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HINTERGUND DER ERFINDUNG
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Der hierin beschriebene Gegenstand bezieht sich im Allgemeinen auf Verfahren und Systeme zum Verankern eines Windturbinenturms, und insbesondere auf Verfahren und Systemen zum Verankern eines Windturbinenturms auf einem Turmfundament.
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Zu mindestens einige bekannte Windturbinen umfassen einen Turm und eine Gondel, die auf den Turm befestigt ist. Ein Rotor ist drehbar an der Gondel befestigt und über eine Welle mit einem Generator verbunden. Eine Vielzahl von Blättern erstrecken sich von dem Rotor. Die Blätter sind derart orientiert, dass der Wind, der über die Blätter streicht, den Rotor dreht und die Welle zum Rotieren bringt, womit der Generator betrieben wird, um Elektrizität zu erzeugen.
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So wie andere technische Installationen benötigt eine Windturbine einen Turm oder einen Masten, auf dem die Maschinengondel und der Windrotor befestigt sind. Typischerweise ist der Turm aus Stahl und ist mit einem Fundament aus Stahlbeton verbunden. Typischerweise wird die Verbindung über einen Flansch mit durchgängigen Löchern am Boden des Turms bewirkt. Ankerbolzen werden in die durchgängigen Löcher eingefügt und mit Muttern befestigt. Typischerweise sind die Ankerbolzen mit einem Ankerring verbunden, der in dem Fundament eingefasst ist. Die Betonoberfläche des Fundaments ist typischerweise relativ rau, sodass eine verfugte Verbindung gebildet wird, auf dem der Flansch positioniert wird.
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Während des Betriebs der Windturbine wirken variierende Windlasten auf den Windrotor und die Gondel und werden auf das Fundament über die Ankerbolzen übertragen. Daher ist es wünschenswert, dass beschädigte oder gebrochene Bolzen ausgetauscht werden können. Des Weiteren ist es wünschenswert, die Ankerbolzen zu untersuchen, sodass Schäden zu einem frühen Zeitpunkt detektiert werden können.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß einem Aspekt umfasst ein Ankerelement für einen Turm ein Ankerplattenelement mit einer oberen Fläche, einer unteren Fläche, und zumindest einem ersten durchgängigen Loch, das sich zwischen der oberen Fläche und der unteren Fläche erstreckt; und wenigstens eine erste Mutter mit einem Innengewinde, wobei die wenigstens eine erste Mutter zur Verfügung gestellt wird an dem wenigstens einen ersten durchgängigen Loch an der unteren Fläche des Ankerplattenelements um so das wenigstens eine erste durchgängige Loch zu bedecken, wobei die wenigstens eine erste Mutter unlösbar mit der unteren Fläche des Ankerplattenelements verbunden ist.
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In einem weiteren Aspekt umfasst eine Windturbine einen Turm mit einem unteren Teil; ein Fundament mit einer oberen Fläche; ein Anker umfassend ein unteres Ankerglied innerhalb des Fundaments und umfassend eine obere Fläche, eine untere Fläche, und eine Vielzahl von ersten durchgängigen Löchern, die die obere und die untere Fläche des unteren Ankergliedes verbinden, eine Vielzahl von unteren Mutter, wobei jede der unteren Mutter an einem entsprechenden ersten durchgängigen Loch an der unteren Fläche des unteren Ankerglieds zur Verfügung gestellt wird, um das erste durchgängige Loch zu bedecken, und dabei unlösbar mit der unteren Fläche des unteren Ankerglieds verbunden zu sein; ein oberes Ankerglied umfassend eine obere Fläche, eine untere Fläche und eine Vielzahl von zweiten durchgängigen Löchern, die die obere und untere Oberfläche der oberen Ankerglieder verbinden, wobei jedes der zweiten durchgängigen Löcher im Wesentlichen vertikal mit einem der ersten durchgängigen Löchern ausgerichtet ist; eine Vielzahl von Führungsröhren, wobei jede Führungsröhre ein Paar von ersten und zweiten durchgängigen Löchern verbindet; eine Vielzahl von Ankerbolzen, wobei jeder Ankerbolzen innerhalb einer der Führungsröhren aufgenommen wird, ein unterer Teil des Ankerbolzens im geschraubten Eingriff mit einem inneren Gewinde einer zugehörigen unteren Mutter ist und ein oberer Teil des Ankerbolzens aus der oberen Fläche des oberen Ankergliedes heraussteht; und eine Vielzahl von oberen Mutter, wobei jede obere Mutter einen oberen Teil eines entsprechenden Ankerbolzens befestigt; wobei der untere Teil des Turms fest mit der oberen Fläche des oberen Ankergliedes verbunden ist.
