ФУНДАМЕНТ ДЛЯ БАШЕН ВЕТРЯНЫХ ТУРБИН
FOUNDATION FOR WIND TURBINE TOWERS

Данное описание относится, как указано в названии, к фундаменту для башен ветряных турбин того типа, который используется для обеспечения опоры как металлических башен, так и бетонных башен ветряных турбин, в котором используются сборные бетонные балки в сочетании с небольшими опорами, забетонированными на месте, причем балки конструктивно соединены в центральной части фундамента с помощью элементов соединения и опоры башни.
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области фундаментов, используемых в качестве опоры как металлических, так и бетонных башен ветряных турбин.
Уровень техники
3
В настоящее время башни ветряных турбин имеют широкое применение, в основном для выработки электрической энергии. Из-за большой высоты они должны быть надежно закреплены на земле, что в большинстве случаев выполняется с помощью по существу конического фундамента, выполненного из железобетона, как описано в патентах ES2659523 «Способ установки ветряной турбины», ES2685834 «Башня ветряной турбины и способ изменения собственной частоты башни ветряной турбины» и ES2347742 «Фундамент ветряной турбины». Патент ES2571731 «Фундамент ветряной электростанции, а также ветряная электростанция», в частности, включает в себя арматуру, используемую для обычного фундамента. Этот тип фундамента имеет большое количество недостатков, среди которых то, что для него требуется выполнение предварительного глубокого котлована диаметром более 18 метров и глубиной не менее 4 метров, и в нем используется большое количество бетона, примерно 400 м или больше, а также около 38000 кг или больше крупногабаритной металлической арматуры или арматурного стержня. Все это связано с высокими экономическими затратами и длительными сроками строительства.
Чтобы частично обойти эти проблемы и использовать меньше бетона и арматурного стержня, в некоторых случаях используется по существу цилиндрическая конструкция с периферийной конструкционной арматурой в виде радиальных ребер или распорок, которые бетонируются на месте. Примеры этих конструкций можно увидеть в патентах WO2016116645 «Бетонная башня», WO2015185770 «Система фундамента для башен и способ установки системы фундамента для башен» и ES2524840 «Система фундамента для башен и способ установки системы фундамента для башен».
В других случаях эти боковые арматуры имеют форму сборных бетонных скоб или металлических стержней или элементов, как раскрыто в патентах ES2544806 «Улучшенный фундамент для башни ветряной турбины» или ES2601232 «Фундамент для ветряных электростанций».
Однако в этих вариантах осуществления не удается устранить основные проблемы из-за большого объема фундамента, который необходимо бетонировать на месте, а также сложности и объема арматуры, как упоминалось выше. Помимо этих проблем, необходимо добавить, что для правильного отверждения бетонирование должно быть непрерывным, без перерывов, что требует стабильной подачи большого количества бетона, который во многих регионах или странах трудно или невозможно получить. Во многих странах с бедной экономикой также нелегко получить большой объем арматурных стержней, необходимый для арматуры.
Еще одна дополнительная проблема заключается в том, что для проведения необходимых земляных работ нужно сделать пандусы для спуска тяжелой техники из-за необходимости копать на такую глубину, что увеличивает время работы. Так же необходимо выровнять дно котлована.
Все это означает, что обычное время для земляных работ, подготовки, бетонирования и отверждения составляет около 3-4 недель, что, если умножить его на большое количество ветряных турбин на каждой ветряной электростанции, сопряжено с очень большими экономическими затратами.
Еще один недостаток заключается в том, что этот тип фундамента трудно адаптировать к неоднородной местности или местности с плохим рельефом и в большинстве случаев это требует еще больших вложений или препятствует установке ветряных турбин на некоторых участках местности.
