DE10152550A1 - Bauelement - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bauelement zur Herstellung eines Turms einer Windkraftanlage mit einer einen Teil der Außenfläche des Turms bildenden und eine zur Aufnahme einer Tür dienende Durchgangsöffnung aufweisenden Begrenzungsfläche, wobei zumindest ein die Durchgangsöffnung aufweisender Bereich des Bauelementes zumindest teilweise als aus einem vorzugsweise schweißbaren Gußwerkstoff bestehendes Gußteil gebildet ist.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Bauelement zur Herstellung eines Turms einer Windkraftanlage mit einer einen Teil der Außenfläche des Turms bildenden und eine zur Aufnahme einer Tür dienende Durchgangsöffnung aufweisenden Begrenzungsfläche.
• Herkömmliche Windkraftanlagen umfassen einen fest auf dem Boden verankerten Turm, eine an der Spitze des Turms um eine vertikale Drehachse drehbar darauf gelagerte Maschinengondel sowie einen um eine im wesentlichen horizontale Rotorachse drehbar an der Gondel angebrachten und mindestens ein Rotorblatt aufweisenden Rotor.
• Bei modernen Windkraftanlagen mit einer Nennleistung von mehr als einem Megawatt werden Turmhöhen von 100 m oder mehr und Rotordurchmesser von mindestens 70 m erreicht. Zur Wartung derartiger Anlagen muß der im allgemeinen einen Durchmesser von mehr als drei Metern aufweisende Turm von innen begehbar sein, damit die wartungsbedürftigen Teile im Bereich der Rotorachse ohne größeren Aufwand gefahrlos erreicht werden können.
• Dazu ist am Fuß des üblicherweise aus gewalzten Stahlblechen mit einer Dicke von bis zu 40 mm bestehenden Turms im allgemeinen eine mit einer Tür verschließbare Durchgangsöffnung vorgesehen. Zur Bildung dieser Durchgangsöffnung wird ein entsprechendes Loch in den Stahlmantel des Turms geschnitten und eine zur Aufnahme der Tür dienende Türzarge in dieses Loch eingeschweißt.
• Bei diesem Vorgang wird der Turm nicht nur durch Bildung des Lochs in der Mantelfläche, sondern auch durch den anschließenden Schweißvorgang geschwächt, weil dabei durch die Hitzeeinwirkung Gefügeveränderungen in den Stahlblechteilen erzeugt werden. Mit Hilfe von Computersimulationen wurde gezeigt, daß der Bereich der Durchgangsöffnung der bei hohen Windlasten am höchsten beanspruchte Teil der gesamten Turmkonstruktion ist und daher entsprechend hohe Materialstärken oder zusätzliche Verstärkungselemente in diesem Bereich eingesetzt werden müssen, um eine ausreichende Stabilität der Turmkonstruktion sicherzustellen. Eine herkömmliche Turmkonstruktion der gerade beschriebenen Art ist beispielhaft in Fig. 2 dargestellt. Dabei zeigt Fig. 2a eine Ansicht des unteren Teils dieser Turmkonstruktion und Fig. 2b eine längs der Schnittebene A-A genommene Schnittdarstellung. In der Zeichnung bezeichnet das Bezugszeichen 10 den Turm, das Bezugszeichen 20 die Durchgangsöffnung und das Bezugszeichen 12 die in die Durchgangsöffnung eingeschweißte Zarge. Bei den oben erwähnten Computersimulationen hat es sich gezeigt, daß Schwachstellen im besonderen im Bereich des geschweißten Übergangs zwischen der Zarge 12 und der daran angrenzenden Mantelfläche des Turms 10 auftreten. Zur Behebung dieses Problems wurde bereits vorgeschlagen, die Durchgangsöffnung 20 unter Vermeidung von scharfen Ecken als ovale Öffnung herzustellen, wie in Fig. 2a angedeutet. Allerdings können auch mit dieser Konstruktion Schwachstellen im Bereich des Übergangs zwischen der Zarge 12 und der daran angrenzenden Mantelfläche des Turms nicht vollständig beseitigt werden, so daß die Anbringung zusätzlicher Verstärkungselemente und/oder eine Erhöhung der Materialstärke der für die Bildung der Mantelfläche benutzten Stahlbleche auch bei dieser Maßnahme unvermeidlich ist.
• Angesichts der vorstehend erläuterten Probleme im Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Bauelement der eingangs beschriebenen Art bereitzustellen, welches unter Vermeidung von nicht tolerierbaren Schwachstellen in der Turmkonstruktion kostengünstig hergestellt und montiert werden kann.
• Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch eine Weiterbildung der bekannten Bauelemente gelöst, welche im wesentlichen dadurch gekennzeichnet ist, daß zumindest ein die Durchgangsöffnung aufweisender Bereich des Bauelementes zumindest teilweise als aus einem vorzugsweise schweißbaren Gußwerkstoff, wie etwa Gußstahl bestehendes Gußteil gebildet ist.
• Diese Erfindung geht auf die Erkenntnis zurück, daß die beobachtete Schwächung der Turmkonstruktion in erster Linie auf den bei der Herstellung herkömmlicher Bauelemente der eingangs beschriebenen Art benötigten Schweißvorgang im Bereich der Durchgangsöffnung zurückzuführen ist, und dieser Schweißvorgang vermieden werden kann, wenn die Durchgangsöffnung unter Verwendung eines Gußteils verwirklicht wird, weil derartige Gußteile durch geeignete Wahl der Gußform so vorgefertigt werden können, daß auf die nachträgliche Anbringung zusätzlicher Elemente weitgehend verzichtet werden kann. Dabei wurde insbesondere erkannt, daß die durch Vermeidung von zusätzlichen Schweißnähten erreichte Stabilitätserhöhung den bekannten Nachteil bei der Verwendung von Gußwerkstoffen hinsichtlich der eingeschränkten Verformbarkeit bei weitem überwiegt und daher trotz dieser Nachteile von Gußwerkstoffen insgesamt eine Erhöhung der Stabilität des Turms einer Windkraftanlage ohne Einsatz zusätzlicher Verstärkungselemente und/oder einer Erhöhung der Wandstärke der Turmkonstruktion erreicht werden kann.
