内铰链垂直轴风力发电机吊装的方法
阅读：456发布：2021-08-04
专利汇可以提供内铰链垂直轴风力发电机吊装的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 披露了一种用于吊装垂直轴 风 力 发 电机 的方法和用于吊装 垂直轴 风力 发电机 的套件。方法包括：将塔筒内 铰链 部分连接至基部内铰链部分，以通过内铰链将装组装好的垂直轴风力发电机结构可旋转地连接至基部部分；将起重扒杆组件 定位 在组装好的垂直轴风力发电机结构附近；以及利用起重扒杆组件使组装好的垂直轴风力发电机结构绕内铰链旋转到垂直的被安装 位置 ，而不使用 起重机 。该套件包括起重扒杆组件，塔筒内铰链部分，基部部分，该基部部分具有基部内铰链部分，该基部内铰链部分能够可旋转地联接至塔筒内铰链部分，以辅助组装好的垂直轴风力发电机的吊装。，下面是内铰链垂直轴风力发电机吊装的方法专利的具体信息内容。
1.一种用于吊装垂直轴风力发电机的方法，其包括步骤：
提供组装好的垂直轴风力发电机结构，该结构具有塔筒和塔筒内铰链部分；
提供锚固至地面的基部部分，该基部部分具有基部内铰链部分；
将所述塔筒内铰链部分连接至所述基部内铰链部分，以通过内铰链将装组装好的垂直轴风力发电机结构可旋转地连接至基部部分；
将起重扒杆组件定位在组装好的垂直轴风力发电机结构附近；以及
利用所述起重扒杆组件使组装好的垂直轴风力发电机结构绕所述内铰链旋转到垂直的被安装位置，而不使用起重机。
2.如权利要求1所述的方法，还包括，在组装好的垂直轴风力发电机结构旋转到垂直的被安装位置之前，将挡风板安装到组装好的垂直轴风力发电机结构。
3.如权利要求1所述的方法，其中，定位起重扒杆组件还包括将该起重扒杆组件定位为使得所述起重扒杆组件的旋转轴线与组装好的垂直轴风力发电机结构的中心相距一预定距离。
4.如权利要求3所述的方法，其中，该预定距离是1至12米。
5.如权利要求4所述的方法，其中，该预定距离是3米。
6.如权利要求1所述的方法，其中，提供组装好的垂直轴风力发电机结构还包括将组装好的垂直轴风力发电机结构大致水平地定位在一个或多个支撑框架上。
7.如权利要求3所述的方法，其中，定位起重扒杆组件还包括将第一起重扒杆沿组装好的垂直轴风力发电机结构的第一侧锚固，将第二起重扒杆沿组装好的垂直轴风力发电机结构的第二侧锚固，并将该第一和第二起重扒杆连接在一起。
8.如权利要求1所述的方法，其中，将组装好的垂直轴风力发电机结构旋转到垂直位置还包括将起重扒杆组件提升到开始位置和使用起重扒杆吊装块，以将起重扒杆组件和组装好的垂直轴风力发电机结构旋转到大致垂直的位置。
9.如权利要求8所述的方法，还包括，一旦组装好的垂直轴风力发电机结构处于垂直的被安装位置，则将一套起始吊装缆线连接到组装好的垂直轴风力发电机结构上。
10.如权利要求1所述的方法，其中，将组装好的垂直轴风力发电机结构旋转到垂直位置还包括使所述组装好的垂直轴风力发电机结构绕支撑结构旋转。
11.如权利要求1所述的方法，其中，使所述组装好的垂直轴风力发电机结构绕支撑结构旋转还包括将所述组装好的垂直轴风力发电机结构的传动转子部分插入到发电机基部中。
12.一种用于吊装垂直轴风力发电机的套件，包括：
起重扒杆组件，能够把组装好的垂直轴风力发电机从组装位置提升到被安装位置；
塔筒内铰链部分，能够联接至组装好的垂直轴风力发电机的塔筒；和
基部部分，能够锚固至地面，并支撑组装好的垂直轴风力发电机，该基部部分具有基部内铰链部分，该基部内铰链部分能够可旋转地联接至塔筒内铰链部分，以辅助组装好的垂直轴风力发电机的吊装。
13.如权利要求12所述的工具，还包括挡风板，其能够连接至组装好的垂直轴风力发电机，以便在组装好的垂直轴风力发电机吊装期间为其提供对风的遮蔽。
