CN102439303A - 用于风力发电设备的塔架 - Google Patents

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CN102439303A CN2009801588696A CN200980158869A CN102439303A CN 102439303 A CN102439303 A CN 102439303A CN 2009801588696 A CN2009801588696 A CN 2009801588696A CN 200980158869 A CN200980158869 A CN 200980158869A CN 102439303 A CN102439303 A CN 102439303A
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Abstract

本发明涉及一种用于风力发电设备的塔架，该塔架带有多个用于构成柱结构的角隅钢筋(1)，其中角隅钢筋(1)分别由多个彼此连接的子型材(2)组成，子型材具有相对设置的连接区域(3a，3b)，角隅钢筋(1)的相邻的子型材(2)能在这些连接区域上相互连接，并且其中子型材(2)分别在位于子型材(2)的相对设置的连接区域(3a，3b)之间的部段中在横截面中具有两个在子型材(2)的纵向延伸方向上延伸的拐点。角隅钢筋(1)分别由至少三个子型材(2)构成，其中角隅钢筋(1)的至少三个子型材(2)构成了在横截面中环形封闭的总型材，在角隅钢筋(1)的相邻的子型材(2)的连接区域(3a，3b)的连接部处的接缝分别与一个在纵向延伸方向上延长该角隅钢筋(1)的、相邻的角隅钢筋(1)的分别邻接的接缝齐平地布置。

Description

用于风力发电设备的塔架
技术领域
本发明涉及一种用于风力发电设备的塔架，该塔架带有多个用于构成柱结构的角隅钢筋，其中角隅钢筋分别由多个彼此连接的子型材组成，子型材具有相对设置的连接区域，角隅钢筋的相邻的子型材能在这些连接区域上相互连接，并且其中子型材分别在位于子型材的相对设置的连接区域之间的部段中在横截面中具有两个在子型材的纵向延伸方向上延伸的拐点。
背景技术
具有由角钢制成的角隅钢筋的框架-塔形结构已经被充分地公开。塔架的高度和安装在塔架上的部件、例如风力发电设备的大小增加了角钢的负荷。该负荷可以在一定程度上通过使用具有较大的型材横截面的型材而得到匹配。然而型材横截面不能以任意的程度增大，这是因为角钢的制造受到生产条件的限制。
现有的大量方式是这样设计框架结构的角隅钢筋，即可以实现较大的塔架高度。因此例如已知的是，将多个角钢通过焊接来连接起来，或已经在生产中制造成用于角隅钢筋的十字形型材。这种型材设计在角隅钢筋结构的所获得的平面惯量方面并不是最理想的。
在DE 103 08 176 A1中提出，角隅钢筋由型钢制成，其型材具有至少两个侧面，其中这些侧面借助于支架连接。这样设计的桁架式塔架的优点在于，通过预设附加的支架来更加固地设计角隅钢筋的型材。由此得出了具有相对于由角钢制成的传统的角隅钢筋明显更好的弯折长度的角隅钢筋。
另一种用于实现较高的塔架的可能性是增加通常为四个的角隅钢筋的数量，以便满足静态的默认值。此外，通常使用的直角形的角钢的通过横杆连接的支腿不再近似地齐平，因此出现桁架腹杆横梁的连接并不平行于角钢的相应的支腿。这是不利的。
通过这种方式，即角隅钢筋由多个、通常直至四个子型材组成，由此可以排除这种问题。然而，在这种解决方法中四个角隅钢筋也用于柱结构。
