Подъемная система для установки ветряной турбины - RU2729342C1
Код документа: RU2729342C1
Чертежи
Описание
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к подъемной системе для установки ветряной турбины, причем ветряная турбина содержит меры для облегчения использования указанной подъемной системы; к сегменту ветряной турбины, способу для установки ветряной турбины, способу для фиксации подъемной системы на ветряной турбине, способу для удаления подъемной системы с ветряной турбины и к способу для адаптации существующей ветряной турбины.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Установка оффшорных ветряных турбин представляет собой чрезвычайно дорогостоящую операцию. Большая часть высоких затрат на установку связывается с подъемом деталей ветряной турбины, которые должны быть установлены на вершине фундамента. Эти детали являются тяжелыми и имеют точно сформированные сочленения, которые должны быть установлены точно и осторожно друг к другу. Для этого нужны краны, которые устанавливаются на так называемых самоподъемных (jack up) средствах: самоподъемных платформах с подвижными ногами, способными поднимать каркас над поверхностью моря. Существуют некоторые известные альтернативы для jack up средств такие, как раскрытые в US9022691B2. В нем судно швартуется к фундаменту турбины, и судно, следом за этим, опускает завершенную ветряную турбину, которая закрепляется на судне, у основания башни на фундамент. Эта система по-прежнему требует большого судна. Кроме того, усилия, приложенные судном к фундаменту, огромны во время высоких или даже умеренных состояний моря. Это означает, что затраты по-прежнему высоки, что рабочие окна являются очень ограниченными, и что все еще нет решения, например, для замены лопасти. Другой способ установки раскрывается в WO2016112929, где судно опускается до тех пор, пока оно не будет опираться на морское дно так, что оно обеспечивает устойчивую рабочую платформу. Эта опция имеет почти те же недостатки, что и обычное jack up средство. Плавающая оффшорная ветряная турбина, как раскрыто в WO2016000681A1, снижает затраты на установку, однако она по-прежнему не предлагает экономически эффективное решение в случае выхода из строя большой детали, такой, как, например, лопасть, опора (подшипник) или генератор.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Целью изобретения является преодоление вышеупомянутых недостатков существующих решений.
Кроме того, затраты на работу и техническое обслуживание растут только постепенно с увеличением размера турбины и, следовательно, для минимизации затрат, ветряные турбины становятся все больше и больше. С увеличением размера и высоты, затраты на установку турбин не растут постепенно, но, по меньшей мере, линейно с размером турбины. Требуются имеющиеся в распоряжении самые большие промышленные краны, чтобы установить самые большие наземные ветряные турбины. Эти тяжелые узлы модульных кранов являются дорогостоящими, часто требуют укрепления дорог и специальных разрешений на транспортировку. В дополнение к этим недостаткам, указанным кранам требуется много места, которое не всегда доступно, и когда такой кран необходим для следующей турбины в ветряной ферме, может случиться так, что кран не сможет двигаться к ней, например, из-за того, что рельеф является сложным или дороги слишком малы. Тогда кран должен быть выведен из эксплуатации, транспортирован по частям и снова введен в эксплуатацию, что является неэффективной и затратной по времени операцией.
Поэтому необходимо иметь возможность устанавливать как оффшорную, так и наземную ветряную турбину более эффективно и, в частности, без использования большого многофункционального крана.
К тому же, согласно аспекту изобретения, предлагается подъемная система для установки оффшорной ветряной турбины, причем указанная подъемная система содержит меры для осуществления несущего нагрузку соединения с башней ветряной турбины и содержит меры по перемещению подъемной системы вверх и вниз вдоль башни, при этом подъемная система, когда она фиксируется на уже установленной части башни ветряной турбины с помощью указанного несущего нагрузку соединения, выполняется с возможностью устанавливать или удалять любой из сегментов башни над несущим нагрузку соединением, головку ветряного двигателя, генератор, втулку и лопасти.
Предпочтительно, во время операций подъема, несущее нагрузку соединение передает значительную часть веса подъемной системы в установленную часть башни ветряной турбины, например, по меньшей мере, 40% веса или более предпочтительно, по меньшей мере, 80% веса.
Подъемная система, согласно вышеупомянутому аспекту изобретения имеет удивительную выгоду, заключающуюся в том, что не требуется каких-либо других средств стабилизации, кроме уже существующей части ветряной турбины. Таким образом, это отменяет значительную часть затрат и сложность процесса установки оффшорного сооружения. Кроме того, благодаря способности восхождения, подъемная система намного меньше и легче обычного оффшорного крана. К тому же, подъемная система также может заменить, например, одну лопасть или только генератор без необходимости в jack up средстве. Эти преимущества являются действительно большими и предлагают удивительное решение постоянной проблемы, связанной с высокими затратами на установку и техническое обслуживание оффшорных сооружений.
Согласно аспекту изобретения, предлагается подъемная система для установки или технического обслуживания оффшорной или наземной ветряной турбины, содержащая колонну, стрелу крана и лебедку, при этом указанная колонна содержит меры для осуществления несущего нагрузку соединения с башней ветряной турбины и при этом указанная колонна содержит меры по перемещению подъемной системы вверх и вниз вдоль башни. Башня содержит одну или более точек фиксации, а колонна предназначается для создания несущего нагрузку соединения с частью башни с использованием одной или более точек фиксации, и при этом колонна выполняется с возможностью перемещать подъемную систему, по существу, в вертикальном направлении вдоль указанной части башни при ее соединении с частью башни.
Такая система может устанавливать следующие один за другим сегменты башни, одновременно перемещаясь вверх по установленным сегментам башни. После того, как только башня завершается, можно установить головку ветряного двигателя, генератор, втулку и лопасти ротора. Предпочтительно, такая система может быть использована как для оффшорных, так и для наземных ветряных турбин.
Предпочтительно, подъемная система, согласно настоящему изобретению, может быть использована вместо обычных, больших промышленных кранов для установки ветряных турбин, что позволяет строить ветряные турбины с меньшими затратами и не требует укрепления дорог и специальных разрешений на транспортировку. Кроме того, площадь строительной площадки ветряной турбины может быть уменьшена с 3000 м2, при использовании обычных кранов, до, примерно, 200 м2, когда используется подъемная система, согласно настоящему изобретению.
Колонна подъемной системы обычно содержит рельс, который направляет подъемную систему, по существу, в вертикальном направлении вдоль точек фиксации, которые фиксируются на башне. Предпочтительная максимальная длина указанного рельса составляет 60 м, в то время как предпочтительная минимальная длина составляет 10 м, предпочтительно 20 м, более предпочтительно 34 м. Относительно длинный рельс позволяет поднимать тяжелые детали, такие как нижние сегменты башни или головку ветряного двигателя, не прикладывая высокие боковые усилия к башне, поскольку усилие равно изгибающему моменту, разделенному на плечо.
Подъемная система является эффективной, поскольку она позволяет легко и быстро перемещать систему вверх и вниз по точкам фиксации на башне.
В варианте осуществления, подъемная система содержит рельс, секция которого может быть помещена в первую позицию, в которой секция рельса может быть размещена над точкой фиксации на башне ветряной турбины, и во вторую позицию, в которой она охватывает точку фиксации таким образом, что рельс может двигаться только вверх и вниз вдоль башни.
В варианте осуществления колонна подъемной системы содержит меры по перемещению подъемной системы вверх и вниз вдоль башни. Такие меры могут содержать исполнительный механизм для восхождения и исполнительный механизм для соединения, оба из которых могут быть как типом гидравлического цилиндра, так и типом электромеханического, линейного, исполнительного механизма. Эти исполнительные механизмы могут иметь фиксированную часть и подвижную часть. Фиксированная часть каждого исполнительного механизма может быть зафиксирована на одном конце к колонне, возможно, в виде шарнира. В варианте осуществления, согласно изобретению, другой конец зафиксированной части исполнительного механизма для восхождения соединяется с концом подвижной части исполнительного механизма для соединения, так что исполнительный механизм для соединения может перемещать исполнительный механизм для восхождения в направлении от местоположения вблизи колонны, до местоположения еще дальше от колонны. Конец подвижной части исполнительного механизма для восхождения представляет собой конец соединения, который содержит меры для присоединения к точке фиксации. Система восхождения включает в себя исполнительный механизм для восхождения, который может перемещать подъемную систему вверх и вниз, а конец соединения исполнительных механизмов для восхождения может управляться исполнительным механизмом для соединения из свободной позиции в позицию, в которой конец соединения присоединяется к точке фиксации.
