DE102010008639A1

DE102010008639A1 - Befestigungskonstruktion der Turmeinbauten von Windkraftanlagen

Info

Publication number: DE102010008639A1
Application number: DE102010008639A
Authority: DE
Inventors: Thorsten Spehr; Juergen Wagner
Original assignee: Spehr Thorsten 14548; Wagner Juergen 12435
Current assignee: Spehr Thorsten 14548; Wagner Juergen 12435
Priority date: 2010-02-15
Filing date: 2010-02-15
Publication date: 2011-08-18

Abstract

Die Erfindung betrifft die Befestigungskonstruktion der Turmeinbauten von Windkraftanlagen mit Stahlrohrtürmen. Um die, durch die Anbindung der Turmeinbauten verursachte strukturelle Beeinträchtigung der Turmwandung (3) bei direkter Anbindung an diese zu eliminieren, wird eine Konstruktion vorgeschlagen, die auf jegliche strukturelle Einwirkung auf die Turmwandung (3) verzichtet. Hierbei werden die zur Fixierung der Einbauten nötigen Kräfte konstruktiv streng getrennt nach Zug-Druckkräften getrennt abgeleitet. Die Turmhülle erfährt dabei lediglich von Druckabstützungen (9) aufgebrachte Druckkräfte, die frei von jeglichem Schweißanschluss, Bohrungen oder sonstigen strukturell relevanten Anbindungen eingeleitet werden. Alle durch die strenge Kräfteteilung resultierenden Zugkräfte werden von den Flanschen (2) der Turmsegmente (1) mittels Zugelementen (8) aufgenommen. Biegebeanspruchungen lang bauender Turmeinbauten (14) wie Leitersysteme (4) und Kabelführungen werden konstruktiv in Druck- und Zugkräfte überführt und nach oben genanntem Muster abgetragen. Durch die aus der Konstruktion resultierende Integrität der Turmhülle ergibt sich eine niedrigere anzusetzende Kerbfallklasse für die Auslegung der Turmstatik, was zu geringeren Wandstärken der Turmwandung (3) und somit zur Gewichtsreduktion führt.

Description

Die Erfindung betrifft die Befestigungskonstruktion der Turmeinbauten von Windkraftanlagen mit Stahltürmen. Stahltürme von Windkraftanlagen werden in Längssegmenten ausgeführt. Dies ist aus transport- und aufstellungstechnischen Gründen nötig. Die Segmente haben eine Länge von ca. 25–30 m und enthalten in aller Regel folgende Einbauten:

• Ein Leitersystem welches von unten bis oben reicht, mit dazugehöriger Absturzsicherung.
• Plattformen unter jedem Turmflansch, die zur Montage und Wartung der Flanschverbindungen nötig sind. Sie dienen auch als Ruheplattform während des Aufstiegs.
• Eine Bodenplattform mit Türbereich auf welcher auch die nötigen Schaltschränke positioniert werden.
• Kabelführung, Beleuchtung und Spannungsversorgung sind ebenfalls vorzusehen.
• Optional kann ein Aufzugssystem zur Aufstiegserleichterung vorhanden sein.

