基座以及形成單樁基座的方法

2023-05-31 17:40:21

專利名稱：基座以及形成單樁基座的方法
技術領域：
本發明大體涉及一種在土壤中形成用於風輪機塔架的單樁基座的方法，包括在土
壤中鑽出多個孔以及將單樁放置到環形凹部中。環形凹部通過僅僅所述多個孔、和/或在將單樁放置到孔中的同時通過所述單樁打破所述多個孔中相鄰孔之間的中間土壤壁而形成。本發明還涉及一種土壤中用於風輪機塔架的基座、一種包括這種基座的風輪機、以及這種基座在風輪機中的應用。
背景技術：
風輪機塔架高度通常為30-80米並且直徑為2-10米。常用現代塔架的重量對於
用於44米風輪直徑的風輪機(600kW)的50米塔架是40噸、以及對於用於72米風輪直徑
的的風輪機的60米塔架是80噸。由於風輪機塔架的高度和重量、由風輪機葉片旋轉運動
所形成的力、以及塔架暴露於風的極大表面，塔架必須穩定地緊固到地面上。 根據土壤情況，例如巖石、泥土或沙粒，不同種類的基座被用於將風輪機塔架緊固
到地面上。 一種形成基座的方法是在凹部中形成混凝土基座、在混凝土基座上設置支撐結
構、與塔架形成連接、以及將錨固件設置到地面中的鑽孔中從而將基座緊固到地面。 用於風輪機的另一種基座類型是單樁基座。單樁基座包括長度超過直徑的管狀元
件，該管狀元件通過錘擊或振動而推入到地面中。只要地面沒有任何不希望的物體像巖石，
這種技術可以很好地運用。然而，單樁在被錘擊到地面中時要承受到非常大的力。由此，單
樁必須被加強從而抵禦由錘擊引起的力。此外，將單樁振動到地面中在沙子中可行但在泥
土中不可行。 W001/66861公開了一種用於將風輪機塔架的基座錨固到巖床上的裝置和方法。這種方案相當於所謂的埋置基座。這意味著孔被設置成其尺寸大於錨固部的尺寸。當錨固部被插入到孔中時保留的自由空間被混凝土所填充，由此錨固部被埋入到混凝土中。錨固部可設置有錨固件，並且錨固部的高度基本上等於錨固部的直徑。對應的技術在W002/099203中公開。

發明內容
鑑於上述內容，本發明的目的是對上述技術及現有技術進行改進。 具體地， 一個目的是提供一種用於在土壤中形成單樁基座以及基座的方法，單樁
基座以及基座被錘擊或振動到地面中。 另一目的是提供一種用於在土壤中形成單樁基座以及基座的方法，單樁基座以及基座不需要任何錨固件來獲得基座的必要穩定性。 根據第一方面，本發明通過一種在土壤中形成用於風輪機的單樁基座而實現，該方法包括在土壤中鑽出多個孔，所述多個孔沿著曲線設置，所述曲線具有與單樁的橫向空間(cross-dimensional)形狀相對應的輪廓，其中，在鑽出多個孔時，第一孔被鑽出、並且在與第一孔相鄰的下一個孔被鑽出之前被臨時填充材料填充；以及將單樁放置到環形凹部中，所述環形凹部通過僅僅所述多個孔、和/或通過在單樁被放置到孔中的同時所述單樁使所述多個孔中相鄰孔之間的中間土壤壁破裂而形成。 該創新方法的優點在於由於或多或少與單樁形狀相對應的凹部在單樁被引入到土壤中之前和/或在單樁被放置到土壤中時形成，因此便於形成單樁基座。由此，與將單樁錘擊或者振動到地面中相比，將單樁放置到地面中所需的力減小。如果通過單樁打破相鄰孔之間的中間土壤壁而形成環形凹部，那麼將單樁放置到土壤中所需的力僅僅必須超過相鄰孔之間中間壁的阻力。如果多個孔在單樁放置到其中之前形成環形凹部，那麼將單樁放置到土壤中所需的力還進一步減小。 由於將單樁放置到土壤中所需的力減小，那麼單樁不需要如現有技術的單樁方案那樣被錘擊或振動到地面中。由此，單樁不需要被加強來抵抗在安裝過程中引起的力。由此，單樁的重量減小，便於材料節省以及單樁的運輸。 另一個優點是能夠在垂直方向上將單樁分成多個節段。將單樁分成多個節段便於