В варианте осуществления, система восхождения содержит двойной комплект исполнительных механизмов для восхождения и для соединения, что имеет преимущества в распределении нагрузок и, следовательно, снижает стоимость системы и обеспечивает избыточность, так что система восхождения по-прежнему может работать, когда в комбинированной работе исполнительного механизма для восхождения и для соединения происходит отказ. В случае такого отказа подъемная система, по меньшей мере, все еще может быть перемещена вниз, к земле благодаря избыточности.
В варианте осуществления, система восхождения может содержать шпиндель, соединенный с рельсом, и простирающийся в диапазоне, по меньшей мере, превышающим максимальное расстояние между следующими одна за другой точками фиксации, каковой шпиндель приводится в действие электрическим или гидравлическим двигателем и соединяется с тележкой, которая перемещается за счет вращения шпинделя вдоль рельса, и каковая тележка может создавать несущее нагрузку соединение с точкой фиксации.
В варианте осуществления, подъемная система содержит первую и вторую систему восхождения, причем расстояние между центром присоединения первого исполнительного механизма для восхождения к колонне и центром присоединения второй системы восхождения к колонне равно, в частности, 5,7 м и, по меньшей мере, 1,8 м в направлении длины колонны. Преимущество в наличии двух систем восхождения заключается в том, что каждый исполнительный механизм для восхождения может иметь, примерно, половину длины, по сравнению с единственной системой восхождения, что обеспечивает лучшую устойчивость и более низкие затраты. Две системы восхождения в повторяющемся режиме используются для перемещения подъемной системы, по существу, в вертикальном направлении вдоль башни. Например, сначала первая система восхождения фиксируется в точке фиксации и тянет подъемную систему вверх, выше, примерно, чем на 50% расстояния между точками фиксации, затем вторая система восхождения соединяется с другой точкой фиксации, затем первая система восхождения отсоединяется, и следом за этим вторая система восхождения тянет подъемную систему дальше вверх, так что она может быть зафиксирована в следующей точке фиксации. Будет ясно, что также могут быть использованы три, четыре, пять и т.д. систем восхождения, каждая из которых может перемещать подъемную систему вверх, соответственно, примерно на одну треть, одну четвертую, одну пятую и т.д. расстояния между точками фиксации, каковые расстояние составляет обычно от 6 м до 26 м, предпочтительно от 10 до 18 м, например, около 11,5 м.
В варианте осуществления, подъемная система содержит цепь, движущуюся вокруг ведомых зубчатых колес, которые фиксируются на колонне. Благодаря фиксации цепи в точке фиксации, она может перемещать подъемную систему вверх и вниз. Другим факультативным средством для перемещения подъемной системы является фиксация каната с одной стороны в точке фиксации, а с другой стороны к лебедке, которая устанавливается на колонне.
В варианте осуществления, подъемная система содержит сцепление, которое может жестко фиксировать подъемную систему в точке фиксации таким образом, чтобы она могла передавать вертикальные усилия подъемной системы в точку фиксации, в частности, по меньшей мере, 30% этих вертикальных усилий и более, в частности, по меньшей мере, 90% этих вертикальных усилий. В варианте осуществления, верхняя позиция сцепления в колонне находится в пределах ниже 65% длины рельса и, предпочтительно, между 35% и 65% длины рельса.
В варианте осуществления сцепление между колонной и точкой фиксации таково, что во время операции подъема оно допускает, по меньшей мере, 0,25 градуса, а, предпочтительно, по меньшей мере, 0,5 градуса, а более предпочтительно, по меньшей мере, 1 градус, например, 2 градуса свободы вращения вокруг воображаемой горизонтальной оси между деталями, соедиными посредством этого сцепления. Эта свобода позволяет избежать тех значительных изгибающих моментов, которые прикладываются в точках фиксации и, следовательно, снижает затраты.
Предпочтительный вариант осуществления подъемной системы содержит стрелу крана, которая достигает, по меньшей мере, 15 м от рельса, а предпочтительно, по меньшей мере, 25 м от рельса. Согласно одному варианту осуществления подъемной системы, максимальная длина стрелы крана составляет 60 м. Еще одной предпочтительной подъемной системой является та, в которой стрела крана фиксируется на колонне с помощью подшипника рыскания и, в частности, в которой ось вращения указанного подшипника рыскания наклоняется в направлении длины рельса более чем на 0,5 градуса, предпочтительно более чем на 1 градус, более предпочтительно, менее, чем на 5 градусов. В еще одном предпочтительном варианте подъемной системы, стрела крана фиксируется шарниром наклона к подшипнику рыскания, или стрела крана содержит шарнир наклона, при этом шарнир наклона может регулироваться, по меньшей мере, на 20 градусов, а предпочтительно менее чем на 200 градусов. Наклонное движение может быть произведено гидравлическим или электромеханическим, исполнительным механизмом.
В варианте осуществления, колонна выдвигается более чем на 15 м, а предпочтительно, более чем на 25 м над рельсом и содержит подшипник рыскания, на котором прикрепляется почти горизонтальная стрела крана, которая содержит точку подъема, которая может перемещаться вдоль стрелы крана.
В варианте осуществления, стрела крана содержит лебедку, которая приводит в движение подъемный канат, и, в частности, стрела крана содержит несколько лебедок, каждая из которых имеет отдельный подъемный канат, ведущий к точке подъема, так что каждая лебедка несет часть общей нагрузки.
В варианте осуществления, подъемная система содержит стрелу крана, которая сгибается или отклоняется так, что отрезок от центра шарнира наклона до точки подъема находится на расстоянии до стрелы не менее чем 1,5 м, а предпочтительно, не менее чем 2,5 м, а более предпочтительно, около 4 м.
Подъемная система может быть запитана с помощью электрического кабеля от земли, от фундамента турбины или с судна. В варианте осуществления, подъемная система содержит источник питания на основе химической реакции, такой как дизельный генератор, топливный элемент или батарея, причем указанный источник питания устанавливается в подъемной системе так, что можно избежать длинного кабеля к земле или к уровню моря. Это экономит затраты и вес кабеля и позволяет избежать проблемы движения кабелей из-за ветра, что уменьшает окно погоды для операций подъема и снижает надежность системы. В варианте осуществления, источник питания подключается прямо или косвенно через электродвигатель к гидравлическому насосу. В другом варианте осуществления, подъемная система содержит второй гидравлический насос, который, например, может приводиться в действие с помощью электрического кабеля от земли, в качестве резервного.
В то время как для наземной установки ветряной турбины обычный тяжелый кран требует нескольких десятков грузовиков, например, 50 грузовиков для транспортировки, подъемная система, согласно изобретению, может быть транспортирована менее чем 5 грузовиками, например, только 2 стандартными грузовиками, что дает преимущество в потребностях к стоимости и пространству на площадке.
Дополнительным преимуществом для наземной ветряной турбины является то, что подъемная система может быть установлена за несколько часов, в то время как возведение тяжелого крана занимает несколько дней.
Еще одно преимущество для наземных ветряных турбин заключается в том, что подъемная система может перемещаться вверх и вниз вдоль башни ветряной турбины относительно быстро, по сравнению с известными системами подъема.
Согласно еще одному аспекту изобретения, предлагается ветряная турбина, содержащая башню, головку ветряного двигателя, генератор, втулку и, по меньшей мере, лопасть, причем башня содержит точки фиксации для фиксации и направления подъемной системы и, в частности, подъемной системы, согласно изобретению.
В варианте осуществления, ветряная турбина содержит точки фиксации на относительном расстоянии более чем 10 м и менее чем 30 м.
В варианте осуществления, башня ветряной турбины содержит трубчатые, соединяющиеся внахлест сегменты, которые скрепляются болтами друг с другом в месте соединения внахлест, и при этом точка фиксации устанавливается на месте соединения внахлест, так что требуется меньшее укрепление башни вблизи точек фиксации, поскольку соединяющиеся внахлест и образующие два слоя части имеют больше жесткости сами по себе.
