具体实施方式

现在将详细地参照本发明的实施例，其一个或多个实例在附图中示出。各个实例经由阐释本发明提供，而不限制本发明。实际上，对本领域技术人员而言将显而易见的是，可在本发明中作出各种改型和变型，而不脱离本发明的范围或精神。例如，示为或描述为一个实施例的部分的特征可与另一个实施例一起使用以产生又一个实施例。因此，意图是，本发明覆盖归入所附权利要求和它们的等同物的范围内的此类改型和变型。

大体上，本公开涉及用于经由技术(诸如增材制造、3-D印刷、喷雾沉积、挤出增材制造、混凝土印刷、自动纤维沉积以及其它技术)使用胶结材料的自动沉积来制造风力涡轮塔架的方法，该其它技术利用计算机数控和多自由度来沉积材料。更具体而言，本公开的方法包括使用增材制造从混凝土印刷风力涡轮塔架的嵌套的同心区段，该方法为增材塔架技术提供足够的结构特性。

本公开还可包括升高并连结同心区段，以形成风力涡轮塔架。塔架的同心区段可由任何合适的一种或多种材料形成，并且可具有任何合适的截面形状或轮廓。此外，同心区段可包括内部支承结构(诸如张紧线缆或增强纤维或环)，以向塔架结构提供结构支承。同心区段还可以以一方式印刷和组装，该方式容许各种悬垂结构(诸如安装凸缘、用于门的开口、布线导管以及其它特征)的形成。

因此，本文中描述的方法提供现有技术中不存在的许多优点。例如，同心区段可在现场印刷，并且可具有任何合乎需要的尺寸(例如，在直径上大于五米)，由此实现较大塔架结构和风力涡轮的构造。此外，通过将风力塔架的部分建造在呈“压缩”状态定位的伸缩区段中，可能的是，使用显著更短的起重机来安装涡轮机舱和转子，因此降低安装塔架所需的起重机的成本。此外，本主题的方面克服与形成用于风力涡轮和其它应用的塔架结构的现有技术有关的、各种其它制造和物流约束。

现在参照附图，图1示出根据本公开的风力涡轮10的一个实施例。如示出的，风力涡轮10包括从地基15或支承表面延伸的塔架12，其中机舱14安装在塔架12顶上。多个转子叶片16安装于转子毂18，转子毂18继而连接于使主转子轴转动的主凸缘。风力涡轮发电和控制构件收纳在机舱14内。仅出于说明性目的而提供图1的视图，以将本发明放置在示例性使用领域中。应当认识到的是，本发明不限于任何特定类型的风力涡轮构造。此外，本发明不限于与风力涡轮塔架一起使用，而是可在除风塔之外具有混凝土构造和/或高塔架结构的任何应用(包括例如住宅、桥梁、高塔架以及混凝土行业的其它方面)中利用。此外，本文中描述的方法还可应用于制造受益于本文中描述的优点的任何相似的结构。

现在参照图2，风力涡轮10的塔架结构12将根据本主题的示例性实施例更详细地描述。具体而言，图2示出根据本公开的风力涡轮10的塔架结构12的一个实施例的局部截面视图。如示出的，塔架结构12限定具有外表面22和内表面24的周向塔架壁20。此外，如示出的，周向塔架壁20大体上限定中空内部26，中空内部26通常用于收纳各种涡轮构件(例如，功率转换器、变压器等)。此外，如将在下面更详细地描述的，塔架结构12使用增材制造形成。

此外，如示出的，塔架结构12由胶结材料28形成，胶结材料28利用一根或多根张紧线缆30(图6)(诸如细长的线缆或线、螺旋线缆或线、配筋(也被称为钢筋)，和/或网格)增强。作为备选，增强纤维(金属或聚合物)或环或其它形状可用于将强度赋予至结构。这些张紧线缆30可在印刷过程期间嵌入在胶结材料28中，如下面更详细地描述的。如本文中使用的，胶结材料28可包括任何合适的可加工浆状物，该任何合适的可加工浆状物构造成在固化以形成结构之后结合在一起。合适的胶结材料包括例如混凝土、沥青树脂、沥青、粘土、水泥、砂浆、胶结合成物，或者类似的材料或合成物。