將單樁運送到工地。在設置單樁之前，單樁節段彼此連接。例如，單樁節段可設置有凸緣，
並且以任意傳統方式彼此連接。在現有技術方案中，當單樁被錘擊或振動到土壤中時，連接
的單樁節段的凸緣引起大的阻力，由此阻礙使用超過一個單樁節段。當使用該創新方法時，
當設置單樁時形成凹部會減小阻力，即便單樁包括通過凸緣彼此連接的多個節段。
由於基座是單樁類型，因此單樁本身提供了基座必要的剛性及穩定性。不需要錨
固件或混凝土基座來穩定及緊固基座。由此，與包括混凝土基座、錨固件、錨固部等的埋置
基座相比，由於該創新基座僅包括一個主要部件，即，單樁，因此便於形成基座。 在鑽出多個孔時，第一孔被鑽出並且在與第一孔相鄰的下一個孔被鑽出之前由臨
時填充材料填充。由此，在鑽出下一個相鄰孔時，第一孔不會坍塌。此外，在第一孔中填充
臨時填充材料防止第一孔被來自於下一個孔的土壤再次填充。 該方法還包括在所述多個孔中的至少一個中設置加強元件。加強元件防止在單樁被放置到孔中之前孔坍塌。 該方法還包括將單樁推入到環形凹部中。如果環形凹部通過單樁使相鄰孔之間的
中間土壤壁破裂而形成的話，那麼需要一些力將單樁放置到凹部中。該力需要使相鄰孔之
間的中間土壤壁破裂，從而形成環形凹部，該力取決於中間土壤壁的寬度。 該方法還包括在放置單樁之後將所述孔的剩餘部分填充土壤和/或混凝土。當單
樁被放置到凹部中時，孔的一部分可保留作為凹部。通過向這些部分填充土壤或者混凝土，
單樁基座被進一步加強並且提供額外剛度和穩定性。 該方法還包括在放置單樁之後，通過從下方向所述孔的剩餘部分填充混凝土，從而移除臨時填充材料。混凝土可以從與形成環形凹部的孔鄰近的另外孔被進給。由於另外孔延伸到環形凹部的底部，因此臨時填充材料被移除並且由混凝土所替代，由此進一步穩定了基座。 該方法還包括鑽出所述多個孔使得它們彼此部分地重疊。當孔部分重疊時，與單樁形狀相對應的連續環形凹部可根據重疊的程度形成。在極端情況下，凹部可以在單樁放置到其中之前已經形成，所述凹部在相鄰孔之間沒有中間壁。由此，進一步便於將單樁放置到凹部中並且使單樁放置到凹部中所需的力進一步減小。 根據第二方面，本發明通過一種土壤中用於風輪機塔架的基座而實現，該基座包括具有管狀形狀的單樁；以及形成環形凹部的多個孔，所述凹部與單樁的橫向空間形狀對應，所述單樁被設置在環形凹部中；所述環形凹部通過僅僅所述多個孔、和/或通過在單樁被放置到孔中的同時所述單樁使所述多個孔中相鄰孔之間的中間土壤壁破裂而形成。
該創新基座的優點在於由於基座是單樁類型，因此單樁本身提供了基座必要的剛性和穩定性。不需要錨固件或混凝土基座來穩定和緊固基座。由此，與包括混凝土基座、錨固件、錨固部等的埋置基座相比，由於該創新基座僅包括一個主要部件，即，單樁，因此該基座包括更少部件並且被簡化。
另一個優點在於由於單樁不必被錘擊或振動到地面中，因此基座不需要被加強。
