DE10144167C1

DE10144167C1 - Windenergieanlage

Info

Publication number: DE10144167C1
Application number: DE10144167A
Authority: DE
Inventors: Jul Grolman
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-09-07
Filing date: 2001-09-07
Publication date: 2003-02-20
Anticipated expiration: 2021-09-08

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Windenergieanlage mit einem auf einem Fundament aufstehenden Rohrturm (2), der aus einer Vielzahl von Rohrschüssen besteht, die durch Flansch-Schraubverbindungen miteinander verbunden sind, wobei am oberen Ende eine den Rotor (5) tragende Gondel (3) gelagert ist, die um eine vertikale Schwenkachse (4) verschwenkbar ist. DOLLAR A Um bei einer derartigen Windenergieanlage bei kostengünstiger Fertigung eine erhöhte Steifigkeit und damit eine erhöhte erste Eigenfrequenz der Schwingungen des Bauwerkes zu erreichen, schlägt die Erfindung vor, daß die Rohrschüsse im unteren Bereich des Rohrturmes (2) über mindestens 30% der Länge des Rohrturmes (2) aus Gußeisen und im oberen Bereich des Rohrturmes (2) aus Stahl bestehen. Dabei sind im untersten Längenabschnitt des Rohrturmes (2) zylindrische Gußeisen-Rohrschüsse (20), im sich anschließenden Übergangs-Längenabschnitt des Rohrturmes sich konisch verjüngende Gußeisen-Rohrschüsse (30) und in dem sich anschließenden oberen Längenbereich des Rohrturmes (2) zylindrische Stahl-Rohrschüsse (40) vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Windenergieanlage mit einem auf einem Fundament aufstehenden Rohrturm, an dessen oberen Ende eine den Rotor tragende Gondel gelagert ist, die um eine vertikale Schwenkachse verschwenkbar ist, wobei der Rohrturm aus einer Vielzahl von Rohrschüssen zusammengesetzt ist, die durch Flansch-Schraubverbindungen miteinander verbunden sind. Eine solche ist beispielsweise aus der Zeitschrift "Stahlbau", Heft 9/2000, S. 682-687 bekannt.

Neuere Windenergieanlagen sind für eine installierte Leistung von bis zu 2,5 MW in Planung und sollen der besseren Windverhältnisse wegen zukünftig im Offshore-Bereich mit einer Nabenhöhe von 100 m und mehr eingesetzt werden. Ein Problem bei den für solche Anlagen verwendeten, sehr hohen und schlanken Türmen besteht darin, daß sie durch den Wind und durch die Drehbewegungen des Rotors zu Schwingungen angeregt werden können, die aufgrund von Resonanzerscheinungen dann gefährlich werden, wenn die erste Eigenfrequenz des Turmes kleiner als 0,33 Hz ist. Die Türme müssen deshalb mindestens so steif ausgelegt werden, daß die erste Eigenfrequenz größer als 0,33 Hz ist.

Ein Turm aus Spannbeton mit einer solchen Nabenhöhe und dem geforderten Schwingungsverhalten ist bei weitem zu teuer. Teuer sind auch Türme in der sogenannten Stahlverbundbauweise, bei der die Wandungen des unteren Abschnittes des Turmes als dreischalige Konstruktionen aus Staht-Beton-Stahl ausgebildet sind, während der obere Abschnitt des Turmes aus herkömmlichen zylindrischen Stahl- Rohrschlüssen zusammengesetzt ist. Die hohen Kosten für derartige unter Verwendung von Beton hergestelltem Türme sind insbesondere darauf zurückzuführen, daß vor Ort umfangreiche Montagearbeiten für die Erstellung der aus vielen Einzelteilen zusammengesetzten Bewehrung und Schalung erforderlich sind und außerdem noch die Betonierungsarbeiten anfallen. Das gilt vor allem, wenn die Türme im Offshore- Bereich errichtet werden müssen. Demgegenüber ist die Aufstellung der aus einfachen Stahl-Rohrschüssen zusammengesetzten Rohrtürme der eingangs genannten Art wesentlich weniger arbeitsaufwendig und damit kostengünstiger.

