DE102013011479A1 - Flange connection structure for connection of tubular components of steel tower, has flange collar provided on end faces of connected components and formed with bores which are penetrated over surface in contact plane of components - Google Patents

Flange connection structure for connection of tubular components of steel tower, has flange collar provided on end faces of connected components and formed with bores which are penetrated over surface in contact plane of components Download PDF

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Michael Bull
Stefan Bockholt
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    • Y02E10/728—Onshore wind turbines

Abstract

The flange connection structure (13) has flange collar which is provided on end faces of connected tubular components (3, 6, 7) of steel tower (2) of wind energy plant (1). The bores are formed in flange collar and penetrated over surface in contact plane of connected components. The flange collar is formed with trapezoidal cross section. An independent claim is included for a method for connecting tubular components of steel tower.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Flanschverbindung für Bauelemente eines Turmes, insbesondere für einen Stahlrohrturm einer Windenergieanlage, sowie ein Verfahren zum Verbinden von Bauelementen eines Turmes, insbesondere für einen Stahlrohrturm einer Windenergieanlage.The present invention relates to a flange connection for components of a tower, in particular for a steel tube tower of a wind turbine, and to a method for connecting components of a tower, in particular for a steel tube tower of a wind turbine.

Durch die Steigerung der Nabenhöhe von Windenergieanlagen können höhere Erträge erreicht werden, da die Windgeschwindigkeit im Allgemeinen mit dem Abstand von der Geländeoberkante zunimmt. Windenergieanlagen werden üblicherweise mit Stahl-, Beton-, Holz- oder Hybridtürmen in Rohr- oder Gitterbauweise realisiert.Higher yields can be achieved by increasing the hub height of wind turbines since wind speed generally increases with the distance from the top of the terrain. Wind turbines are usually realized with steel, concrete, wooden or hybrid towers in tubular or lattice construction.

Bei der Errichtung von Windenergieanlagen werden Stahlrohrtürme aufgrund der geringen Masse und des schnellen Aufbaus oft bevorzugt. Da der Straßen- und/oder Bahntransport eines Turmes mit einer Höhe von oft mehr als 100 m aufgrund der Größenbeschränkungen auf den Transportwegen nicht als Einzelteil möglich ist, werden zunächst Segmente mit einer Höhe von meist 10–30 m gefertigt und auf der Baustelle bei der Errichtung des Turms miteinander verbunden.In the construction of wind turbines, tubular steel towers are often preferred because of their low mass and fast construction. Since the road and / or rail transport of a tower with a height of often more than 100 m due to the size restrictions on the transport routes is not possible as a single part, first segments are usually made with a height of 10-30 m and on the construction site at the Construction of the tower connected with each other.

Bei der Fertigung solcher Stahlrohrturmsegmente kommen im Stand der Technik gewalzte Stähle zum Einsatz. Die Verbindung einzelner Komponenten der Segmente eines solchen, meist rotationssymmetrischen Stahlrohrturms erfolgt mit dem Unterpulverschweißverfahren unter Berücksichtigung der Normen DIN 18800 bzw. DIN EN 1993 .In the manufacture of such tubular steel tower segments, rolled steel is used in the prior art. The connection of individual components of the segments of such a, usually rotationally symmetrical tubular steel tower takes place with the Unterpulververschweißverfahren taking into account the standards DIN 18800 respectively. DIN EN 1993 ,

Die Verbindung der Turmsegmente erfolgt bei der Errichtung des Turmes durch entsprechende Flanschverbindungen, wobei die Turmsegmente bei der Montage an ihren Enden mit T- oder L-Flanschen versehen sind und bei der Errichtung des Turmes mit Schrauben, Bolzen oder anderen Befestigungsmitteln verbunden werden.The connection of the tower segments takes place in the construction of the tower by corresponding flange, wherein the tower segments are provided at the mounting at their ends with T or L flanges and are connected in the construction of the tower with screws, bolts or other fasteners.

Beispielsweise ist in der EP 2 192 245 B1 eine Windenergieanlage mit einem Turm bestehend aus mindestens einer Turmsektion und einem weiterem Element beschrieben, bei der eine solche Turmsektion mit dem mindestens einen weiteren Element durch eine Flanschverbindung verbunden wird. Die Verbindung erfolgt dabei durch Bolzen und Muttern, die an mindestens einer vom Flansch abgewandten Seite mehrere Vertiefungen zum Aufnehmen von Vorsprüngen von Anzugsvorrichtungen aufweisen.For example, in the EP 2 192 245 B1 a wind turbine with a tower consisting of at least one tower section and a further element described in which such a tower section is connected to the at least one further element by a flange connection. The connection is made by bolts and nuts, which have at least one side facing away from the flange a plurality of recesses for receiving projections of tightening devices.