相反地，基座被放置到當單樁被放置到凹部中被預先形成和/或形成的凹部中。 此外，由於基座不需要被加強，因此單樁重量降低，使得材料節省並且便於單樁的運輸。 另一個優點在於能夠將單樁在垂直方向上分成多個節段，由此便於將單樁運輸到工地。在設置單樁之前，單樁節段通過使用設置在單樁節段上的凸緣而彼此連接。在現有技術方案中，當將單樁錘擊或振動到土壤中時，連接的單樁節段的凸緣產生大的阻力，由此阻礙使用超過一個單樁節段。由於在設置單樁時，如該創新基座中形成凹部會減小阻力，即便單樁包括通過凸緣彼此連接的多個節段。 單樁的上部可突出到土壤上方以及單樁下部可放置到所述環形凹部中。第一部分可包括與塔架的接合部，例如與設置在塔架上的配接元件相對應的凸緣。設置到土壤中的第二部分提供了風輪機塔架的必要穩定性。 單樁下部的深度與單樁直徑的比率至少為2 : 1。對於設計成單個樁的單樁基座，
被引導到土壤中的單樁的深度必須足夠大，從而提供風輪機塔架的所需穩定性。 孔可彼此部分地重疊。當孔部分重疊時，與單樁形狀相對應的連續環形凹部可根
據重疊程度形成。在極端情況下，可以形成在相鄰孔之間不具有中間壁的凹部。由此，進一
步便於將單樁放置到凹部中並且將單樁引導到凹部中所需的力進一步減小。 相鄰孔之間的重疊部分在單樁徑向方向上的距離可超過單樁的壁厚。由此，由於
與單樁形狀相對應的連續凹部被預先形成，因此將單樁放置到土壤中所需的力減小。當單
樁被設置到凹部中時，孔的一部分保留作為凹部，該凹部可被土壤或混凝土所填充。 相鄰孔之間的重疊部分在單樁徑向方向上的距離可與單樁的壁厚對應。由此，由
於與單樁形狀相對應的連續凹部被預先形成，因此將單樁放置到土壤中所需的力減小。當
單樁被設置到凹部中時，孔的一部分保留作為凹部，該凹部被土壤或混凝土所填充。 相鄰孔之間的重疊部分在單樁徑向方向上的距離可小於單樁的壁厚。 孔的剩餘部分可以被土壤、混凝土或者臨時填充材料所填充。當單樁放置到凹部
中時，孔的一部分保留作為凹部。通過對這些部分填充土壤或混凝土，基座進一步加強並且
提供了額外的剛度和穩定性。 根據第三方面，本發明通過包括根據本發明第二方面的基座的風輪機而實現。包括根據本發明第二方面的基座的風輪機結合了基座的全部優點，這些優點前面已經討論過，因此前面的討論同樣適用。 根據第四方面，本發明通過根據本發明第二方面的基座的應用而實現。根據本發明第二方面的基座的應用結合了基座的全部優點，這些優點前面已經討論過，因此前面的討論同樣適用。 本發明其它目的、特徵和優點將從接下來的詳細公開、附加的權利要求以及附圖中體現出來。 通常，權利要求中使用的所有術語將根據它們在該技術領域的通常意義來解釋，除非在此以其它方式明確地限定。凡涉及到用一個/該/所述限定的"元件、裝置、部件、方式、步驟等"都被開放地解釋為指至少一個所述"元件、裝置、部件、方式、步驟等"的情況，除非以其它方式明確地表明。這裡公開的任意方法的步驟不需要按照公開的確切步驟執行，除非明確地表明。


通過接下來參考附圖對本發明優選實施例的示意性及非限制性的詳細描述，本發明的上述及另外的目的、特徵及優點將會更好地被理解，附圖中相同的附圖標記用於相同的元件。其中 圖1示意性地顯示了用於風輪機的基座的橫截面圖。 圖2a示意性地顯示了形成於土壤中的多個部分重疊的孔，它們形成環形凹部。
圖2b示意性地顯示了從上面看並且被放置到環形凹部中的圖1中的基座。
圖2c示意性地顯示了彼此相隔一段距離設置的多個孔。
圖2d示意性地顯示了相鄰孔的重疊部分如何變化。 圖3a示意性地顯示了在鑽孔工藝過程中臨時填充材料如何被設置在孔中。
圖3b示意性地顯示了加強元件如何被設置在孔中。 圖4示意性地顯示了混凝土如何被引入到凹部中，由此移除臨時填充材料。
具體實施例方式
參考圖1，顯示了用於風輪機塔架20的基座1。基座1由具有管狀形狀的單樁2形成。單樁2可由一個管狀元件3形成、或者可由周向方向上的多個扇形部形成，所述多個扇形部一起形成管狀元件3。在垂直方向上，單樁2可由超過一個節段形成，所述節段一起形成管狀元件3。節段可通過設置在每個節段端部的凸緣以任意常規方式彼此連接。