不利的是，对于弯折稳定性来说重要的惯性半径非常小，这是因为角隅钢筋的大部分横截面积位于重心区域中。相应地，借助于支柱需要角隅钢筋的大量的中间支撑件，这明显地增大了结构成本。
基于该问题，用于框架塔架的结构是有利的，其中角隅钢筋和桁架腹杆由管构成。在此，在角隅钢筋的型材中和在桁架腹杆的型材中的材料浓度在静态最佳的布置中远离于型材的中性状态。当然通常通过焊接工艺产生这种结构的桁架腹杆的连接和角隅钢筋的撞击。被焊接的接口在生产中是投入较大的。此外，焊缝具有较高的切口效应，因此这些焊缝对于在动力方面被需要的塔架、例如风力发电设备中的塔架来说必然明显地超尺寸并且因此几乎不被考虑。特别是以新一代的风力发电设备为背景，其轮毂高度超过80m和/或其功率超过2百万瓦特，基于塔形结构的较高的静态和动态的负荷而对用于设计框架结构的新方法进行研发。
在EP 1 442 807 A1中在优化的角隅钢筋型材的材料使用和装配方面进行了说明。在此，市场上常见的I型材具有中间连接片和带子并且已知的名称为“Peiner-
Figure BDA0000101038050000021
”，该型材在型材制造的轧制过程之后形成新的形状，因此带子相互围成90度的角。这样制造的新型材可以是开放的或封闭的。在后一种情况下在连接线处将带子彼此焊接。该制造由于在轧制I型材之后需要进一步的制造过程，因此成本高。
上述结构相对于角钢的优点是横截面面积较大以及相对于角结构具有较大的惯性半径，该横截面面积可以利用仅仅一个型材得到。不利的是，惯性半径相对于类似的管而言明显(系数大约为1.4)较小，并且角隅钢筋的支柱并不在型材的重心的方向上引导力，因此使角隅钢筋扭曲。
在DE 10 2005 012 817 A1中公开了另一种用于利用封闭型材实现角隅钢筋的方法。该应用说明了由两个开放的子型材组成的、在装配状态中封闭的、八角形的型材。装配好的型材的横截面近似地相应于管。子型材被拧紧。撑杆借助于连接板安装在子型材之间，因此出现的力通过撑杆近似对中心地导入通过拧紧的子型材构成的角隅钢筋中。通过装配连接板产生了在拧紧的子型材之间的缝隙。为了使装配好的型材在静态的特性方面相应于封闭的型材，因此此外在一定条件下需要将撑杆之间的子型材进一步拧紧。在这个附加的拧紧部处，被称为接合板的间隔件布置在子型材之间。由具有较小的平面惯量的半型材的弯折稳定性得出附加的拧紧部的所需的间距和因此得出所需的接合板的数量。
此外由撑杆的连接部的几何条件得出，角隅钢筋型材近似于静态有利的管形状，从而形成具有非常不同的平面惯量的子型材。
在具有上述结构的例如四角钢筋的塔架中，对于角隅钢筋的外板形成大约270度的角。对于内板相应地形成大约90度的角。在此情况下对于内板形成相对于外板较小的平面惯量，由此在撑杆连接部之间产生了数量巨大的附加的拧紧部和接合板。由于必须定期地检测拧紧部，因此产生了相应的取决于所应用的接合板数量的费用。此外在制造型材时证明的是，制造封闭的八角形型材在制造技术方面成本过高。
DE 10 2007 039 957 A1公开了一种用于实现较大塔高的塔形结构，其中两个子型材用于角隅钢筋的结构，这些子型材为了装配成总型材而构成了角隅钢筋区段。通过连接总型材的三个内角点所构成的内轮廓几乎具有三角形形状。总型材的外轮廓具有用于连接板的连接区域，在该连接区域处固定了格式杆的撑杆。子型材具有不同的几何形状并且必须对此设置直至70度的旋角。此外，材料的剧烈的形变引起的危险是，通过形变将强烈的固有应力或预损伤带入材料中。
