率，该固有频率主要由风力涡轮机塔架的结构性质(钢区段和混凝土区段的高度、相对比例、壁厚等)和各种其他因素所确定。首尾振荡通常比左右振荡更加明显。在某些频带(由风力涡轮机操作模式定义)内的振荡会导致结构疲劳，并且风力涡轮机塔架设计应最小化或避免在这种频率下的振荡。转子频率(“1p”频率)和转子叶片通过频率及其谐波(“3p”和“6p”频率)理想地不应与塔架固有频率重叠，以避免共振。1p频率的示例性范围可以是0.2-0.3hz，并且3p和6p频率的示例性范围可以分别是0.7-0.8hz和1.4-1.6hz。