單樁是用於風輪機塔架的一類基座，單樁沒有設置到混凝土基座上，並且沒有通過使用錨固件被緊固到地面上。相反地，單樁設置在地面中的長度提供了風輪機塔架的穩定性。與埋置基座相比，被引入到土壤中的單樁深度超過單樁的直徑。 單樁2適於被放置到土壤5中，例如砂子或泥土中。特別的土壤材料儘管不是必要的，但也是非常適合的。 單樁2被放置到凹部10中，該凹部具有與單樁2的管狀形狀相對應的形狀。單樁的上部突出到土壤上方，並且形成與風輪機塔架20的連接部。單樁2的上部可包括凸緣4，該凸緣形成與塔架20的接合部。風輪機塔架20可包括對應的凸緣8，並且通過使螺栓6穿過設置在凸緣4，8中的孔7從而將單樁2連接到塔架20。風輪機塔架20可由周向方向上的多個塔架扇形部形成，每個扇形部形成塔架20的一部分。單樁的下部放置在土壤5中的凹部10中。 被引入到土壤中的單樁下部的深度與單樁直徑比率為至少2 : 1。被引入到土壤5中的單樁2的下部的深度必需足夠大，從而使得為風輪機塔架20形成穩定的支撐。下部的深度取決於塔架高度、土壤情況、預期負載等等。 凹部10的一部分即便在單樁2已被放置到凹部10中之後也可保留作為凹部。這些保留部分可填充混凝土。通過將任何保留的凹部填充混凝土，基座l被進一步加強。混凝土填充還形成了與土壤的錨固。 圖2a和2b顯示了從上面看的凹部10，在圖2a中是單樁2被放置到凹部10中之前，以及在圖2b中是單樁2被放置到凹部10中時。凹部10具有環形形狀，基本上與單樁2的環形形狀相對應。當形成該創新基座1時，多個孔11被鑽入到土壤5中。孔ll沿著與單樁2的橫向空間形狀相對應的輪廓設置。如果孔11部分地重疊，如圖2a中所示，那麼多個孔11形成了環形凹部10。單樁2隨後被放置到環形凹部10中。如果當孔被鑽出時中間土壤壁13保留在相鄰孔之間，如圖2c所示，那麼多個孔11準備用於待形成的環形凹部10。當把單樁2放置到孔11中時，單樁2打破中間土壤壁13，從而使得土壤壁對塌。由此，在放置單樁2的同時形成環形凹部10。 環形凹部IO還可形成為上述情況的組合。例如，在第一部分中，孔11可以部分地重疊，由此在單樁2被放置到凹部10中之前已經形成凹部。在另一部分中，孔11可彼此相鄰設置，被中間壁13所分開。在這一部分中，當單樁2被放置到凹部10中時形成環形凹部10。此外，孔11的直徑可小於單樁2的壁厚。在這種情況下，當單樁2被放置到凹部中時，與單樁2的形狀和壁厚相對應的凹部被形成。 當鑽出用於形成凹部10或者為凹部10做準備的孔11時，第一孔lla被鑽進到土壤5中。第二孔llb隨後與第一孔lla相鄰地鑽出。第三孔llc隨後與第二孔llb相鄰地鑽出。這個過程連續進行直到如圖2a所示形成沿著曲線設置的多個孔ll，該曲線具有與單樁2的橫向空間形狀相對應的輪廓。 如果孔11部分地重疊，那麼重疊部分在單樁徑向方向上的距離dl、 d2以及d3可以超過、等於或者小於單樁2的壁厚D，其在圖2d中顯示出來。如果重疊部分的距離dl小於單樁2的壁厚D，那麼需要一些力將單樁2放置到凹部中，目的是使凹部10加寬。