根据本主题的示例性实施例，粘合材料(未示出)可提供在胶结材料28和地基15、胶结材料28和张紧线缆30，或多层胶结材料28和张紧线缆30中的一种或多种之间。因此，粘合材料可进一步补充材料之间的层间联结。

本文中描述的粘合材料可包括例如胶结材料(诸如砂浆)、聚合物材料，和/或胶结材料和聚合物材料的混合物。包括胶结材料的粘合剂制剂在本文中被称为“胶结砂浆”。胶结砂浆可包括任何胶结材料，其可与细集料结合。使用波特兰水泥和细集料制成的胶结砂浆有时被称为“波特兰水泥砂浆”或“OPC”。包括胶结材料和聚合物材料的混合物的粘合剂制剂在本文中被称为“聚合物砂浆”。任何胶结材料可包括在具有聚合物材料以及可选地细集料的混合物中。包括聚合物材料的粘合剂制剂在本文中被称为“聚合物粘合剂”。

可在粘合剂制剂中利用的示例性聚合物材料可包括任何热塑性或热固性聚合物材料，诸如丙烯酸树脂、聚环氧化物、乙烯基聚合物(例如，聚乙酸乙烯酯(PVA)、乙烯-乙酸乙烯酯(EVA))、苯乙烯(例如苯乙烯丁二烯)，以及它们的共聚物或三元共聚物。示例性聚合物材料的特性在ASTM C1059/C1059M-13(用于将新鲜混凝土联结于硬化混凝土的胶乳剂的标准规范)中描述。

现在大体上参照图2至图6，增材印刷装置40将根据本主题的示例性实施例描述。值得注意地，塔架结构12的全部或部分可使用增材印刷装置40逐层印刷，增材印刷装置40可使用任何合适的机构，用于沉积增材材料层(诸如混凝土)，以形成塔架结构12。因此，本主题的方面涉及用于经由增材制造来制造风力涡轮塔架的方法。如本文中使用的，增材制造大体上理解为包含用于合成三维物体的过程，其中连续的材料层在计算机的控制之下形成以创建物体。就此而言，几乎任何尺寸和/或形状的物体可从数字模型数据产生。还应当理解的是，本公开的增材制造方法可包含三个自由度以及多于三个的自由度，使得印刷技术不限于印刷堆叠的二维层，而且能够印刷弯曲和/或不规则的形状。

应当理解的是，本文中描述的增材印刷装置40大体上是指具有一个或多个喷嘴的任何合适的增材印刷装置，该一个或多个喷嘴用于将材料(诸如胶结材料28)沉积到表面上，该表面由控制器自动控制以形成在计算机内编程的物体(诸如CAD文件)。更具体而言，如示出的，增材印刷装置40包括可滑动地安装在悬臂的支承臂44上的一个或多个印刷头部42。悬臂的支承臂44可安装在中心支承件46上，中心支承件46在塔架结构12的内部26内沿着轴向方向A(例如，平行于竖直方向V)延伸。支承臂44可固定在中心支承件46上的竖直地点处，或者可在连续的层添加至塔架结构12时沿着中心支承件46竖直地移动，以竖直地移动印刷头部42。

尽管图2至图6将增材印刷装置40示出为包括延伸穿过塔架结构12的内部26的中心支承件46，以及用于悬挂一个或多个印刷头部42的支承臂44，但是应当认识到的是，增材印刷装置可构造成在塔架结构12的印刷期间使用其它机器、系统或支承机构来支承印刷头部42。例如，四个支承塔架可定位在塔架结构12外部，并且可包括一个或多个横梁，以形成用于支承一个或多个印刷头部42的门架系统。作为备选，例如，印刷头部42可通过线缆系统安装于支承臂44，以容许相对于支承臂44的竖直移动。根据又一些实施例，印刷头部42可由引导线、定位臂等的系统支承和定位。