内铰链垂直轴风力发电机吊装的方法
技术领域
背景技术
[0002] Darrieus类型垂直轴风力发电机(“VAWT”：vertical axis wind turbine)一般包括两个或三个弯曲的叶片，这些叶片在端部处连结到可旋转的垂直塔筒的顶部和底部。这两个或多个叶片向外鼓出，其形成的最大直径位于叶片分别和塔筒顶部和底部连接的连接点之间的中部位置。参见D.J.M.Darrieus的用于对VAWT做基本解释的美国专利No.1,835,018。附接有叶片的可旋转垂直塔筒将作为塔筒或塔筒组件在本文中被引用。典型的VAWT将塔筒的底部支撑在下部轴承组件上，该下部轴承组件又被一基部抬离底面。旋转的塔筒连接并驱动通常位于该基部上的发电机，该发电机在塔筒旋转时发电。塔筒的顶部被上部轴承组件支撑，该上部轴承组件通过牵索(guy wire)或其他结构保持稳定。见美国专利5,531,567，其显示了两个典型VAWT的例子。
[0003] VAWT的关键部件是叶片，其与风相互作用来产生升力，该升力旋转塔筒并驱动发电机。通常，叶片的横截面为对称或半对称翼型，翼型弦长方向与风轮本地径向相切。塔筒旋转以赋予叶片比风更大的速度，且风所产生的攻角(angle of attack)在叶片上形成提升力，该力保持塔筒的旋转。该提升力是周期性的，因为每个叶片在叶片笔直地逆风或笔直地顺风移动时经历每个旋转中没有提升的两个相位。除了风产生的提升力外，离心力也作用在叶片上。
[0004] 类似于将其两端固定在一旋转塔筒上的VAWT叶片这样的细长结构，当旋转轴旋转时细长结构形成Troposkein曲线形状。Troposkein曲线形状是一根质量线性分布的绳索，就像跳绳，在绕某旋转轴旋转时产生的离心力作用下绳索所形成的形状。仅考虑离心力，转动的绳具有Troposkein曲线形状且处于纯受拉状态下，因为绳索的刚度和抗弯性可以忽略。为了使叶片所承受到的弯曲强度和疲劳载荷降到最低，我们希望VAWT的叶片具有Troposkein曲线形状，但是实际的问题是如何设计出VAWT叶片，使其具有足够的柔性来形成Troposkein曲线形状，而又具备足够刚性来承受运转载荷一一包括由重力带来的显著载荷。
[0005] 总而言之，为了产生更多电力，期望的是，VAWT增加扫略区域，因为这可以增加在每个发电机基准(per turbine basis)上捕获的风能。增加扫略区域的一个方法是增加塔筒的高度。当塔筒高度增加时，叶片长度会相应地增加。当VAWT按比例扩大以产生更多的能量时，将VAWT结构吊装而不使用大型起重机是非常麻烦的。由此，期望的是提供一种用于吊装Darrieus类型垂直轴风力发电机的过程，且为此披露以下内容。
发明内容
[0006] 有鉴于此，一方面本发明提供一种用于吊装垂直轴风力发电机的方法，其包括步骤：提供装配组装好的垂直轴风力发电机结构，该结构具有塔筒和塔筒内铰链部分；提供锚固至地面的基部部分，该基部部分具有基部内铰链部分；将所述塔筒内铰链部分连接至所述基部内铰链部分，以通过内铰链将装配好组装好的垂直轴风力发电机结构可旋转地连接至基部部分；将起重扒杆组件定位在装配好组装好的垂直轴风力发电机结构附近；以及利用所述起重扒杆组件使装配好组装好的垂直轴风力发电机结构绕所述内铰链旋转到垂直的被安装位置，而不使用起重机。
[0007] 另一方面，本发明提供一种用于吊装垂直轴风力发电机的工具套件，包括：起重扒杆组件，能够把装配好组装好的垂直轴风力发电机从装配组装位置提升到被安装位置；塔筒内铰链部分，能够联接至装配好组装好的垂直轴风力发电机的塔筒；和基部部分，能够锚固至地面，并支撑装配好组装好的垂直轴风力发电机，该基部部分具有基部内铰链部分，该基部内铰链部分能够可旋转地联接至塔筒内铰链部分，以辅助装配好组装好的垂直轴风力发电机的吊装。附图说明