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In einem weiteren Aspekt umfasst ein Verfahren zum Setzen eines Ankerbolzens einer Windturbine Locker und Entfernen einer oberen Mutter an einem oberen Ankerglied, Entfernen des Ankerbolzens durch Aufschrauben eines unteren Teils des Ankerbolzens von einer unteren Mutter, die unlösbar mit einem unteren Ankerglied verbunden ist, und Herausziehen des Ankerbolzens aus einem Kanal, der sich zwischen dem unteren Ankerglied und dem oberen Ankerglied erstreckt, Einfügen eines Austauschankerbolzens in den Kanal und Zusammenschrauben eines unteren Teils des Austauschankerbolzens mit der unteren Mutter, Bilden einer starren Verbindung zwischen den oberen und unteren Ankergliedern durch Befestigen der oberen Mutter an einem oberen Teil des Austauschankerbolzens.
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Die Erfindung richtet sich auch auf eine Vorrichtung zum Ausführen der offenbarten Verfahren und umfasst Vorrichtungsteile zum Ausführen jeder der beschriebenen Verfahrensschritte. Die Verfahrensschritte können mittels Hardwarekomponenten, einen durch entsprechende Software programmierten Computer, durch eine Kombination der beiden oder in jeglicher anderen Weise ausgeführt werden. Des Weiteren ist die Erfindung auch gerichtet auf Verfahren, nach denen die beschriebenen Vorrichtungen arbeiten, und/oder gemäß denen die beschriebenen Elemente zusammengebaut werden. Es umfasst Verfahrensschritte zum Ausführen von jeder Funktion der Vorrichtung.
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Weitere Aspekte, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung sind aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den begleitenden Figuren ersichtlich.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Eine vollständige und für einen Fachmann ausführbare Offenbarung der vorliegenden Erfindung, inklusive der besten Ausführungsart davon, wird in der Beschreibung dargestellt, die Bezug nimmt auf die angehängten Figuren, wobei:
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1 ist eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften Windturbine.
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2 ist eine Ansicht eines Ankers mit einem Ankerelement gemäß hierin beschriebenen Ausführungsformen.
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3 ist eine Querschnittsdetailansicht eines Ankerelements gemäß hierin beschriebenen Ausführungsformen.
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4 und 5 zeigen Draufsichten auf Ankerplattenelemente gemäß hierin beschriebenen Ausführungsformen.
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6 und 7 zeigen eine Ankereinrichtung gemäß hierin beschriebenen Ausführungsformen.
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8 bis 10 illustrieren verschiedene Ausführungsformen einer Hutmutter gemäß hierin beschriebenen Ausführungsformen.
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11 illustriert ein Verfahren zum Ersetzen eines Ankerelements gemäß hierin beschriebenen Ausführungsformen.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Es wird im Detail Bezug genommen auf Ausführungsformen der Erfindung, zu denen ein oder mehrere Beispiele in den Figuren illustriert sind. Jedes Beispiel dient der Erklärung der Erfindung, nicht der Begrenzung der Erfindung. Zum Beispiel können Merkmale, die als Teil einer Ausführungsform illustriert oder beschrieben werden, in anderen Ausführungsformen benutzt werden, um zu einer weiteren Ausführungsform zu gelangen. Die vorliegende Erfindung soll derartige Modifikationen und Variationen, wie sie innerhalb des Umfangs der angefügten Ansprüche und ihrer Äquivalente liegen, umfassen.
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Die hierin beschriebenen Ausführungsformen umfassen ein Windturbinensystem, in dem die Ankerbolzen einfach ausgetauscht und ersetzt werden können. Insbesondere können beschädigte Ankerbolzen einfach ersetzt werden. Zusätzlich wird eine Überprüfung der Ankerbolzen ermöglicht.
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Da moderne Windturbinen mehr und mehr Leistung erzeugen, müssen sie auch größere Lasten tragen. Diese Lasten werden übertragen auf das Fundament über die Mittel zum Befestigen des Turms an dem Fundament, insbesondere den Ankerbolzen. Hohe Dauerbeanspruchungen, die über die Ankerbolzen übertragen werden, können zu einem ersten Einriss in dem Material führen und eine weitere Ausbreitung des Risses verursachen. Vor oder nach dem Bruch des Bolzens sollte der Bolzen ausgetauscht werden, um die strukturelle Integrität der Bolzenverbindung zu gewährleisten. Da Ankerbolzen normalerweise innerhalb eines Betonfundaments fixiert sind, ist es typischerweise ein aufwendiges und teures Unterfangen solch einen Ankerbolzen auszutauschen.
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Es können jedoch Probleme auftreten, wenn sich eine Bindung zwischen dem Ankerbolzen und dem Beton bildet. In anderen Fällen ist eine Verbindung zwischen einer Mutter und dem Ankerbolzen stärker als die Verbindung zwischen der Mutter und dem umgebenden Beton. Wenn man daher versucht, den Ankerbolzen von der Mutter loszuschrauben, kann es passieren, dass die Verbindung zwischen der fixierenden Mutter und dem umgebenden Beton sich löst und bricht, womit die Mutter und der Ankerbolzen untrennbar verbunden zurückbleiben. Die Mutter und der Ankerbolzen drehen sich entsprechend lose unterhalb einer unteren Ankerplatte, womit es unmöglich ist, den Ankerbolzen von der Mutter loszuschrauben.
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Aus diesem Grund schlägt die vorliegende Offenbarung vor, die Position der Mutter derart zu fixieren, dass nach einer Erstinstallation die Mutter nicht mehr in der Lage ist, sich zu bewegen oder zu drehen. Es wird auch vorgeschlagen, den Ankerbolzen von dem Beton oder anderen Materialien zu bedecken oder zu schützen. Durch diese Maßnahmen können die Ankerbolzen von der Mutter losgeschraubt und ausgetauscht werden.
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Es ist ein Vorteil der hierin beschriebenen Ausführungsformen, dass beim Austausch eines beschädigten oder gebrochenen Ankerbolzens die Mutter, die einen unteren Teil des beschädigten Ankerbolzens fixiert, sich nicht drehen wird, womit es möglich ist, den beschädigten Ankerbolzen zu entfernen ohne dabei das Fundament zu beschädigen. Das vermeidet einen teilweisen oder vollständigen Neuaufbau des Fundaments.
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Es ist ein weiterer Vorteil der hierin beschriebenen Ausführungsformen, dass es nicht notwendig ist, beschädigte Ankerbolzen innerhalb des Fundaments zu hinterlassen, wie es in der Vergangenheit gemacht wurde. Das wird die Turmstabilität und strukturelle Integrität verbessern.
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Es ist ein weiterer Vorteil der hierin beschriebenen Ausführungsformen, dass die offenbarten Verfahren zum Austausch eines beschädigten Ankerbolzens billiger sind als alternative Lösungen zum Fixieren von gebrochenen Ankerbolzen.
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Hierin soll der Ausdruck „Ankerelement” stehen für eine Struktur, die in einem Fundament eingefasst oder hieran befestigt ist, wobei die Struktur derart gestaltet und ausgelegt ist, dass ein Bodenteil eines Windturbinenturms hiermit verbunden werden kann. Der Begriff „Blatt” wie er hierin benutzt wird soll stehen für jede Einrichtung, die eine reaktive Kraft zur Verfügung stellt, wenn sie in Bewegung zu einem umgebenden Fluid sich befindet. Der Begriff „Windturbine” wie er hierin benutzt wird, soll stehen für jede Einrichtung, die Rotationsenergie aus Windenergie erzeugt, und insbesondere kinetische Energie aus dem Wind in mechanische Energie umwandelt. Der Begriff „Windgenerator” wie er hierin benutzt wird, soll stehen für jede Windturbine, die elektrische Leistung aus von Windenergie erzeugter Rotationsenergie erzeugt, und insbesondere aus vom Wind kinetische Energie umgewandelt in mechanische Energie in elektrische Leistung umwandelt.
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1 ist eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften Windturbine 10. In der beispielhaften Ausführungsform ist die Windturbine 10 eine Windturbine mit Horizontalachse. Die Windturbine 10 kann alternativ eine Windturbine mit vertikaler Achse sein. In der beispielhaften Ausführungsform umfasst die Windturbine 10 einen Turm 12, der von einer Auflagefläche 150 ragt, eine Gondel 16, die auf dem Turm 12 befestigt ist, und einen Rotor 18, der an die Gondel 16 angeschlossen ist. Der Rotor 18 umfasst eine drehbare Nabe 20 und mindestens ein Rotorblatt 22, das mit der Nabe 20 verbunden ist und davon ausgehend nach außen ragt. In der beispielhaften Ausführungsform hat der Rotor 18 drei Rotorblätter 22. In einer alternativen Ausführungsform umfasst der Rotor 18 mehr oder weniger als drei Rotorblätter 22. In der beispielhaften Ausführungsform ist der Turm 12 aus röhrenförmigen Stahl hergestellt, um einen Hohlraum (nicht gezeigt in 1) zwischen der Auflagefläche 14 und der Gondel 16 zu bilden. In einer alternativen Ausführungsform ist der Turm irgendeine geeignete Art eines Turms mit irgendeiner geeigneten Höhe.
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Die Rotorblätter 22 sind um die Nabe 20 herum verteilt, um es den drehenden Rotor 18 zu ermöglichen, dass dieser kinetische Energie in nutzbare mechanische Energie aus dem Wind überführt, und daraufhin in elektrische Energie. Die Rotorblätter 22 werden mit der Nabe 20 verbunden, indem ein Blattwurzelteil 24 mit der Nabe 20 an einer Vielzahl von Lastenübertragungsregionen 26 befestigt wird. Die Lastenübertragungsregionen 26 weisen eine Nabenlastenübertragungsregion und eine Blattlastenübertragungsregion auf (beide nicht in 1 gezeigt). Die auf die Rotorblätter 22 wirkenden Lasten werden auf die Nabe 20 über die Lastenübertragungsregionen 26 übertragen und dann hinunter in das Turmfundament 150 über den Turm 12. In einer Ausführungsform haben die Rotorblätter 22 eine Länge, die zwischen 15 Meter (m) bis ungefähr 91 m liegt. Die Rotorblätter 22 können alternativ jede geeignete Länge aufweisen, die es ermöglicht, dass die Windturbine 10 wie hierin beschrieben arbeitet. Zum Beispiel, andere nichtbeschränkende Beispiele von Blattlängen umfassen 10 m oder weniger, 20 m, 37 m oder eine Länge, die größer als 91 m ist. Wenn Wind aus einer Richtung 28 auf die Rotorblätter 22 fällt aus einer Richtung 28, wird der Rotor 18 um eine Drehachse 30 gedreht. Wenn die Rotorblätter 22 gedreht werden und Zentrifugalkräften ausgesetzt sind, sind die Rotorblätter 22 auch verschiedensten Kräften und Momenten ausgesetzt. Daher können sich die Rotorblätter 22 abbiegen und/oder von einer neutralen, oder nicht-abgebogenen Position, zu einer abgebogenen Position drehen.
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2 ist eine Ansicht eines Ankers 200, der innerhalb eines Turmfundaments 150 positioniert ist, das zum Beispiel ein Fundament einer Windturbine 100 sein kann. Der Anker umfasst ein unteres Ankerglied 217 und ein oberes Ankerglied 315, wobei letzteres ein Teil eines Turmbasisglieds 300 ist. Das untere Ankerglied 217 und das obere Ankerglied 315 sind miteinander über Ankerbolzen 340 verbunden. Die Ankerbolzen 340 sind zusammengeschraubt mit unteren Mutter 225, die mechanisch an einer unteren Fläche der unteren Ankerplatte befestigt sind. Am oberen Ende sind die Ankerbolzen 340 über obere Mutter 325 am oberen Ankerglied 315 befestigt. Die Ankerbolzen 340 befinden sich in Führungsröhren (nicht gezeigt in 2), die sich zwischen der unteren Fläche des oberen Ankerglieds und der oberen Fläche des unteren Ankerglieds erstreckt. Die Führungsröhren schützen die Ankerbolzen 340 vom Beton des Fundaments, das die Verbindung zwischen den unteren Mutter 225 und den Ankerbolzen 340 schädigen könnte.
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Das Turmbasisglied 300 und das obere Ankerglied 315 weisen beide eine zylindrisch symmetrische Form auf und werden als ein Teil hergestellt. Gemäß einigen Ausführungsformen sind sowohl das untere Ankerglied 217 und das obere Ankerglied 315 Platten und weisen die Form eines geschlossenen Rings auf. Gemäß einigen Ausführungsformen sind die ringförmigen Glieder gebildet aus einer Vielzahl von Sektorstücken, gemäß einem nicht einschränkenden Beispiel acht bis zwölf Sektorstücke. Die Stücke können dann miteinander verbunden werden am Aufbauort, zum Beispiel durch Schweißen. Alternativer Weise können die Plattenglieder in einem Stück gebildet sein.
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2 zeigt, dass das untere Ankerglied 217 in einem unteren Teil des Fundaments 150 positioniert ist. Die oberen Enden der Ankerbolzen 340 stehen aus dem Fundament 150 heraus an einer Stelle, wo eine Ausnehmung gebildet ist. Das obere Ankerglied 315 wird über die oberen Enden der Ankerbolzen 340 derart platziert, dass die Ankerbolzen 340 durch zweite durchgängige Löcher, die innerhalb des oberen Ankerglieds 350 gebildet sind, herausragen. Vorliegend ist das Turmbasisglied 300 derart ausgerichtet, dass die Seitenwände des Turmbasisglieds 300 vertikal sind. Dann wird eine Dichtungsverbindung 360 hergestellt innerhalb einer Lücke zwischen dem Fundament 150 und dem unteren Ende des oberen Ankerglieds 315. Nachdem die Dichtungsverbindung 360 ausgehärtet ist, ist das Turmfundament 150 gefertigt, was das Festziehen von Ankerbolzen 340 mit oberen Muttern 325 an dem oberen Ankerglied 315 umfasst. Danach kann der Turm weiter bis zur Spitze aufgebaut werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das obere Ankerglied 315 ein Teil sein, das separat vom Turmbasisglied 300 zur Verfügung gestellt wird. In diesem Fall kann das obere Ankerglied 350 mit einem unteren Teil mit Hilfe anderer Mittel verbunden sein, zum Beispiel durch Schweißen, Schrauben, Nieten oder Benutzen von weiteren Ankerbolzen.
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3 zeigt eine detaillierte Querschnittsansicht eines Ankerelements 200 gemäß einer Ausführungsform. Das Ankerelement 200 umfasst ein Ankerplattenelement 215, ein Turmbasisglied 300, ein Kanal 350, einen Ankerbolzen 340, eine erste Mutter 220, eine zweite Mutter 320, eine erste Unterlegscheibe 230 und zweite Unterlegscheibe 330. Das Turmbasisglied 300 umfasst eine Turmbasisplatte 310 und einen T-Flansch 316 zum Verbinden des Ankerelements 200 mit einem unteren Teil des Turms 12. In einer typischen Ausführungsform ist das Ankerplattenelement 215 ein wie in 4 gezeigter Ringsektor. In der Ausführungsform gemäß 4 spannt der Ringsektor 40° Grad auf, so dass neun Sektorelemente einen vollständigen 360° bilden. Das 360° Grad Ring geformte untere Ankerglied 217 kann aus weniger oder mehr als neun Ankerelementen gebildet sein. Dementsprechend können die Ringsektoren mehr oder weniger als 40° Grad aufspannen. Typischerweise werden die Ringsektoren miteinander verschweißt, bevor das Fundament 150 mit Beton gefüllt wird.
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Das in 3 gezeigte Ankerelement 200 umfasst ein Ankerplattenelement 215 mit einer oberen Fläche 211, einer unteren Fläche 212 und einem ersten durchgängigen Loch 213, das sich zwischen der oberen Fläche 211 und der unteren Fläche 212 erstreckt. Das Ankerplattenelement 215 kann mit einem anderen Ankerplattenelementen zusammengebaut sein, um eine ringförmige Ankerplatte 210 zu bilden. Typischer Weise sind die obere 211 und untere Flächen 212 flache Flächen und parallel zueinander. Typischer Weise ist das erste durchgängige Loch 213 eine zylindrische Öffnung mit einem konstanten Durchmesser über seine Länge, und ist senkrecht zu den Flächen 211 und 212 gebildet.
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Das Ankerelement 200 umfasst des Weiteren eine Turmbasisplatte 310, die oberhalb dem Ankerplattenelement 215 oder der Ankerplatte 210 zur Verfügung gestellt ist. Die Turmbasisplatte 310 weist eine obere Fläche 311, eine untere Fläche 312, und ein zweites durchgängiges Loch 313 auf, das sich zwischen der oberen Fläche 311 und der unteren Fläche 312 erstreckt. Typischer Weise weist die Turmbasisplatte 310 eine zylindrische symmetrische Form auf und wird als ein Stück hergestellt. Es kann jedoch aus mehreren Teilen hergestellt werden in ähnlicher Art und Weise wie die Ankerplatte 210. Die Turmbasisplatte 310 bildet einen Teil des Turmbasisglieds 300, das der unterste Teil des Turms 200 ist. Die Turmbasisplatte 310 umfasst des Weiteren einen T-Flansch 316, der benutzt wird, um den Turm mit dem Turmbasisglied 300 zu verbinden.
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Die obere 311 und untere Fläche 312 sind flache Flächen und parallel zueinander. Jedes der zweiten durchgängigen Löcher 313 ist eine zylindrische Röhre mit einem konstanten Durchmesser über die Länge, und ist senkrecht zu den Flächen 311 und 312. Die Durchmesser der zweiten durchgängigen Löcher 313 können gleich zu oder unterschiedlich von dem Durchmesser des ersten durchgängigen Lochs 213 sein. Des Weiteren ist das zweite durchgängige Loch 313 vertikal mit dem ersten durchgängigen Loch 213 ausgerichtet.
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Die Turmbasisplatte 310 und die Ankerplatte 212 sind miteinander über den Ankerbolzen 340, einer ersten Unterlagscheibe 230, einer zweiten Unterlagscheibe 330, einer ersten Mutter 220, und einer zweiten Mutter 320 verbunden. Innerhalb des fertiggestellten Fundaments 150 ist der Anker von Beton umgeben. Der Beton kommt allerdings nicht in Kontakt mit dem Ankerbolzen 340, da der Kanal 350 und die erste Mutter 220 den Ankerbolzen 340 von dem Beton schützen.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der Kanal 350 eine zylindrische Röhre, die einen Durchmesser aufweist, der etwas geringer ist als das erste durchgängige Loch 213 und das zweite durchgängige Loch 313. Der Kanal 350 weist eine Länge auf, sodass er zwischen der oberen Fläche 311 der Turmbasisplatte 310 und der unteren Fläche 212 des Ankerplattenelements 215 innerhalb des ersten durchgängigen Lochs 213 und des zweiten durchgängigen Lochs 313 angeordnet sein kann. Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann der Kanal 350 einen Durchmesser aufweisen, der etwas größer ist als das erste 213 oder zweite durchgängige Loch 313 und kann an die obere Fläche 211 oder untere Fläche 312 um ein entsprechendes durchgängiges Loch 213, 313 angebracht sein.
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Gemäß der Ausführungsform von 3 umfasst das Ankerelement 200 des Weiteren den Ankerbolzen 340, der von dem Kanal 350 aufgenommen ist und unterhalb einer unteren Fläche 212 der Ankerplatte 210 und oberhalb einer oberen Fläche 311 der Turmbasisplatte 310 fixiert ist. Den Ankerbolzen 340 umfasst ein unteres äußeres Ankerbolzengewinde 341 an einem unteren Teil des Ankerbolzens 340 und ein oberes äußeres Ankerbolzengewinde 342 an einem oberen Teil des Ankerbolzens 340.
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Das untere äußere Ankerbolzengewinde 341 wird zusammengeschraubt mit dem inneren Gewinde der ersten Mutter 220. Der obere Teil des Ankerbolzens 340 steht von der oberen Fläche 311 der Turmbasisplatte 310 hervor, wo das obere äußere Ankerbolzengewinde 342 zusammengeschraubt ist mit dem inneren Gewinde der zweiten Mutter 320. Die zweite Unterlagscheibe 330 ist zwischen der zweiten Mutter 320 und der oberen Fläche 311 der Turmbasisplatte 310 angeordnet.
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Die erste Mutter 220 wird zur Verfügung gestellt um den Außenbereich des ersten durchgängigen Lochs 213 an der unteren Fläche 212 des Ankerplattenelements 215. Die erste Mutter 220 wird in einer unlösbaren Art und Weise mit der unteren Fläche 212 der Ankerplatte 210 verbunden. Zum Beispiel kann die erste Mutter 220 an die untere Fläche 212 geschweißt werden oder auf eine andere Art und Weise mit der unteren Fläche 212 integral geformt sein. Typischerweise ist die Mutter 220 eine geschlossene Hutmutter, kann aber gemäß einer anderen Ausführungsform eine offene Mutter sein.
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Gemäß der Ausführungsform von 3, wird eine erste Unterlagsscheibe 230 zwischen der unteren Fläche 212 des Ankerplattenelements 215 und der ersten Mutter 220 zur Verfügung gestellt. Gemäß dieser Ausführungsform wird die erste Unterlagscheibe 230 punktgeschweißt an die untere Fläche 212, und die erste Mutter 220 ist punktgeschweißt an die erste Unterlagscheibe 230. Gemäß einer anderen Ausführungsform wird auf mechanischem Wege eine feste Verbindung zwischen dem Ankerplattenelement 215 und der ersten Mutter 220 bewerkstelligt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die erste Mutter 220 an einem von dem Ankerplattenelement 215 entfernten Ende geschlossen. Daher kann vermieden werden, dass Beton in die erste Mutter 220 fließt und die Verbindung zwischen dem Ankerbolzen 340 und der ersten Mutter 220 beschädigt.
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Um einen besseren Halt der ersten Mutter 220 mit dem Beton zur Verfügung zu stellen und somit zu vermeiden, dass sich die erste Mutter 220 und der Ankerbolzen 340 leer drehen, wird ein Drehmomentglied 221 an der Mutter 220 zur Verfügung gestellt. Das Drehmomentglied 221 ist ausgelegt, die Hutmutter in dem Beton zu unterstützen. Wenn die Schraubverbindung zwischen dem Bolzen 340 und der Nut 220 sich lockert, nimmt das Drehmomentglied 221 das angewandte Drehmoment auf und stellt ausreichend Gegendrehmoment zur Verfügung, sodass die Hutmutter 220 am Platz gehalten wird. Damit ist das Aufschrauben des Bolzens 340 von der Hutmutter 220 ermöglicht, selbst wenn die Verbindung zwischen der Hutmutter 220 und der unteren Fläche 212 bricht.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Drehmomentglied 221 eine Metallplatte, die im Wesentlichen die gleiche Dicke aufweist wie die Bewandung der Hutmutter. Ein mittiger Bereich des Drehmomentglieds 221 ist an der Hutmutter fixiert an einem Teil des konvexen Huts der Hutmutter, typischer Weise an ihrem Scheitel. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Drehmomentglied eine Platte, die an einer äußeren zylindrischen Fläche der Hutmutter zur Verfügung gestellt wird und sich im Wesentlichen entlang einer axialen Richtung der Mutter erstreckt. Weitere Ausführungsformen für das Drehmomentglied 221 werden weiter unten mit Bezug zu den 6 und 7 beschrieben.
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Die 4 und 5 zeigen Draufsichten von einem Ankerplattenelement 215. 4 illustriert ein Ankerplattenelement 215 in Form eines Ringsektor, der 40° Grad oder ein Neuntel eines vollständigen Kreises umspannt. Entsprechend können neun Ankerplattenelemente 215 wie in der 4 gezeigt, benutzt werden, um einen vollständigen Ring zu bilden, das heißt, um die Ankerplatte 210 zu bilden. Typischer Weise werden die neun Ankerplattenelemente 215 durch Punktschweißen der Ankerplattenelemente 215 miteinander verbunden.
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Das in 4 gezeigte Ankerplattenelement 215 weist zwei Reihen von durchgängigen Löchern 213 auf. Gemäß einer typischen Ausführungsform ist die Anzahl von durchgängigen Löchern 213 in einem vollständigen Ring 54 oder 62 für eine einzelne Reihe. Daher umfasst das Ankerplattenelement 215 von 4 nur ein Neuntel davon, das heißt, sechs durchgängige Löcher in jeder Reihe. Diese Zahlen sind natürlich lediglich Beispiele und können größer oder kleiner in anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sein.
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5 illustriert ein Ankerplattenelement 215, das die Form eines vollständigen Rings aufweist, das heißt, 360° Grad aufspannt. Wie mit Bezug zu 4 erklärt, umfasst jede Reihe der Ankerplatte gemäß dieser Ausführungsform 54 durchgängige Löcher, was insgesamt zu 108 durchgängigen Löchern für das gesamte Ankerplattenelement resultiert.
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Die 6 und 7 zeigen verschiedene Ansichten einer Ausführungsform eines Drehmomentglieds 221. 6 zeigt eine seitliche Querschnittsansicht der ersten Mutter 220 mit dem Drehmomentglied 221. 7 zeigt eine Draufsicht der gleichen ersten Mutter 220, die in 6 dargestellt ist. Das Drehmomentglied 221 ist eine flügelförmige Metallplatte, die sich in einer Richtung erstreckt, die im Wesentlichen parallel zur longitudinalen Achse der Hutmutter 220 ist. Daher wird das flügelförmige Drehmomentglied 221 jedem Drehmoment widerstehen, das auf die Hutmutter 220 angewandt wird, wenn der Ankerbolzen 340 hiermit zusammengeschraubt wird oder davon aufgeschraubt wird.
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Die 8 bis 10 illustrieren verschiedene Realisationen der Hutmutter 220. In den in 8 bis 10 gezeigten Ausführungsformen bildet ein unteres äußeres Ankerbolzengewinde 341 des Ankerbolzens 340 eine Schraubverbindung mit einem inneren Gewinde (nicht in den 8 bis 10 gezeigt) der Hutmutter 220. Des Weiteren ist die erste Mutter 220 unlösbar mit einer unteren Fläche 212 von einem Ankerplattenelement 215 verbunden gemäß den Ausführungsformen in 8 bis 10.
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Die 8 zeigt einen unteren Teil des Ankerelements 200, in dem die erste Mutter 220 an die untere Fläche 212 des Ankerplattenglieds 215 entlang der Außenzone des ersten durchgängigen Lochs 213 punktgeschweißt ist.
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9 zeigt eine andere Ausführungsform der ersten Mutter 220, in der die erste Mutter 220 eine Unterlagscheibe aufweist, die integral mit der ersten Mutter 220 geformt ist. Gemäß dieser Ausführungsform ist die erste Mutter 220 an die untere Fläche 212 des Ankerplattenglieds 215 entlang der Außenzone des ersten durchgängigen Lochs 213 punktgeschweißt.
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10 zeigt eine andere Ausführungsform eines Ankerplattengliedes 215, in dem die erste Mutter 220 integral mit der unteren Fläche 212 des Ankerplattenelements 215 gebildet ist. Durch das Auslassen von Schweißen wird die langfristige Stabilität der Verbindung der ersten Mutter 220 mit dem Ankerplattenglied 215 verbessert.
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11 illustriert ein Verfahren zum Ersetzen eines Ankerbolzens. Nach dem Start des Verfahrens wird in einem ersten Block 405 entschieden, ob es einen gebrochenen oder beschädigten Ankerbolzen gibt. Im Fall, dass es keinen gebrochenen oder beschädigten Ankerbolzen gibt, wird das Verfahren beendet. Im Fall, dass es zumindest einen gebrochenen oder beschädigten Ankerbolzen 340 gibt, wird das Verfahren mit Block 410 fortgesetzt.
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Im nächsten Block 410 wird eine zweite Mutter 320, die eine Verbindung zwischen einem Ankerbolzen 340 und einer oberen Fläche 311 einer Turmbasisplatte 310 sichert, gelockert und entfernt. In diesem Kontext wird die Turmbasisplatte 310 angesehen als Teil eines Windturbinenbasisglieds 300.
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Im nächsten Block 415 wird der Ankerbolzen 340 entfernt, indem der Ankerbolzen 340 von einer ersten Mutter 220 losgeschraubt wird, die mit einem Ankerplattenelement 215 verbunden ist, und aus dem Kanal 350 herausgeführt, der sich zwischen dem Ankerplattenelement 215 und der Turmbasisplatte 310 erstreckt.
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Im nächsten Block 420 wird ein Austauschankerbolzen in den Kanal 350 geführt und in einer schraubenden Weise an der ersten Mutter 220 fixiert.
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In den folgenden Blöcken 425, 430 und 435 wird die zweite Mutter 320 auf dem Austauschankerbolzen 340 an einer oberen Fläche 311 der Turmbasisplatte 310 befestigt.
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Dazu wird im Block 425 der Austauschankerbolzen 340 in eine Richtung gezogen, die orthogonal zu der Fläche der Turmbasisplatte 310 ist, derart, dass ein Zwischenraum gebildet wird zwischen der zweiten Mutter 320 und der Turmbasisplatte 310, womit der Ankerbolzen vorgespannt wird.