Diese Einbauten werden heute nahezu alle an der Turmhülle befestigt. Hierzu werden in aller Regel Gewindehülsen an die Turmwand geschweißt, an welchen dann die oben beschriebenen Einbauten befestigt werden. Aus berechnungstechnischer Sicht ist dies ungünstig, da der Turmauslegung dann eine höhere Kerbfallklasse zugrunde gelegt werden muss, bezogen auf die ungestörte Turmhülle. Im Ergebnis führt eine hohe Kerbfallklasse zu höheren Wandstärken der Turmwandung und damit zu höherem Gewicht und Kosten. Wünschenswert ist also eine Konstruktion, die auf Anschweißteile an der Turmwandung verzichtet.
In US 2009/0031668-A1 , wird eine einfache Überbrückung der Turmwandung von Flansch zu Flansch mittels massiver Trägerstrukturen vorgeschlagen. Dies ist ungünstig, da damit eine unzulässige Versteifung des Turms im Bereich der massiven Tragstruktur einhergeht.
In US 2003 1477 53-A1 wird eine Befestigung der Einbauten mittels Magneten vorgeschlagen, dies erscheint aufwendig. Bezüglich der Haftkraft der Magnete ist zu bedenken, dass die Turmwandung nicht bearbeitet und lackiert ist und somit die Haftkraft der Magnetverbindungen durchaus unsicher zu kalkulieren ist.
Aufgabe und Vorteile der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es eine Konstruktion zur Befestigung der Einbauten zu entwickeln, die auf jegliche Anschweißteile an der Turmwandung verzichtet, den Turm nicht unzulässig, z. B. durch massive Träger versteift und sicher die auftretenden Lasten abträgt. Darüber hinaus muss die Konstruktion so kostengünstig sein, dass von der zu erwartenden Einsparung durch Reduzierung der Wandstärke ein positiver finanzieller Effekt bestehen bleibt.
Diese Aufgabe wird nach Anspruch 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die vertikalen Kräfte und alle Zugkräfte auf die Einbauten rein über Zugelemente (8), wie Zugstäbe oder Seile, welche an den Flanschen (2) befestigt sind, abgetragen werden. Die horizontalen Kräfte werden über Druckabstützungen (9, 9.2) zur Turmwandung (3) hin abgetragen, z. B. durch ein horizontales Dreibein in einer Abstützungsebene (15). Diese Druckabstützungen (9, 9.2) haben keine stoffschlüssige Verbindung zur Turmwandung (3) sondern wirken nur über Druck- und Reibkräfte. Die hierbei auftretenden Kräfte auf die Turmwandung (3) sind unkritisch. 1a und 1b zeigen die entsprechende Ausgestaltung am Beispiel eines lang bauenden Turmeinbaus (14) wie des Leitersystems (4). 7a zeigen die entsprechende Ausgestaltung am Beispiel der Anbindung einer Plattform (7).
Eine sinnvolle Ausgestaltung nach Anspruch 2 stellt die Durchführung von Zugelementen (8) wie Zugseilen oder Zugstäben durch die Struktur lang bauender Turmeinbauten (14), wie z. B. die Holme der Leitersysteme (4) dar. Hierdurch können Standartleitersegmente (5) z. B. mittels kurzer Verbindungshülsen (6) auf die Länge des entsprechenden Turmsegments (1) zu einem Leitersystem (4) zusammengesetzt und verspannt werden, so dass alle auftretenden Vertikallasten von den Zugelementen (8) an den darüber liegenden Flansch (2), der den Anschlagpunkt der Zugelemnete (8) bildet, abgetragen werden. Die Leiterholme und speziell die Leiterelementstöße erfahren so nur Druck- und Biegekräfte. 2 zeigt die entsprechende Ausgestaltung.
Eine sinnvolle Ausgestaltung nach Anspruch 3 bietet die Kombination aus Druckabstützungen (9) und Seilversteifungen (10) zur Vermeidung unzulässiger Durchbiegung lang bauender Elemente (14) wie des Leitersystems (4). Hierdurch ist es möglich auf eine oder mehrere Druckabstützung (9.1) in den horizontalen Abstützungsebenen (15) zu verzichten und so Raum im Turminneren für z. B. einen zusätzlichen Aufzug vorzuhalten. 3 zeigt die entsprechende Ausgestaltung.
Eine sinnvolle Ausgestaltung nach Anspruch 4 stellen die zusätzlich Abstützungen der Seilversteifung (10) des Leitersystems (4) durch eine Druckabstützung (9.1) über die Länge dar. Dadurch kann die Versteifungswirkung des Versteifungsseils (10.1) bei gering gehaltener Länge der Druckstäbe (10.2) über große Längen aufrechterhalten werden. 4 zeigt die entsprechende Ausgestaltung.
Eine sinnvolle Ausgestaltung nach Anspruch 5 stellt die über das Auslegergelenk (13.1) gelenkig gelagerte, an der Turmwand durch Elastomerelemente (12) und eventuell zusätzlicher Federelemente (11.1) elastisch abgestützte, Lasteinleitung durch den Ausleger (13) in die Flansche (2) dar. Hierdurch wird eine weitere Entkopplung lang bauender Turmeinbauten (14) wie z. B. des Leitersystems (4) von den vorhanden Turmschwingungen erreicht und so sowohl der Turm aber vornehmlich das Leitersystem entlastet. 5 und 6 zeigen die entsprechende Ausgestaltung.
Eine sinnvolle Ausgestaltung gemäß Anspruch 6 stellt das Vorsehen von auch einstellbaren Federelementen (11) in die Zugelemente (8) dar. Dadurch kann jegliche Überlastung der Zugelemente (8) und ihrer Anschlüsse an die Flansche (2) verhindert werden und die nötige Vorspannung eingestellt werden. Als Federelementen (11) können beispielsweise Zug-, Druckfedern oder Tellerfederpaketen oder auch pneumatische Federn genutzt werden. 2 zeigt die entsprechende Ausgestaltung.
Eine sinnvolle Ausgestaltung nach Anspruch 7 ist Einbringung von Elastomerelementen (12) wie Gummipuffer an der Kontaktstelle Druckabstützung (9) -Turmwandung (3). Hierdurch wird eine gewisse Federwirkung erreicht und so die Vorspannungssicherheit gewährleistet. Etwaige Turmdeformationen während des Betriebs können damit kompensiert werden. 1b zeigt die entsprechende Ausgestaltung.
Eine sinnvolle Ausgestaltung nach Anspruch 8 ist die Einbringung auch einstellbarer Federelemente (11.2) wie Druckfedern oder Tellerfedern in die Druckabstützungen (9). So lässt sich die federnde Wirkung über wesentlich größere Bereiche bezogen auf die unter Anspruch 7 beschrieben Lösung ausdehnen und zudem besser bezüglich der Anpresskraft justieren. 1c zeigt die entsprechende Ausgestaltung.
Zeichnungen
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend unter Angabe weiterer Einzelheiten und Vorteile erläutert.
Es zeigen
1a eine schematische Darstellung der Befestigungskonstruktion lang bauender Turmeinbauten wie eines Leitersystems (4), wobei hier die Leiterholme selbst als Zugelemente (8) dienen, welche an dem Flansch (2) befestigt sind und die Druckabstützungen (9) die horizontalen Kräfte auf die Turmwandung (3) übertragen.
1b einen Schnitt durch das Turmsegment (1) mit Leitersystem (4) und drei Druckabstützungen (9) die auf die Turmwandung (3) unter Entkopplung durch Elastomerelemente (12) wirken.
1c Druckabstützungen (9) eines Leitersystems (4) mit Federelementen (11) zu der Turmwandung (3) hin.
2 eine schematische Darstellung der Befestigungskonstruktion lang bauender Turmeinbauten (14) wie eines Leitersystems (4), wobei Zugelemente (8), welche am Flansch (2) befestigt sind, durch die Leiterholme geführt werden. Die Zugelemente sind am unteren Ende mit Federelementen (11) versehen. Die das Leitersystem (4) bildenden Standartleitersegmente (5) sind mittels Verbindungshülsen (6) zueinander zentriert. Die Druckabstützungen (9) übertragen die horizontalen Kräfte auf die Turmwandung (3).
3 eine Kombination aus Druckabstützung (9) und Seilversteifung (10) mit Versteifungsseil 10.1 und Druckstäben 10.2.
4 die Teilung der Seilversteifung (10) in zwei gleich lange Bereiche, bewerkstelligt durch die eingebrachte Druckabstützung (9.1).
5 die Aufhängung eines lang bauenden Turmeinbaus an dem Ausleger (13) der an dem Flansch gelenkig über Auslegergelenk (13.1) angebunden ist und sich über ein Elastomerelement (12) an der Turmwand (3) abstützt.
6 die Aufhängung wie in 5 jedoch mit vorgelagertem Federelement (11.1) an der Wandabstützung
7a die Anbindung einer Plattform (7), wobei die, an dem Flansch (2) befestigten Zugelemente (8) die Vertikalkräfte ableiten, die Druckabstützung (9.2) in Verbindung mit dem Elastomerelement (12) die Horizontalkräfte an die Turmwandung (3) ableiten.
7b eine am Flansch (2) durchbrochene Draufsicht auf die Plattorm (7) mit Druckabstützung (9.1) und Elastomerelement (12).
8 die Hauptelemente der Befestigungskonstruktion in Isometrischer Ansicht.
Bezugszeichenliste

1: Turmsegment
2: Turmflansch
3: Turmwandung
4: Leitersystem
5: Standartleitersegment
6: Zentrierhülsen
7: Plattform
8: Zugelemente (Seile, Zugstäbe)
9: Druckabstützung
9.1: Druckabstützung
9.2: Druckabstützung
10: Seilversteifung
10.1: Versteifungsseil
10.2: Abstandshalter
11: Federelement, auch einstellbar in Bezug auf die geforderte Vorspannung
11.1: Federelement, auch einstellbar in Bezug auf die geforderte Vorspannung
11.2: Federelement, auch einstellbar in Bezug auf die geforderte Vorspannung
12: Elastomerelement (z.B. Gummipuffer)
13: Ausleger
13.1: Auslegergelenk
14: lang bauende Turmeinbauten, wie Leitersysteme, Kabelführungen
15: Abstützungsebene

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2009/0031668- A1 [0003]
US 2003147753 A1 [0004]

Claims

Befestigungskonstruktion für Turmeinbauten von Windkraftanlagen mit Stahltürmen, dadurch gekennzeichnet, dass die auf die Einbauten wirkenden vertikalen Lasten, z. B. hervorgerufen durch Eigengewicht und Verkehrslast, sowie alle abzutragenden Zugkräfte durch biegeweiche Zugelemente (8) wie Zugseile oder Zugstäbe, welche an den Flanschen (2) der Turmsegmente (1) befestigt werden, abgefangen werden und die horizontalen Lasten durch Druckabstützungen (9, 9.2) zur Turmwandung (3) hin abgetragen werden, wobei die strukturelle Integrität der Turmwandung (3) in keiner Weise durch Anschweißteile oder Bohrungen beeinträchtigen wird und die horizontalen Druckabstützungen (9, 9.2) nur Druck- und Reibkräfte an der Turmwandung (3) hervorrufen.
Befestigungskonstruktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Zugelemente (8) durch die Leiterholme geführt werden und somit Standartleitersegmente (5) z. B. mittels kurzer Zentrierhülsen (6) zu der gewünschten Turmsegmentlänge zusammengesetzt werden können, wobei die Leiterholme und die verbindenden Zentrierhülsen (6) nur unter Druck- und Biegebeanspruchung stehen und sämtliche Zugkräfte über die Seile (8) an den nächst oberen Flansch abgeleitet werden.
Befestigungskonstruktion nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verhinderung unzulässiger Durchbiegung lang bauender Turmeinbauten (14) wie des Leitersystems eine Kombination aus Druckabstützung (9) zur Turmwandung (3) hin und Seilversteifung (10) genutzt wird, die es erlaubt auf eine oder mehrere Druckabstützungen (9) pro Abstützungsebene (15) zu verzichten und so Raum im Turminneren für zusätzliche Einbauten wie Aufzug vorzuhalten.
Befestigungskonstruktion nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Seilversteifung (10) lang bauender Turmeinbauten (14) durch ein oder mehrere Druckanstützungen (9.1) in entsprechend kürzer Segmente aufgeteilt wird und so die Versteifungswirkung des Versteifungsseiles (10.1) bei geringer Ausladung der Druckstäbe (10.2) über große Längen aufrecht erhalten werden kann.
Befestigungskonstruktion nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasteinleitung in die Flansche (2) durch den Ausleger (13) der gelenkig durch das Auslegergelenk (13.1) gelagert ist und sich an der Turmwandung (3) elastisch mittels Elastomerelementen (12) und/oder mit zusätzlichen auch einstellbaren Federelementen (11.1) wie Druckfedern oder Tellerfederpaketen abstützt, wodurch eine gewisse Elastizität zwischen Turmhülle und lang bauender Turmeinbauten (14), wie Leitern gegeben ist.
Befestigungskonstruktion nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugelemente (8) mit auch einstellbaren Federelementen (11) wie Zug-, Druck, Tellerfedern oder auch pneumatischen Federn versehen werden um so eine Überlastung der Zugelemente (8) auszuschließen und die gewünschte Vorspannung einstellen zu können.
Befestigungskonstruktion nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Kontaktstelle Druckabstützung (9) – Turmwandung (3) ein Elastomerelement (12) wie Z. B. ein Gummipuffer verwendet wird, wodurch eine gewisse Federwirkung erreicht wird und damit die nötige Vorspannung der Druckabstützung (9) zur Turmwandung (3) mit höherer Sicherheit gewährleistet werden kann.
Befestigungskonstruktion nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckabstützungen (9) mit einstellbare Federelemente (11.2) wie Druckfedern oder Tellerfedern versehen werden, wodurch der Druckkontakt der Druckabstützung (9) zur Turmwandung (3) einstellbar ist und auch bei größeren Deformationen der Turmwandung (3) aufrechterhalten werden kann.