Раскрытие сущности изобретения
Для решения проблем, которые в настоящее время существуют с фундаментами ветряных турбин, был создан фундамент для башен ветряных турбин, который является объектом настоящего изобретения, который объединяет по меньшей мере три сборные балки, расположенные горизонтально в радиальном направлении, с небольшими армированными бетонными опорами, выполняемыми на месте, которые поддерживают внешние концы балок с помощью опорного шарового шарнира, линейного или сферического, который может иметь или не иметь ограничений смещения в одном или более направлений в центральной части указанной опоры, что позволяет равномерно распределять все опорные нагрузки по опоре. Концы также фиксируются анкерами между концом балки и опорой для предотвращения опрокидывания башни. Различные балки жестко скреплены вместе в центральной части фундамента с помощью соединительных средств. Сборные балки могут быть выполнены из бетона, металла или их комбинации.
Опоры могут иметь разную форму и глубину даже в одном и том же фундаменте, чтобы адаптироваться к конкретным характеристикам каждого ландшафта.
Предпочтительно использовать три сборные балки, одна из которых примерно в два раза длиннее двух других балок, причем внутренние концы меньших балок в этом случае жестко прикреплены к центральной части большей балки, образуя крестообразную конструкцию на виде в плане. Эта конструкция оказалась оптимальной с точки зрения простоты изготовления, транспортировки и производительности. Однако также возможно выполнить фундамент, который является объектом данного изобретения, альтернативно с множеством балок одинаковой или разной длины, в количестве, равном или более трех, соединенных на их внутренних концах, и с каждым из их внешних концов, соединенным таким же образом с опорой.
Описаны два варианта осуществления: один для случая, когда башня ветряной турбины выполнена металлической, а другой для случая, когда башня ветряной турбины выполнена бетонной, по меньшей мере в ее нижней части, то есть, она выполнена полностью из сборного бетона, из секций или сегментов, или объединяет в себе бетонную, по существу нижнюю часть башни, с верхней частью башни, которая выполнена металлической.
В случае если башня ветряной турбины выполнена металлической, средства жесткого крепления балок также содержат бетонный балластный заполнитель, расположенный ниже уровня земли в месте соединения балок, поверх которого расположена верхняя плита, выступающая над уровнем земли, для анкерного крепления металлической башни.
В случае если башня ветряной турбины выполнена бетонной, по меньшей мере в ее нижней части, средства для жесткого крепления балок также содержат объем полой камеры натяжения, выполненной из сборных бетонных элементов, с круговым сектором или многоугольником в виде на плане и стенкой на внешней стороне, расположенной между внутренними секциями балок, и верхнюю плиту, с круговой формой на виде в плане, поверх соединения балок, для обеспечения опоры для сборной бетонной башни и анкерного крепления вертикального элемента последующего натяжения башни. В этом случае сборная бетонная башня опирается на верхнюю плиту, и вертикальный элемент последующего натяжения указанной башни проходит через верхнюю плиту, через перфорационные отверстия или каналы в полую камеру натяжения, где находятся средства для выполнения последующего натяжения и крепления тросов, обеспечивающих жесткость башни.
Предпочтительно, балки имеют прямоугольное сечение с большей высотой в центральной части и меньшей высотой на концах. Секции большей высоты обычно ориентированы вниз, так что большая часть фундамента находится ниже уровня земли, и только часть верхней плиты выступает наружу, что сводит к минимуму визуальное воздействие. Однако на участках, где визуальное воздействие не так важно и требуется дополнительная небольшая экономия, можно собрать балки с секциями большей высоты, ориентированными вверх, выступающими над уровнем земли, вместе с частью бетонного балластного заполнителя или сборными бетонными элементами, вместе со всей верхней плитой.
Этот описанный фундамент для башен ветряных турбин требует особого способа строительства, который включает в себя первый этап подготовки местности, второй этап бетонирования опор, третий этап отверждения опор, четвертый этап сборки сборных балок, пятый этап выполнения соединения балок в центральной части и шестой этап заполнения оставшегося пространства до исходного уровня земли.
Преимущества изобретения
Представленный фундамент для башен ветряных турбин имеет многочисленные преимущества по сравнению с известными и используемыми в настоящее время методами, наиболее важным из которых является то, что при использовании небольших опор он обеспечивает очень большую экономию как на количестве используемого бетона, так и на количестве используемых арматурных стержней для арматуры, что подразумевает как заметную экономию средств, так и возможность применения в регионах или странах, где есть проблемы с поставкой или производством бетона или арматурных стержней в таких количествах.