In der EP 1 379 744 B1 wird ein ringförmiger L-Verbindungsflansch für Turmsegmente einer Windenergieanlage mit einer konischen Form vorgestellt. Die zu verbindenden rohrförmigen Abschnitte des Turmes weisen dabei eine konische Form auf, während der Flanschkragen eine Ebene bildet. Der Flanschkragen weist dabei Bohrungen zur Aufnahme von Verbindungsschrauben auf.In the EP 1 379 744 B1 An annular L-connection flange for tower segments of a wind turbine with a conical shape is presented. The tubular sections of the tower to be connected in this case have a conical shape, while the flange collar forms a plane. The flange collar has holes for receiving connecting screws.

Unter Zugbelastung neigt eine L-Flanschverbindung zur Ausbildung eines Spaltes, hervorgerufen durch das elastische Verhalten des Materials des Flanschkörpers. Verstärkt wird der Effekt zusätzlich, wenn die auftretende Belastung die Vorspannkraft übersteigt. Dies wird dadurch begründet, dass aufgrund der Kraftumleitung aus der Turmwandstruktur in die Schraubverbindung und zurück in die Turmwandstruktur eine Momentenbelastung entsteht, da der Abstand der Schraubverbindung zur Turmachse nicht dem mittleren Turmradius entspricht.Under tensile load, an L-flange connection tends to form a gap caused by the elastic behavior of the material of the flange body. The effect is additionally reinforced if the load occurring exceeds the preloading force. This is due to the fact that due to the force redirecting from the tower wall structure in the screw and back into the tower wall structure creates a moment load, since the distance of the screw to the tower axis does not correspond to the average radius of the tower.

In der EP 2 383 476 A1 wird eine konkav-konvexe Form für die Verbindungselemente und den Mutternsatz eines Flansches vorgestellt, um das Klaffen zu minimieren.In the EP 2 383 476 A1 a concave-convex shape is presented for the fasteners and nut set of a flange to minimize gapping.

Die WO 2009 132 659 A2 beschreibt einen Turmabschnitt für den Turm einer Windenergieanlage, wobei der Turmabschnitt mit einem anderen Turmabschnitt oder dem Fundament des Turmes durch einen Flansch verbunden wird. Der Flansch weist dabei mehrere Gruppen von Bohrungen auf, wobei die Gruppen unterschiedliche Winkel zur Turmachse aufweisen. Die Bohrungen werden dabei ringförmig über den über die Turmwand hinausragenden Teil des Flansches verteilt.The WO 2009 132 659 A2 describes a tower section for the tower of a wind turbine, wherein the tower section is connected to another tower section or the foundation of the tower by a flange. The flange has several groups of holes, wherein the groups have different angles to the tower axis. The bores are distributed in a ring over the projecting beyond the tower wall part of the flange.

Insbesondere bei Turmhöhen von 100 m und mehr werden Flanschverbindungen aufgrund der erforderlichen Anzahl und Größe der einzelnen Schraubverbindungen oft zusätzlich auf der Außenseite des Turmes realisiert. Daher wird insbesondere für den unteren, besonders hoch belasteten Teil eines Turmes auf T-Flansche übergegangen, bei dem die Verschraubung sowohl im Innen- als auch im Außenbereich des Turmes erfolgt. Damit kann die Auflagefläche erhöht werden, wodurch sich eine Reduktion der Momentenbelastung auf die Verbindungselemente ergibt.Especially with tower heights of 100 m and more flange connections are often realized due to the required number and size of the individual screw on the outside of the tower. Therefore, in particular for the lower, particularly heavily loaded part of a tower on T-flanges passed, in which the screwing takes place both in the interior and in the outer area of the tower. Thus, the bearing surface can be increased, resulting in a reduction of the moment load on the connecting elements.

Die EP 2 192 238 B1 beschreibt ein Fundament für einen Windenergieanlagenmast mit einem Steinflansch mit zwei Sätzen von Ankerlöchern, wobei die Winkel der beiden Sätze zur Längsrichtung der Windenergieanlage nicht gleich sind.The EP 2 192 238 B1 describes a foundation for a wind turbine mast with a stone flange with two sets of anchor holes, wherein the angles of the two sets are not equal to the longitudinal direction of the wind turbine.