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Im nächsten Block 435 wird die zweite Mutter 320 derart befestigt, dass der Zwischenraum verschwindet. Im folgenden Block 440 wird die Zugkraft gelockert, sodass der Ankerbolzen 340 in Richtung der Turmbasisplatte 310 gedrückt wird. Dies befestigt die zweite Mutter 320 an dem Austauschankerbolzen 340 und hält den Bolzen 340 vorgespannt. Gemäß einigen Ausführungsformen kann die zweite Mutter 320 auf dem Austauschankerbolzen 340 mit einem vorbestimmten Drehmoment festgezogen werden.
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Im nächsten Block 440 wird entschieden, ob es noch einen gebrochenen oder beschädigten Ankerbolzen 340 gibt. Im Fall, dass es wenigstens einen gebrochenen oder beschädigten Ankerbolzen 340 gibt, beginnt das Verfahren wieder bei Schritt 410. Im Fall, dass es keinen gebrochenen oder beschädigten Ankerbolzen 340 gibt, wird das Verfahren beendet. Alternativer Weise kann das Verfahren nach Block 435 enden, das heißt, nach Austausch eines einzigen Ankerbolzens.
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Beispielhafte Ausführungsformen von Ankerelementen und Verfahren zum Austausch von Ankerbolzen werden oben im Detail beschrieben. Die Ankerelemente und Verfahren zum Austauschen von Ankerbolzen sind nicht auf spezielle hierin beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern es können auch Komponenten von Elementen und/oder Schritten der Verfahren unabhängig und separat von anderen hierin beschriebenen Komponenten und/oder Schritten benutzt werden. Zum Beispiel können die Ankerelemente auch genutzt werden für Antennentürme oder Brückenmasten und sind nicht beschränkt auf die hierin beschriebenen Windturbinensysteme. Stattdessen können die beispielhaften Ausführungsformen auch in Verbindung mit vielen anderen Anwendungen implementier und benutzt werden.
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Auch wenn spezielle Merkmale von verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung nur in einigen Zeichnungen und nicht in anderen gezeigt sind, ist dies lediglich zur bessern Lesbarkeit. Im Einklang mit den Grundsätzen der Erfindung kann jedes Merkmal einer Zeichnung in Bezug genommen werden und/oder in Anspruch genommen werden in Kombination mit irgendeinem Merkmal einer anderen Zeichnung.
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Die vorliegende Beschreibung nutzt Beispiele, mitunter die beste Ausführungsform, um die Erfindung zu offenbaren und auch um den Fachmann in die Lage zu versetzen, die Erfindung auszuführen, insbesondere Geräte oder Systeme herzustellen und zu benutzen sowie beinhaltete Verfahren auszuführen. Verschiedene spezifische Ausführungsformen wurden offenbart; ein Fachmann wird erkennen, dass der Geist und Schutzbereich der Ansprüche weitere entsprechend effektive Modifikationen umfasst. Insbesondere sich gegenseitig nicht ausschließende Merkmale der oben beschriebenen Ausführungsformen können mit anderen kombiniert werden. Der patentierbare Schutzumfang der Erfindung wird durch die Ansprüche definiert und kann andere Beispiele umfassen, die sich dem Fachmann ergeben. Solche andere Beispiele sollen innerhalb des Schutzumfangs der Ansprüche sein, wenn sie Strukturelemente umfassen, die sich nicht von der wörtlichen Darstellung in den Ansprüchen unterscheiden oder wenn sie äquivalente Strukturelemente mit unwesentlichen Unterschieden von der wörtlichen Darstellung in den Ansprüchen enthalten.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Windturbine
- 12
- Turm
- 14
- Auflagefläche
- 16
- Gondel
- 18
- Rotor
- 20
- drehbare Nabe
- 22
- Rotorblätter
- 24
- Blattwurzelteil
- 26
- Lastentransferregion
- 28
- Windrichtung
- 30
- Rotationsachse
- 32
- Winkelverstellsystem
- 34
- Rotorblattwinkelachsen
- 36
- Kontrollsystem
- 38
- Azimutachse
- 150
- Turmfundament
- 200
- Anker, Ankerelement
- 210
- Ankerplatte
- 211
- Obere Seite der Ankerplatte
- 212
- Unter Seite der Ankerplatte
- 213
- Erstes durchgängiges Loch
- 215
- Ankerplattenelement
- 217
- Unteres Ankerglied
- 218
- Oberes Ankergliedelement
- 220
- Erste Mutter
- 221
- Drehmomentglied
- 225
- Untere Mutter
- 230
- Erste Unterlagscheibe
- 300
- Turmbasisglied
- 310
- Turmbasisplatte
- 311
- Obere Seite der Turmbasisplatte
- 312
- Untere Seite der Turmbasisplatte
- 313
- Zweites durchgängiges Loch
- 315
- Oberes Ankerglied
- 316
- T-Flansch
- 320
- Zweite Mutter
- 325
- Obere Mutter
- 330
- Zweite Unterlagscheibe
- 340
- Ankerbolzen
- 341
- Unteres Bolzengewinde
- 342
- Oberes Bolzengewinde
- 350
- Kanal
- 355
- Führungsröhre
- 360
- Dichtungsverbindung
- 400–440
- Verfahrensblöcke