В результате вышесказанного устраняются проблемы, связанные с необходимостью продолжительной непрерывной подачи большого количества бетона, присущие обычным большим фундаментам, для правильного отверждения. Это также позволяет использовать обычную предварительно собранную арматуру из арматурных стержней без необходимости сборки дорогостоящей специальной арматуры на месте перед бетонированием.
Другим важным преимуществом является то, что требуется гораздо меньше земляных работ, как по объему, так и по глубине, и нет необходимости изготовления пандусов для спуска тяжелых машин, как это обычно бывает с традиционными фундаментами глубиной несколько метров. Это приводит к значительной экономии времени и снижению затрат.
Еще одно преимущество этого изобретения состоит в том, что, в отличие от традиционных методов, нижнюю часть фундаментов не нужно идеально выравнивать, что также приводит к дополнительной экономии времени и снижению затрат.
Еще одно из наиболее важных преимуществ, которое следует выделить, заключается в том, что при использовании сборных элементов общее время строительства фундамента заметно сокращается с обычных 3 или 4 недель при использовании обычных методов до максимум 1 недели.
Кроме того, еще одним дополнительным преимуществом является то, что этот фундамент может быть легко адаптирован к различным типам грунта, как с однородным рельефом местности, так и с неоднородным или несовершенным рельефом, что позволяет устанавливать башни ветряных турбин в тех областях, где это было невозможно с обычными фундаментами, без какого-либо сокращения производительности.
Краткое описание чертежей
Чтобы лучше понять данное изобретение, на прилагаемом чертеже показан предпочтительный на практике вариант осуществления фундамента для башен ветряных турбин с двумя разновидностями варианта осуществления: одна для металлических башен, а другая - для башен, у которых по меньшей мере нижняя часть выполнена из бетона.
На указанном чертеже на фиг. 1 показаны виды в разрезе и в плане фундамента для металлических башен, при этом большая часть фундамента находится ниже уровня земли.
На фиг. 2a, 2b и 2c показаны виды в разрезе различных разновидностей опор, которые можно использовать, в зависимости от типа грунта, в фундаменте для металлических башен, при этом большая часть фундамента находится ниже уровня земли.
На фиг. 3 показаны виды в разрезе и в плане фундамента для башен, которые полностью или частично выполнены из бетона, с большей частью фундамента ниже уровня земли.
На фиг. 4a, 4b и 4c показаны виды в разрезе различных вариаций опор, которые можно использовать, в зависимости от типа грунта, в фундаменте для башен, которые полностью или частично выполнены из бетона, при этом большая часть фундамента находится ниже уровня земли.
На фиг. 5 показаны вертикальная проекция и вид в плане верхней плиты для анкерного крепления металлической башни.
На фиг. 6 показаны вертикальная проекция и вид в плане сборного бетонного элемента для закрытия камеры натяжения полностью или частично бетонных башен.
На фиг. 7 показаны вертикальная проекция и вид в плане верхней плиты для опоры полностью или частично бетонных башен.
На фиг. 8 показан вид в разрезе фундамента для металлических башен с частью фундамента над уровнем земли.
На фиг. 9 показан вид в разрезе фундамента полностью или частично бетонных башен с частью фундамента над уровнем земли.
Осуществление изобретения
Конструкцию и характеристики изобретения можно лучше понять из следующего описания, которое относится к прилагаемым чертежам.
На фиг. 1 и 3 показаны примеры фундаментов для башен ветряных турбин, которые содержат по меньшей мере три сборные балки (2a, 2b, 2c), расположенные горизонтально в радиальном направлении, каждый крайний конец или концы которых опираются на бетонную опору (1) посредством опорного шарового шарнира (3) в центральной части указанной опоры (1), а также закреплены посредством множества анкеров (4) между концом балки (2a, 2b, 2c) и опорой (1), причем различные балки жестко скреплены вместе в центральной части фундамента соединительными средствами. Опорный шаровой шарнир (3) может быть линейным или сферическим и может иметь или не иметь ограничений смещения в одном или нескольких направлениях.