通过螺栓连接优选地在建筑所在地进行塔形结构的装配。为了确保半型材的拧紧部的可接近性，在子型材中预设有检查孔。
发明内容
本发明的目的在于，实现一种用于风力发电设备的改进的塔架，其具有用于格式杆的角隅钢筋结构，其中角隅钢筋具有围绕两个主轴线相同的平面惯量并且其被尽可能简单地制造和装配。
该目的通过一种具有权利要求1所述特征的塔架来实现。
在从属权利要求中描述有利的实施方式。
在此提出，角隅钢筋分别由至少三个子型材构成，其中角隅钢筋的至少三个子型材构成了在横截面中环形封闭的总型材。这具有的优点是，子型材可以是相同的，其中在接缝的区域中所安装的、用于构成柱结构的剪刀撑对准在框架塔架中星形布置的角隅钢筋的一个相邻的角隅钢筋的接缝。
由于在这种对称的结构中，在角隅钢筋的相邻的子型材的连接区域的连接部处的接缝分别与一个在纵向延伸方向上延长该角隅钢筋的、相邻的角隅钢筋的分别邻接的接缝齐平地布置，因此可以简化上下重叠布置的角隅钢筋的连接、即简化了将两个角隅钢筋区段连接成一个角隅钢筋，并且对力线进行优化。
子型材在位于连接区域之间的区域中的两个拐点处弯折，该拐点优选地具有从120°至160°的、优选为140°的内角α。
特别有利的是，连接区域在子型材的相对设置的外边棱上以110°的内角β弯折。邻接的、在连接区域上相互连接的子型材的相对设置的弯折的连接区域应彼此平行取向。此外，子型材的连接区域应在横截面中以在150°至125°的范围内的、优选为110°的角度相互取向。
以这种方式可能的是，由子型材构成角隅钢筋的在横截面中封闭的总型材，其中子型材借助于彼此平行取向的连接区域可以静态理想地相互连接。
此外有利的是，设置用于和子型材耦合的耦合板，该耦合板分别至少和对应的子型材的两个相对设置的连接区域连接。借助于该耦合板可以由此加固子型材，即其在其他方面仅仅和相邻的子型材的连接区域相连的连接区域通过相互连接而被额外加固。耦合板确保了，在通过剪刀撑的力导入而被特别需要的位置处，特别是在耦合板安装在剪刀撑的高度区域中时加固角隅钢筋的子型材。
特别有利的是，至少两个相邻的耦合板通过两个彼此邻接的、构成一个角隅钢筋的角隅钢筋区段相互连接。但两个彼此邻接的、构成一个角隅钢筋的角隅钢筋区段的耦合板也可以设计为一体的。以这种方式，耦合板可以用于连接两个角隅钢筋区段的或角隅钢筋的上下重叠布置的子型材。
此外有利的是，耦合板以在110°至130°的范围内的、优选为120°的角度δ，在位于与对应的子型材的相对设置的连接区域的连接位置之间的部段中弯折。耦合板以这种方式延伸通过所属的角隅钢筋的重心，因此安装在角隅钢筋的同一高度处的多个耦合板构成了一个星形接合部，其延伸通过角隅钢筋的重心并且其自由端部朝向角隅钢筋的子型材的连接区域取向。该星形接合部可以由多个单独的耦合板或由一个一体的星形耦合板构成。
耦合板可以分别在相邻的子型材的两个连接区域之间导向，其中相邻的子型材在两个连接区域处和在耦合板处相互连接。为此，耦合板可以具有凹口、例如孔，其相应地匹配于在子型材的连接区域处的固定凹口/-孔，以便将固定螺栓或铆钉引导穿过对中心的凹口，并且在连接区域处的子型材因此相互连接以及和耦合板连接。
此外有利的是，柱结构的下侧的角隅钢筋区段的子型材的材料厚度不同于、优选为小于至少一个布置在下侧的角隅钢筋区段的上方的角隅钢筋区段的子型材的材料厚度。以这种方式可以使在原料方面用于子型材的材料消耗最小化。但也可以考虑型材几何形状的一个变体，其取决于在塔架的各种高度部段中的不同的静态的和动态的负荷。因此，角隅钢筋区段的总型材的横截面的宽度和高度可以在塔形建筑的下方区域中大于在上方区域中。