Da der Kraftfluss jedoch auch bei der Verwendung von T-Flanschen über die Verbindungselemente umgeleitet wird, kann auch hier die Ausbildung eines Spaltes nicht zwingend vermieden werden.However, since the power flow is redirected even when using T-flanges on the connecting elements, the formation of a gap can not necessarily be avoided here.

Ein weiterer Nachteil einer T-Flanschverbindung ist das Hinausragen der Flansche über den Außendurchmesser. Dadurch wird der mögliche Außendurchmesser des Turmes reduziert, da der Außendurchmesser der Flansche maßgeblich für den Transport des gesamten Bauteils zum Ort der Errichtung des Turmes ist. Weitere Nachteile ergeben sich durch die erschwerte Montierbarkeit und Wartbarkeit im Außenbereich des Turmes sowie aus ästhetischen Gründen.Another disadvantage of a T-flange connection is the protrusion of the flanges over the outer diameter. This will be the possible Outer diameter of the tower reduced, since the outer diameter of the flanges is crucial for the transport of the entire component to the place of construction of the tower. Further disadvantages result from the difficulty of assembling and maintaining the exterior of the tower and for aesthetic reasons.

Die JP 07 026 627 A beschreibt eine Verbindung von Stahlrohrleitungen, wobei ein Flansch mit einer Bohrung, die einen Winkel von 45° gegenüber der Achse der Rohre aufweist, genutzt wird, um Rohre unterschiedlichen Durchmessers miteinander zu verbinden, wobei beide Flanschteile einen gleichen Außendurchmesser aufweisen.The JP 07 026 627 A describes a connection of steel tubing, wherein a flange having a bore which is at 45 ° to the axis of the tubes is used to connect tubes of different diameters, both flanges having an equal outer diameter.

Durch eine solche Anordnung wird ein sonst über den Außendurchmesser des größeren Rohres hinausragender Abschnitt vermieden. Eine Kraftumleitung ist beim Rohrübergang von einem Durchmesser zu einem anderen Durchmesser mit einer Flanschverbindung nicht vermeidbar. Für die Verbindung von Rohrabschnitten mit gleichen Durchmessern an ihren gegenüberliegenden Stirnflächen sind dagegen Verbindungselemente bekannt, die durch die Turmwand geführt werden. Die Kraftübertragung zwischen den einzelnen Bauteilen erfolgt dann zu einem großen Teil über Reibkräfte.Such an arrangement avoids an otherwise projecting beyond the outer diameter of the larger pipe section. A force diversion is unavoidable at the pipe transition from one diameter to another diameter with a flange connection. For the connection of pipe sections with the same diameters at their opposite end faces, however, connecting elements are known, which are guided through the tower wall. The power transmission between the individual components then takes place to a large extent via frictional forces.

Die EP 2 006 471 B1 beschreibt einen Turm einer Windenergieanlage mit einem polygonalen Querschnitt, bei dem jedes Turmsegment aus einzelnen Platten besteht, die durch Verbindungsplatten miteinander verbunden werden. Die Verbindung der Verbindungsplatten mit den Platten des Turmsegmentes erfolgt dabei durch Flansche, Gewindebolzen, Muttern, Gewindebolzenverlängerungen beziehungsweise Unterlegscheiben.The EP 2 006 471 B1 describes a tower of a wind turbine with a polygonal cross section, in which each tower segment consists of individual plates, which are interconnected by connecting plates. The connection of the connecting plates with the plates of the tower segment is effected by flanges, threaded bolts, nuts, threaded bolt extensions or washers.

In der EP 2 375 057 A1 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem der Turm einer Windkraftanlage oder ein Segment eines solchen Turmes ohne Flansch mit einem Fundament verbunden wird. Dabei wird ein Übergangsstück eingesetzt, durch welches die Bauteile mit Bolzen verbunden oder verschweißt werden.In the EP 2 375 057 A1 a method is described in which the tower of a wind turbine or a segment of such a tower is connected without flange with a foundation. In this case, a transition piece is used, by which the components are connected or welded with bolts.