В варианте осуществления, точка фиксации содержит укрепляющую конструкцию, которая фиксируется на башне, и которая простирается от центра точки фиксации не менее чем на 50 см, а предпочтительно, по меньшей мере, на 100 см. Такая укрепляющая конструкция может быть установлена на внешней стороне, или на внутренней стороне, или с обеих сторон башни. В частности, для первого или второго сегмента башни сегментированной башни укрепляющая конструкция может содержать конструкционную балку от точки фиксации до фундамента башни или конструкционную балку в почти горизонтальном направлении к стене башни в позиции, которая составляет более чем 10 градусов, а предпочтительно, более чем 30 градусов от точки фиксации при повороте вокруг оси башни, направленной вдоль стены башни.
В варианте осуществления ветряной турбины, точки фиксации выравниваются в продольном направлении башни с максимальным отклонением. Если имеются N точек фиксации, которые нумеруются от 1 до N в направлении вверх, для точки фиксации M, для M=1 до N-2, тогда линия между центрами точек фиксации M и M+1 находится на расстоянии до центра следующей точки фиксации максимально 5 см, предпочтительно, максимально 10 см, и более предпочтительно, максимально 20 см.
В варианте осуществления, ветряная турбина содержит башню с несущей нагрузку стеной и, в частности, башню, в которой стена несет нагрузку по длине башни ветровой турбины, согласно изобретению, представляющую собой неконструкционную башню с несущей нагрузку стеной по всей ее длине.
В варианте осуществления, ветряная турбина содержит башню, горизонтальное поперечное сечение внешней стороны которой имеет форму круга или многоугольника.
В варианте осуществления, ветряная турбина содержит трубчатую башню, которая содержит вертикальные сегменты, причем сегменты изготавливаются из согнутых или сложенных стальных пластин, которые простираются по всей вертикальной длине указанного сегмента.
В варианте осуществления, ветряная турбина содержит башню, которая содержит несколько вертикальных сегментов длиной от 10 м до 22 м, а предпочтительно, от 10 м до 16 м.
Башня может быть трубчатого типа и может быть изготовлена из предварительно напряженного железобетона или дерева или стали. Альтернативно, башня может быть конструкционной башней, или, другими словами, решетчатой башней, изготовленной из стали или дерева. Башня может быть частично трубчатого и частично решетчатого типа. Нижняя часть башни может быть треногой с тремя трубчатыми ногами, оболочкой или плавающей конструкцией, в частности в оффшорных зонах.
В варианте осуществления, ветряная турбина содержит башню, которая сужается на конус, по меньшей мере, больше чем на 50% от длины башни, а предпочтительно больше, по меньшей мере, чем на 80% от длины башни.
В варианте осуществления, подъемная система содержит прямой рельс, который может быть направлен, по меньшей мере, через две точки фиксации во время восхождения, и поэтому точки фиксации обычно выравниваются вдоль прямой линии в продольном направлении башни ветряной турбины. Благодаря пространственным и размерным допускам в точках фиксации в рельсе, между точками фиксации допускается некоторая криволинейность.
Рельс подъемной системы может быть не прямым и может иметь, вместо этого, постоянную криволинейность. В таком случае подъемная система может восходить на башни с постоянной криволинейностью в стене башни в вертикальном направлении.
Рельс подъемной системы может быть присоединен только к одной точке фиксации в части трека. Затем, подъемная система, как правило, также присоединяется посредством системы восхождения, ко второй точке фиксации. Преимущество такой подъемной системы заключается в том, что она может перемещаться вдоль башен, которые изменяют уровень конусности, например, от цилиндрического до конического.
В варианте осуществления, ветряная турбина содержит башню, точки фиксации которой, включающие в себя их укрепление, покрывают вместе менее чем 10%, а предпочтительно, менее чем 20% от длины башни в любом боковом виде башни.
В варианте осуществления, центр башни устанавливается на горизонтальном расстоянии от центра дамбы менее чем на 100 м, предпочтительно, менее чем на 50 м, а более предпочтительно, менее чем на 20 м.
В варианте осуществления, для одной и той же ветряной турбины применяются две подъемные системы. Две подъемные системы могут быть установлены друг под другом на одном и том же треке точек фиксации или могут быть установлены под разными углами в цилиндрической системе координат вокруг оси башни. Башня может содержать два трека точек фиксации под разными углами от основания до вершины, или один трек под первым углом и только одну или более точек фиксации под вторым углом. В последнем случае первая подъемная система может восходить весь путь наверх, вплоть до вершины башни вдоль одного трека точек фиксации под указанным первым углом и может устанавливать вторую подъемную систему в одну или более точек фиксации под тем вторым углом. Разница между указанными углами в указанной цилиндрической системе координат составляет, по меньшей мере, 20 градусов, предпочтительно, по меньшей мере, 45 градусов, и более предпочтительно, по меньшей мере, 60 градусов, например 90 градусов. Вторая подъемная система может отличаться от первой подъемной системы, например, она может не иметь колонну, предназначенную для восхождения, или может иметь другую длину стрелы крана и т.д.
Использование двух подъемных систем имеет ряд преимуществ. Во-первых, подъемные системы вместе могут поднимать тяжелые детали и, следовательно, подходят для установки больших по размеру ветряных турбин. Во-вторых, подъем деталей двумя кранами менее чувствителен к ветру, поэтому он более устойчив, так что рабочий погодный интервал увеличивается. В-третьих, нагрузки, прилагаемые двумя подъемными системами к башне, более распределены, по сравнению с ситуацией с одной более тяжелой подъемной системой. Распределение нагрузок снижает затраты на подъемные системы и точки фиксации. В-четвертых, подъемные системы могут быть использованы более эффективно, поскольку одна и та же система используется для установки ветряных турбин среднего размера и большого размера, и когда устанавливается ветряная ферма, каждая отдельная подъемная система может быть использована для возведения башен ветряных турбин, в то время как подъемные системы применяются вместе только для подъема головки ветряного двигателя, генератора, втулки и ротора.
В варианте осуществления ветряной турбины содержится оффшорная турбина, часть которой, что проходит уровень моря, может содержать точку фиксации, например, в которой переходная деталь содержит точку фиксации для подъемной системы.
Термин оффшорная турбина также относится к турбинам, установленным в озерах или реках.
В варианте осуществления оффшорная турбина содержит точку фиксации ниже линии воды.
В варианте осуществления, подъемная система предварительно устанавливается на сегменте башни, и указанные подъемная система и сегмент башни устанавливаются в одном подъеме на нижнюю, уже установленную часть башни.
В варианте осуществления, подъемная система устанавливается на уже построенную часть оффшорной турбины с помощью Ampelmann или с помощью небольшого jack up средства. Даже в последнем случае преимущество велико, так как подъемная система устанавливается на гораздо более низкой высоте, чем высота турбины.
В варианте осуществления, подъемная система самостоятельно устанавливает себя, вытягивая себя вверх к уже установленной части оффшорной турбины, тем самым перемещая себя из почти горизонтальной позиции с судна, до почти вертикальной позиции рядом с уже установленной ветряной турбиной до тех пор, пока она не сможет создать несущее нагрузку соединение с башней.
В вариантах осуществления, касающихся оффшорной турбины, подъемная система может быть использована для завершения установки всей оффшорной ветряной турбины путем подъема деталей с судна и их установки. Указанное судно не должно быть дорогостоящим jack up судном и, следовательно, значительно снижает затраты на установку. Опционально, подъемная система остается на турбине после ввода в эксплуатацию, чтобы служить в качестве инструмента технического обслуживания или позднее для вывода турбины из эксплуатации.
В варианте осуществления, ветряная турбина имеет высоту оси более чем 80 м, предпочтительно более чем 130 м, а более предпочтительно более чем 180 м, причем максимальная высота по оси, согласно варианту осуществления, составляет 500 м.
В варианте осуществления, ветряная турбина имеет расчетное число оборотов, из которого соотношение между расчетной скоростью ротора при скорости ветра 12 м/с и скорости ветра 6 м/с составляет выше чем 1,3, предпочтительно выше чем 1,5, а более предпочтительно, выше чем 1,8 и менее чем 3. Такие турбины с переменной скоростью ротора имеют диапазон частот возбуждения, в котором башня не должна обнаруживать резонанс. В таких случаях предпочтительно, прикрепление точек фиксации едва ли оказывает влияние на собственные частоты башни и не приводит к тому, что башня имеет разные собственные частоты для возбуждений в плоскости оси башни и точек фиксации, по сравнению с собственными частотами в плоскости, перпендикулярной к ней и параллельной оси башни.