如上述设计的塔架优选地具有大于80m的高度并且因此适合且设计用于较大的负荷。
特别有利的是，角隅钢筋通过剪刀撑相互连接，其中安装在到角隅钢筋的同一高度处的剪刀撑这样布置和取向，即角隅钢筋的剪刀撑的纵轴线在角隅钢筋的通过子型材构成的总型材的重心处相交。
附图说明
以下根据实施例参照附图对本发明进行详细叙述。图中示出：
图1示出一个由三个子型材构成的、具有在连接区域处的剪刀撑的角隅钢筋的横截面图；
图2示出穿过塔架的水平截面图，该塔架具有六个星形布置的角隅钢筋和在角隅钢筋之间的剪刀撑；
图3示出一个由多部分构成的角隅钢筋的两个上下重叠布置的角隅钢筋区段的截面简图；
图4示出穿过具有和连接区域连接的耦合板的角隅钢筋的水平横截面图；
图5示出具有有利的尺寸的子型材的水平横截面图。
具体实施方式
在图1中能看到穿过一个由三个相同的子型材2构成的角隅钢筋1的水平横截面。子型材2在纵向方向(观察方向)上延伸并且在两个自由的外边棱上具有连接区域3a，3b，相邻的子型材2在该连接区域处相互连接。借助于这些连接区域3a，3b，子型材2可以环形地相互连接成封闭的总型材，以便构成角隅钢筋1。
为此，相邻的子型材2的连接区域3a，3b彼此平行地取向，并且可以以这种方式相互拧紧、焊接、铆接或以其他的方式相互固定住。
在相邻的子型材2与连接区域3a，3b的连接部处存在接缝，例如借助于耦合板4可以将剪刀撑5安装在这些接缝上。这些剪刀撑5用于连接多个构成一个塔形结构的并且分散地布置在圆周上的角隅钢筋1。
可以看到，子型材2在相对设置的连接区域3a，3b之间的区域中分别以角度α弯折两次。角度α位于120°至160°的范围内、优选为例如140°。
此外明显的是，通过将子型材2的外边棱弯折了角度β构成连接区域3a，3b。角度β位于115°至125°的范围内、在考虑通常公差的情况下优选为大约110°。
子型材的、通过这样弯折所获得的连接区域3a，3b以角度γ彼此对齐，该角度优选位于115°至125°的范围内并且优选地大约为120°。角隅钢筋1的子型材2因此同样以从115°至125°并且优选地大约为120°的角度γ彼此对齐。随后如示出地，三个子型材2形成一个环形封闭的总型材。
由图2可以看到穿过塔形结构6的水平截面，其具有六个(星形地)布置在圆周U上的角隅钢筋2。
角隅钢筋2在纵向方向上由多个重叠布置的角隅钢筋区段组成，这些角隅钢筋区段由各三个、优选为弯折的、由板形成的子型材2构成。示例性示出的结构例如可以是具有六个角隅钢筋2的格式杆，并且格式杆的高度可以为大约120m。在格式杆上布置了具有例如直至2百万瓦特的功率的风力涡轮机。
为了进行加固而将角隅钢筋2彼此之间利用剪刀撑5连接，剪刀撑安装在相对设置的角隅钢筋1的相互分派的接缝上。在这一点上也参照图1中的简图。
可以识别的是，角隅钢筋1的剪刀撑5朝向相应地直接相邻的角隅钢筋1导向。以这种方式在角隅钢筋1的高度上对于每个角隅钢筋1来说，一个支柱设置有四个剪刀撑5。
由图3可以看出角隅钢筋1的两个垂直重叠布置的角隅钢筋区段7，8的截面简图。在此，上方的角隅钢筋区段7具有比下方的角隅钢筋区段8小的横截面。也可以识别的是，角隅钢筋区段7，8借助于中央的耦合板9，10彼此连接。耦合板9，10构成了连接件，利用这些连接件将重叠布置的角隅钢筋区段7，8彼此连接并且通过它来加固角隅钢筋2的总型材。
由图4可以看出角隅钢筋1的示例性的实施方式的简图，其由三个子型材2构成。子型材2借助于耦合板11又分别加固成为封闭的型材，其中耦合板11导向角隅钢筋1的重心并且构成连接星结构。