此外，一个或多个印刷头部42中的每个可安装在专用的支承臂44上，并且可包括用于沉积各种材料的一个或多个一个或多个喷嘴48。例如，如图2和图3中示出的，印刷头部42包括用于逐层沉积混凝土的单个喷嘴48。相比之下，如图4中示出的，印刷头部42包括三个喷嘴48，三个喷嘴48沿着径向方向R间隔开，并且构造用于将混凝土层同时沉积在多个同心区段60中的每个上(在下面描述)。根据备选的实施例，增材印刷装置40可包括任何数量的支承臂44，用于支承包括任何数量的喷嘴48的任何数量的印刷头部42。

在印刷过程期间，各种构件、支承件以及其它特征可印刷到胶结材料28中或者包括在其中，胶结材料28用于印刷塔架结构12。例如，根据示例性实施例，印刷过程可包括嵌入一个或多个张紧线缆30，其至少部分地在塔架结构12的部分中的一个或多个内。在这点上，如例如图6中示出的，增材印刷装置40可包括线缆供应模块50，其将张紧线缆30至少部分地定位在塔架结构12内。应当理解的是，此类线缆30可沿着塔架12的整个高度或仅沿着塔架高度的部分延伸。此外，应当认识到的是，张紧线缆30的方位仅为了阐释线缆供应模块50的方面而示出。意图不一定是张紧线缆30将具有相同的尺寸或长度。此外，张紧线缆30的位置、方位以及构造可改变，同时保持在本主题的范围内。

根据示例性实施例，在塔架结构12被建立时，增材印刷装置40可在使用线缆供应模块50沉积张紧线缆30和使用喷嘴48印刷胶结材料28之间交替。作为备选，如图6中示出的，线缆供应模块50可定位成邻近喷嘴48，并且构造用于在沉积胶结材料28之前将张紧线缆30或钢筋展开或铺开到印刷区域中，使得张紧线缆变成嵌入在胶结材料28内或者印刷在胶结材料28之上。作为备选，增材印刷装置40可包括任何其它合适的特征，用于在张紧线缆30被凝固或固化之前将张紧线缆30压缩或嵌入到胶结材料28中。在备选实施例中，增材印刷装置40构造成喷射胶结材料28，胶结材料28具有短聚合物和/或金属纤维或环作为增强物，以提高塔架结构12的结构强度。

张紧线缆30可大体上构造用于确保胶结材料28(例如，混凝土)中的应力可很大程度上保持压缩。这些线缆30可被预张紧，并且胶结材料28可围绕线缆30印刷，或者印刷过程可限定遍及塔架结构12的孔，张紧线缆30可在固化之后通过该孔放置，并且此后被后张紧。在备选实施例中，增材印刷装置40可构造成在塔架结构12的印刷期间向(多个)线缆30提供张力。在此类实施例中，增材印刷装置40可在印刷过程期间随塔架结构12的截面变化而改变一根或多根线缆30的张力。因此，此类张紧线缆30构造成管理塔架结构12的张应力。

在另一个实施例中，塔架结构12可包括例如多个配筋，其形成金属网格(未示出)，该金属网格以圆筒形构造布置，以对应于塔架结构12的形状。此外，圆筒形金属网格可在材料28固化之前并沿着塔架12的高度周期性地嵌入到塔架结构12的胶结材料28中。此外，增材印刷装置40构造成以考虑其固化速率的方式印刷胶结材料28，使得塔架壁20在其形成时可联结于其自身。此外，增材印刷装置40构造成以如下方式印刷塔架结构12，使得其可耐受壁20的重量，因为增材形成的胶结材料28可在印刷期间软弱。

如图2中最佳地示出的，塔架结构12(或更具体而言，塔架壁20)包括多个同心区段60，其大体上嵌套在彼此内，并且构造用于在延伸位置(即“升高”位置)与缩回位置(即“降低”位置)之间移动。在这点上，塔架结构12可使用增材印刷装置40来印刷，其中所有多个同心区段60定位在降低位置，使得不需要大型起重机来将单独形成的区段定位在塔架结构12的全高度处。

值得注意地，塔架结构12的同心区段60可以以任何合适的方式和任何合适的顺序印刷。例如，如图2和图3中示出的，单个印刷头部42可横穿同心区段60中的每个的轮廓，围绕该同心区段60的整个周边沉积胶结材料28的层。根据一个实施例，每个同心区段60可被单独地印刷，例如，在该同心区段60的底部处开始，并且在进行至下一个同心区段60之前在该同心区段60的顶部处完成。根据备选实施例，印刷头部42可围绕每个同心区段60的轮廓顺序地移动，以在返回以印刷第二层之前在每个同心区段60上印刷一层。