此外，孔11的直徑可超過、小於或者等於單樁2的壁厚。如果單樁2的壁厚D超過孔11的直徑，那麼當單樁放置到環形凹部10中時凹部不再保留。 參考圖3a，更加詳細地介紹鑽出孔11。第一孔11a被鑽進到土壤5中，如前所述。在鑽出第二孔llb之前，第一孔lla被臨時填充材料12所填充。臨時填充材料12可以是膨潤土、或者任何其它適當的臨時填充材料。臨時填充材料12防止在鑽出相鄰孔時第一孔lla對塌。 當第一孔lla被填充有臨時填充材料12時，第二孔lib被鑽出。第二孔lib隨後在鑽出第三孔lie之前被臨時填充材料12填滿。這個過程連續進行直到形成沿著曲線設置的多個孔ll，該曲線具有與單樁2的橫向空間形狀相對應的輪廓。 在將單樁2設置到所形成的或者準備好的凹部10中之前，如果需要的話，設置在孔ll中的臨時填充材料通過適當的化學品或者水被溶解。如果使用膨潤土作為臨時填充材料，那麼由於膨潤土的材料特性不需要在設置單樁2之前使膨潤土溶解。
替代地，孔11不需要一個接一個按順序地鑽出。在鑽出第一孔lla以及在第一孔lla中填滿臨時填充材料12之後，第二孔(例如lie或者lid)可以沿著與單樁2的橫向空間形狀相對應的曲線輪廓、在距離第一孔lla—段距離處鑽出，並且與第一孔lla不相鄰。
稍後，在距離第一孔lla—段距離處鑽出孔之後，鑽出與第一孔相鄰的孔llb。由此，臨時填
充材料12具有時間硬化，在鑽出相鄰孔lib時第一孔坍塌的風險進一步降低。 在溶解臨時填充材料12之後，如果需要的話，單樁2被設置到土壤5中的凹部10
中。如果孔11的直徑超過單樁2的壁厚，那麼孔11的一部分將作為凹部保留，如圖2c和
2d所示。 為了填充孔11的任何保留部分，以及進一步穩定基座l，混凝土 16從下方引入到 凹部10中，如圖4所示。混凝土 16被引入到附加孔15中，該附加孔緊鄰凹部10設置並且 沿著凹部10延伸。混凝土 16流入到凹部10的下部中，由此向上擠壓剩餘的臨時填充材料 12。凹部10由此從下方被混凝土 16填充。 即便臨時填充材料12通過使用化學品被溶解，部分臨時填充材料12可能保留在 凹部10中。由此，凹部10可被混凝土、土壤以及臨時填充材料的混合物所填充。然而，為 了獲得基座1的最佳穩定性，如果可能的話，所有臨時填充材料12應當被混凝土所替換。 在鑽孔期間被用於臨時地填充孔11的臨時填充材料12不具有使基座1穩定的足夠承受能 力。 作為用臨時填充材料12填充孔11的替代方案，在孔11中可設置加強元件14用 於臨時地使孔11加強，如圖3b所示。 一個加強元件14適於被放置到所述多個孔11的一 個中。加強元件14可以是管狀元件，例如由塑料製成。可選擇地，加強元件14可以是加強 結構或者布線。加強元件14適於抵抗來自於周圍土壤的力，從而防止孔11坍塌，但是適於 在單樁2被放置到凹部10中時打破。例如，加強元件14中的材料可通過材料中的穿孔而 被弱化、或者具有弱化部分。當單樁2被放置到凹部10中時，加強元件14破裂或者局部破 裂，從而使得加強元件14不會妨礙單樁2被放置到凹部10中。 可以預期的是，單樁可具有任意其它形狀，以及對應的凹部可具有任意其它形狀。 此外，即便顯示了圓形的孔，但是孔可具有任意其它形狀。還可以預期的是，與風輪機塔架 的接合部還可具有另外的設計。 本發明在上面主要參考一些實施例而進行描述。然而，對於本領域技術人員容易 理解的是，除了上面公開之外的其它實施例同樣落入由專利權利要求書所限定的發明範圍 之內。
權利要求
一種用於在土壤中形成用於風輪機塔架(20)的單樁(2)基座(1)的方法，包括在土壤中鑽出多個孔(11)，所述多個孔沿著曲線設置，所述曲線具有與單樁(2)的橫向空間形狀相對應的輪廓，其中，在鑽出多個孔(11)時，第一孔被鑽出、並且在與第一孔相鄰的下一個孔被鑽出之前被臨時填充材料(12)填充；以及將單樁(2)放置到環形凹部(10)中，所述環形凹部通過僅僅所述多個孔(11)、和/或通過在單樁被放置到孔中的同時所述單樁(2)使所述多個孔中相鄰孔之間的中間土壤壁(13)破裂而形成。