Weitere Anwendungen von Flanschverbindungen sind im Behälter- und Rohrleitungsbau zu finden. Verschiedene Varianten von Flanschverbindungen hierfür, beispielsweise mit Rohrschellen und O-Ringen, werden häufig so ausgelegt, dass eine Dichtheit der Verbindung nachgewiesen werden kann, um dem Verlust von Gasen, Flüssigkeiten oder Feststoffen, die durch ein Rohr transportiert werden sollen, vorzubeugen. Eine solche Dichtheit muss für Türme, insbesondere einen Turm einer Windenergieanlage, jedoch nicht gewährleistet werden, da ein Austausch der Luft zwischen dem Turminneren und der Umgebung sogar erforderlich ist, um im Inneren des Turmes entstehende Wärmemengen abzuführen. Aus diesem Grund wird für Windenergieanlagen im Stand der Technik häufig sogar eine Turmbelüftung verwendet. Für die Verbindung von Bauteilen eines Turmes sind daher der Verlauf Kraftflusses sowie die Nachweisbarkeit der Festigkeit hinsichtlich statischer und dynamischer Belastung entscheidende Kriterien.Further applications of flange connections can be found in tank and pipeline construction. Various variants of flanged joints therefor, for example, with pipe clamps and O-rings, are often designed so that tightness of the joint can be demonstrated to prevent the loss of gases, liquids or solids to be transported through a pipe. However, such tightness does not have to be guaranteed for towers, in particular a tower of a wind energy plant, since replacement of the air between the tower interior and the surroundings is even required in order to dissipate heat generated inside the tower. For this reason, wind turner systems in the state of the art often even use tower ventilation. For the connection of components of a tower, therefore, the course of power flow and the detectability of the strength with respect to static and dynamic load are crucial criteria.

Für hohe Türme, insbesondere für Turmsegmente von Windenergieanlagen, werden meist L-Flansche mit einer Verschraubung im Inneren des Turmes genutzt, da diese eine bessere Zugänglichkeit bieten, als Flansche, die im Außenbereich verschraubt werden. Die Nutzung einer solchen L-Flanschverbindung ist durch die auftretenden statischen und dynamischen Belastungen begrenzt, insbesondere im unteren Teil eines solchen Turmes.For high towers, in particular for tower segments of wind turbines, L-flanges are usually used with a screw in the interior of the tower, as they offer better accessibility, as flanges that are bolted outdoors. The use of such an L-flange connection is limited by the occurring static and dynamic loads, especially in the lower part of such a tower.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Flanschverbindung für Bauelemente eines Turmes sowie ein Verfahren zum Verbinden von Bauelementen zu schaffen, womit sich Turmsegmente vor Ort kostengünstig zusammenfügen sowie über die Auslegungslebensdauer der Anlage warten lassen, wobei die Nachteile von Flanschverbindungen im Stand der Technik hinsichtlich der Nachweisbarkeit, der Kosten, der Belastbarkeit und ästhetischer Gesichtspunkte reduziert werden.The object of the invention is to provide a flange connection for components of a tower and a method for connecting components, which tower segments can be inexpensively assembled on site and maintain the design life of the system, the disadvantages of flange connections in the prior art in terms of Detection, cost, resilience and aesthetic considerations are reduced.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Flanschverbindung (13) von mindestens einem rohrförmigen Bauelement (6) eines Turmes (2) aus Stahl, insbesondere für eine Windenergieanlage (1), mit mindestens einem weiteren rohrförmigen Bauelement (7) des Turmes (2) aus Stahl und/oder einem Fundamentbauelement (3) gelöst, wobei die Flanschverbindung (13) an den Stirnseiten der zu verbindenden Bauelemente (3, 6, 7) jeweils einen Flanschkragen (16) mit Bohrungen (14), die den Flanschkragen (16) und die Schalenmittelfläche (21) durchdringen und dadurch eine Öffnung in der Kontaktebene (18) der zu verbindenden Bauelemente (3, 6, 7) bilden, aufweist. Dabei ist der Flanschkragen (16) als Ring ausgebildet und weist einen Abschnitt mit trapezförmigem Querschnitt (17) auf.The object of the invention is achieved by a flange connection ( 13 ) of at least one tubular component ( 6 ) of a tower ( 2 ) of steel, in particular for a wind energy plant ( 1 ), with at least one further tubular component ( 7 ) of the tower ( 2 ) of steel and / or a foundation component ( 3 ), wherein the flange connection ( 13 ) at the end faces of the components to be connected ( 3 . 6 . 7 ) each have a flange collar ( 16 ) with holes ( 14 ), the flange collar ( 16 ) and the shell middle surface ( 21 ) and thereby an opening in the contact plane ( 18 ) of the components to be connected ( 3 . 6 . 7 ) form. The flange collar ( 16 ) is formed as a ring and has a section with a trapezoidal cross-section ( 17 ) on.

In einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung weist die Achse der Bohrung (14) einen Winkel von mehr als 15° zur Kontaktebene (18) der Turmsegmente (6, 7) aber weniger als 75° zur Kontaktebene (18) der Turmsegmente (6, 7) auf.In an advantageous embodiment of the invention, the axis of the bore ( 14 ) an angle of more than 15 ° to the contact plane ( 18 ) of the tower segments ( 6 . 7 ) but less than 75 ° to the contact plane ( 18 ) of the tower segments ( 6 . 7 ) on.

In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist die Bohrung (14) durchgängig oder als Sackloch ausgeführt.In a further advantageous embodiment of the invention, the bore ( 14 ) continuously or as a blind hole.

In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung weist die Bohrung (14) ein Innengewinde (20) und/oder ein montiertes Element mit Gewindeeinsatz oder eine Einpressbuchse mit Innengewinde auf.In a further advantageous embodiment of the invention, the bore ( 14 ) an internal thread ( 20 ) and / or a mounted element with Threaded insert or a female socket with female thread on.

Durch die Verwendung von Verbindungselementen in diesen Bohrungen (14), beispielsweise von Schrauben, Nieten und/oder Bolzen, sowie der Verwendung von Befestigungselementen, beispielsweise in Form von Muttern mit oder ohne Scheiben, oder durch Nutzung eines Innengewindes (20), eines Gewindeeinsatzes und/oder einer Einpressbuchse wird eine kraftschlüssige Verbindung erreicht. Durch die Einbringung und Befestigung von Verbindungselementen durch die Schalenmittelfläche der Bauelemente wird eine Kraftumleitung vermieden, die bei Verbindungen mit L-Flanschen und T-Flanschen im Stand der Technik unvermeidbar ist. Damit können die Festigkeitseigenschaften hinsichtlich statischer und dynamischer Belastungen verbessert werden.By using fasteners in these holes ( 14 ), for example, screws, rivets and / or bolts, and the use of fasteners, for example in the form of nuts with or without discs, or by using an internal thread ( 20 ), a threaded insert and / or a Einpressbuchse a positive connection is achieved. By the introduction and attachment of fasteners through the shell center surface of the components, a force bypass is avoided, which is unavoidable in connections with L-flanges and T-flanges in the prior art. Thus, the strength properties with respect to static and dynamic loads can be improved.

Mit einer solchen Flanschverbindung wird eine Reduzierung der Masse des Flanschteils von Turmsegmenten einer Windenergieanlage um mehr als 50% gegenüber L-Flanschen oder um mehr als 20% gegenüber T-Flanschen im Stand der Technik möglich. Aus einer solchen Materialreduktion folgt auch eine deutliche Reduktion der Turmkosten.With such a flange connection, it is possible to reduce the mass of the flange part of tower segments of a wind energy plant by more than 50% compared to L flanges or by more than 20% compared with T flanges in the prior art. From such a material reduction also follows a significant reduction in tower costs.

Außerdem können mit einer solchen Flanschverbindung gegenüber einer L-Flansch- oder einer T-Flanschverbindung im Stand der Technik Vorteile hinsichtlich der Montierbarkeit erreicht werden, da mehr Platz für ein Montagewerkzeug zur Verfügung steht. Der zur Verfügung stehende zusätzliche Platz ist auch für eine Erhöhung der Schraubenanzahl nutzbar.In addition, with such a flange connection over an L-flange or a T-flange connection in the prior art advantages in terms of mountability can be achieved because more space is available for a mounting tool. The available additional space can also be used to increase the number of screws.

Zusätzlich kann der Außendurchmesser des Turmes mit einer erfindungsgemäßen Flanschverbindung gegenüber einer T-Flanschverbindung vergrößert werden, ohne dass die Transportmaße überschritten werden, die einen liegenden Straßen- oder Bahntransport einschränken würden.In addition, the outer diameter of the tower with a flange connection according to the invention compared to a T-flange connection can be increased without the transport dimensions are exceeded, which would limit a lying road or rail transport.