相比之下，如图4中示出的，增材印刷装置40可包括多个印刷头部42，它们均构造用于将增材材料(例如，胶结材料28)的层同时沉积至同心区段60。在这点上，例如，在具有圆形截面的圆筒形塔架结构12的情况下，增材印刷装置40可包括三个印刷头部42，其保持在支承臂44上的固定径向位置。在印刷期间，印刷头部42在中心支承件46绕着其中心轴线(即，轴向方向A)旋转时沉积胶结材料28，以同时印刷同心区段60中的每个的层。

为了将塔架结构12升高至其适当的高度，多个同心区段60中的每个可使用本领域中已知的任何方法移动至延伸位置并固定在一起。例如，任何合适的升降系统、线缆提升系统、液压提升系统，或任何其它合适的方法可用于顺序地提升和连结相邻的区段。根据又一些实施例，起重机或其它提升系统可用于升高同心区段60。

值得注意地，相邻的同心区段60可在处于升高位置时使用任何合适的装置或机构连结在一起。例如，根据示出的实施例，增材印刷装置40可在同心区段60的外壁22和/或内壁24上印刷周向凸缘。更具体而言，每个同心区段60可包括限定在该同心区段60的底部部分64近侧的下凸缘62，其从同心区段60的径向外壁22大致上沿着径向方向R向外延伸。此外，每个同心区段60可包括限定在该同心区段60的上部分68近侧的上凸缘66，其从同心区段60的径向内壁24大致上沿着径向方向R向内延伸。以该方式，同心区段60可相对于彼此竖直地滑动，直到内部同心区段60的下凸缘62接合相邻的外部同心区段60的上凸缘66。

下凸缘62和上凸缘66可使用装置的任何合适的方法固定在一起或连结。例如，根据示出的实施例，下凸缘62和上凸缘66印刷成限定构造用于接收机械紧固件72的多个孔70。以该方式，机械紧固件72(诸如螺栓)可用于将同心区段60装固在由任何合适的提升机构提升之后的升高位置(如以上描述的)。

如图2和图6中最佳地示出的，同心区段60印刷成使得它们沿着径向方向R间隔开，以限定相邻的同心区段60之间的间隙76。间隙76大体上促进在升高塔架结构12的过程期间同心区段60的伸缩移动。此外，下凸缘62和上凸缘66定位在间隙76内。

值得注意地，增材制造过程大体上需要针对沉积的增材材料的每一层的竖直支承。因此，当印刷从同心区段60的竖直壁突出或者至少以大于45度的角度延伸的特征时，增材印刷装置40需要用于在建造过程期间支承沉积的材料的特征。在这点上，“凸缘”或“悬垂结构”旨在是指同心区段的印刷部分，其以一角度(例如，大于45度的角度)延伸到相邻区段之间的间隙76中，该印刷部分否则将在增材制造过程期间不具有支承。

根据示例性实施例，悬垂物(诸如间隙76内的上凸缘66)的印刷可包括将临时支承结构定位在间隙76内，以支承上凸缘66。根据示例性实施例，临时支承结构为可充气囊状物78，可充气囊状物78可填充有流体或气体80以提供竖直支承，基于该竖直支承，胶结材料28可沉积直到固化。在胶结材料28固化或者以其它方式充分地凝固，以支承其自身之后，气体或流体80可从可充气囊状物78释放，由此使可充气囊状物78放气，可充气囊状物78可接着从塔架结构12完全地移除。

