DE102012009849A1

DE102012009849A1 - Schwingungsstabilisierte Windenergieanlage-Zug-Druck-Knoten

Info

Publication number: DE102012009849A1
Application number: DE201210009849
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-05-21
Filing date: 2012-05-21
Publication date: 2013-11-21

Abstract

Erfindungsgemäß wird durch eine Kombination von drei oder mehr Zug-Druck-Stäben (14), die am Unterbau (8) oder an einer Bodenplatte (6) einer Windenergieanlage und am Mast (2), vorzugsweise über lang ausgebildete Knotenbleche (9) und Schweißverbindungen fixiert sind, das Mastrohr (2) über eine wesentliche Länge in mehreren (mindestens drei) Richtungen schräg zur Bodenplatte (6) hin abgestützt und versteift. Dabei liegen die diagonal (schräg) verlaufenden Zugstäbe (14) gerade im unteren Bereich des Mastes in einem erheblichen Abstand zur neutralen Phase der Biegebelastung und üben somit eine erhebliche Versteifung auf die Konstruktion aus. Über die großflächige Bodenplatte (6) können die Kräfte und Kippmomente mit geringen Ankerkräften in das Fundament (1) eingeleitet werden. Diese Bauform hat gegenüber den mit Seilen abgespannten Masten oder Gittermasten folgende Vorteile: – einteiliges, leichtes System, – geringer Montageaufwand vor-Ort – Zug- und Druckbelastungen sind in den Stäben (Stützen) wirksam (doppelte Wirksamkeit) – das Mastrohr wird nur im unteren Bereich abgestützt, in dem die größte Biegesteifigkeit erforderlich ist – Zug-Druck-Stäbe behindern im Gegensatz zu oben abgespannten Seilen den Rotor nicht, da sie nur im unteren Bereich des Mastes angesetzt sind – es ist nur ein Fundament erforderlich – die Knotenanordnung stabilisiert/versteift gleichzeitig den Unterbau und/oder die Bodenplatte der WEA Somit entsteht eine außerordentlich leichte, steife und kostengünstige Mastkonstruktion im Verhältnis zur Baulänge (Bauhöhe).

Description

Windenergieanlagen (WEA) stellen in der Praxis schwingungsfähige Systeme dar, deren Haupt-Eigenfrequenz durch die Elastizität des Mastes und die Größe und Verteilung der Massen von Mast und Gondel einschließlich des Rotors bestimmt werden. Diese Systeme werden durch äußere Einflüsse, wie Böen und vor allem die unwuchtbehaftete Rotorumdrehung angeregt und in Schwingung versetzt. Diese Schwingungen können zur Ermüdung und zum Versagen von Bauteilen oder dem gesamten Mast führen, wenn die Mastkonstruktion nicht ausreichend stabil und steif dimensioniert ist. Entsprechend solide, schwere Bauformen haben sich gerade für Rohrmasten etabliert, um die Resonanz zu vermeiden.
Auch gemäß der europaweit gültigen Normung (DIN-EN 61400 Normenwerk) muss die Mastkonstruktion so stabil (höherfrequent) ausgelegt werden, dass der Drehzahlbereich des Rotors mit einem ausreichenden Sicherheitsabstand unterhalb der Eigenfrequenz (Resonanz) der Mastkonstruktion betrieben werden kann. Bei großen, modernen Großwindanlagen ist das Verhältnis aus Mastlänge (Maststeifigkeit), Masse und der niedrigen Rotordrehzahl so abgestimmt, dass diese Vorgabe regelmäßig erfüllt werden kann, wobei bei außergewöhnlich hohen Anlagen durchaus Resonanzprobleme auftreten können.
Vor allem bei Windenergieanlagen mit kleineren, schnellläufigeren Rotoren auf verhältnismäßig langen Masten ist die Resonanzfreiheit von selbsttragenden Einrohr-Mastkonstruktionen nur durch überproportional große Rohrdurchmesser und schwere und damit kostspielige Dimensionierungen zu erreichen. Deshalb werden bei kleinen, einfachen Anlagen oft mit Seilen abgespannte Rohrmasten verwendet, deren Masten nicht auf elastische, resonanzbehaftete Biegung belastet werden, allerdings deutliche Nachteile hinsichtlich Platzbedarf, Aufstellbarkeit, Ermüdung der Abspannseile, Verankerungsaufwand, Klappergeräuschen und optischer Beeinträchtigung aufweisen.
Mit der vorliegenden, vom Grundansatz einfachen Erfindung wird eine versteifte Bauform einer Windenergieanlage (WEA) vorgeschlagen, die aufgrund der erfindungsgemäßen Merkmale das Schwingungsverhalten erheblich verändert und eine deutlich höhere Grund-Eigenfrequenz der Mastkonstruktion gegenüber einer herkömmlichen Einrohr-Mastkonstruktion aufweist und somit höhere Masten und schnellläufigere Rotoren, bei geringerer Masse der Mastkonstruktion zulässt. Hierbei werden Vorteile von abgespannten Systemen und Zentralmastsystemen vereint:
Gemäß den erfindereigenen Patentanmeldungen DE 10 2009 009 327 A1 und EP 10 001 546.0-2321 (Windkraftanlage) wird bereits eine Versteifung, also Verschiebung der Eigenresonanz des Systems nach oben erreicht durch eine selbsttragende Mast-Unterbaukonstruktion, bestehend aus einem Einrohrmast und einem voluminös ausgebildeten, vorzugsweise als Schweißkonstruktion ausgeführten Unterbau mit einer flächig bauenden Bodenplatte und aufgesetzten, absteifenden Knotenblechen zum Mastrohr.
Die vorliegende Patentanmeldung ergänzt die Merkmale der eigenen Anmeldungen um weitere, erfinderische Ausbildungsvarianten, mit dem Ziel der weiteren Stabilisierung und Versteifung der WEA bei gleichzeitiger Erhöhung der Bauhöhe (Mastlänge). Gleichzeitig wird das neuartige, Konstruktionsprinzip zur Versteifung der Konstruktion auch auf Windenergieanlagen ohne selbsttragenden Unterbau, aber mit einer flächig bauenden, stabilen Bodenplatte angewendet.
Das angestrebte Ziel wird erfindungsgemäß erreicht durch eine Kombination von 3 oder mehr Zug-Druck-Stäben (14), die am Unterbau (8) oder an einer Bodenplatte (6) der WEA und am Mast (2), vorzugsweise über lang ausgebildete Knotenbleche (9) und Verbindungen fixiert sind, insbesondere verschweißt sind und das Mastrohr (2) über eine wesentliche Länge in mehreren (mindestens 3) Richtungen schräg zur Bodenplatte (6) hin abstützen und versteifen. Dabei liegen die diagonal (schräg) verlaufenden Zugstäbe (14) gerade im unteren Bereich des Mastes in einem erheblichen Abstand zur neutralen Phase der Biegebelastung und üben somit eine erhebliche Versteifung auf die Konstruktion aus. Über die großflächige Bodenplatte (6) können die Kräfte und Kippmomente mit geringen Ankerkräften in das Fundament (1) eingeleitet werden.
Diese Bauform hat gegenüber den mit Seilen abgespannte Masten folgende Vorteile:

– Einteiliges, leichtes System,
– Geringer Montageaufwand vor-Ort
– Zug- und Druckbelastungen sind in den Stäben (Stützen) wirksam (doppelte Wirksamkeit)
– Das Mastrohr wird nur im unteren Bereich abgestützt, in dem die größte Biegesteifigkeit erforderlich ist
– Zug-Druck-Stäbe behindern im Gegensatz zu oben abgespannten Seilen den Rotor nicht, da sie nur im unteren Bereich des Mastes angesetzt sind
– Es ist nur ein Fundament erforderlich
– Die Knotenanordnung stabilisiert/versteift gleichzeitig den Unterbau und/oder die Bodenplatte der WEA

Die Erfindung ergänzt die etwa zeitgleich beim DPMA eingereichte Erfindung zur elastischen Schwingungsoptimierung einer Windenergieanlage. Mit den nicht weiter erläuterten Merkmalen der Unteransprüche entsteht eine außerordentlich leichte, fertigungsfreundliche und günstige Mastkonstruktion im Verhältnis zur erreichbaren Länge der Konstruktion.
Besonders vorteilhaft ist es, die Bauform der Windenergieanlage mit einem Zentralantrieb der Rotor-Drehbewegung im Mast bis zum Unterbau der WEA zu kombinieren. Bei einer solchen Bauform gemäß der erfindereigenen Patentanmeldung DE 10 2009 009 327 A1 ist ein besonders niedriges Gondelgewicht erreichbar, da schwere Komponenten, wie der Generator im Unterbau montiert sind und somit das Verhältnis von Steifigkeit und Masse der Konstruktion weiter verbessert wird. Bei dieser Bauvariante ist es vorgesehen, dass ein ausreichend voluminös und steif bauender Unterbau gemäß der genannten Druckschrift vorgesehen ist, der unterseitig mit der Bodenplatte und oberseitig mit den versteifenden Knotenblechen zur Mastaufnahme verbunden ist. Auf eine zeichnerische Darstellung soll im Hinblick auf die genannte Druckschrift verzichtet werden. Die Merkmale dieser Anmeldung, insbesondere der elastisch gelagerten Bodenplatte, bleiben durch diese Bauform unverändert.
Im Gegensatz zu anderen, in der WEA-Technik angewandten Versteifungen, wie beispielsweise den „Tripoden” (Off-Shore-WEAs) wird bei der erfindungsgemäßen Ausbildung nicht das Mastrohr im unteren Bereich ersetzt, durch eine Mehrrohrkonstruktion oder einen Gittermast, sondern durch die besonders ausgebildeten Zug-Druck-Stäbe mit der speziellem Knotenanordnung effektiv gestützt, während es weiterhin tragend bis zum Bodenblech oder Unterbau durchläuft.
Bezugszeichenliste