Согласно аспекту изобретения предлагается комбинация ветряной турбины, согласной изобретению, с подъемной системой, согласной изобретению.
В варианте осуществления, рельс подъемной системы во время работ по подъему постоянно фиксируется жестким, нескользящим образом к колонне подъемной системы, в то время как указанный рельс жестко или с возможностью скольжения фиксируется в точках фиксации на башне ветряной турбины.
В варианте осуществления рельс подъемной системы, по меньшей мере, соединяется с двумя или тремя точками фиксации во время работы по подъему.
В варианте осуществления самая верхняя точка фиксации, в которой подъемная система фиксируется к башне во время подъема частей башни, соответствует соединяющейся внахлест части наиболее верхних двух установленных сегментов башни.
Согласно аспекту изобретения, предлагается способ установки наземной ветряной турбины, соответствующей изобретению, при этом способ содержит строительство, по меньшей мере, части башни ветряной турбины путем размещения одного или более сегментов башни с использованием подъемной системы, соответствующей изобретению.
В варианте осуществления от одного до трех нижних сегментов башни могут быть установлены обычным способом.
В варианте осуществления следом за этим может быть выполнена установка рельса подъемной системы к точкам фиксации одного или более установленных сегментов башни.
В варианте осуществления, в котором подъемная система прикрепляется к первым двум установленным сегментам башни, подъемная система поднимается и устанавливает третий сегмент без установленной точки фиксации, а затем устанавливает точку фиксации на третий сегмент. Преимущество этого способа заключается в том, что когда третий сегмент опускается, исключается дополнительное ограничение, и его точка фиксации может одновременно подгоняться в рельс подъемной системы.
В варианте осуществления может быть выполнен подъем от одного до трех самых верхних сегментов башни по частям или в одних подъемах, а также установка указанных самых верхних сегментов.
Повторение этапов разблокировки, перемещения и повторной блокировки подъемной системы в более высокую позицию, а также подъем и установка одного или двух самых верхних сегментов башни приводит к тому, что башня полностью собирается.
В одном варианте осуществления подъемная система может быть разблокирована, перемещена и повторно заблокирована в наиболее верхней, доступной позиции, и может быть выполнен подъем головки ветряного двигателя, генератора, втулки и лопастей ротора в одном или более комбинированных подъемах или в одном подъеме.
В случае подъема одной лопасти, подъемная система может быть использована для поворота втулки в позицию, удобную для установки следующей лопасти путем подъема установленной лопасти в более низкую или более высокую позицию.
Согласно аспекту изобретения, подъемная система может быть разблокирована и перемещена вниз, путем блокировки и перемещения в повторяющейся манере подъемной системы назад к основанию башни. У основания, подъемная система может быть удалена с башни.
В случае наземной ветряной турбины, в которой подъемная система также устанавливает (как часть) первый сегмент башни, может потребоваться временная отдельная опора, либо сначала обычным краном может быть установлена секция первого сегмента с точкой фиксации, после чего может быть установлена подъемная система.
В варианте осуществления, горизонтальное расстояние между точкой подъема стрелы крана и самой верхней, используемой точкой фиксации, меньше, чем диаметр поднятого сегмента башни.
В варианте осуществления подъемной системы, она не содержит систему восхождения. Такая подъемная система подходит для работ по техническому обслуживанию на уже установленной турбине: она может быть втянута наверх с помощью каната, закрепленного, по существу, вблизи верхнего конца башни ветряной турбины, и она может скользить с помощью рельса над точками фиксации.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Следующие чертежи показывают примерные варианты осуществления изобретения:
Фиг. 1а: оффшорная ветряная турбина и подъемная система;
Фиг. 1b: наземная ветряная турбина и подъемная система;
Фиг. 2: сегменты башни ветряной турбины;
Фиг. 3: сегменты башни ветряной турбины;
Фиг. 4: сегменты башни ветряной турбины;
Фиг. 5: сегменты башни ветряной турбины;
Фиг. 6: строящаяся ветряная турбина и подъемная система;
Фиг. 7: строящаяся ветряная турбина с двумя подъемными системами;
Фиг. 8: установка подъемной системы для оффшорной ветряной турбины;
Фиг. 9: установка подъемной системы для оффшорной ветряной турбины;
Фиг. 10: точка фиксации на башне ветряной турбины;
Фиг. 11: поперечное сечение точки фиксации, изображенной на фиг. 10;
Фиг. 12: колонна подъемной системы с тремя системами восхождения;
Фиг. 13: колонна подъемной системы с одной системой восхождения;
Фиг. 14: поперечное сечение системы фиксации;
Фиг. 15: поперечное сечение системы фиксации и восхождения; а также
Фиг. 16: ветряная турбина и подъемная система.
Следует понимать, что чертежи не обязательно должны быть нарисованы в масштабе.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Фиг. 1а показывает вариант осуществления оффшорной ветряной турбины 1 с подъемной системой 255. Чертеж не показывает платформу доступа, установленную на турбине. В варианте осуществления, такая платформа может быть предназначена для временного хранения лопасти ротора или другой большой служебной детали.
Фиг. 1b показывает иллюстративную комбинацию наземной ветряной турбины и подъемной системы. За исключением части уровень земли/уровень моря, ветряная турбина, изображенная на фиг. 1а, может быть идентичной ветряной турбине, изображенной на фиг. 1b. Подъемная система на фиг. 1а может быть идентичной подъемной системе, изображенной на фиг. 1b. Ветряная турбина содержит сегменты 2 башни, которые соединяются внахлест в зонах 8, и каждый из них имеет точку 7 фиксации; головку 3 ветряного двигателя, генератор 4, втулку 5 и несколько лопастей 6. Подъемная система содержит колонну 10, платформу 11 рыскания, которая несет на себе с помощью шарнира 12 наклона стрелу 14 крана. Стрела крана может наклоняться посредством приведения в действие гидравлического цилиндра 13. Подъемный канат 18 проходит через шкивы 16 и 17 к лебедке 15. Подъемная система фиксируется на рельсе 9, который, в зависимости от его позиции, прикрепляется, с возможностью скольжения, к точкам 7, 19 и 20 фиксации, так что он может перемещаться вверх и вниз вдоль башни. Перед началом подъема, любая из систем 21, 22, 23, 24 блокировки блокирует рельс в точке фиксации.
Предпочтительно, подъемная система может быть, с возможностью освобождения, зафиксирована на одной стороне башни без необходимости иметь противовес или средство для создания противоположного усилия на другой стороне башни.
Такая подъемная система отличается от известных подъемных систем. Например, WO2014/082176A1 раскрывает рельс, который прикрепляется к башне, и подъемную платформу, которая может перемещаться вверх и вниз по указанному рельсу. Эта система имеет недостаток в том, что требуется рельс по всей длине башни, что добавляет вес и повышает жесткость башни в одном направлении, так что собственные частоты башни в этом направлении становятся выше тех, что в перпендикулярном направлении, уменьшая свободу в проектировании для современных ветряных турбин с переменной скоростью ротора, где необходимо избегать резонанса между собственными частотами башни во всем диапазоне частот ротора и частотами прохождения (следования) лопастей. Другим недостатком является то, что подъемная платформа прикрепляется к рельсу на вертикальном расстоянии в пределах длины одного сегмента башни или меньше. Это относительно короткое расстояние приводит к большим усилиям на башню ветряной турбины, когда поднимаются тяжелые детали, такие как головка ветряного двигателя. Кроме того, поскольку подъемная платформа перемещается по всей длине рельса, рельс должен быть прочным и тяжелым по всей длине и стать дорогим и экономически неэффективным.
Альтернативные подъемные платформы раскрываются в US4311434, US6357549, US6614125 и US6522025 с аналогичными недостатками.
