用于制造用于防止涡旋脱落的风力涡轮塔架结构的方法

摘要

一种用于制造风力涡轮的塔架结构的方法包括经由增材打印装置来打印粘结材料的风力涡轮的塔架结构。方法还包括经由增材打印装置在风力涡轮的塔架结构的外表面上打印一个或多个额外的气流修改特征，以便减小和/或防止塔架结构的涡旋脱落、激振和/或拖曳。此外，方法包括固化粘结材料以便形成塔架结构。

说明书

技术领域

本公开内容大体上涉及风力涡轮塔架，且更特别地涉及制造用于防止涡旋脱落、减小拖曳(drag)和/或增强结构的风力涡轮塔架结构的方法。

背景技术

风力被认为是目前可用的最清洁、最环境友好的能源中的一种，且风力涡轮在该方面获得了增加的关注。现代的风力涡轮典型地包括塔架、发电机、齿轮箱、机舱以及一个或多个转子叶片。转子叶片使用已知的翼型原理来获取风的动能。转子叶片传输呈旋转能形式的动能，以便转动轴，该轴将转子叶片联接到齿轮箱(或如果不使用齿轮箱，直接地联接到发电机)。发电机然后将机械能转换成电能，该电能可部署至公用网。

风力涡轮塔架大体上由钢管、预制混凝土区段或其组合来构造。此外，管和/或混凝土区段典型地不在现场形成，运送于现场，且然后布置在一起以竖立塔架。例如，一种制造方法包括形成预铸混凝土环，将环运送到现场，将环布置在彼此顶上，以及然后将环固定在一起。然而，随着风力涡轮在尺寸上不断增长，常规的制造方法受运输规定所限制，该运输规定禁止运送具有大于约4至5米的直径的塔架区段。因此，某些塔架制造方法包括形成多个弧节段，以及将节段在现场固定在一起以形成塔架的直径，例如经由栓接。然而，此类方法需要大量的劳动且可为耗时的。

另外，圆柱形塔架可导致涡旋脱落，其大体上指当空气在某些速度下流经钝(与流线型相反)体时发生的振荡流(取决于塔架的尺寸和形状)。因此，在振荡流中，涡旋在本体的后部处产生且周期性地从其任意侧分离。因此，经过本体的流体流在本体的下游侧上产生交替的低压涡旋。如果钝体不是牢固安装的且涡旋脱落的频率匹配塔架的共振频率，然后塔架可开始共振，与由流的能量所驱动的谐波振荡一起振动。另外，塔架上的气体动力的拖曳增加结构上的负载以及减小风速，其对顺风的转子机可具有负面影响。

考虑到前述内容，本领域不断寻求用于制造风力涡轮塔架的改进方法。相应地，本公开内容涉及解决上述问题的用于制造风力涡轮塔架结构的方法。

发明内容

本发明的方面和优点将在以下描述中部分地阐述，或可从描述中明显，或可通过实施本发明来获悉。

在一方面，本公开内容涉及一种用于制造风力涡轮的塔架结构的方法。方法包括经由增材打印装置来打印粘结材料的风力涡轮的塔架结构。方法还包括经由增材打印装置在风力涡轮的塔架结构的外表面上打印一个或多个额外的气流修改特征，以便减小和/或防止塔架结构的涡旋脱落、激振(excitation)和/或拖曳。此外，方法包括固化粘结材料以便形成塔架结构。

在一个实施例中，额外的气流修改特征可包括边条(strake)、凹坑、突起、陷窝、至少部分地围绕塔架结构卷绕的一个或多个线圈或者其组合。在另一实施例中，方法可包括经由增材打印装置来打印粘结材料的风力涡轮的塔架结构以具有非圆柱形形状，以便进一步减小和/或防止塔架结构的涡旋脱落、激振和/或拖曳。

在额外的实施例中，在打印期间，方法可包括在塔架结构的一个或多个位置处将一个或多个增强元件至少部分地嵌入粘结材料内。在此类实施例中，在一个或多个位置处将一个或多个增强元件至少部分地嵌入粘结材料内可包括在塔架结构打印期间经由增材打印装置在一个或多个位置处将增强元件打印于粘结材料内。更特别地，在一个实施例中，增强元件可包括伸长线缆或线、螺旋状线缆或线、增强筋、金属或聚合物增强纤维、增强金属环联接件和/或网。此类元件可静态地置于塔架结构中以提供混凝土增强，或在粘结材料固化了之后预张紧以使塔架结构处于压缩下。