Bei aus Stahl-Rohrschüssen zusammengesetzten Rohrtürmen mit einer Höhe von 100 m und mehr ergeben sich aber andere Probleme. Stahl ist zwar sehr fest und kommt deshalb mit einer verhältnismäßig geringen Wandstärke aus. Bei geringer Wandstärke ist der Turm wegen der Elastizität von Stahl und wegen seiner großen Höhe indessen biegeweich, so daß sich eine erste Eigenfrequenz ergibt, die weit unterhalb von 0,33 Hz liegt. Versteift man den Stahlrohrturm im unteren Bereich durch eine entsprechende Vergrößerung der Wandstärke, so ergeben sich Fertigungsschwierigkeiten, Transportprobleme und damit hohe Kosten. Ein Stahlblech mit einer Stärke von über 30 mm läßt sich auf herkömmlichen Biegemaschinen kaum noch biegen. Außerdem ist bei derartig großen Wandstärken das Anschweißen der vorgefertigten Flanschringe aus Stahl außerordentlich arbeitsaufwendig, insbesondere unter Berücksichtigung der Tatsache, daß die Rohrschüsse aus Gewichts- und Transportgründen mit wachsender Wanddicke kürzer werden müssen, so daß die Anzahl der anzuschweißenden Flansche steigt.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, die Windenergieanlage der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß der Rohrturm bei kostengünstiger Fertigung eine erhöhte Steifigkeit und damit eine höhere erste Eigenfrequenz erhält.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ausgehend von der Windenergieanlage der eingangs genannten Art vor, daß die Rohrschüsse im unteren Bereich des Rohrturmes aus Gußeisen und im oberen Bereich des Rohrturmes aus Stahl bestehen.

Gußeisen anstelle von Stahl hat zunächst fertigungstechnisch den Vorteil, daß zur Herstellung der Rohrschüsse mitsamt den Flanschen keine Biege- oder Schweißarbeiten mehr erforderlich sind. Hierdurch ergibt sich gegenüber dickwandigen Rohrschüssen aus Stahl ein Kostenvorteil von mindestens 30%. Hinzu kommt, daß Gußeisen bei vergleichbarer Zugfestigkeit ein ausgeprägtes Dämpfungsvermögen hat, so daß etwa auftretende Schwingungen zusätzlich gedämpft werden.

Zweckmäßig bestehen die Gußeisen-Rohrschüsse aus Kugelgraphit-Gußeisen mit einer Zugfestigkeit von 350 bis 800 N/mm². Dieser Werkstoff zeichnet sich dadurch aus, daß er eine ähnliche Streckgrenze und Bruchdehnung wie Stahl hat und darüber hinaus schwingungsdämpfend wirkt und außergewöhnlich gut bearbeitbar ist. An den aus diesem Werkstoff hergestellten Rohrschüssen können deshalb die erforderlichen Nachbearbeitungen an den angegossenen Flanschen besonders gut vorgenommen werden.

Sofern die Windenergieanlage im Offshore-Bereich eingesetzt wird, kann man diejenigen Rohrschüsse, die mit dem Meerwasser in Berührung kommen, zweckmäßig mit korrosionshemmenden Legierungsbestandteilen versehen, insbesondere mit Nickel und/oder Chrom. Auf diese Weise wird der Rohrturm dort, wo er intensiv mit dem Meerwasser in Berührung kommt, meerwasserfest, ohne auf eine Schutzbeschichtung angewiesen zu sein.

Vorzugsweise erstrecken sich die Gußeisen-Rohrschüsse über mindestens 30% der Länge des Rohrturms. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß der Rohrturm zumindest in den Bereichen, in denen es in erster Linie auf die Erhöhung der Steifigkeit ankommt, aus Gußeisen besteht.