耦合板11优选地***塔形结构的中间高度区段中。
用于总型材、即角隅钢筋1的材料优选地是建筑用钢、例如质量等级为S 355的细晶粒钢，其长度为12m并且材料厚度为8mm。但子型材和/或剪刀撑也可以至少部分地通过非金属的材料、例如层压的碳纤维或具有纤维的自然材料构成。
在图5中标出了有利的尺寸。在图5中示出的、具有108.34mm型材高度和567.63mm型材宽度的子型材2中对于子型材2得出以下的平面惯量：
每个相同的子型材
I max＝141437000mm4
I min＝743263mm4
总型材
I gesamt(总)＝537327000mm4
此外子型材2具有一个140度的角α和两个各为110度的角β。在塔形结构中与此相应地得出角隅钢筋2的相对设置的连接区域3a，3b，这些连接区域彼此平行地取向。
子型材2的弯折成角度的连接区域3a，3b具有一个长度，其一方面实现了耦合板11、即连接件的装配并且另一方面然后被设计用于确保型材的所需要的加固。
平面惯量的重心位于总型材的重心中。通过连接高度的撑杆导入单独的角隅钢筋1中的力同样朝向平面惯量的重心取向，由此使角隅钢筋1的扭曲负载最小化。
这种结构具有的优点是，在装配状态中形成角隅钢筋1的几乎封闭的型材，其中角隅钢筋1的主轴线的平面惯量几乎相同。
角隅钢筋区段7，8构成了角隅钢筋1的总型材。角隅钢筋区段7，8在垂直方向上相互布置并且可以例如借助于中央的接合板进行连接，该接合板例如可以是在图3中示出的耦合板9，10或图4中的星形的耦合板11。中央的接合板可以设计为一体的或由多个部分组成。
特别有利的是，中央的接合板由三个彼此连接的耦合板11组成，如在图4中画出的。接合板应在重心处如示出的星形那样进行连接。中央连接成星形的接合板的由一个部分并且也由多个部分组成的实施方式以下被称为星形接合部。
星形接合部相对于常规的耦合板具有在制造技术方面的优点，即角隅钢筋接合件的各个中央的接合板由一个部件或由相同的部件构成。通过将由三个弯折成角度的耦合板11构成的星形接合部进行预装配(参见图4)，简化了角隅钢筋1的装配。此外星形接合部使角隅钢筋型材在通过剪刀撑5的力导入而特别承受负载的位置上得到加固。通过因此指向角隅钢筋1的中心的力导入减小了角隅钢筋1相对于常规的角隅钢筋结构、例如由角铁构成的角隅钢筋结构的弯折力矩和扭力。
通过装配用于连接剪刀撑5的星形接合部，在拧紧的子型材2之间形成了缝隙。为了使装配的型材在静态的特性方面相应于封闭的型材，因此此外在一定条件下需要将剪刀撑5之间的子型材2进一步拧紧。在附加的拧紧部处，两个接合板布置在子型材之间。
通常在塔形建筑的较高的区段中存在比在塔形建筑的下方区段中更小的静态和动态的负荷。总型材的一个特别有利的实施方式通过改变材料厚度和/或通过改变型材几何形状、例如总型材的横截面的宽度和高度得出。这可能使在型材原料方面的材料消耗最小化。在此特别有利地应用细晶粒钢，这是因为由这种细晶粒钢可以制成精确地满足静态要求的相应的子型材。
由这种优化方式在塔形建筑的较高的区段中通常产生比在较低的区段中更小的总型材横截面。如果由此得出在垂直布置的和与耦合板10，11或星形接合部拧在一起的总型材之间的间距，那么相应地调整在耦合板10，11或星形接合部中的孔。不再需要额外的金属外壳用于例如通过拧紧实现的力传递的连接。
也有利的是，下方的角隅钢筋区段的材料厚度小于上方的角隅钢筋区段的材料厚度。这例如取决于角隅钢筋1的相应的张开情况。

Claims (10)