在若干实施例中，方法可包括在风力涡轮的基部上提供塔架结构的一个或多个模具，以及经由增材打印装置在一个或多个模具内打印风力涡轮的塔架结构。在此类实施例中，方法还可包括经由增材打印装置来打印塔架结构的一个或多个模具。

在另一方面，本公开内容涉及一种用于制造风力涡轮的塔架结构的方法。方法包括经由增材打印装置在塔架结构的基部上打印粘结材料的风力涡轮的塔架结构。此外，方法包括固化粘结材料以便形成塔架结构。另外，方法包括在塔架结构的外表面上提供一个或多个增强线缆。此外，方法包括经由增材打印装置在风力涡轮的塔架结构的外表面上打印一个或多个额外的气流修改特征，以便减小和/或防止在风力涡轮的安装、空转、维修或操作期间塔架结构的涡旋脱落、激振和/或拖曳。

在一个实施例中，在塔架结构的外表面上提供增强线缆可包括：围绕塔架结构在相同方向上卷绕增强线缆，卷绕之间具有可变的间隔；以及张紧塔架结构的外表面上的增强线缆，以向塔架结构提供变化的压缩水平。备选地，在塔架结构的外表面上提供增强线缆可包括：围绕塔架结构在相反方向上卷绕多个增强线缆，卷绕之间具有恒定的间隔；以及张紧塔架结构的外表面上的增强线缆，以向塔架结构提供一致的压缩水平。该压缩作用于轴向(即，高度)方向以及水平(即，环)方向两者上，允许塔架结构的粘结材料受优化，从而与常规方法相比减小塔架结构中所需要的粘结材料的量。

在另一实施例中，在塔架结构的外表面上提供一个或多个增强线缆可包括：在塔架结构的外表面上提供增强线缆之前，预张紧增强线缆；以及在固化粘结材料之后，释放一个或多个预张紧的增强线缆。

在此外的实施例中，在塔架结构的外表面上提供增强线缆可包括经由增材打印装置在塔架结构的外表面上打印增强线缆。在若干实施例中，增强线缆可包括例如实心增强筋、中空增强筋、拉挤增强筋和/或网。还应理解的是，方法还可包括如本文中描述的额外特征和/或步骤中的任一个。

在又一方面，本公开内容涉及一种用于风力涡轮的塔架结构。塔架结构包括：塔架壁，其至少部分地由粘结材料形成；以及一个或多个额外的气流修改特征，其增材打印到风力涡轮的塔架壁的外表面上，以便减小和/或防止在风力涡轮的安装、空转、维修或操作期间塔架结构的涡旋脱落、激振和/或拖曳。应理解的是，塔架结构还可包括如本文中描述的额外特征中的任一个。

参照以下描述和所附权利要求书，本发明的这些及其它特征、方面和优点将变得更好理解。结合于该说明书中且构成该说明书的一部分的附图示出本发明的实施例，且与描述一起用来解释本发明的原理。

附图说明

针对本领域普通技术人员的本发明(包括其最佳模式)的完整且开放(enabling)的公开内容在参照附图的说明书中阐述，在附图中：

图1示出根据本公开内容的风力涡轮的一个实施例的透视图；

图2示出根据本公开内容的风力涡轮的塔架结构的一个实施例的截面图；

图3示出根据本公开内容的风力涡轮的塔架结构的一个实施例的一部分的细节局部放大图；

图4示出根据本公开内容的用于在风力涡轮现场处制造风力涡轮的塔架结构的方法的一个实施例的流程图；

图5示出根据本公开内容的构造成用于打印风力涡轮的塔架结构的增材打印装置的一个实施例的示意图；

图6示出根据本公开内容的用于在风力涡轮现场处制造风力涡轮的塔架结构的方法的一个实施例的流程图；

图7示出根据本公开内容的风力涡轮的塔架结构的一个实施例的透视图，特别地示出在相同方向上卷绕于塔架结构的外表面上的增强线缆，卷绕之间具有可变的间隔；

图8示出根据本公开内容的风力涡轮的塔架结构的另一实施例的透视图，特别地示出在相反方向上卷绕于塔架结构的外表面上的增强线缆，卷绕之间具有恒定的间隔；

图9示出图8的塔架结构的一部分的细节部分，特别地示出从竖直延伸的钢筋(rebar)进行双侧打印的相反的增强线缆；

图10示出根据本公开内容的风力涡轮的塔架结构的又一实施例的透视图，特别地示出卷绕于塔架结构的外表面上的预张紧的增强线缆；以及

图11示出根据本公开内容的增材打印装置的控制器的一个实施例的框图。

具体实施方式

现在将详细地参照本发明的实施例，其一个或多个示例在图中示出。每个示例提供作为本发明的解释，不是本发明的限制。事实上，对本领域技术人员将明显的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中进行各种修改和变化。例如，示出或描述为一个实施例的部分的特征可供另一实施例使用，以产生还此外的实施例。因此，意图的是，本发明覆盖如归于所附权利要求书和其等同物的范围内的此类修改和变化。

大体上，本公开内容涉及用于经由诸如增材制造、3-D打印、喷射沉积、挤出式增材制造、混凝土打印、自动纤维沉积以及利用计算机数字控制和多个自由度来沉积材料的其它技术之类的技术使用粘结材料的自动沉积来制造风力涡轮塔架的方法。更特别地，本公开内容的方法包括在混凝土风力涡轮塔架中打印特征或备选的几何形状以消除涡旋脱落的可能。例如，在某些实施例中，打印的特征/几何形状可包括其中打印(printed-in)的边条或预定的外部轮廓(例如，凹坑边缘、陷窝等)。

现在参照图，图1示出根据本公开内容的风力涡轮10的一个实施例。如示出的，风力涡轮10包括从基部15或支承表面延伸的塔架12，其中机舱14安装在塔架12顶上。多个转子叶片16安装到转子毂18，该转子毂18继而连接到主凸缘，该主凸缘转动主转子轴。风力涡轮功率生成和控制构件容纳于机舱14内。图1的图仅出于示出的目的提供，以使本发明置于示例性使用领域中。应了解的是，本发明不限于任何特定类型的风力涡轮构造。另外，本发明不限于供风力涡轮塔架使用，而是可用于除了风力塔架之外具有混凝土构造和/或高塔架的任何应用(包括例如住所、桥、高塔架和混凝土行业的其它方面)中。此外，本文中描述的方法还可应用于制造任何类似的结构，其受益于本文中描述的优点。

现在参照图2，示出根据本公开内容的风力涡轮10的塔架结构12的一个实施例的局部截面图。如示出的，塔架结构12可由多个区段25、27形成。更特别地，如示出的，塔架结构12可具有第一塔架区段25和第二塔架区段27。另外，所示出的塔架12限定具有外表面22和内表面24的周向塔架壁20。此外，如示出的，周向塔架壁20大体上限定中空内部26，该中空内部26通常用来沿塔架12中的不同位置容纳各种涡轮构件(例如，功率转换器、变压器等)。另外，如下文将更详细描述的，塔架结构12至少部分地使用增材制造来形成。此外，如示出的，塔架结构12至少部分地由粘结材料28形成，该粘结材料28可用一个或多个增强元件30来增强。在特定的实施例中，本文中描述的增强元件30可包括例如伸长线缆或线、增强筋(中空或实心)、增强纤维(金属或聚合物)、增强金属环(圆形、椭圆形、螺旋形以及如可为相关的其它者)或联接件、网和/或如本领域中可已知来增强混凝土结构的任何此类结构。因而，增强的塔架结构12构造成承受可导致塔架12易受破裂的风载。另外，如本文中使用的，粘结材料28可包括构造成在固化之后结合在一起以形成结构的任何合适的可使用的糊状物。合适的粘结材料包括例如混凝土、沥青树脂、柏油、粘土、粘结剂、粘结组合物或类似物。

现在参照图3，示出塔架结构12的外表面22的细节局部放大图。如示出的，所示出的塔架结构12包括一个或多个额外的气流修改特征40，其增材打印于风力涡轮10的塔架结构12的外表面22上，以便减小和/或防止塔架结构12的涡旋脱落、激振和/或拖曳。例如，本文中描述的额外的气流修改特征40可包括边条、凹坑、突起、陷窝、至少部分地围绕塔架结构12卷绕的一个或多个线圈或者其组合。更特别地，如所示出的实施例中示出的，额外的气流修改特征40对应于多个凹坑。

现在参照图4-9，本公开内容涉及制造用于防止涡旋脱落、激振和/或拖曳的风力涡轮塔架结构的方法，例如经由增材制造。如本文中使用的，增材制造大体上理解成包含用来合成三维物体的过程，其中在计算机控制下形成连续的材料层来产生物体。因而，几乎任何尺寸和/或形状的物体可从数字模型数据产生。还应理解的是，本公开内容的增材制造方法可包含三个自由度以及多于三个自由度，使得打印技术不限于打印堆叠的二维层，而是还能够打印弯曲和/或不规则的形状。

特别地参照图4，示出用于在风力涡轮现场处制造风力涡轮的塔架结构以减小和/或防止塔架结构的涡旋脱落、激振和/或拖曳的方法100的一个实施例的流程图。大体上，本文中将参照图1-3中示出的风力涡轮10和塔架结构12来描述方法100。然而，应了解的是，所公开的方法100可实施于具有任何其它合适构造的塔架结构。另外，虽然图4出于示出和论述的目的描绘以特定的顺序执行的步骤，本文中论述的方法不限于任何特定的顺序或布置。使用本文中提供的公开内容，本领域技术人员将了解，本文中公开的方法的各种步骤可在不脱离本公开内容的范围的情况下以各种方式省略、重新布置、组合和/或调整。

如(102)处示出的，方法100可包括经由增材打印装置32来打印粘结材料28的风力涡轮10的塔架结构12。例如，如图5中示出的，示出根据本公开内容的增材打印装置32的一个实施例的示意图。应理解的是，本文中描述的增材打印装置32大体上指具有用于将材料(诸如粘结材料28)沉积到表面上的一个或多个喷嘴的任何合适的增材打印装置，其由控制器(诸如控制器44)自动控制以形成计算机内编程的物体(诸如CAD文件)。更特别地，如示出的，增材打印装置32可包括用于沉积各种材料的一个或多个喷嘴34。例如，如所示出的实施例中示出的，增材打印装置32包括两个喷嘴34。在此外的实施例中，增材打印装置32可包括任何合适数量的喷嘴34。另外，增材打印装置32可包括喷射器36，该喷射器36在下文更详细地论述。

仍参照图5，方法100可包括提供塔架结构12的一个或多个模具38，例如在风力涡轮10的基部15上。应理解的是，本文中描述的模具38可为实心的、多孔的和/或打印有开口以注射粘结材料38。另外，在一个实施例中，模具38可预制并输送到风力涡轮现场。在备选实施例中，如图5中示出的，增材打印装置32还可构造成打印塔架结构12的模具38。例如，如示出的，喷嘴34中的一个可构造成分配聚合物材料，以用于在风力涡轮10的基部15(或任何其它合适的在现场的位置)上建立模具38。

合适的聚合物材料可包括例如热固性材料、热塑性材料、配置成随时间降解/分解的生物可降解的聚合物(诸如基于谷物的聚合物体系、真菌类添加剂材料或基于藻类的聚合物体系)，或其组合。因而，在一个实施例中，外聚合物模具可随时间生物可降解，而内聚合物模具保持完好。在备选实施例中，外模具和内模具可由相同的材料来构造。

在此类实施例中，如示出的，增材打印装置32可构造成用粘结材料28填充塔架结构12的模具38。更特别地，如示出的，喷嘴34中的一个或多个可构造成将粘结材料28打印到模具38中。在备选实施例中，增材打印装置32的喷射器36可简单地用粘结材料28喷射或填充模具38，例如通过从模具38的顶部喷射粘结材料28或通过使粘结材料28喷射穿过模具中的开口，而不是打印粘结材料28。

在额外的实施例中，在打印期间，方法100可包括在塔架结构12的一个或多个位置处将增强元件30中的一个或多个至少部分地嵌入粘结材料28内。在此类实施例中，增材打印装置32可构造成在塔架结构12打印期间在一个或多个位置处将增强元件30打印于粘结材料28内。

在此外的实施例中，增材打印装置32构造成以考虑其固化速率的方式打印粘结材料28使得塔架结构12在它形成时可结合至它自身。另外，虽然增材形成的粘结材料28在打印期间可弱，增材打印装置32构造成打印塔架结构12使得它可承受壁20的重量。在某些实施例中，方法100可包括经由增材打印装置32来打印塔架结构12以具有非圆柱形的或备选的形状，以便进一步减小和/或防止塔架结构12的涡旋脱落、激振和/或拖曳。

返回参照图4，如(104)处示出的，方法100还可包括经由增材打印装置32在风力涡轮10的塔架结构12的外表面22上打印额外的气流修改特征40中的一个或多个，以便减小和/或防止塔架结构12的涡旋脱落、激振和/或拖曳。例如，本文中描述的额外的气流修改特征40可包括边条、凹坑、突起、陷窝、至少部分地围绕塔架结构12卷绕的一个或多个线圈或者其组合。如(106)处示出的，方法100还可包括固化粘结材料28以便形成塔架结构12。