1: Fundament
2: Mast (Mastrohr, Turm)
3: Gondel (nicht dargestellt)
4: Rotorlagerung (nicht dargestellt)
5: Windrotor (Rotor) (nicht dargestellt)
6: Bodenplatte (6 am Mast, 6a. Bodenplatte am Unterbau, alternativ)
7: Befestigungsanker
8: Unterbau
9: Knoten (Mastknotenbleche, Absteifungen, 9a. Knotenbleche zum. Mastrohr)
10: Generatorposition (Gondel)(nicht dargestellt)
11: Generatorposition (Unterbau)
12: Zentralantrieb
13: Kippvorrichtung (Scharnier)
14: Zug-Duck-Stab
15: Flansch-, Steck-, Dreh-, oder Montageverbindung
16: Mastverlängerung
17: Schweißverbindung (Rohrverbindung)

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

DE 102009009327 A1 [0004, 0009]
EP 10001546 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN-EN 61400 Normenwerk [0002]

Claims

Windenergieanlage (WEA), bestehend aus einem Fundament (1), einem Mast (2), einer Gondel (3) oder zumindest einer Rotorlagerung (4) und einem vertikal oder horizontal drehbar gelagerten Windrotor (Rotor) (5) und einer flächig bauenden, steifen, auf dem Fundament aufliegenden Bodenplatte (6) oder zusätzlich einem selbsttragenden, steifen Unterbau (8) mit einer flächig bauenden Bodenplatte (6a), dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Bodenplatte oder zwischen dem Blechkörper des selbsttragenden Unterbaus und dem Mastrohr der WEA eine Anzahl von 3 oder mehr, am Mastumfang verteilte, Zug-Druck-Stäbe (14) schräg zum Mast hin abgespannt und fixiert oder verschweißt sind.
WEA nach Anspruch 1 und weiteren Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Konstruktion aus Mastrohr (2), Bodenplatte (6) und ggf. selbsttragendem Unterbau (8) als stabile, weitgehend einteilige Schweißkonstruktion ausgeführt ist.
WEA nach Anspruch 1 und weiteren Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Zug-Druck-Stäbe (14) als Rundprofile, vieleckige Profile, Rundrohre, Vieleckrohre oder mittels Fundamentstahlprofilen ausgeführt sind und der vorhandenen Eulerschen Knickbelastung standhalten können.
WEA nach Anspruch 1 und weiteren Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Zug-Druck-Stäbe (14) nach unten mit Knotenblechen (9) mittels langer Schweißnähte verbunden sind, die ihrerseits weiträumig an der Bodenplatte (6) oder an dem selbsttragenden Unterbau (8) verschweißt sind und den Unterbau oder die Bodenplatte versteifen.
WEA nach Anspruch 1 und weiteren Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Zug-Druck-Stäbe nach oben über Knotenbleche (9a) mittels langer Schweißnähten verbunden sind, die weiträumig mit dem Mastrohr (2) verschweißt sind und dieses versteifen.
WEA nach Anspruch 1 und weiteren Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kräfte aus den Zug-Druck-Stäben (14) über einen längeren und immer breiter werdend geformten Bereich der Knotenbleche (9, 9a) kontinuierlich in diese eingeleitet werden.
WEA nach Anspruch 1 und weiteren Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die oberen Knotenbleche der Zug-Druck-Stäbe (9a) gleichzeitig einen verschweißten Stoß (17) zweier verschweißter Mastrohrabschnitte stabilisieren oder verstärken.
WEA nach Anspruch 1 und weiteren Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die unteren Knotenbleche (9) der Zug-Druck-Stäbe (14) im Bereich des Bodenblechs mit einer Scharniervorrichtung (13) eines vorgesehenen Kippsystems der WEA verschweißt sind und diese versteifen, wobei durch das Kippscharnier eine genaue Positionierung der Bodenplatte (6) auf dem Fundament, bzw. den Befestigungsankern (7) gewährleistet ist.
WEA nach Anspruch 1 und weiteren Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Konstruktion mit einer Flansch- oder Dreh- oder Steck- oder Montageverbindung (15) am oberen Mastende zur Montage der Gondel (3) oder einer optionalen Mastverlängerung (16) ausgeführt ist.
WEA nach Anspruch 1 und weiteren Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die selbsttragende Mastkonstruktion oder die Mastverlängerung (16) zumindest teilweise aus Stahlwerkstoffen oder Aluminiumwerkstoffen oder Kunststoffwerkstoffen hergestellt sind.
WEA nach Anspruch 1 und weiteren Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Zug-Druck-Stäbe (14) und die Knotenbleche das eigentliche Mastrohr (2) auf mindestens 20% und maximal 60% der Mastrohrlänge schräg abstützen.
WEA nach Anspruch 1 und weiteren Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die WEA einen Zentralantrieb (12) im Mast (2) mit einer Übertragung der Drehbewegung in einen vorgesehenen, Aggregate aufnehmenden, Unterbau (8) aufweist.