尽管图2将所有同心区段60示出为由单一材料(例如，混凝土)印刷，但是应当认识到的是，即使与其它区段不同，每个同心区段60可使用任何合适的材料印刷。此外，每个同心区段60可具有任何合适的截面轮廓(例如，如沿着轴向方向A截取的)、轮廓(例如，如沿着轴向方向A限定的)，以及总高度(例如，沿着竖直方向V测量)。例如，再次简要地参照图1，塔架结构12可由多个下区段(例如，类似于同心区段60)形成。然而，塔架结构12还可包括一个或多个上区段(诸如顶部区段82)。根据示例性实施例，塔架结构12的顶部区段82可由与同心区段不同的材料(例如，钢)形成，并且可构造用于直接地支承机舱14。在这点上，例如，最内部的同心区段60可构造用于在同心区段60被升高之前接收顶部区段82。尽管单个顶部区段82示出在多个同心区段60的顶部上，但是应当认识到的是，顶部区段82和同心区段60的任何合适的数量和组合可根据备选实施例使用。

如图2至图4中示出的，塔架结构12由具有圆形截面轮廓的多个同心区段60(例如，圆筒形同心区段60)构成。然而，应当认识到的是，使用本文中描述的印刷技术，多个同心区段中的每个可具有任何合适的截面形状，该任何合适的截面形状可沿着区段的高度为一致的或者可根据应用按需要改变。在这点上，如图5的示例性实施例中示出的，同心区段60可具有多边形的截面形状。根据又一些实施例，同心区段60可为椭圆形、卵形、正方形、泪珠形、翼型，或任何其它合适的形状。

此外，根据又一实施例，同心区段60可取决于沿着同心区段60的竖直位置而在截面面积上渐缩或改变。例如，可合乎需要的是，使多个同心区段60中的一个或多个轻微地渐缩，使得它们在底部部分64处比它们在上部分68处宽。具体而言，如图2中示出的，同心区段60可限定一个或多个渐缩部分84，或具有任何其它合适轮廓的部分。

现在参照图7，塔架结构12可限定锁定特征，用于固定内部同心区段60和外部同心区段60的相对位置。具体而言，如示出的，内部同心区段60限定锁定凸缘86，锁定凸缘86从内部区段60的径向外表面或外壁22沿着径向方向R向外延伸。此外，相邻的外部同心区段60限定细长凹部88，细长凹部88在外部区段60的径向内表面或内壁24上沿着竖直方向或轴向方向A延伸。具体而言，如示出的，塔架结构12可限定多个锁定凸缘86，和绕着相应的同心区段60沿周向(例如，绕着周向方向C)间隔的多个对应的细长凹部88。相比之下，根据备选实施例，外部同心区段60可限定突出的凸缘，并且内部同心区段60可限定细长凹部。值得注意地，这些突出的凸缘不需要沿着塔架结构12的高度延伸，而是可仅针对足以承载施加的重量载荷的短距离而存在。此外，根据备选实施例，凸缘和凹部可采取任何形状、数量以及构造。

值得注意地，在印刷同心区段60之后，锁定凸缘86定位在对应的细长凹部88内。此外，在升高过程期间，锁定凸缘86在细长凹部88内滑动。然而，在内部区段从外部区段升高出去之后，内部区段可旋转成使得锁定凸缘86不再与细长凹部88对准。以该方式，防止内部区段塌陷或滑动回到外部区段中，由此简化结构和组装过程。

现在参照图8，示出增材印刷装置40的控制器90的一个实施例的框图。如示出的，控制器90可包括一个或多个(多个)处理器92和相关联的(多个)存储装置94，它们构造成执行多种计算机实施的功能(例如，执行方法、步骤、计算等，以及储存如本文中公开的相关数据)。此外，控制器90还可包括通信模块96，以促进控制器90与增材印刷装置40的各个构件之间的通信。此外，通信模块96可包括传感器接口98(例如，一个或多个模拟-数字转换器)，以容许从一个或多个传感器或反馈装置传递的信号转换成可由处理器92理解和处理的信号。应当认识到的是，这些传感器和反馈装置可使用任何合适的手段(例如，经由使用本领域中已知的任何合适的无线通信协议的有线或无线连接)来通信地耦合于通信模块96。

如本文中使用的，用语“处理器”不仅指本领域中被称为包括在计算机中的集成电路，而且指控制器、微控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、专用集成电路以及其它可编程电路。处理器92还构造成计算高级控制算法，并且与多种基于以太网或基于串行的协议(Modbus、OPC、CAN等)通信。此外，(多个)存储装置94可大体上包括(多个)存储元件，该(多个)存储元件包括但不限于计算机可读介质(例如，随机存取存储器(RAM))、计算机可读非易失性介质(例如，闪存)、软盘、光盘只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)、数字多功能光盘(DVD)，和/或其它合适的存储元件。此类(多个)存储装置94可大体上构造成储存合适的计算机可读指令，在由(多个)处理器92实施时，该合适的计算机可读指令将控制器90配置成执行如本文中描述的各种功能。