[0008] 图1是组装好的Darrieus类型垂直轴风力发电机(VAWT)在组装位置的侧视图；
[0009] 图2显示了VAWT结构和起重扒杆组件的俯视图；
[0010] 图3示出了基部部分铰链的实施方式的例子；
[0011] 图4示出了塔筒铰链的实施方式的例子；
[0012] 图5和6示出了在吊装垂直轴风力发电机期间一起用作内铰链的基部部分铰链和塔筒铰链的操作情况；
[0015] 图11示出了准备垂直轴风力发电机的塔筒底部的详细情况；
[0016] 图12、13A和13B示出了横支撑连接到垂直轴风力发电机的叶片组件的例子的详细情况；
[0017] 图14-18示出了可以利用内铰链方法进行吊装的垂直轴风力发电机的详细情况；
[0018] 图19示出了第一内铰链垂直轴风力发电机吊装方法的详细情况；和[0019] 图20示出了第二内铰链垂直轴风力发电机吊装方法的详细情况。
具体实施方式
[0020] 本披露内容特别适用于以下所示的VAWT，在本文中，其将被披露。但是，应该意识到，本方法和系统具有较大的实用性，因为其通常可以用于吊装其它类型的VAWT或风力发电机。根据所示实施例，VAWT结构的已知部件在地面上被装配，且组装好的VAWT结构作为单个单元而被吊装，而不使用大型起重机，通常被需要的大型起重机并不太安全，场地的可介入情况将限制大型起重机的操作性，并且严重倾斜的场地不适于使用大型起重机。
[0021] 图1显示了在组装位置中带有三个叶片20的VAWT结构10的侧视图。VAWT结构10还可具有塔筒(mast)22和连接到该塔筒的一个或多个横支撑(strut)25，所述横支撑用于支撑VAWT结构的叶片20。可用下文将描述的技术来吊装的VAWT结构可包括垂直轴风力发电机，该风力发电机具有20到200米的直径、50到400米的风轮高度和20到3000吨的重量。
[0022] 在一个实施例中，当VAWT结构10处于水平组装姿态时，有多个支架24用于支撑塔筒22。每个支架24的高度可以根据工地现场的海拔或地形而有所不同。塔筒22具有顶部组件26和底部组件28。塔筒连结部30连接至塔筒22的底部组件28的周边，并被设计为用于在塔筒22旋转到其运行位置时将塔筒22定位，以使得塔筒22精确地装配到基础钢结构36中，一旦VAWT结构10被安装好，该基础钢结构36将承受VAWT结构10的整体重量。基础钢结构还可容纳联接至该结构10的发电机，随着叶片遇到风/气流并使风力发电机转动，该发电机产生电力。支撑结构56可旋转地连接到VAWT结构10的底部部分，以使得VAWT结构10可以相对于支撑结构56旋转(利用以下所述的起重扒杆组件32)，从而VAWT结构10的底部在吊装时将与基础钢结构36接合连接(interface)。在利用塔筒连结部30的帮助而吊装期间，塔筒22可被正确地定位，因为塔筒连结部允许该结构10从水平位置(在该位置中，其被构建并装配)旋转到垂直运行位置。
[0023] 为了利用以下所述的吊装方法来吊装大于100吨重量的VAWT结构10，只需要将塔筒22(及VAWT结构10)从水平方位倾斜/旋转到垂直方位，因为VAWT结构10的其余部分连接至塔筒22，如美国专利5,531,567所述。为了吊装塔筒22而不使用诸如240吨或更大的起重机这样的大能力起重机，作为VAWT吊装套件(kit)一部分的附带结构/装置被用于吊装VAWT，如下所述。以下将描述用于吊装VAWT的方法。
