[发明专利]无法兰风塔的设计

说明书

技术领域

本发明总体上涉及风塔，更具体地涉及无法兰风塔的设 计。

背景技术

风力涡轮机塔通常由管状横截面构件形成的多个单元构 造而成。管状支撑结构具有很多不同类型的应用。某些支撑结构存在 于在离地面较高的地方支撑设备的位置。这些多部分支撑结构可以是 高的，且可以在顶部承载不同重量的操作设备，因而使这些结构中的 多个部分之间的接合部承受高应力。该管状的、多部分支撑结构可以 被用于很多应用中，包括移动电话塔、雷达塔、以及风塔。

风力涡轮机支撑塔为大型结构，有时延伸到非常高的高 度以容纳大型风力涡轮机的转子叶片并策略性地将转子叶片置于风路 中。比如，典型的塔可具有大约100米(m)的高度。这样的塔可以包 括多个部分，通常是底部、中部和顶部。单个部分的长度和数量可以 根据应用场合和结构高度而变化。很多这种塔的横截面大体上是圆形 的且在较高水平面上可以是锥形的。锥形可以通过采用独立的管状节 段来实现，所述管状节段的锥度沿着轴向竖直方向设计成正圆锥形节 面。

安装在风力涡轮机的支撑塔顶部的是机舱。该机舱容纳 或封装风力涡轮机的设备和构件并且包括用于风力涡轮机叶片的毂以 及传动系，传动系包括风力涡轮机的轴承、变速箱和发电机。通常， 在塔的顶部安装偏航轴承。支撑传动系的所有重量的底座在偏航轴承 上转动，使得风力涡轮机的控制器能够旋转机舱从而相对于风向更好 地定位叶片以便优化性能。

某些现有技术的管状风力涡轮机结构由焊接节段组件的 管状部分制成，法兰焊接在管状部分的端部。然后，相邻部分的顶部 闭合法兰和底部闭合法兰被沿着螺栓线栓接在一起从而将各部分组装 起来。示例性的风力涡轮机支撑塔的现存问题包括在塔弯曲过程中出 现的焊接裂化、塔壁翘曲、紧固件的预载荷松弛、需要维护、法兰变 形和螺栓失效，每个问题都会导致塔的使用寿命成本增大。此外，在 法兰焊接过程中所产生的热量会使法兰变形到螺栓平面之外，从而产 生包括螺栓预载荷过大以及焊接残余应力在内的接合问题。

由Cairo等人于2006年8月18日申请的美国专利申请 No.11,506,421公开了一种无法兰的风力涡轮机塔以取代常规的焊接 法兰风塔设计。在该无法兰设计中，指板组件被用于取代管状部分上 的焊接法兰，作为将塔的管状部分接合起来从而建造塔的整个高度的 装置。无法兰的理念和后来的栓接指板组件消除了上述问题，如在塔 弯曲过程中焊接裂化、塔壁翘曲、紧固件的预载荷松弛、需要维护、 法兰变形以及螺栓失效。除焊接后变形之外，法兰型塔部分在操作加 载过程中也会产生变形。因此结合有指板的无法兰风力涡轮机塔设计 被提出，其消除了法兰型风塔的缺点。根据现有的风塔法兰紧固方法， 载荷的类型是拉力型，然而在指板设计中载荷为剪切力型。摩擦连接 (指板设计)是使用在当今钢铁结构中的最耐疲劳的连接类型。这种 紧固方法的优点在于，一旦螺栓被张紧，其不会再经受额外的载荷。 该螺栓仅提供待工作的板与板之间摩擦所需的正常力。

图1示出了管状组件的指板组件10的侧视截面图，指板 组件10克服了前面所描述的问题：在具有焊接法兰接合部的管状组件 中，焊接后法兰发生变形的问题。形成管状组件(无法兰)的两个相 邻的无法兰管状部分20和30的端面的环形圈被紧密地聚合在点25处。 相邻的管状部分20、30之间的空间28被称为罐间间距。内指板40设 置在指板组件10的内部。该内指板40可设置有与无法兰管状部分20 和30的弯曲内径相匹配的弯曲外径。该内指板40被设置成用于连接 相邻的无法兰管状部分20、30的内表面22和32。外指板50设置在指 板组件10的外部，用于与相邻的无法兰管状部分20、30的外表面24、 34相连接。外指板50可设置有与管状部分20、30的弯曲外径相匹配 的弯曲内径。外指板50被设置成用于连接相邻的无法兰管状部分20、 30的外表面24和34。通孔55的紧固阵列设置在每个指板40、50上， 并且与设置在无法兰管状部分20、30的相应的邻接端部上的通孔55 的紧固阵列相匹配。该组件进一步还可包括与通孔阵列一致的螺栓60 和螺母65。然而，根据具体应用，可以使用其它合适的紧固装置。