• Dadurch wird unter gleichzeitiger Gewährleistung der benötigten Stabilität eine deutliche Kostenminderung erreicht, weil der Materialeinsatz, die Fertigungszeit, der zur Montage benötigte Personaleinsatz und die Festigkeitsauslegung unter Verwendung weniger Bauteile im Fertigungsprozeß und höherer Fertigungstoleranzen optimiert werden können.
• Im Rahmen dieser Erfindung ist an den Einsatz von vollständig aus einem Gußwerkstoff bestehenden Bauelementen gedacht, welche im Rahmen einer Vormontage und/oder im Rahmen der Endmontage mit anderen Bestandteilen des Turms verbunden werden. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Bauelement jedoch bereits als vormontiertes Bauteil mit mindestens einem an das Gußteil angrenzenden und vorzugsweise damit verschweißten Stahlblech ausgeführt.
• Im Hinblick auf die üblicherweise verwendeten Turmgeometrien weist die Begrenzungsfläche des erfindungsgemäßen Bauelementes zweckmäßigerweise im wesentlichen die Form einer Kreiszylindermantelfläche, oder eines Ausschnitts davon auf. Die Verbindung zwischen einem Gußteil und einem Stahlblech eines als vormontiertes Bauteil ausgeführten erfindungsgemäßen Bauelementes erfolgt zweckmäßigerweise durch eine Stumpfnaht. Im Hinblick auf die Wandstärke von mehr als 10 mm der zur Herstellung herkömmlicher Türme von Windkraftanlagen eingesetzten Stahlbleche ist es zum Erhalt einer hinreichend festen Schweißverbindung üblicherweise erforderlich, daß die Schweißnaht in einer zwischen dem Gußteil und dem Stahlblech gebildeten Fuge mit keilförmigem Querschnitt gebildet ist. In einer derartigen Fuge können ausgehend von dem Bereich geringster Breite aufeinanderfolgend eine Anzahl von Schweißraupen gelegt werden, welche die Fuge schließlich vollständig ausfüllen. Die zur Bildung einer derartigen Fuge mit keilförmigem Querschnitt benötigte V-förmige Anfasung kann bei Einsatz erfindungsgemäßer Bauelemente durch geeignete Wahl der Gußform schon bei der Herstellung des Gußteils in dieses integriert werden.
• Wie eingangs bereits erläutert, kann eine Stabilitätserhöhung auch dadurch erreicht werden, daß bei der Bildung der Durchgangsöffnung scharfe Ecken od. dgl. vermieden werden. Aus diesem Grund weist auch die Durchgangsöffnung erfindungsgemäßer Bauelemente vorzugsweise im wesentlichen eine Ovalform auf.
• Bei Windkraftanlagen müssen im Bereich der Durchgangsöffnung üblicherweise weitere Funktionselemente vorgesehen sein, wie etwa die Türzarge zum gelenkigen Befestigen eines Türblattes, Befestigungselemente für Feuerlöscher od. dgl., Antennenhalter, Ansaug- und/oder Abgasrohre für ein mit einem Dieselmotor ausgestattetes Notstromaggregat, eine Aufnahme für ein Treppengeländer, ein Ausgang bzw. eine Ausblasöffnung für die Kühl- bzw. Frischluftzufuhr und/oder eine Türsicherung. Bei herkömmlichen Türmen von Windkraftanlagen werden diese Funktionselemente an den Turmmantel geschweißt. Dadurch werden zusätzliche Schwächungen in dem Turmmantel erzeugt. Dieses Problem kann bei Einsatz erfindungsgemäßer Bauelemente dadurch gelöst werden, daß mindestens eines der zusätzlichen Funktionselemente als integraler Bestandteil des Gußteils gleich mit diesem gegossen wird.
• Nachstehend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung, auf die hinsichtlich aller erfindungswesentlichen und in der Beschreibung nicht weiter herausgestellten Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird, erläutert. In der Zeichnung zeigt:
• Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Bauelementes und
• Fig. 2 den Turm einer Windkraftanlage nach dem Stand der Technik.
• In Fig. 1 ist ein eine Durchgangsöffnung 20 der in Fig. 2 dargestellten Art bildendes erfindungsgemäßes Bauelement dargestellt. Dieses Bauelement ist ein aus Stahlguß hergestelltes Gußteil und umfaßt ein Befestigungselement 32 zur gelenkigen Anbringung eines Türblatts, einen Türblattanschlag 34 sowie insgesamt drei Befestigungselemente 36, die als Feuerlöscherhalter, Antennenhalter und/oder Türsicherung eingesetzt werden können. Das in Fig. 2 dargestellte Bauelement weist eine äußere Begrenzungsfläche in Form eines Ausschnittes einer Kegelstumpfmantelfläche auf. Zur Montage eines Turms einer Windkraftanlage wird dieses Bauelement mit weiteren in Form von gewalzten Stahlblechen gebildeten Bauelementen verschweißt, um so einen Turm für die Windkraftanlage herzustellen. Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist die Durchgangsöffnung in der Größe einer herkömmlichen Tür (Standardtür) gebildet.
• Die Erfindung ist nicht auf das anhand der Zeichnung erläuterte Ausführungsbeispiel beschränkt. Beispielsweise ist auch an den Einsatz von Bauelementen gedacht, bei denen nur ein Teil der Durchgangsöffnung von dem Gußteil begrenzt wird und der Rest der Durchgangsöffnung von einem gewalzten Stahlblech begrenzt wird. Ferner ist auch an den Einsatz von erfindungsgemäßen Bauelementen mit kreiszylindermantelförmigen und/oder ebenen Begrenzungsflächen gedacht. Auch können weitere Funktionselemente an dem Gußteil des erfindungsgemäßen Bauelementes vorgesehen sein.