Weiterhin ist vorgesehen, daß zumindest einige der Gußeisen-Rohrschüsse von unten nach oben konisch verjüngt ausgebildet sind. Solche sich von unten nach oben konisch verjüngenden Rohrschüsse haben aufgrund der geometrischen Verhältnisse eine wesentlich höhere Steifigkeit, als zylindrische Rohrschüsse, so daß im Ergebnis durch diese Maßnahme die Eigensteifigkeit erhöht und die erste Eigenfrequenz des Rohrturmes heraufgesetzt wird.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß der unterste Längenabschnitt des Rohrturmes aus zylindrischen Gußeisen-Rohrschüssen, ein sich anschließender Übergang-Längenabschnitt aus sich konisch verjüngenden Gußeisen- Rohrschüssen und der sich anschließende obere Längenbereich des Rohrturmes aus zylindrischen Stahl-Rohrschüssen besteht. Auf diese Weise entsteht ein unterster Turmabschnitt aus zylindrischen Gußeisen-Rohrschüssen mit verhältnismäßig großem Durchmesser und entsprechend großer Steifigkeit, ein sich anschließender Übergangs- Längenabschnitt aus sich konisch verjüngenden Gußeisen-Rohrschüssen, der aufgrund seiner Geometrie ebenfalls eine hohe Steifigkeit hat und den Durchmesser des Turmes bis auf den Durchmesser des sich anschließenden obersten Längenabschnittes des Rohrturmes aus zylindrischen Stahl-Rohrschüssen reduziert. Diese zylindrischen Stahl- Rohrschüsse mit geringem Durchmesser und auch geringerer Wandstärke haben eine Dimension wie die Rohrschüsse von herkömmlichen Stahl-Rohrtürmen und können dementsprechend in Großserienfertigung billig hergestellt werden.

Alternativ ist es auch möglich, den gesamten unteren Längenabschnitt des Rohrturmes insgesamt aus sich konisch verjüngenden Gußeisen-Rohrschüssen herzustellen. Auch ein solcher Rohrturm hat eine ausgezeichnete Steifigkeit und ein besonders günstiges Schwingungsverhalten.

Das oben angesprochene Schwingungsverhalten des Rohrturmes hängt nicht nur von den Wandstärken des Rohrturmes und der Massenverteilung im Bereich des Rohrturmes selbst ab, sondern auch davon ab, wie die gesamte Masse der Windkraftanlage verteilt ist. Befindet sich der aus Getriebe und Generator bestehende Maschinensatz der Windkraftanlage in der auch den Rotor tragenden Gondel, so verschiebt sich der Schwerpunkt des Gesamtsystems entsprechend nach oben, wodurch die erste Eigenfrequenz des Gesamtbauwerkes kleiner wird.

Um die erste Eigenfrequenz des Gesamtbauwerkes weiter zu erhöhen, schlägt die Erfindung weiterhin vor, daß der vom Rotor angetriebene Maschinensatz der Windenergieanlage im Fuß des Rohrturmes angeordnet ist und über im Innenraum des Rohrturmes angeordnete Antriebsmittel mit dem Rotor in Verbindung steht. Durch diese Weiterbildung der Erfindung können ca. 40 t Masse an der Turmspitze eingespart und in den Fuß verlegt werden, so daß der Schwerpunkt des Gesamtsystems entsprechend tiefer liegt und die erste Eigenfrequenz des Gesamtsystem entsprechend erhöht wird. Dementsprechend kann der Rohrturm insgesamt leichter gebaut werden. Weitere Vorteile ergeben sich daraus, daß die Montage und Demontage des Maschinensatzes und dessen Wartung wesentlich vereinfacht wird, was insbesondere bei Offshore- Anlagen wichtig ist.

Die Antriebsverbindung zwischen dem an der Gondel gelagerten Rotor einerseits und dem Maschinensatz andererseits kann beispielsweise mechanisch oder auch hydraulisch erfolgen. Für die mechanische Antriebsverbindung ist eine sich durch den Innenraum des Rohrturmes erstreckende vertikale Welle zwischen dem Rotor und dem Maschinensatz vorgesehen. In diesem Fall ist zweckmäßig der im Fuß des Rohrturmes befindliche Maschinensatz auf einem Schwenkteller gelagert, der zusammen mit der Gondel um die durch den Innenraum des Rohrturmes verlaufende vertikale Schwenkachse der Gondel schwenkbar ist.

Bei hydraulischer Antriebsverbindung ist zwischen dem Rotor und dem Maschinensatz ein Hydraulikkreis vorgesehen, der eine dem Rotor zugeordnete Hydraulikpumpe und einen dem Maschinensatz zugeordneten Hydraulikmotor aufweist.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine Windkraftanlage gemäß der Erfindung in einer ersten Ausführungsform;

Fig. 2 schematisch eine Windkraftanlage gemäß der Erfindung in einer zweiten Ausführungsform.