[0024] 图2显示了具有起重扒杆组件32的VAWT结构10(以及塔筒22和叶片20)的俯视图，其用于吊装VAWT结构10。在一个实施方式中，起重扒杆组件32可包括第一起重扒杆32a和第二起重扒杆32b，二者在每个起重扒杆的上端部38处通过连接件34连接到一起。
每个起重扒杆还具有底端40，该底端与起重扒杆基部42铰接并将此基础锚固到地面。起重扒杆基部42允许起重扒杆绕该基部枢转。在一个实施方式中，第一和第二起重扒杆32a、
32b彼此相对地水平定位并位于VAWT结构10的相对侧上，以使得塔筒的中心与圆形发电机基础钢结构36的中心共线且VAWT在安装期间沿至少一个轴线平衡。在具有两个起重扒杆
32a、32b的实施方式中，两个起重扒杆32a、32b最初置于地面上并关于切过塔筒22中心线的中心线对称。在一个实施方式中，每个起重扒杆32的旋转轴线(在基部42处)离开发电机基部中心有1至12米的距离。例如，每个起重扒杆的旋转轴线可以离开发电机基部中心3米。起重扒杆32的提升高度是60米，且其提升能力为240吨。起重扒杆可以是垂直轴风力发电机总高度的50％至65％。
每个起重扒杆还具有底端40，该底端与起重扒杆基部42铰接并将此基础锚固到地面。起重扒杆基部42允许起重扒杆绕该基部枢转。在一个实施方式中，第一和第二起重扒杆32a、
32b彼此相对地水平定位并位于VAWT结构10的相对侧上，以使得塔筒的中心与圆形发电机基础钢结构36的中心共线且VAWT在安装期间沿至少一个轴线平衡。在具有两个起重扒杆
32a、32b的实施方式中，两个起重扒杆32a、32b最初置于地面上并关于切过塔筒22中心线的中心线对称。在一个实施方式中，每个起重扒杆32的旋转轴线(在基部42处)离开发电机基部中心有1至12米的距离。例如，每个起重扒杆的旋转轴线可以离开发电机基部中心3米。起重扒杆32的提升高度是60米，且其提升能力为240吨。起重扒杆可以是垂直轴风力发电机总高度的50％至65％。
[0025] 对于具有总长为130米的VAWT来说，一般的吊装方法需要提升高度至少为120米且提升能力为至少150吨的起重机。但是，使用起重扒杆组件32消除了用大型起重机来吊装VAWT结构10的需要。对于具有总长为130米的VAWT来说，起重扒杆组件只有60米长，并可以用于提升多于240吨的重量。但是，以下所述的吊装方法可以通过利用更长的起重扒杆组件32而用于大得多的VAWT 10。总而言之，该技术需要仅为VAWT结构10的塔筒总长度一半的起重扒杆组件32，却能允许更大的提升能力。
[0026] 现将描述用于利用起重扒杆吊装垂直轴风力发电机的新方法。该新方法利用在以下描述的新安装部件。在该新吊装方法中，使用可构建在如下所述的塔筒22和基础钢结构36中的铰链连结部，以使得当VAWT被装配时，其可绕铰链连结部倾斜到位，并由此提供内铰链吊装方法。内铰链吊装方法使组装和吊装过程简化，以使其更安全、更便宜和更快捷。
内铰链吊装方法继续使用如上所述及以下进一步描述的起重扒杆和绞车。
内铰链吊装方法继续使用如上所述及以下进一步描述的起重扒杆和绞车。
[0027] 图3示出了基部部分铰链50的实施方式的一个例子，该基部部分铰链形成内铰链吊装方法期间使用的铰链连结部的一部分。基部部分铰链50可装配到上述基础钢结构36上，并允许连接到该铰链的结构相对于基础钢结构36旋转。在所示实施方式中，基部部分铰链50可由金属制成，例如钢，其还可进一步包括基部部分52、铰链部分54和下部部分
56，该基部部分52在连接至基础钢结构36时位于基础钢结构36上，该铰链部分54允许基部部分铰链相对于基础钢结构36旋转，当基部部分铰链如以下所述的图5和6所示地位于基础钢结构中时，该下部部分56抵靠在该基础钢结构36内。