2. 如權利要求1所述的方法，其特徵在於，還包括在所述多個孔中的至少一個中設置加強元件(14)。
3. 如權利要求l-2任一所述的方法，其特徵在於，還包括推動單樁進入環形凹部(10)中。
4. 如權利要求l-3任一所述的方法，其特徵在於，還包括在放置單樁(2)之後，在所述孔(11)的剩餘部分中填充土壤和/或混凝土。
5. 如權利要求l所述的方法，其特徵在於，還包括在放置單樁(2)之後，通過從下方用混凝土填充所述孔的剩餘部分從而移除臨時填充材料(12)。
6. 如權利要求l-5任一所述的方法，其特徵在於，還包括鑽出所述多個孔(11)使得它們部分地彼此重疊。
7. —種土壤中用於風輪機塔架(20)的基座(l)，包括具有管狀形狀的單樁(2);以及形成環形凹部(10)的多個孔(ll)，所述凹部與單樁的橫向空間形狀對應，所述單樁被設置在環形凹部中；所述環形凹部通過僅僅所述多個孔(11)、和/或通過在單樁被放置到孔中的同時所述單樁(2)使所述多個孔中相鄰孔之間的中間土壤壁(13)破裂而形成。
8. 如前述權利要求7所述的基座，其特徵在於，所述單樁(2)的上部突出到土壤上方，並且所述單樁的下部被放置在所述環形凹部中。
9. 如權利要求8所述的基座，其特徵在於，所述單樁下部的深度與單樁直徑之間的比率至少2 : 1。
10. 如權利要求7-9任一所述的基座，其特徵在於，所述孔(11)彼此部分地重疊。
11. 如權利要求7-10任一所述的基座，其特徵在於，相鄰孔(11)之間的重疊部分在單樁(2)徑向方向上的距離超過所述單樁的壁厚。
12. 如權利要求7-10任一所述的基座，其特徵在於，相鄰孔(11)之間的重疊部分在單樁(2)徑向方向上的距離相當於所述單樁的壁厚。
13. 如權利要求7-10任一所述的基座，其特徵在於，相鄰孔(11)之間的重疊部分在單樁(2)徑向方向上的距離小於所述單樁的壁厚。
14. 如權利要求7-13任一所述的基座，其特徵在於，所述孔(11)的剩餘部分被土壤、混凝土 、或者臨時填充材料所填充。
15. —種風輪機，其特徵在於，包括如權利要求7-14任一所述的基座。
16. —種根據權利要求7-14任一所述的基座的應用，其特徵在於，所述基座用於風輪機中。
全文摘要
本發明涉及一種用於在土壤中形成用於風輪機塔架(20)的單樁(2)基座(1)的方法，包括在土壤中鑽出多個孔(11)，所述多個孔沿著曲線設置，所述曲線具有與單樁(2)的橫向空間形狀相對應的輪廓，其中，在鑽出多個孔(11)時，第一孔被鑽出、並且在與第一孔相鄰的下一個孔被鑽出之前被臨時填充材料(12)填充；以及將單樁(2)放置到環形凹部(10)中，所述環形凹部通過僅僅所述多個孔(11)、和/或通過在單樁被放置到孔中的同時所述單樁(2)使所述多個孔中相鄰孔之間的中間土壤壁(13)破裂而形成。本發明還涉及一種土壤中的用於風輪機塔架(20)的基座(1)、一種包括這種基座(1)的風輪機、以及這種基座(1)在風輪機中的應用。
文檔編號E02D27/42GK101748737SQ20091022655
公開日2010年6月23日 申請日期2009年11月25日 優先權日2008年12月1日
發明者J·克裡斯滕森 申請人:維斯塔斯風力系統集團公司