US8069634 раскрывает первый кран, который может быть большим промышленным краном или краном типа монтажной мачты, который с возможностью перемещения, прикрепляется к частично построенной конструкционной башне ветряной турбины. Первый кран применяется для подъема и установки конструкционной башни в нескольких частях и, как только башня завершается, для поднятия второй подъемной системы, которая устанавливается на вершине башни и служит для подъема головки ветряного двигателя и ротора. Помимо недостатка, связанного с требованием двух подъемных систем, данное применение затратно по времени: первый кран должен поднимать вторую подъемную систему на вершину, и эта вторая подъемная система должна быть установлена и введена в действие. Тогда первый кран должен быть удален, чтобы не мешать второй подъемной системе. После этого могут быть подняты головка ветряного двигателя и ротор, и когда это будет закончено, все шаги должны быть повторены в обратном порядке. Еще одним недостатком является то, что раскрытая монтажная мачта не является устойчивой к боковой ветряной нагрузке: высокий кран имеет одно или два тонких лучевидных сочленения с башней, которые не могут брать на себя боковую ветряную нагрузку так, чтобы весь кран мог вращаться вокруг вертикальной оси. Еще одним недостатком раскрытой системы перемещения монтажной мачты является то, что система использует один или более опорных кронштейнов для способной к скольжению фиксации перескакивающей стойки (jump rack) на башне ветряной турбины. Монтажная мачта также соединяется скользящим образом с jump rack. Перемещение монтажной мачты представляет собой ступенчатый процесс, в котором каждый этап состоит в установке следующих один за другим опорных кронштейнов на башню ветряной турбины, сдвига jump rack так, чтобы она соединялась в нахлест со следующими один за другим опорными кронштейнами и последующее скольжение монтажной мачты по jump rack.
Аналогичное решение для монтажной мачты с аналогичными недостатками раскрывается в DE-G9414643.8, работа которой требует много времени и не является экономически эффективной.
Следует отметить, что возведение ветряной турбины требует периода спокойной погоды и, в частности, низких скоростей ветра. Если подъем занимает много времени, вероятность завершения работы в период низкого ветра уменьшается, что дополнительно снижает эффективность.
US2015/0048043A1 раскрывает другую сопоставимую подъемную систему, в которой после завершения башни на вершине башни устанавливается кран для подъема головки ветряного двигателя и ротора. Эта система имеет недостатки, которые заключаются в том, что она применяет лебедку у основания башни, которая действует как противовес, что приводит к тому, что направленное вниз усилие на вершине башни должно быть примерно вдвое выше, и требуются длинные кабели. Кроме того, эта система не может поднимать сегменты башни, так что еще требуется большой обычный кран.
Альтернативный способ установки ветряной турбины относится к конструированию головки ветряного двигателя ветряной турбины таким образом, что она содержит отверстие, которое окружает неконическую башню, как раскрыто, например, в US756216, DE2823525B1, DE2735298A1 и US6408575. Хотя так называемая Growian, ветряная турбина высотой 100 м, была изготовлена с использованием этого способа, он оказалась неэффективным для больших ветряных турбин: большие турбины требуют конических башен, чтобы они эффективно работали с высокими изгибающими моментами. Поэтому неконические башни выведены из эксплуатации для ветряных турбин с высотой оси выше, чем примерно 80 метров.
Известные башни ветряных турбин представляют собой, как правило, тип конической конструкции или конический трубчатый тип, а иногда нижняя сторона башни является конструкционной и верхняя сторона трубчатой. Известно, что конструкционные башни должны транспортироваться по частям и собираются на площадке. Внешний вид трубчатых башен является, обычно, более общепринятым. Трубчатые башни защищают оборудование внутри турбин, такое как инвертор, трансформатор и контроллер от наружного климата. Поэтому решение для эффективной установки ветровых турбин является более уместным для трубчатых башен, чем для конструкционных башен.
Следует отметить, что трубчатые башни определяются как башни, горизонтальные поперечные сечения которых являются замкнутыми кривыми, которые могут быть круглыми, многоугольными или любой другой замкнутой формы.
В DE19741988A1 и DE19647515A1 раскрываются альтернативные подъемные системы, где подъемные системы могут восходить на трубчатые башни, благодаря их фиксации с помощью системы, которая окружает башню. Эти системы легко повреждают башню, так как необходимы большие удерживающие усилия для получения достаточного трения на стене башни, чтобы избежать соскальзывания систем вниз. Кроме того, эти системы наиболее подходят для неконических башен, которые выведены из эксплуатации, и эти системы не конструируются для переноса тяжелых частей больших, современных ветряных турбин, поскольку вертикальная длина, по которой изгибающие моменты подаются в башню, меньше, чем длина одного сегмента башни или меньше двух верхних диаметров башни, что приводит к неприемлемым высоким усилиям на стену башни.
Поскольку скорость ветра увеличивается с высотой, а средняя высота втулки ветряных турбин увеличивается с последующими поколениями ветряных турбин, высокие скорости ветра мешают подъему все больше и больше. В частности, это относится к подъему всего ротора, то есть втулки и лопастей в одном подъеме: большие, аэродинамически сформированные лопасти являются восприимчивыми к порывам ветра. Подъемные устройства вышеуказанного предшествующего уровня техники, как правило, проектируются для грузоподъема одного ротора и не подходят для подъема одной лопасти и, в частности, не подходят для подъема одной лопасти в почти горизонтальном положении.
Фиг. 2 показывает первые три сегмента 30, 31 и 32 башни иллюстративной ветряной турбины, согласно настоящему изобретению. Сегмент 32 приподнят по иллюстративным причинам. Сегмент 30 содержит точки 34 и 36 фиксации с соответственно укрепляющими конструкциями 33 и 35. Сегменты 31 и 32 содержат точки 39 и 40 фиксации с укрепляющими конструкциями 38. Точки 36 и 40 фиксации содержат отверстие 37, которое используется для блокировки подъемной системы к установленным сегментам башни. Опорные балки 44 фиксируются на укрепляющем элементе 35 и на средствах 45 фиксации, которые фиксируются на фундаменте 46 башни. Пунктирные линии 41, 42 и 43 иллюстрируют позиции соединения между сегментами башни, которые, например, могут быть закреплены болтами. В этом примере укрепляющие элементы 33, 35 и 38 также скрепляются болтами с сегментами башни.
Согласно способу установки, соответствующему изобретению, универсальный кран устанавливает первый сегмент 30 башни. Затем в точках 34 и 36 фиксации этого первого сегмента 30 башни устанавливается подъемная система. Подъемная система использует систему 22 блокировки для блокировки себя в отверстии 37 точки 36 фиксации. Затем она поднимает сегмент 31 башни на вершину сегмента 30, и в течении этого подъема точка 39 фиксации располагается на рельсе 9. Сегменты скрепляются вместе болтами, и подъемная система поднимает сегмент 32 аналогичным образом на вершину сегмента 31 и следом за этим поднимает четвертый сегмент. Затем подъемная система разблокируется, перемещается вверх и блокируется системой 23 блокировки в точке 37 фиксации сегмента 32, так что она может поднимать сегмент 5. Это продолжается до тех пор, пока не будет установлена вся башня. Подъемная система, следом за этим, поднимает и устанавливает головку ветряного двигателя, генератор, втулку и лопасти, где могут быть предпочтительными несколько комбинированных подъемных операций, например, головка ветряного двигателя и генератор или весь ротор, содержащий втулку и лопасти или даже комбинация головки ветряного двигателя, генератора и ротора в одном подъеме.
Фиг. 3 иллюстрирует другой вариант осуществления первых двух сегментов 55 и 56 башни, где сегмент 55 имеет две точки 34 и 62 фиксации. Точка 62 фиксации устанавливается на укрепляющем элементе 58, который размещается через посредство пластины 59 (показана пунктирной линией) на стене башни. Пластина 59 имеет ту же толщину, что и стена сегмента 56 башни, так что этот сегмент точно устанавливается между сегментом 57 и укрепляющим элементом 58. Пунктирные линии 57 и 58 иллюстрируют позиции для болтовых соединений. На практике болты могут быть размещены в нескольких линиях на соединения, которые не показываются по иллюстративным причинам. Точка 62 фиксации поддерживается балками 60, которые фиксируются на опорах 61 на внутренней стороне башни. Вариант осуществления, изображенный на фиг. 2, также может быть скомбинирован с опорными балками на внутренней стороне башни, а вариант осуществления, изображенный на фиг. 3, может быть скомбинирован с опорными балками на внешней стороне башни. В варианте осуществления, изображенном на фиг. 3, система 22 блокировки является опциональной.