Weiterhin ist ein Verfahren zum Verbinden mindestens eines Bauelementes (6) eines Turmes (2), insbesondere eines Stahlrohrturmes (2) einer Windenergieanlage (1), mit mindestens einem weiteren Bauelement (7) des Turmes (2) und/oder mit einem Fundamentbauelement aus Stahl (3) Gegenstand der Erfindung. Dabei ist eine Flanschverbindung mit mindestens einer Bohrung (14) zur Durchführung von Verbindungselementen versehen, die den Flanschkragen (16) und die Schalenmittelfläche (21) durchdringt, so dass die Kontaktebene (18) der Bauelemente (6, 7) eine Öffnung aufweist. Dabei werden nach einer Ausrichtung und Fixierung der Bauelemente (6, 7) Verbindungselemente in die Bohrungen eingesetzt und mit Befestigungselementen verbunden. Die Verbindung erfolgt dabei so, dass ohne äußere Belastung eine Zugkraft auf das Verbindungselement wirkt, die einer geforderten Vorspannkraft entspricht.Furthermore, a method for connecting at least one component ( 6 ) of a tower ( 2 ), in particular a steel tube tower ( 2 ) of a wind turbine ( 1 ), with at least one further component ( 7 ) of the tower ( 2 ) and / or with a foundation element made of steel ( 3 ) Subject of the invention. In this case, a flange connection with at least one bore ( 14 ) provided for the implementation of fasteners that the flange collar ( 16 ) and the shell middle surface ( 21 ) so that the contact plane ( 18 ) of the components ( 6 . 7 ) has an opening. After an alignment and fixation of the components ( 6 . 7 ) Fasteners inserted into the holes and connected with fasteners. The connection is made so that a tensile force acts on the connecting element without external load, which corresponds to a required biasing force.

In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Verbindungselement mit einem Befestigungselement vorgespannt, wobei das Verbindungselement durch eine Schraube oder einen Bolzen und das Befestigungselement durch eine Mutter, ein Innengewinde (20), einen Gewindeeinsatz und/oder eine Einpressbuchse gebildet wird und das Verbindungselement oder das Befestigungselement bei der Montage gegen ein Verdrehen gesichert wird.In a further advantageous embodiment of the method according to the invention, the connecting element is biased by a fastening element, wherein the connecting element by a screw or a bolt and the fastening element by a nut, an internal thread ( 20 ), a threaded insert and / or a Einpressbuchse is formed and the connecting element or the fastening element is secured during assembly against rotation.

In einer vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Auflageflächen für die Verbindungselemente und Befestigungselemente vor der Befestigung dieser Elemente durch ein Material abtragendes Verfahren bearbeitet.In an advantageous embodiment of the method according to the invention, the bearing surfaces for the connecting elements and fastening elements are processed by a material-removing method prior to the attachment of these elements.

Die Erfindung wird nun an einem Ausführungsbeispiel anhand der 1 bis 3 näher erläutert, wobeiThe invention will now be described in an embodiment with reference to the 1 to 3 explained in more detail, wherein

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
eine Windenergieanlage,a wind turbine,
22
einen Turm,A tower,
33
ein Fundament,a foundation,
44
ein Maschinenhaus,a machine house,
55
einen an ein Maschinenhaus angeschlossenen Rotor,a rotor connected to a nacelle,
66
ein Bauelement in Form eines ersten Turmsegmentes,a component in the form of a first tower segment,
77
ein Bauelement in Form eines zweiten Turmsegmentes,a component in the form of a second tower segment,
8, 98, 9
zwei Bauelemente in Form weiterer Turmsegmente,two components in the form of further tower segments,
1010
die Mittelachse eines Turmes,the central axis of a tower,
1111
eine L-Flanschverbindung im Stand der Technik,an L-flange connection in the prior art,
1212
eine T-Flanschverbindung im Stand der Technik,a T-flange connection in the prior art,
1313
eine erfindungsgemäße Flanschverbindung,a flange connection according to the invention,
1414
eine Bohrung,a hole,
1515
eine Turmwand,a tower wall,
1616
einen als Ring ausgebildeten Flanschkragen,a flange collar formed as a ring,
1717
ein Abschnitt des Flanschkragens mit trapezförmigem Querschnitt,a section of the flange collar with a trapezoidal cross-section,
1818
die Kontaktebene der Bauelemente,the contact level of the components,
1919
den Winkel zwischen der Achse der Bohrung und der Kontaktebene der Bauelemente,the angle between the axis of the hole and the contact plane of the components,
2020
ein Innengewinde undan internal thread and
2121
eine Schalenmittelflächea shell middle surface

  • darstellen.represent.