Claims (8)

1. Bauelement (30) zur Herstellung eines Turms (10) einer Windkraftanlage mit einer einen Teil der Außenfläche des Turms bildenden und eine zur Aufnahme einer Tür dienende Durchgangsöffnung (20) aufweisenden Begrenzungsfläche (40), dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein die Durchgangsöffnung (20) aufweisender Bereich des Bauelementes (30) zumindest teilweise als aus einem vorzugsweise schweißbaren Gußwerkstoff bestehendes Gußteil gebildet ist.

2. Bauelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mindestens ein an das Gußteil (30) angrenzendes und vorzugsweise damit verschweißtes Stahlblech.

3. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungsfläche (40) im wesentlichen die Form einer Kreiszylindermantelfläche, einer Kegelstumpfmantelfläche oder eines Ausschnitts davon aufweist.

4. Bauelement nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißnaht in einer zwischen dem Gußteil und dem Stahlblech gebildeten Fuge mit keilförmigem Querschnitt gebildet ist.

5. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchgangsöffnung (20) im wesentlichen eine Ovalform aufweist.

6. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gußteil mindestens ein Funktionselement als integralen Bestandteil aufweist.

7. Bauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Funktionselement eine Türzarge, einen Türzapfen, ein Befestigungselement für eine Feuerlöscher, einen Antennenhalter, ein Ansaug- und/oder Abgasrohr für ein Notstromaggregat, eine Aufnahme für ein Treppengeländer, eine Lüftungsöffnung und/oder eine Türsicherung ist.

8. Windkraftanlage mit einem Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche.