DE102012009850A1

DE102012009850A1 - Schwingungsoptimierte Windenergieanlage-Elastomerlagerung

Info

Publication number: DE102012009850A1
Application number: DE201210009850
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

Mit der Erfindung wird eine schwingungstechnisch optimierte Bauform einer Windenergieanlage (WEA) vorgeschlagen, die aufgrund verschiedener Merkmale eine deutlich höhere Grund-Eigenfrequenz der Mastkonstruktion aufweist und somit höhere Masten und schnellläufigere Rotoren, bei geringerer Masse der Mastkonstruktion zulässt und ggf. sogar einen Drehzahlbereich oberhalb der Haupt-Eigenfrequenz der Anlage ermöglicht. Erfindungsgemäß wird eine erhebliche Verschiebung der Eigenresonanz des Systems nach oben erreicht durch eine deutliche schwingungstechnische Entkoppelung des Mastes vom Fundament und der Hauptkomponenten Fundament-Mast-Gondel untereinander. Insbesondere wird gemäß Anspruch 1 der Kraftfluss der elastischen Biegespannungen am Mastfuß (Übergang zum Fundament) unterbrochen, indem eine deutliche, vorzugsweise großflächige Elastizität zwischen dem Mastfuß und dem Fundament vorgesehen wird, die einen erheblichen Schwingungshub aufnehmen kann, wohl aber die statischen Kräfte und Kippmomente in vollem Umfang in das Fundament einleiten kann. Dies geschieht erfindungsgemäß durch eine großflächig bauende Bodenplatte (6), die z. B. mit dem Mastrohr (2) durch versteifende Knoten (9) oder andere Konstruktionselemente verbunden ist und die ober- und unterseitig durch, z. B. plattenförmige, Elastomerelemente (15, 16) eingebettet ist, wobei die Befestigungsanker (7) unter Zuhilfenahme von Lastverteilungsplatten (23) und Distanzelementen (24) durch die Bodenplatte (6) hindurchtauchen. Zwischen den Befestigungsankern (7) und den Bohrungen der Bodenplatte (6), durch die sie verlaufen, können Elastomerfüllstücke (19) eingefügt sein, welche die Bodenplatte (6) zentrisch und berührungsfrei zu den Befestigungsankern (7) positionieren.

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, insbesondere, wenn die Rotordrehzahl die Eigenfrequenz des Systems erreicht. Entsprechend solide, schwere und großvolumige Bauformen haben sich gerade für Einrohrmasten etabliert, um diese Resonanz zu vermeiden.
Auch gemäß der europaweit gültigen Normung (DIN-EN 61400 Normenwerk) muss die Mastkonstruktion so stabil (höhenfrequent) ausgelegt werden, dass der Drehzahlbereich des Rotors mit einem ausreichenden Sicherheitsabstand unterhalb der Eigenfrequenz der Mastkonstruktion betrieben werden kann (Resonanz). Bei modernen Großwindanlagen ist das Verhältnis aus Mastlänge (Maststeifigkeit), Masse und der niedrigen Rotordrehzahl so abgestimmt, dass diese Vorgabe regelmäßig erfüllt werden kann.
Vor allem bei Windenergieanlagen mit kleineren, schnellläufigeren Rotoren auf verhältnismäßig langen Masten ist die Resonanzfreiheit von selbsttragenden Einrohr-Mastkonstruktionen nur durch überproportional große Durchmesser 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 und optischer Beeinträchtigung aufweisen.
Mit der vorliegenden, vom Grundansatz einfachen Erfindung wird eine schwingungstechnisch optimierte Bauform einer Windenergieanlage WEA vorgeschlagen, die aufgrund der erfindungsgemäßen Merkmale eine deutlich höhere Grund-Eigenfrequenz der Mastkonstruktion aufweist und somit höhere Masten und schnellläufigere Rotoren, bei geringerer Masse der Mastkonstruktion zulässt und ggf. sogar einen Drehzahlbereich oberhalb der Haupt-Eigenfrequenz der Anlage ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird eine erhebliche Verschiebung der Eigenresonanz des Systems nach oben erreicht durch eine deutliche schwingungstechnische Entkoppelung des Mastes vom Fundament und der Hauptkomponenten untereinander. Insbesondere wird gemäß Anspruch 1 der Kraftfluss der elastischen Biegespannungen am Mastfuß (Übergang zum Fundament) unterbrochen, indem eine deutliche, vorzugsweise großflächige Elastizität zwischen dem Mastfuß und dem Fundament vorgesehen wird, die einen erheblichen Schwingungshub aufnehmen kann, wohl aber die statischen Kräfte und Kippmomente in vollem Umfang in das Fundament einleiten kann. Dies geschieht erfindungsgemäß durch eine großflächig bauende Bodenplatte (6), die z. B. mit dem Mastrohr (2) durch versteifende Knoten (9) oder andere Konstruktionselemente verbunden ist und die ober- und unterseitig durch, z. B. plattenförmige, Elastomerelemente (15, 16) eingebettet ist, wobei die Befestigungsanker (7) unter Zuhilfenahme von Lastverteilungsplatten (23) und Distanzelementen (24) durch die Bodenplatte (6) hindurchtauchen.
Zwischen den Befestigungsankern (7) und den Bohrungen der Bodenplatte (6), durch die sie verlaufen, können Elastomerfüllstücke (19) eingefügt sein, welche die Bodenplatte (6) zentrisch und berührungsfrei zu den Befestigungsankern (7) positionieren.
Ein Zentrierkonus (14) oder eine Kippvorrichtung (13) kann zwischen der WEA, bzw. der Bodenplatte (6) und dem Fundament (1) angeordnet sein, die ein definiertes zentrisches Positionieren der Anlage beim Aufbau ermöglicht.
Das Schwingungsverhalten der Anlage wird außerdem optimiert durch eine deutlichschwingungselastische Lagerung der Gondel (3) auf oder im Mast (2) und/oder der stark massebehafteten Hauptkomponenten (z. B. der Generator) in deren Aufhängungen, um auch hier den Kraftfluss von Biegeschwingungen zu unterbrechen und die typische, und kritische, scharfbandige Eigenresonanz des idealisierten Einmasse-Schwingers aus Mast und Gondel zu unterbrechen und auf viele elastische, einzelne Schwingungssysteme zu verteilen, ohne dabei kritische Spannungen im Mastwerkstoff (vorzugsweise Stahl oder Aluminium) zu verursachen. Durch diese stark elastische Lagerung der Gondel (3) wird insbesondere die rotorbedingte Schwingungsanregung auf die Mastkonstruktion (2) deutlich minimiert.
In der erfindungsgemäßen und konstruktiv einfach gelösten Ausführung schwingt der Mast also lediglich in sich, mit entsprechend hohen Eigenresonanzen und nur wenig die Mast-Gondel-Konstruktion gegenüber dem Boden, bzw. Fundament, an dem sie verankert ist.
Vorzugsweise sind alle schwingungselastischen Elemente und Bauteile aus energieabsorbierenden, dämpfenden Werkstoffen hergestellt. In der erfindungsgemäßen Ausführung wird die Grundresonanz gegenüber einem herkömmlich eingespannten Mast erhöht und außerdem ein Betrieb bis über die Grundresonanz hinaus ermöglicht, da die Resonanz deutlich weniger stark ausgeprägt ist. Damit wird das Verhältnis vom Materialaufwand zur Leistungsfähigkeit und Höhe der Anlage deutlich verbessert, dies insbesondere bei kleineren, im Verhältnis zur Leistung überproportional hohen (langen) Windenergieanlagen.
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.
Bei dieser Patentanmeldung wird darauf hingewiesen, dass elastische Verbindungen an Windenergieanlagen-Komponenten durchaus bekannt sind. Diese dienen jedoch in der zur Verfügung gestellten Flexibilität vorwiegend dem Ausgleich fertigungsbedingter Toleranzen und der Minimierung lokaler Schwingungen von Komponenten und Aggregaten, nicht jedoch einer weitreichenden, schwingungstechnischen Entkoppelung der Hauptkomponenten Fundament-Mast-Gondel.
Bezugszeichenliste

1: Fundament
2: Mast (Mastrohr, Turm)
3: Gondel
4: Rotorlagerung
5: Windrotor (Rotor)
6: Bodenplatte
7: Befestigungsanker
8: Unterbau (nicht dargestellt)
9: Knoten (Mastknotenbleche, Absteifungen)
10: Generatorposition (Gondel)
11: Generatorposition (Unterbau) (nicht dargestellt)
12: Zentralantrieb (nicht dargestellt)
13: Kippvorrichtung (Scharnier)
14: Zentrierkonus
15: elastisches Element (Auflager Bodenplatte unten)
16: elastisches Element (Auflager Bodenplatte oben)
17: Lastverteilungsplatte
18: Distanzelement
19: Elastomerfüllstück
20: elastische Gondellagerung (flächig bauend)
21: elastische Gondellagerung (Einzelelement)
22: elastische Aufhängung Generator (Aggregate) (nicht dargestellt)
23: elastische Mastlagerung (umfassend, seitlich) (nicht dargestellt)
24: flexible, teleskopierbare oder kardanische Antriebselemente (nicht dargestellt)

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 [0011]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN-EN 61400 [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), dadurch gekennzeichnet, dass eine deutlich schwingungselastische Verbindung zwischen der Mastkonstruktion und dem Fundament (1) vorgesehen ist.
WEA nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die deutlich schwingungselastische Verbindung zwischen der Mastkonstruktion und dem Fundament (1) realisiert ist durch eine großflächig bauende, Bodenplatte (6) der Windenergieanlage, die mit dem Mast (2) verbunden und gegenüber diesem versteift angebracht ist und die unter Zwischenlage eines oder mehrerer elastischer Elemente oder -Auflager (15) flächig auf dem Fundament (1) aufliegt.
WEA nach Anspruch 1 und weiteren Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass sich auch oberhalb der Bodenplatte (6) elastische Elemente oder -Auflager (16) befinden, die zusammen mit dem elastischen Element (15) unterhalb der Bodenplatte eine beidseitige elastische Einspannung der Bodenplatte bilden.
WEA nach Anspruch 1 und weiteren Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsanker (7) der WEA am Fundament durch die Bodenplatte (6) und die Elastomerelemente (15, 16) hindurchtauchen und mit Lastverteilungsplatten (17) und/oder Distanzelementen (18) versehen sind.
WEA nach Anspruch 1 und weiteren Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die elastischen Elemente oder Auflager (15, 16, 20) aus Elastomer-Plattenware geschnitten, bzw. hergestellt sind, wobei Ausschnitte und Bohrungen für die Befestigungsanker (7) und zur Erhöhung der Flexibilität vorgesehen sind.
WEA nach Anspruch 1 und weiteren Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Befestigungsankern (7) und den Bohrungen der Bodenplatte (6), durch die sie verlaufen, Elastomerfüllstücke (19) eingefügt ist, welches die Bodenplatte zentrisch und berührungsfrei zu den Befestigungsankern (7) positioniert.
WEA nach Anspruch 1 und weiteren Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenplatte (6) durch großzügige Blechknoten oder Absteifungen (9) zum Mastrohr hin versteift ist, wobei die oberhalb der Bodenplatte (6) liegenden, elastischen Elemente (16) auch zwischen den Knoten (9) angeordnet sein können.
WEA nach Anspruch 1 und weiteren Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Gondel (3) deutlich elastisch gelagert ist gegenüber dem Mastrohr (2), mittels flächig bauender, elastischer Elemente (20) oder elastischer Einzellagerungen (21), die außerhalb oder innerhalb der Mastkonstruktion angeordnet sein können, wobei innerhalb des Mastes ein deutlicher Abstand der elastischen Element oder Einzellagerungen realisiert sein kann.
WEA nach Anspruch 1 und weiteren Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass schwere Komponenten der WEA, insbesondere der Generator durch stark elastische Lagerungen (22) gelagert oder aufgehängt sind, wobei zur Übertragung der Drehbewegung flexible oder teleskopierbare oder kardanische Antriebselemente (24) vorgesehen sind.
WEA nach Anspruch 1 und weiteren Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass alternativ zu den elastischen Werkstoffen zumindest die wesentlichen elastischen Elemente (15, 16) und -Auflager durch hydraulisch wirksame Elemente, -Platten oder -Zylinder und/oder -Dämpfer realisiert sind, die im Bereich des Mastfußes oder der Bodenplatte (6) angeordnet sind.
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 Unterbau (8) der Anlage aufweist.
WEA nach Anspruch 1 und weiteren Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass alternativ zu der elastisch eingespannten Bodenplatte (6) eine oder mehrere, den Mast im unteren Bereich seitlich umspannende elastische Elemente (23) vorgesehen sind, die diesen elastisch abstützen und gegenüber dem Fundament fixieren.