Dabei zeigt die 1 als Schnittzeichnung nicht maßstabsgetreu eine Windenergieanlage (1) mit einem Turm (2), bestehend aus vier Turmsegmenten (6, 7, 8, 9), einem Maschinenhaus (4) und einem daran befestigten Rotor (5) auf einem Fundament (3). Weiterhin zeigt die Zeichnung die im Stand der Technik verwendeten Flanschverbindungsarten: eine L-Flanschverbindung (11), insbesondere für die oberen Turmsegmente (7, 8, 9), und eine T-Flanschverbindung (12), insbesondere für die Verbindung der unteren Turmsegmente (6) mit dem Fundament (3), im Vergleich mit einer erfindungsgemäßen Flanschverbindung (13). It shows the 1 as a sectional drawing not true to scale a wind turbine ( 1 ) with a tower ( 2 ), consisting of four tower segments ( 6 . 7 . 8th . 9 ), a machine house ( 4 ) and a rotor attached thereto ( 5 ) on a foundation ( 3 ). Furthermore, the drawing shows the flange connection types used in the prior art: an L-flange connection ( 11 ), in particular for the upper tower segments ( 7 . 8th . 9 ), and a T-flange connection ( 12 ), in particular for the connection of the lower tower segments ( 6 ) with the foundation ( 3 ), in comparison with a flange connection according to the invention ( 13 ).

Weiterhin zeigt die 2 als Schnittzeichnung nicht maßstabsgetreu den oberen Teil für eine erfindungsgemäße Flanschverbindung (13).Furthermore, the shows 2 not to scale the upper part of a flange connection according to the invention ( 13 ).

Weiterhin zeigt die 3 als Schnittzeichnung nicht maßstabsgetreu eine erfindungsgemäße Flanschverbindung (13) ohne Verbindungselemente, jedoch mit einer Bohrung (14), die ein Innengewinde (20) aufweist, so dass in diese eine Schraube von oben eingeführt und befestigt werden kann.Furthermore, the shows 3 as a sectional drawing not to scale a flange connection according to the invention ( 13 ) without fasteners, but with a hole ( 14 ), which have an internal thread ( 20 ), so that in this a screw can be inserted and fixed from above.

Der Flansch (13) wird dabei hergestellt, indem bei der Produktion der Turmsegmente (6, 7) mindestens ein Flanschkragen (16) mit größerem Außendurchmesser und kleinerem Innendurchmesser angebracht wird. Dabei wird ein Flanschkragen (16) vorgesehen, bei dem sich zwischen maximalem Außendurchmesser und dem Außendurchmesser des Turmsegmentes (6, 7) und zwischen minimalem Innendurchmesser und dem Innendurchmesser des Turmsegmentes (6, 7) jeweils ein Abschnitt mit trapezförmigem Querschnitt (17) ergibt.The flange ( 13 ) is produced thereby, by in the production of the tower segments ( 6 . 7 ) at least one flange collar ( 16 ) is mounted with larger outer diameter and smaller inner diameter. A flange collar ( 16 ) is provided, in which between the maximum outer diameter and the outer diameter of the tower segment ( 6 . 7 ) and between minimum inner diameter and the inner diameter of the tower segment ( 6 . 7 ) in each case a section with a trapezoidal cross-section ( 17 ).

In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausbildung wird zunächst eine zylindrische Form des Flanschkragens (16) gewählt, bei der der Außendurchmesser eines außen anzubringenden Elementes größer als der Außendurchmesser des Turmsegmentes (6, 7) ist und bei der der Innendurchmesser eines innen anzubringenden Elementes kleiner als der Innendurchmesser des Turmsegmentes (6, 7) ist. Die Form mit einem Abschnitt, der einen trapezförmigen Querschnitt (17) aufweist, wird dabei durch eine nachträgliche Material abtragende Bearbeitung hergestellt.In a further embodiment of the invention, a cylindrical shape of the flange collar ( 16 ), in which the outer diameter of an element to be attached to the outside is greater than the outer diameter of the tower segment ( 6 . 7 ) is and in which the inner diameter of an element to be mounted inside smaller than the inner diameter of the tower segment ( 6 . 7 ). The shape with a section that has a trapezoidal cross-section ( 17 ), is thereby produced by a subsequent material-removing machining.