56，该基部部分52在连接至基础钢结构36时位于基础钢结构36上，该铰链部分54允许基部部分铰链相对于基础钢结构36旋转，当基部部分铰链如以下所述的图5和6所示地位于基础钢结构中时，该下部部分56抵靠在该基础钢结构36内。
[0028] 图4示出了塔筒铰链60的实施方式的一个例子，该塔筒铰链形成铰链连结部的一部分，该部分在内铰链吊装方法期间使用。塔筒铰链60可装配到上述塔筒22上并被固定，且还允许连接到该铰链的结构相对于塔筒22旋转。在所示实施方式中，塔筒铰链60可由金属制成，例如钢，其还可进一步包括主体部分62、一个或多个突出部64和铰链部分66，该主体部分围绕塔筒装配，该铰链部分允许塔筒铰链60相对于基部塔筒22旋转，如将在以下详细描述的图5和6所示。围绕塔筒铰链周边的该一个或多个突出部64用于联接构成垂直轴风力发电机的一个或多个叶片(在一个实施例中是3个叶片)。
[0029] 图5和6示出了在吊装垂直轴风力发电机期间一起用作内铰链的基部部分铰链和塔筒铰链的操作。当如图6所示那样组装时，内铰链是一种用于将塔筒22与基础钢结构36和包含在基部中的传动系对齐的机构。直到吊装过程开始，铰链的两个部分被断开连接并水平地分开以允许转子的组装，如图5所示。如图5所示，基部部分铰链50显示为在基础钢结构36上方，并被紧固至基础钢结构36，塔筒铰链60如图所示被联接/附加至塔筒22。内铰链还可以包括部分70，该部分位于铰链部分之间并与它们对齐，如图6所示，以使得诸如螺栓或销这样的机构可以从铰链部分和该部分70螺纹旋拧，以便可旋转地将这两个铰链部分紧固到一起，从而塔筒22可相对于基础钢结构36旋转，由此允许塔筒旋转到垂直的被安装位置。
[0030] 图7A和7B示出了垂直轴风力发电机的基础钢结构36的实施方式的例子。基础钢结构36可包括基部部分36a，随着垂直轴风力发电机如下所述旋转并倾斜到位时，该基部部分锚固至地面并足够坚固来承受施加在其上的载荷。基础钢结构36还包括铰链保持件36b，该保持件连接至基部部分36a并包括所述部分70，如图7B所示。
[0031] 图8-10示出了塔筒支撑塔架的详细情况，所述塔筒可以与内铰链吊装方法一起使用。在内铰链吊装过程中，第一和第二塔筒支撑塔架801、802如图7所示可用于支撑塔筒22的中心部分221。如图8所示的每个塔筒支撑塔架都包括具有预定高度的支架部分82和在支架部分顶部处的辊子部分。每个塔筒支撑塔架允许三个运动自由度。具体地，如图9所示，每个辊子部分84具有第一套辊子84a和第二套辊子84b，其中，一套辊子允许塔筒旋转以使得横支撑和叶片组件总是低于地面，如以下所述。第二套辊子允许被装配的转子将上部和下部铰链部件正确地定位用于连接。塔筒塔架横拉中的张紧力可以变化，以确保铰链部件正确地匹配并允许在吊装之前进行塔筒伸直。
[0032] 图11示出了准备垂直轴风力发电机的塔筒底部90的详细情况。在塔筒的底部处，一套器械92可以如图所示连接至塔筒铰链60下方的塔筒，并紧固至铰链部分。另外，轻质(lightening)保护杆94与一套电线96安装在塔筒基部处，其中，一些电线将该套器械连接至其它电路，并且一些电线将轻质保护杆连接到地面。另外，一个或更多牵索(guy wire)98可连接在塔筒的底部90处，这些牵索在以下所述的组装和吊装过程期间被使用。