特别地参照图6，示出用于在风力涡轮现场处制造风力涡轮的塔架结构以减小和/或防止塔架结构的涡旋脱落、激振和/或拖曳的方法200的另一实施例的流程图。大体上，本文中将参照图1-3中示出的风力涡轮10和塔架结构12来描述方法200。然而，应了解的是，所公开的方法200可实施于具有任何其它合适构造的塔架结构。另外，虽然图6出于示出和论述的目的描绘以特定的顺序执行的步骤，本文中论述的方法不限于任何特定的顺序或布置。使用本文中提供的公开内容，本领域技术人员将了解，本文中公开的方法的各种步骤可在不脱离本公开内容的范围的情况下以各种方式省略、重新布置、组合和/或调整。

如(202)处示出的，方法200可包括经由增材打印装置32在塔架结构12的基部(诸如风力涡轮10的基部15)上打印粘结材料28的风力涡轮10的塔架结构12。例如，如提到的，增材打印装置32可构造成打印粘结材料28的塔架结构12和/或可如本文中描述的那样用粘结材料28填充一个或多个模具38。如(204)处示出的，方法200可包括固化粘结材料28以便形成塔架结构12。

如(206)处示出的，方法200可包括在塔架结构12的外表面22上提供一个或多个增强线缆30。例如，在一个实施例中，增材打印装置32可构造成在塔架结构12的外表面22上打印增强线缆30。在若干实施例中，增强线缆30可包括例如实心增强筋、中空增强筋、拉挤增强筋和/或网。另外，增强线缆30可由任何合适的材料来构造，包括例如金属或金属合金(诸如钢)、复合材料、玄武岩或类似物。

此外，在某些实施例中，如图7中示出的，方法200可包括：围绕塔架结构12在相同方向上卷绕增强线缆30，卷绕之间具有可变的间隔；以及张紧塔架结构12的外表面22上的增强线缆30，以向塔架结构12提供变化的压缩水平。在备选实施例中，如图8和图9中示出的，方法200可包括：围绕塔架结构12在相反方向上卷绕多个增强线缆30，卷绕之间具有恒定的间隔；以及张紧塔架结构12的外表面22上的增强线缆30，以向塔架结构12提供一致的压缩水平。更特别地，如图9中示出的，相反的增强线缆0可从竖直延伸的钢筋进行双侧打印。在此类实施例中，增强线缆30在环方向和上升方向上提供压缩。在又一实施例中，如图10中示出的，方法200可包括：在塔架结构12的外表面22上提供增强线缆30之前，预张紧增强线缆30；以及在固化粘结材料28之后，释放预张紧的增强线缆30。

返回参照图6，如(208)处示出的，方法200可包括经由增材打印装置32在风力涡轮10的塔架结构12的外表面22上打印额外的气流修改特征40中的一个或多个，以便减小和/或防止在风力涡轮10的安装、空转、维修或操作期间塔架结构12的涡旋脱落、激振和/或拖曳。

现在参照图11，示出增材打印装置32的控制器44的一个实施例的框图。如示出的，控制器44可包括一个或多个处理器46和相关联的存储器装置48，其配置成执行多种计算机实施的功能(例如，如本文中公开的那样执行方法、步骤、计算等以及存储相关的数据)。另外，控制器44还可包括通信模块50，以便于控制器44与增材打印装置32的各种构件之间的通信。此外，通信模块50可包括传感器接口52(例如，一个或多个模数转换器)，以允许从一个或多个传感器传输的信号转换为可由处理器46理解和处理的信号。应了解的是，传感器可使用任何合适的手段(包括例如有线连接和无线连接，诸如通过使用本领域中已知的任何合适的无线通信协议)来通信地联接到通信模块50。

如本文中使用的，用语“处理器”不仅指本领域中被认为是包括于计算机中的集成电路，而且指控制器、微型控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、专用集成电路以及其它可编程电路。处理器46还配置成计算先进的控制算法且以多种Ethernet或基于串行的协议(Modbus、OPC、CAN等)通信。另外，存储器装置48大体上可包括存储器元件，其包括但不限于计算机可读介质(例如，随机存取存储器(RAM)、计算机可读非易失性介质(例如，闪速存储器)、软盘、高密度光盘-只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)、数字多功能盘(DVD)和/或其它合适的存储器元件)。此类存储器装置48大体上可配置成存储合适的计算机可读指令，该指令在由处理器46实施时使控制器44配置成执行如本文中描述的各种功能。

该书面描述使用示例来公开本发明(包括最佳模式)，且还使本领域中的任何技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。本发明的可申请专利的范围由权利要求书限定，且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例包括不异于权利要求书的字面语言的结构元件，或如果它们包括与权利要求书的字面语言带有非实质性差异的等同结构元件，此类其它示例意在处于权利要求书的范围内。