Фиг. 4 иллюстрирует другой вариант осуществления первых сегментов 70, 71 и 32 башни ветряной турбины. В этом случае сегмент 32 и более верхние сегменты, которые не показываются, имеют стандартную длину 78, которую можно легко транспортировать, например, длина от 10 м до 16 м, например, 12 м. Сегменты башни соединяются внахлест на расстояние 76, которое равно, например, 0,5 м, так, что высота башни увеличивается на 11,5 м с каждым стандартным сегментом. Для подъемной системы является предпочтительным, когда точки фиксации всегда имеют одинаковый вертикальный интервал 79, например, одна точка фиксации на каждые 11,5 м. Из-за увеличении длины 75 первого сегмента 70 башни, она может содержать две точки фиксации в интервале 11,5 м, и еще достаточная длина остается для соединения 76 внахлест с сегментом 71 башни. Это позволяет прикреплять подъемную систему к сегменту 70, а следом за этим поднимать сегмент 71 и 32, без необходимости в специальной конструкции с пластинами 58 и 59, изображенными на фиг. 3. Следствием этого является то, что сегмент 75 требует более длинной транспортной длины. Сегмент 71 имеет более короткую длину 77 и не несет точку фиксации. Точка 74 фиксации имеет укрепляющую конструкцию 73 на внешней стороне башни и укрепляющую конструкцию 80 на внутренней стороне башни.
Фиг. 5 иллюстрирует другой вариант осуществления первых сегментов башни. В этом варианте осуществления, первый сегмент 85 башни, который также может быть неотъемлемой частью фундамента 46 башни, содержит первую точку 90 фиксации с укрепляющим элементом 91 на расстоянии 94 от фундамента. Второй сегмент 86 содержит точку 92 фиксации с укрепляющим элементом 93 и аналогичным, изображенным на фиг. 4, внутренним укрепляющим элементом 79. Этот вариант осуществления имеет то преимущество, что первый, второй и третий сегменты могут иметь равные или более короткие длины, соответственно 88, 89 и 77, по сравнению с длиной 78 четвертого сегмента 32, которая может быть максимальной транспортной длиной из всех сегментов.
Фиг. 6 показывает иллюстративную подъемную систему и иллюстративные первые сегменты башни более подробно по сравнению с фиг. 1. Колонна подъемной системы содержит гидравлический цилиндр 95 с поршнем 96 и исполнительный механизм в состоянии 97, так что он может проходить мимо точки 99 фиксации и в состоянии 98, в котором он соединяется с точкой 99 фиксации. Подъемная система может перемещаться вверх после того, как исполнительный механизм окажется в состоянии 98 и заблокируется в точке 99 фиксации на сегменте 103 башни, и гидравлический цилиндр 95 приводится в действие до тех пор, пока вес крана переносится гидравлическим цилиндром. Затем системы 21, 23 и 24 блокировки разблокируются, где следует отметить, что хотя фиг. 6 иллюстрирует три системы блокировки, возможно любое количество систем блокировки, большее нуля. Затем гидравлический цилиндр 95 дополнительно приводится в действие так, что поршень 96 втягивается в цилиндр 95, так что подъемная система перемещается вверх. Восходящее движение продолжается до тех пор, пока любая система блокировки не достигнет точки фиксации, в которой она может быть заблокирована, и вес подъемной системы может быть перенесен из гидравлического цилиндра 95 в систему блокировки.
Должно быть ясно, что возможны также два цилиндра: каждый с одной стороны колонны или даже несколько цилиндров, например, цилиндры, которые толкают подъемную систему вверх, вместо того, чтобы тянуть ее вверх.
Фиг. 6 также показывает, что из-за прогиба стрелы крана, стрела крана достигает расстояния 102 до отрезка 101 между центром шарнира наклона и точкой подъема.
Фиг. 6 дополнительно иллюстрирует другой сегмент 105 башни, который еще должен быть поднят. Сегмент содержит точку 107 фиксации с краем 106, который служит для захвата исполнительного механизма 98.
Фиг. 7 показывает иллюстративную башню ветряной турбины, строящуюся с помощью двух иллюстративных подъемных систем на противоположных сторонах башни. По иллюстративным причинам, на фиг. 7, с позиционными номерами показываются только нижний сегмент 2 башни с перекрывающейся частью 8, точка 7 фиксации и дополнительная точка 120 фиксации. Более верхние сегменты башни аналогичны нижнему сегменту башни. Подъемная система, показанная с левой стороны башни с рельсом 9, колонной 10, подшипником 11 рыскания, шарниром 12 наклона, исполнительным механизмом 13 для наклона, стрелой 14 крана и подъемным канатом 18, аналогична второй подъемной системе, показанной с правой стороны. Подъемные системы вместе могут преимущественно быть использованы для подъема тяжелых деталей, таких как, например, головка 122 ветряного двигателя. Другое преимущество двух подъемных систем заключается в том, что подъем некоторых деталей, таких как лопасть или ротор, менее чувствителен к порывам ветра и более устойчив при использовании двух канатов, то есть одного каната от каждой подъемной системы.
Большинство сегментов башни в варианте осуществления, изображенном на фиг. 7, имеют две точки 7 и 120 фиксации, то есть одну точку фиксации для каждой подъемной системы. Две точки 7 и 120 фиксации могут быть позиционированы с любой разницей угла не менее 20 градусов в цилиндрической системе координат вокруг центральной оси башни. На фиг. 7 две точки 7 и 120 фиксации располагаются на противоположных сторонах сегмента башни, то есть при разности углов 180 градусов. В альтернативном варианте осуществления первая подъемная система устанавливается на башне и восходит наверх, а следом за этим устанавливает вторую подъемную систему сразу же в поднятом положении, пригодном для подъема тяжелых деталей. В последнем альтернативном варианте осуществления, вторая подъемная система не может восходить или может восходить только в ограниченном диапазоне, так что не все сегменты башни нуждаются во второй точке 120 фиксации. Вторая подъемная система может быть похожа на первую подъемную систему или может иметь отличную от нее компоновку. Например, она может не содержать систему восхождения или иметь другую стрелу крана.
Фиг. 7 дополнительно иллюстрирует две позиции 123 и 124, где стрела 14 крана может иметь сочленения, и позицию 125, где колонна 10 может иметь сочленение. В этих сочленениях подъемная система может складываться или разбираться, чтобы облегчить транспортировку.
Фиг. 8 показывает иллюстративную, оффшорную строящуюся ветряную турбину. Судно 130 с краном 131 использует канат 132 для подъема сегмента 135 башни оффшорной ветряной турбины. Сегмент 135 представляет собой, например, переходную деталь, к которой прикрепляется иллюстративная подъемная система со стрелой 136 крана, рельсом 137, колонной 138 и точками 139 фиксации. Подъемная система имеет, аналогично вышеприведенным иллюстративным вариантам осуществления, шарнир 140 наклона с исполнительным механизмом 141, но также может иметь второй шарнир 142 наклона со вторым исполнительным механизмом 143 наклона, который располагается так, что стрела крана может складываться к колонне, где кончик стрелы крана соединяется в местоположении 144 с колонной для получения лучшей конструкционной устойчивости. Для установки сегмента башни с подъемной системой в одном подъеме на фундамент 133 оффшорной ветряной турбины может быть использовано относительно недорогое судно.
В примере, изображенном на фиг. 8, фундамент 133 представляет собой опорную конструкцию в виде монолитного столба, который проходит через уровень 134 моря. Как только подъемная система устанавливается, она может подбирать последующие сегменты башни и другие детали ветряной турбины с того же или другого судна и строить оффшорную ветряную турбину. Подъемная система может быть следом за этим удалена или она остается на турбине для проведения работ по техническому обслуживанию, или для замены деталей ветряной турбины, или для вывода турбины из эксплуатации. Преимущество использования подъемной системы на оффшорной ветряной турбине заключается в том, что установка деталей турбины становится дешевле, чем обычный способ, в котором указанные детали устанавливаются с помощью jack up судна. Подъемная система еще более удобна, так как она прикрепляется к строящейся башне и поэтому следует ее перемещениям.