В предпочтительном варианте осуществления, показанном на фиг. 1 и 3, используются три балки, причем балка (2a) примерно вдвое превышает балки (2b, 2c) по длине, а внутренние концы балок (2b, 2c) в данном случае жестко прикреплены к центральной части балки (2а) с образованием крестообразной конструкции на виде в плане. Эта конструкция оказалась оптимальной с точки зрения простоты изготовления, транспортировки и производительности. Однако также возможно выполнить фундамент, являющийся объектом данного изобретения, альтернативно с множеством балок одинаковой или разной длины, в количестве более трех, соединенных на их внутренних концах, и с каждым из их внешних концов, соединенным таким же образом с опорой (1).
Сборные балки (2a, 2b, 2c) могут быть выполнены из бетона, металла или их комбинации.
Во всех случаях средства для жесткого крепления балок (2a, 2b, 2c) включают в себя использование обычных методов соединения сборных бетонных элементов, таких как резьбовые стержни, кронштейны, арматурные концы для бетонирования в корпусах другой балки, пазогребневые соединения, арматурные пряди для последующего натяжения и т. д.
Описаны два варианта осуществления. Первый из них относится к случаю, когда башня ветряной турбины сделана из металла, как показано на фиг. 1, 2 и 5, и, в этом случае, средства для жесткого крепления балок (2a, 2b, 2c) дополнительно содержат бетонный балластный заполнитель (5), расположенный ниже уровня земли (8) в месте соединения балок (2a, 2b, 2c), поверх которого расположена верхняя плита (6), выступающая над землей (8), для анкерного крепления металлической башни (7).
Бетонный балластный заполнитель (5) может быть выполнен либо поверх традиционной восстанавливаемой опалубки из дерева, металла или их комбинации, либо поверх опалубки из сборных бетонных элементов.
На фиг. 2 показано, что верхняя плита (6) для анкерного крепления металлической башни (7) имеет предпочтительно круговую форму на виде в плане, с возможностью того, что она также является многоугольной, предпочтительно изготовленной из железобетона с прочностью по меньшей мере HA-50.
Анкерное крепление металлической башни (7) к верхней плите (2) выполняется с использованием обычных методов крепления к фундаменту, таких как резьбовые стержни с гайками, болтами и т. д.
Второй вариант осуществления относится к случаю, когда башня ветряной турбины выполнена бетонной, по меньшей мере в ее нижней части, как показано на фиг. 3, 4, 6 и 7, и, в этом случае, средства жесткого крепления балок (2a, 2b, 2c) дополнительно содержат сборные бетонные элементы (10), расположенные между внутренними концами балок (2a, 2b, 2c), с образованием полой камеры (9) натяжения, и верхнюю плиту (11) поверх соединения балок (2a, 2b, 2c) и поверх камеры (9) натяжения, для обеспечения опоры бетонной башни (12) и анкерного крепления вертикального элемента (13) последующего натяжения башни.
Сборные бетонные элементы (10) имеют вид в плане, выбранный из группы, содержащей круговой сектор с углом, зависящим от количества используемых балок, и многоугольник, имеющий вертикальную стенку только со стороны или сторон, не прилегающих к балкам. На фиг. 6 показаны сборные бетонные элементы (10) с круговым сектором на виде в плане с углом 90° в показанном случае и вертикальной стенкой только на изогнутом конце.
На фиг. 7 показано, что верхняя плита (11) включает в себя отверстия для доступа к камере (9) натяжения, которая предпочтительно изготовлена из предварительно напряженного бетона с прочностью по меньшей мере HP-50.
Бетонная башня (12) опирается на верхнюю плиту (11), и вертикальный элемент (13) последующего натяжения указанной башни проходит через верхнюю плиту (11), через соответствующие отверстия или каналы в полую камеру (9) натяжения, где расположены средства для последующего натяжения и фиксации тросов, которые обеспечивают жесткость башни, что является обычной практикой в башнях, сделанных из сборных бетонных секций или сегментов.