[0033] 图12、13A和13B示出了横支撑连接到垂直轴风力发电机的叶片组件的例子的详细情况。在60度的位置处(180度是笔直向上，0度是笔直向下)，下部和上部横支撑组件100连接至塔筒，如图12所示。如果使用菱形撑杆(diamond stay)102被使用，则它们在此时如图12所示那样安装。一个或多个菱形撑杆被用于在强风期间保持塔筒刚度。如果用于安装的场地具有高于一定临界值的峰值风力，则使用菱形撑杆。使用菱形撑杆的临界值是当强风承受状态(high wind survival condition)超过塔筒的刚度和周期疲劳极限的时候。然后叶片段(图15上的B1、B2和B3)连接至塔筒22和横支撑并与销连接。图13A和13B显示了横支撑与叶片的连结部的详细情况，其中图13B显示了横支撑100连接至两个叶片的相对端部。每个横支撑100的端部可具有连结部110，两个销/螺栓112a、112b通过该连结部插入并紧固以便将叶片端部可旋转地紧固至横支撑。如图13B所示，每个叶片的端部可具有可旋转地连接至横支撑的第一和第二突出部114a、114b。每个叶片的端部还可具有一个或多个提升点116，所述提升点在垂直轴风力发电机建造期间用于提升/移动叶片部分。
[0034] 图14-18示出了可以利用内铰链方法吊装的垂直轴风力发电机的详细情况。具体地，图14示出了每个叶片(NACA翼型(NACA：National Air CarrierAssociation全国空运机协会[美国]))的NACA段120安装在横支撑100和塔筒22的底部和顶部部分。每个NACA段与销112a、112b连接，这些销部分地插入以便为其它叶片部分留下足够的间隙。如图15所示，要被安装的S824叶片段130和连结销112a、112b被完全插入。最后，两个连结销被连接以减小潜在的叶片震颤。
[0035] 垂直轴风力发电机可利用两种不同的方法吊装，以下将详细描述每种方法。这两种方法的不同之处在于，在第一方法中，塔筒仅作一次120度的旋转，而在替换的方法中，如下所述安装有挡风板(wind screen)并且需要两次120度的旋转。
[0036] 图16-18示出了利用内铰链吊装垂直轴风力发电机的第一方法。可使用小型绞车来使具有一套横支撑的塔筒和叶片(以及菱形撑杆，如果使用的话)从60度方位旋转到180度方位。重复用于安装横支撑和叶片的上述过程，直到第二套横支撑组件、菱形撑杆(如果使用的话)、叶片和弹头形叶片整流装置(bullet blade fairing)连接至塔筒22，如图17所示。在第二套横支撑组件、菱形撑杆(如果使用的话)、叶片和弹头形整流装置进行安装的同时，第三套横支撑组件、菱形撑杆(如果使用的话)、叶片和弹头形整流装置被安装在300度位置，如图18所示。
[0037] 利用该小型绞车，塔筒和转子组件旋转120度以便第二套横支撑组件；菱形撑杆(如果使用的话)；叶片和整流装置处于180度方位。再次使用小型绞车来使塔筒旋转另一120度，且第三套横支撑组件、菱形撑杆(如果使用的话)、叶片和弹头形整流装置以60度方位连接至塔筒，如图18所示。
[0038] 在替换方法中，如果风的干扰“太”大，则可以沿塔筒全长来安装挡风板200(如图20所示)，第一套横支撑组件、菱形撑杆(如果使用的话)、叶片段和弹头形整流装置以挡风板顺风芳香60度方位来安装。这两种方法接下来具有如下所述的相同其余过程。
[0039] 由此，在任一方法中，一旦所有的横支撑和叶片如图18所示地组装，则组装好的VAWT被定位为使得塔筒铰链60和基部部分铰链50可以销接在一起。该过程可以通过将塔筒托起到第二套辊子上实现，而小型绞车可以用于定位所述铰链。另外，塔筒支撑塔架的张力变化，以便使铰链完美地对齐并确保塔筒在吊装之前是笔直的。
[0040] 如第一方法的图19和替换方法的图20所示，提升缆线可以围绕中部的塔筒到塔筒的凸缘210任一侧上的提升点和上部的塔筒到塔筒的凸缘212处的提升点弯曲，并螺纹旋拧经过所述提升点。提升缆线利用滑轮组和缆线216紧固至起重扒杆横梁杆214。该组件连接至提升绞车218。
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