In Fig. 1 ist das Fundament der Windenergieanlage mit den Bezugszeichen 1 bezeichnet. Auf dem Fundament 1 steht ein Rohrturm 2, der etwa 100 m hoch ist und an dessen oberen Ende eine Gondel 3 um eine vertikale Schwenkachse 4 verschwenkbar gelagert ist. Die Gondel 3 trägt einen Rotor 5, der um eine horizontal verlaufende Drehachse 6 verdrehbar in der Gondel 3 gelagert ist. Der Rotor 5 weist drei Rotorblätter 7 auf und hat einen Durchmesser von etwa 60 m.

Die in Windrichtung verschwenkbare Gondel 3 ist mit einem sich axial durch den Innenraum des Rohrturmes 2 erstreckenden Rohr 8 verbunden, welches starr mit einem unten im Rohrturm 2 angeordneten Schwenkteller 9 verbunden ist, der gemeinsam mit der Gondel 3 um die Schwenkachse 4 verschwenkbar ist. Der Schwenkteller 9 trägt den Maschinensatz 10 der Windkraftanlage, bestehend z. B. aus einem Übersetzungsgetriebe und einem Generator für die Stromerzeugung.

Die Antriebswelle des Maschinensatzes 10 ist über eine durch das Rohr 8 verlaufende Welle 11 und entsprechende Winkelgetriebe (Kegelradgetriebe) mit der Welle des Rotors 5 verbunden. Dadurch, daß die Gondel 3 starr mit dem Schwenkteller 9 verbunden ist, kann die Gondel 3 mitsamt dem Schwenkteller 9 und dem Maschinensatz 10 jeweils so verschwenkt werden, daß die Drehachse des Rotors 3 in der jeweils aktuellen Windrichtung verläuft.

Der insgesamt mit dem Bezugszeichen 2 bezeichnete Rohrturm besteht in seinem unteren Längenabschnitt aus zylindrischen Gußeisen-Rohrschüssen 20, die jeweils einen Durchmesser von 5,5 m haben und eine Wandstärke von 40 mm. Sie bestehen aus Kugelgraphit-Gußeisen mit einer Zugfestigkeit von 400 N/mm² (Material GGG-40). Die für die Verschraubung verwendeten, in der Zeichnung nicht dargestellten Flansche sind einstückig mit den Gußeisen- Rohrschüssen 20 verbunden.

Dort, wo die Gußeisen-Rohrschüsse 20 gegebenenfalls mit Meerwasser in Berührung kommen, bestehen sie aus einem Kugelgraphit-Gußeisen, welches mit Nickel und/oder Chrom derart auflegiert ist, daß es dem korrosiven Angriff von Meerwasser standhält.

Über dem unteren Längenabschnitt mit den Gußeisen-Rohrschüssen 20 befindet sich ein Übergangs-Längenabschnitt aus sich nach oben konisch verjüngenden Gußeisen-Rohrschüssen 30. Diese Rohrschüsse verjüngen sich allmählich von einem Durchmesser von 5,5 m auf einen Durchmesser von 3,882 m. Dieser sich verjüngende Abschnitt erstreckt sich über einen Längenbereich von etwa 9 m. Die sich verjüngenden Gußeisen-Rohrschüsse 30 sind aus dem gleichen Gußeisen-Werkstoff wie die Gußeisen-Rohrschüsse 20 und haben ebenfalls angegossene Flansche.

Der sich dann anschließende oberste Längenbereich des Rohrturmes besteht aus zylindrischen Stahl-Rohrschüssen 40, die jeweils einen Durchmesser von 3,382 m haben und mit angeschweißten Flanschen versehen sind, über die die Stahl-Rohrschüsse 40 miteinander verbunden sind. Die Bauweise dieses Abschnittes entspricht den nach dem Stand der Technik üblichen Stahlrohrtürmen.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 entspricht weitgehend dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1, so daß für die einander entsprechenden Teile die gleichen Bezugsziffern verwendet werden konnten. Hier erfolgt jedoch die Übertragung der Antriebsleistung vom Rotor 5 auf den Maschinensatz 10 durch einen Hydraulikkreis, der eine dem Rotor 5 zugeordnete Hydraulikpumpe 12 und ein dem Maschinensatz 10 zugeordneten Hydraulikmotor 13 umfaßt, die beide durch Hydraulikleitungen 14 verbunden sind, die durch den Innenraum des Rohrturmes 2 laufen.