В обоих вариантах, как показано на фиг. 2a, 2b, 2c, 4a, 4b и 4c, возможно использование различных конфигураций с точки зрения формы, размеров и глубины всех или любой из опор, чтобы адаптировать фундамент к особенностям каждого ландшафта, на котором будет установлена башня. Таким образом, на фиг. 2a и 4a показаны опоры на одной и той же глубине, что соответствует однородному ландшафту местности. На фиг. 2b и 4b показаны опоры на разной глубине, что соответствует неоднородному ландшафту местности или ландшафту с перепадами уровней. Наконец, фиг. 2c и 4c показаны опоры фундамента с глубокими сваями для сложного ландшафта местности.
Балки (2а, 2b, 2с) предпочтительно будут иметь прямоугольное сечение, с большей высотой в центральной части и меньшей высотой на концах. Секции большей высоты обычно ориентированы вниз, как показано на фиг. 1, 2, 3 и 4, таким образом, что большая часть фундамента находится ниже уровня земли (8), что сводит к минимуму визуальное воздействие. Однако на участках, где визуальное воздействие не так важно, можно собрать балки (2a, 2b, 2c), в качестве альтернативы, с секциями большей высоты, ориентированными вверх, как показано на фиг. 8 и 9, выступающими над уровнем земли (8) вместе с частью бетонного балластного заполнителя (5) или сборными бетонными элементами (10), вместе со всей соответствующей верхней плитой (6, 11).
Представленный фундамент для башен ветряных турбин требует особого способа строительства, который содержит:
первый этап подготовки местности,
второй этап бетонирования опор (1),
третий этап отверждения опор (1),
четвертый этап сборки сборных бетонных балок (2a, 2b),
пятый этап выполнения соединения балок (2a, 2b) в центральной части, и
шестой этап заполнения оставшегося пространства до исходного уровня земли (8).
Первый этап подготовки местности включает в себя рытье ям для опор (1), траншей между ними для размещения балок (2a, 2b) и центральной ямы для соединения балок (2a, 2b) и для бетонного балластного заполнителя (5) или сборных бетонных элементов (10), в зависимости от ситуации.
Второй этап бетонирования опор (1) включает в себя этап подготовки опалубки, этап установки металлической арматуры, этап установки опорного шарового шарнира (3) и анкеров (4) и этап заливки бетона.
Третий этап отверждения опор (1) будет проводиться в течение периода времени, соответствующего форме и объему используемого бетона.
Четвертый этап сборки сборных балок (2a, 2b) включает в себя этап размещения балок посредством крана в их траншее с их внешними концами на опорном шаровом шарнире (3), этап жесткого скрепления вместе внутренних концов балок (2a, 2b) или внутренних концов балок (2b) со средней частью балки (2a), если она имеет двойную длину, с помощью обычных методов соединения сборных бетонных элементов, и этап жесткого скрепления внешних концов с опорами (1) посредством анкеров (4).
В случае, когда башня ветряной турбины выполнена металлической, пятый этап выполнения соединения балок (2a, 2b) в центральной части включает в себя этап выполнения бетонного балластного заполнителя (5) и этап выполнения верхней плиты (6) поверх соединения балок (2a, 2b).
В случае, когда башня ветряной турбины выполнена бетонной в своей нижней части, пятый этап выполнения соединения балок (2a, 2b) в центральной части включает в себя этап сборки сборных бетонных элементов (10) в отверстиях, оставшихся между балками (2a, 2b, 2c) в центральной части, с помощью обычных методов соединения сборных бетонных элементов, с образованием полой камеры (9) натяжения, и этап выполнения верхней плиты (11) поверх соединения балок (2a, 2b).
Специалисту в данной области техники будет очевидно, что характеристики различных вариантов осуществления могут быть объединены с характеристиками других возможных вариантов осуществления при условии, что такое сочетание технически возможно.
Вся информация, относящаяся к примерам или вариантам осуществления, составляет часть описания изобретения.