Фиг. 9 показывает альтернативную, иллюстративную комбинацию оффшорной ветряной турбины и подъемной системы. В этом варианте осуществления подъемная система поднимается с помощью каната 157 с понтона 150. Перед тем, как подъемная система поднимается, она может быть помещена на подошву 151, которая выполняется с возможностью стабилизировать подъемную систему во время движения понтона, вызванного волнами. Подошва 151, например, размещается на гидравлических цилиндрах 152 для стабилизации и для опускания опоры полностью ниже уровня палубы, так что другая сторона подъемной системы, поддерживаемая колесом 156, может пройти через нее. В то время как канат 157 поднимает систему вверх, канат 155 ослабляется лебедкой 154 на опоре 153. Это продолжается до тех пор, пока подъемная система не станет почти параллельной башне. В определенный момент колесо 156 отходит от палубы, а канат 155 дальше ослабляется до тех пор, пока колесо 156 не достигнет башни ветряной турбины. После этого система соединяется с точками фиксации и выполняет дальнейшее завершение оффшорной ветряной турбины путем установки оставшихся деталей. Канат 157 может быть вытянут вверх с помощью отдельной лебедки, но также лебедкой, установленной в стреле крана подъемной системы, например, путем направления подъемного каната из точки 144 через колонну 138 в крюк 158.
Фиг. 10 показывает иллюстративную точку 160 фиксации более подробно. С помощью выступа 161 точка фиксации может быть установлена с помощью болтов 162 в верхнем сегменте 169 башни, так что этот элемент может быть поднят вместе с точками фиксации и установлен на вершине сегмента 168, где он дополнительно фиксируется болтами 163 в области 170 соединения внахлест. Элемент 164 выполняется с возможностью подгоняться в рельс подъемной системы, а отверстие 165 служит для блокировки к рельсу. Ребра 166 могут быть использованы для распределения нагрузок на большую часть башни. Заметим также, что только некоторые из болтов точек фиксации затягиваются, а те, что для дальнейшего соединения верхнего и нижнего сегментов в зоне 170 соединения внахлест вне точки фиксации не затягиваются. Элемент 167 выполняется с возможностью соединяться с подъемной системой и нести большую часть вертикальных нагрузок во время операций подъема. Он устанавливается вплотную к стене башни, так что вертикальные усилия имеют маленький рычаг и, следовательно, прикладывают относительно небольшой изгибающий момент на точку фиксации.
Фиг. 11 показывает поперечное сечение I-I точки фиксации, изображенной на фиг. 10. С этой стороны видна также укрепляющая пластина 171.
Фиг. 12 показывает комбинацию иллюстративной башни ветряной турбины с колонной иллюстративной подъемной системы. Башня содержит сегменты 180, 181, 182, 183, из которых верхние три имеют соответственно точки 184, 185, 186 фиксации и крюки 187, 188, 189. Из подъемной системы показываются только колонна 190, рельс 191, закрытая дверь 193 рельса, открытая дверь 194 рельса, системы 192 фиксации и три гидравлические системы восхождения. По иллюстративным причинам подъемная система показывается в позиции, в которой она может соединяться с рельсом за счет перемещения системы по направлению к башне. Верхняя дверь 194 рельса является открытой, так что точка 186 фиксации может быть помещена в рельс. Нижняя дверь 193 показывается в закрытой позиции по иллюстративным причинам, но будет открыта для соединения с точкой 186 (185) фиксации. Когда точки 185 и 186 фиксации вошли в рельс, подъемная система может перемещаться вниз, так что также точка 184 фиксации входит в рельс. Следом за этим двери 193 и 194 закрываются, и система может быть заблокирована одной или более системами 192 фиксации.
В иллюстративном варианте осуществления, изображенном на фиг. 6, подъемная система включала в себя систему восхождения с гидравлическим цилиндром 95, с поршнем 96 и исполнительным механизмом в состояниях 97 и 98 для соединения с точкой 99 фиксации. Иллюстративная система подъема, изображенная на фиг. 12 включает в себя альтернативную систему восхождения, которая использует крюки рядом с точками фиксации для восхождения на башню.
В варианте осуществления, изображенном на фиг. 12, колонна снабжается тремя гидравлическими системами восхождения. Нижняя гидравлическая система восхождения содержит основной цилиндр 196, который, с возможностью поворота, фиксируется на колонне с помощью одного конца 195. Другой конец направляется через рельс 198 с помощью исполнительного механизма 197. На фиг. 12 поршень 199 полностью выдвинут, и имеет сферический наконечник 200, который подгоняется в любой из крюков, например, в крюк 188. Когда колонна разблокируется из точек фиксации, и самая нижняя гидравлическая система восхождения подвешивается, она может тянуть подъемную систему вверх примерно на одну треть расстояния между следующими одна за другой точками фиксации. Затем средняя гидравлическая система восхождения может выдвинуть свой поршень, соединить его с крюком 189 и подтянуть подъемную систему дальше вверх, после чего самая нижняя гидравлическая система подъема отсоединяется. Последний этап выполняется самой верхней гидравлической системой восхождения с помощью гидравлического цилиндра 202, который соединяется в точке 201 с колонной, а на другом конце направляется через рельс 204 управляющим исполнительным механизмом 203. Эта самая верхняя гидравлическая система восхождения завершает рабочий ход в позиции, где система фиксации снова может заблокироваться в точке фиксации. На фиг. 12 детали средней гидравлической системы восхождения не нумеруются, но соответствуют деталям самой верхней гидравлической системы восхождения.
Подъемная система с тремя системами восхождения вместо одной системы восхождения, в которой с каждым восхождением покрывается одна треть от расстояния между следующими одна за другой точками фиксации, имеет преимущество в том, что могут быть использованы более короткие и, следовательно, более устойчивые и более дешевые гидравлические цилиндры. Изобретение не ограничивается тремя гидравлическими системами восхождения, и в принципе может быть использовано любое количество систем восхождения, включая только одну гидравлическую систему восхождения.
Фиг. 13 показывает альтернативный вариант осуществления колонны 210 подъемной системы. В этом варианте длина колонны простирается менее чем на двухкратное расстояния между следующими одна за другой точками фиксации. Преимущество такой более короткой системы заключается в том, что она легче и меньше и, следовательно, дешевле. Кроме того, поскольку ее рельс может быть скользящим образом зафиксирован только с помощью одной точки фиксации в течении части восхождения системы, система может перемещаться вдоль башен, у которых конусность изменяется в продольном направлении. На фиг. 13 самый нижний сегмент 217 башни является цилиндрическим, тогда как сегменты 182 и 183 сужаются на конус.
В варианте осуществления подъемной системы колонна выполняется таким образом, что оператор имеет к ней доступ. Колонна может иметь дверь, одну или более платформ и лестницы внутри так, чтобы оператор мог выполнять ремонт и техническое обслуживание. С внутренней стороны колонны могут быть инспекционные люки, например, для осмотра систем фиксации и/или систем восхождения.
В варианте осуществления, подъемная система может иметь единственную систему фиксации, например систему, изображенную на фиг. 12, только в середине колонны, и систему, изображенную на фиг. 13 только на верхнем конце колонны.
В другом варианте осуществления подъемной системы, она вообще может не иметь никакой системы фиксации: например, система, изображенная на фиг. 12 может быть выполнена без каких-либо систем 192 фиксации и использовать системы восхождения как для восхождения, так и для фиксации. Системы восхождения повторяющимся образом приводятся в действие, так что всегда, по меньшей мере, одна система восхождения соединяет колонну с башней. Преимуществами такого варианта осуществления являются более низкая стоимость и большая простота.
Фиг. 6, 12 и 13 показывают системы восхождения на одной стороне колонны. Альтернативные варианты осуществления могут иметь системы восхождения на обеих сторонах колонны.
Иллюстративная подъемная система, изображенная на фиг. 13, включает в себя единственную систему восхождения с относительно длинным цилиндром 211, зафиксированным шарнирно на конце 212 и направляемым на другом конце через рельс 213 посредством управляющего исполнительного механизма 214. Поршень 215 блокируется в крюке 189 с помощью его сферического наконечника 216. Во время восхождения, колонна 210 подтягивается вверх системой восхождения до тех пор, пока рельс 191 не будет освобождаться из точки 184 фиксации, после чего колонна скользящим образом фиксируется с помощью точки 185 фиксации и дополнительно фиксируется посредством поршня системы восхождения в точке 186 фиксации. В этой части восходящего рабочего хода, колонна может слегка изменить угол наклона так, чтобы ее рельс был выровнен в линию со следующей точкой фиксации.