1.一种用于风力发电设备的塔架，所述塔架带有多个用于构成柱结构的角隅钢筋(1)，其中所述角隅钢筋(1)分别由多个彼此连接的子型材(2)组成，所述子型材具有相对设置的连接区域(3a，3b)，所述角隅钢筋(1)的相邻的所述子型材(2)能在所述连接区域上相互连接，并且其中所述子型材(2)分别在位于所述子型材(2)的所述相对设置的连接区域(3a，3b)之间的部段中在横截面中具有两个在所述子型材(2)的纵向延伸方向上延伸的拐点，其特征在于，
-所述角隅钢筋(1)分别由至少三个子型材(2)构成，其中所述角隅钢筋(1)的至少三个所述子型材(2)构成了在横截面中环形封闭的总型材，和
-在所述角隅钢筋(1)的相邻的所述子型材(2)的所述连接区域(3a，3b)的连接部处的接缝分别与一个在所述纵向延伸方向上延长所述角隅钢筋(1)的、相邻的角隅钢筋(1)的分别邻接的接缝齐平地布置。
2.根据权利要求1所述的塔架，其特征在于，所述拐点具有在120°至160°的范围内的、优选为140°的内角(α)。
3.根据权利要求1或2所述的塔架，其特征在于，所述连接区域(3a，3b)在所述子型材(2)的纵向侧的相对设置的外边棱上以110°的内角(β)弯折，所述邻接的、在所述连接区域上相互连接的子型材(2)的所述相对设置的弯折的连接区域(3a，3b)彼此平行取向，并且所述子型材(2)的所述连接区域(3a，3b)在横截面中在115°至125°的范围内、优选为仅仅110°的范围内相互取向。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的塔架，其特征在于，设置用于和所述子型材(2)耦合的耦合板(4，9，10，11)，所述耦合板分别至少和对应的所述子型材(2)的两个所述相对设置的连接区域(3a，3b)连接。
5.根据权利要求4所述的塔架，其特征在于，至少两个相邻的所述耦合板(4，9，10，11)通过两个彼此邻接的、构成一个角隅钢筋区段的所述角隅钢筋(1)相互连接。
6.根据权利要求4所述的塔架，其特征在于，两个彼此邻接的、构成一个角隅钢筋区段的所述角隅钢筋(1)的所述耦合板(4，9，10，11)设计为一体的。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的塔架，其特征在于，所述耦合板(4，9，10，11)以在110°至130°的范围内的、优选为120°的角度(δ)，在位于与对应的所述子型材(2)的所述相对设置的连接区域(3a，3b)的连接位置之间的部段中弯折。
8.根据前述权利要求中任一项所述的塔架，其特征在于，所述耦合板(4，9，10，11)分别在相邻的所述子型材(2)的两个所述连接区域(3a，3b)之间导向，其中相邻的所述子型材(2)在两个所述连接区域(3a，3b)处和在所述耦合板(4，9，10，11)处相互连接。
9.根据前述权利要求中任一项所述的塔架，其特征在于，所述柱结构的下侧的所述角隅钢筋区段的所述子型材(2)的材料厚度不同于、优选为小于至少一个布置在下侧的所述角隅钢筋区段的上方的角隅钢筋区段的所述子型材(2)的材料厚度。
10.根据前述权利要求中任一项所述的塔架，其特征在于，所述角隅钢筋(1)通过剪刀撑(5)相互连接，其中安装在到所述角隅钢筋(1)的同一高度处的所述剪刀撑(5)这样布置和取向，即所述角隅钢筋(1)的所述剪刀撑(5)的纵轴线在所述角隅钢筋(1)的通过所述子型材(2)构成的所述总型材的重心处相交。
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