Der Rohrturm 2 besteht hier im unteren Abschnitt ausschließlich aus sich konisch verjüngenden Gußeisen-Rohrschüssen 30 über eine Länge von 30 m, die sich über diese Länge von einem Durchmesser von 5,5 m auf einen Durchmesser von 3,882 m verjüngen und eine Wandstärke von jeweils 40 mm haben. Daran schließt sich oben ein aus zylindrischen Stahl-Rohrschüssen 40 bestehender Längenabschnitt des Rohrturms 2 an, die jeweils ein Durchmesser von 3,882 m haben und aus rundgebogenen Stahlblechen mit angeschweißtem Flansch bestehen.

Bei beiden beschriebenen Rohrtürmen 2 liegt die erste Eigenfrequenz deutlich über dem zulässigen Mindestwert von über 0,33 Hz.

Claims

1. Windenergieanlage mit einem auf einem Fundament (1) aufstehenden Rohrturm (2), an dessen oberen Ende eine den Rotor (5) tragende Gondel (3) gelagert ist, die um eine vertikale Schwenkachse (4) verschwenkbar ist, wobei der Rohrturm (2) aus einer Vielzahl von Rohrschüssen zusammengesetzt ist, die durch Flansch- Schraubverbindungen miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß Rohrschüsse im unteren Bereich des Rohrturmes (2) aus Gußeisen und im oberen Bereich des Rohrturmes (2) aus Stahl bestehen.

2. Windenergieanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gußeisen-Rohrschüsse (20, 30) aus Kugelgraphit-Gußeisen bestehen.

3. Windenergieanlage nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gußeisen der Gußeisen-Rohrschüsse (20, 30) korrosionshemmende Legierungsbestandteile, insbesondere Nickel (Ni) und Chrom (Cr) enthält.

4. Windenergieanlage nach den Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gußeisen der Gußeisen-Rohrschüsse (20, 30) eine Zugfestigkeit von 350 bis 800 N/mm² hat.

5. Windenergieanlage nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gußeisen-Rohrschüsse (20, 30) sich über mindestens 30% der Länge des Rohrturmes (2) erstrecken.

6. Windenergieanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einige der Gußeisen-Rohrschüsse (20, 30) von unten nach oben konisch verjüngt ausgebildet sind.

7. Windenergieanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der unterste Längenabschnitt des Rohrturms (2) aus zylindrischem Gußeisen-Rohrschüssen (20), ein sich anschließender Übergangs- Längenabschnitt aus sich konisch verjüngenden Gußeisen-Rohrschüssen (30) und der sich anschließende obere Längenbereich des Rohrturmes (2) aus zylindrischen Stahl-Rohrschüssen (40) besteht.

8. Windenergieanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Längenabschnitt des Rohrturmes (2) insgesamt aus sich konisch verjüngenden Gußeisen-Rohrschüssen (30) besteht.

9. Windenergieanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Maschinensatz (10) der Windenergieanlage im Fuß des Rohrturmes (2) angeordnet ist und über im Innenraum des Rohrturmes angeordnete Antriebsmittel mit dem Rotor (5) in Verbindung steht.

10. Windenergieanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsverbindung zwischen dem Rotor (5) und dem Maschinensatz (10) eine sich durch den Innenraum des Rohrturms (2) erstreckende Welle aufweist.

11. Windenergieanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der im Fuß des Rohrturmes (2) befindliche Antriebssatz (10) auf einem Schwenkteller (9) gelagert ist, der zusammen mit der Gondel (3) um die durch den Hohlraum des Rohrturmes verlaufende Schwenkachse (4) der Gondel (3) verschwenkbar ist.

12. Windenergieanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsverbindung zwischen dem Rotor (5) und dem Maschinensatz (10) einen Hydraulikkreis mit einer dem Rotor (5) zugeordneten Hydraulikpumpe (12) und einem dem Maschinensatz (10) zugeordneten Hydromotor (13) aufweist.