既然根据本主题的示例性实施例提出塔架结构12和增材印刷装置40的结构和构造，就提供用于使用增材印刷装置来制造风力涡轮的塔架结构的示例性方法100。方法100可用于使用增材印刷装置40来形成塔架结构12，或者用于使用任何其它合适的增材印刷装置来形成任何其它合适的塔架或高混凝土结构。在这点上，例如，控制器90可构造用于实施方法100。然而，应当认识到的是，在本文中仅论述示例性方法100，以描述本主题的示例性方面，并且不意图限制。

如图9中示出的，方法100包括在步骤110处印刷风力涡轮的塔架结构的多个同心区段。具体而言，根据示例性实施例，印刷过程可由增材印刷装置执行，该增材印刷装置可沉积胶结材料或任何其它合适的材料，以从头开始建造同心区段中的每个，如以上描述的。如图2中最佳地示出的，塔架结构的同心区段可以以压缩或缩回的伸缩构造嵌套在彼此内，并且可包括多种内部特征(诸如张紧线缆)和/或支承特征(诸如凸缘)。

步骤120和130用于将悬垂结构或凸缘印刷在同心区段中的一个或多个上。如示出的，此类悬垂物的印刷可包括在步骤120处将临时支承结构定位在限定在相邻的同心区段之间的间隙内，例如以在印刷时支承上凸缘。根据示例性实施例，临时支承结构为可充气囊状物，该可充气囊状物可填充有流体或气体，以提供竖直支承，基于该竖直支承，胶结材料可沉积直到固化或以其它方式凝固。此外，可充气囊状物可用于形成门或其它特征，其中胶结材料将最终跨越或延伸越过内部26内的开放空间。

步骤130包括将至少一个凸缘(或其它悬垂结构)印刷在可充气囊状物上。步骤140包括例如通过等待直到混凝土凝固来固化包括悬垂物的多个同心区段。在砂浆固化之后，气体或流体可在步骤150处从囊状物释放，由此使可充气囊状物放气。可充气囊状物可接着从塔架结构移除，使得形成的凸缘可在升高过程期间连结。

步骤160包括将由钢形成的至少一个上区段安装到在先前步骤中印刷的多个同心区段中的一个上。例如，上区段可包括支承风力涡轮10的机舱14的圆筒形钢壳。值得注意地，通过在升高同心区段之前安装上区段，用于升高上区段的任何起重机的高度可被最小化。

步骤170可接着包括升高同心区段的内部区段，以将内部区段的底部部分定位在同心区段的相邻的外部区段的顶部部分近侧，例如，如针对图2中的内部同心区段60所示的。步骤180接着包括例如使用穿过限定在凸缘内的螺栓孔的多个机械紧固件来将多个同心区段的内部区段连结于相邻的外部区段。可重复该过程，直到所有同心区段被延伸并且塔架结构处于完全延伸位置。

图9描绘示例性控制方法，该示例性控制方法具有出于说明和论述的目的以特定顺序执行的步骤。使用本文中提供的公开，本领域技术人员将理解的是，本文中论述的方法中的任一种的步骤可以以各种方式来改变，重新布置，扩展，省略或修改，而不背离本公开的范围。此外，尽管方法的方面使用塔架结构12和增材印刷装置40作为实例来阐释，但是应当认识到的是，这些方法可应用于增材印刷装置的操作，以形成任何合适的塔架结构。

该书面的描述使用实例以公开本发明(包括最佳模式)，并且还使本领域技术人员能够实践本发明(包括制造和使用任何装置或系统并且执行任何并入的方法)。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这些其它实例包括不与权利要求的字面语言不同的结构元件，或者如果这些其它实例包括与权利要求的字面语言无显著差别的等同结构元件，则这些其它实例意图在权利要求的范围内。