Фиг. 13 также показывает иллюстративную, опциональную систему 218 питания, которая, например, содержит генератор электрической и гидравлической мощности, который выполняется так, что подъемная система может работать автономно. Система питания фиксируется с помощью сочленения 219, а линии питания и управления между колонной и системой питания проходят через сочленение 220. Подъемная система может содержать резервный гидравлический насос, который может быть приведен в действие электрической мощностью, подаваемой через электрический кабель с земли.
Фиг. 14 показывает поперечное сечение иллюстративной системы фиксации. С левой стороны, часть двух сегментов 168 и 169 башни показываются с точкой 230 фиксации. С правой стороны, часть колонны 210 показывается с платформой 221 рыскания, находящейся на подъемной системе. Гидравлический цилиндр 222 направляет поршень 223 с крюком 224 в элемент 226 точки фиксации. Наконечник 225 крюка и элемент 226, вместе образуют цилиндрический шарнир с осью шарнира, приблизительно перпендикулярной к плоскости чертежа, и, таким образом, располагаются так, что колонна крана имеет некоторую свободу наклона. Крюк и, следовательно, также колонна крана также имеют некоторую вращательную свободу движения вокруг примерно горизонтальной оси поршня 223. Эти свободы вокруг примерно горизонтальных осей исключают то, что к точке фиксации прилагаются большие изгибающие моменты. Во время процесса фиксации колонна сначала слегка поднимается так, чтобы поршень 223 мог быть выдвинут. Затем колонна опускается до тех пор, пока крюк 224 не соединится с элементом 226, и после этого гидравлический цилиндр 227 приводит в движение поршень 228 в отверстие 229, чтобы колонна не могла больше двигаться вверх или вниз. Рельс имеет внешнюю направляющую полосу 231 и внутреннюю полосу 232 с взаимным расстоянием 233.
В варианте осуществления, толщина пластины 234 точки фиксации, которая находится внутри рельса, равна например, 15 см, предпочтительно на 10 см меньше и, например, на 5 см меньше и, по меньшей мере, на 1 мм (см) больше (меньше), чем взаимное расстояние 233. Преимущество в наличии зазора, например, 5 см, заключается в том, что колонна имеет свободу наклона около 0,25 градуса, которая позволяет конусности башни изменяться примерно на эту величину по каждой секции. Башни изменяющегося конуса имеют конструкционное преимущество и поэтому могут быть установлены с помощью подъемной системы в соответствии с изобретением.
Центр точки фиксации может быть определен центром пластины 234.
Поршни 223 и 228 на фиг. 14 непосредственно приводятся в действие гидравлической текучей средой. В альтернативном варианте осуществления любой из этих поршней может быть направляемым штифтами, которые приводятся в действие отдельными гидравлическими цилиндрами. Преимущество такого варианта осуществления заключается в том, что направляющие штифты могут быть более подходящими для нагружения в боковом направлении.
В дополнительном варианте осуществления подъемной системы, она может не иметь дверей в рельсе. Например, подъемные системы, изображенные на фиг. 12 или 13, могут быть изготовлены без дверей 193 и 194. Они еще могут быть установлены на рельсе с помощью некоторого зазора точек фиксации в рельсе. В случае, изображенном на фиг. 13, первая точка 184 фиксации скользит по рельсу за счет перемещения подъемной системы вниз, и затем, за счет перемещения системы вверх снова, рельс скользит по точке 185 фиксации. Подъемная система, изображенная на фиг. 12 может быть установлена аналогичным образом.
Фиг. 15 показывает иллюстративную башню ветряной турбины с левой стороны и иллюстративную колонну подъемной системы с правой стороны. По иллюстративным причинам средняя часть колонны не была нарисована. Колонна содержит тележку 242, которая содержит гидравлический цилиндр 245 с поршнем 246, который подгоняется в отверстие в пластине 234 точки 230 фиксации. Шпиндель 241, который приводится в действие гидравлическим двигателем 240 и дополнительно позиционируется подшипником 244, скользит через тележку 242 и ведет ее параллельно рельсу через заднюю сторону рельса. Когда тележка 242 блокируется в точке фиксации, а крюк 224 разблокируется, гидравлический двигатель будет перемещать подъемную систему вверх и вниз за счет вращения шпинделя. Преимущества восхождения посредством тележки, соединенной со шпинделем, заключается в том, что это спасает от системы восхождения с гидравлическими цилиндрами, что блокировка в точке фиксации с помощью поршня 246 проще, чем соединение с крючками 187, 188, 189 и что тележка представляет собой относительно устойчивое дополнительное средство.
Фиг. 16 показывает иллюстративную ветряную турбину 250 с головкой 252 ветряного двигателя, втулкой 253 и лопастями 254, к которой прикрепляется подъемная система 255. Ветряная турбина может быть любой из ветряных турбин вышеуказанных вариантов осуществления. Подъемная система может быть любой из подъемных систем вышеуказанных вариантов осуществления. Чертеж показывает вторую точку 260 подъема, из которой второй подъемный канат 261 соединяется с грузом. Преимуществом такого второго подъемного каната является то, что груз может быть более управляемым. Альтернативой является то, что стрела 14 крана содержит вспомогательную стрелу 256 крана, которая может быть прикреплена к стреле 257 крана с помощью подшипника 257 рыскания. Вспомогательная стрела крана обеспечивает также дополнительную точку 258 подъема, которая соединяется канатом 259 с грузом, например, с каркасом 262, который конструируется для захвата лопасти и обеспечения точек подъема, не повреждая ее. Чертеж показывает точки 7 фиксации в неравноудаленных местах, которые не все пронумерованы. Кроме того, чертеж показывает точки 263 фиксации на другой стороне башни, к которым вторая подъемная система, возможно без системы восхождения, может быть прикреплена с помощью первой подъемной системы.
Вышеприведенное описание сфокусировано на установке ветряных турбин с помощью подъемной системы. Изобретение не ограничивается установкой ветряных турбин и может дополнительно или альтернативно использоваться для технического обслуживания или вывода ветряных турбин из эксплуатации с помощью подъемной системы.
Точка фиксации может быть использована для жесткой фиксации или допускающей скольжение фиксации подъемной системы на башне ветряной турбины и/или в качестве опоры для системы восхождения, последняя из которых также является формой фиксации и направления подъемной системы. Таким образом, там, где делается ссылка на точку фиксации, следует понимать, что точка фиксации может служить в качестве либо фиксации, либо направления подъемной системы, либо того и другого вместе. Конечно, эти функции могут быть разделены по нескольким точкам, например, в которых, по меньшей мере, одна точка имеет только функцию фиксации или в которой, по меньшей мере, одна точка имеет только функцию направления.
Подъемная система может управляться с помощью компьютера, который позволяет работать только в рабочих пределах системы. Система может управляться удаленными и фиксированными контроллерами, например, с земли, в кране и в строящейся турбине. Оператору крана может помогать камера.
Следует понимать, что в настоящей заявке термин «содержащий» не исключает других элементов или этапов. Кроме того, каждый из слов, употребляемых в единственном числе не исключает множественность. Любое позиционное обозначение (обозначения) в формуле изобретения не должно быть истолковано как ограничивающее объем формулы изобретения.
Реферат
Изобретение относится к подъемной системе (255) для установки ветряной турбины (1, 250). Подъемная система содержит меры для осуществления несущего нагрузку соединения с башней ветряной турбины и содержит меры для перемещения подъемной системы (255) вверх и вниз вдоль башни. Подъемная система, когда она зафиксирована на уже установленной части башни ветряной турбины с помощью несущего нагрузку соединения, предназначается для установки или перемещения любого сегмента башни (31, 32, 56, 71), головки ветряного двигателя, генератора (4), втулки (5, 253) и лопасти (6, 254) в одном или более комбинированных подъемах или в одном подъеме. Достигается эффективность установки ветряной турбины. 8 н. и 38 з.п. ф-лы, 17 ил.