Die so hergestellten Turmsegmente (6, 7) mit einem Flanschkragen (16) mit einem trapezförmigen Abschnitt (17) werden übereinander positioniert und mit mindestens einer Bohrung (14) versehen.The tower segments produced in this way ( 6 . 7 ) with a flange collar ( 16 ) with a trapezoidal section ( 17 ) are positioned one above the other and with at least one hole ( 14 ) Mistake.

In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung weist die Achse der Bohrung (14) einen rechten Winkel mit der Innen- oder Außenfläche des kegelstumpfförmigen Abschnittes (17) des Flanschkragens (16) auf.In an advantageous embodiment of the invention, the axis of the bore ( 14 ) a right angle with the inner or outer surface of the frusto-conical portion ( 17 ) of the flange collar ( 16 ) on.

Darüber hinaus ist mindestens eine weitere Bohrung (14) nach dem erfindungsgemäßen Verfahren vorzusehen, um weitere, über den Umfang der Turmsegmente (6, 7) verteilte Durchführungen für Verbindungselemente zu realisieren.In addition, at least one additional hole ( 14 ) provided by the method according to the invention, to further, over the circumference of the tower segments ( 6 . 7 ) implement distributed feedthroughs for fasteners.

Anschließend wird jeweils ein Verbindungselement, bevorzugt eine Schraube, die einen kleineren Nenndurchmesser aufweist, als die Bohrung, in die mindestens eine Bohrung (14) eingebracht, wobei das Verbindungselement die Kontaktebene (18) der Turmsegmente (6, 7) in einem Winkel von mindestens 15°, höchstens jedoch 75° durchstößt.Subsequently, in each case a connecting element, preferably a screw having a smaller nominal diameter, than the bore, in the at least one bore ( 14 ), wherein the connecting element, the contact plane ( 18 ) of the tower segments ( 6 . 7 ) penetrates at an angle of at least 15 °, but not more than 75 °.

Ein solches Verbindungselement wird dabei von der Innenwand schräg von oben nach unten durch die Kontaktebene (18) der Turmsegmente (6, 7) durch diese Bohrung (14) geführt.Such a connecting element is thereby obliquely from the inner wall from top to bottom through the contact plane (FIG. 18 ) of the tower segments ( 6 . 7 ) through this hole ( 14 ) guided.

In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung werden die Verbindungselemente abwechselnd von der Innenwand von oben durch die Kontaktebene (18) der Turmsegmente (6, 7) nach unten und von der Außenwand von oben durch die Kontaktebene (18) der Turmsegmente (6, 7) nach unten über den Umfang des Flansches verteilt.In an advantageous embodiment of the invention, the connecting elements are alternately from the inner wall from above through the contact plane ( 18 ) of the tower segments ( 6 . 7 ) down and from the outer wall from above through the contact plane ( 18 ) of the tower segments ( 6 . 7 ) spread down over the circumference of the flange.

Weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung ergeben sich durch andere Kombinationen in Bezug auf die Richtung der Durchführung der Verbindungselemente von oben oder von unten durch die Kontaktebene (18) der Turmsegmente (6, 7) und durch die Einführung der Verbindungselemente in die Bohrung (14) von der Außenseite oder von der Innenseite des Turmes (2).Further advantageous embodiments of the invention result from other combinations with respect to the direction of the passage of the connecting elements from above or from below through the contact plane ( 18 ) of the tower segments ( 6 . 7 ) and by the introduction of the fasteners in the bore ( 14 ) from the outside or from the inside of the tower ( 2 ).

Die Herstellung einer kraftschlüssigen Verbindung erfolgt mit einem Befestigungselement. Dabei wird entweder das Verbindungselement gehalten und das Befestigungselement angezogen oder das Verbindungselement angezogen und das Befestigungselement gehalten. Zur Vermeidung eines Spaltes während einer statischen und/oder dynamischen Belastung ist eine Vorspannung der Verbindung vorzusehen.The production of a non-positive connection takes place with a fastening element. In this case, either the connecting element is held and tightened the fastener or the fastener tightened and held the fastener. To avoid a gap during a static and / or dynamic load, a bias of the connection is provided.

In einer vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine HV-Garnitur, bestehend aus Schraube, Mutter und Scheiben, unter Berücksichtigung der Norm DIN EN 14399 verschraubt. Dabei wird eine Verdrehsicherung für die Schraube oder für die Mutter vorgesehen, beispielsweise durch Anschweißen der Mutter am Flanschkragen (16) oder durch Festhalten mit einem Werkzeug.In an advantageous embodiment of the method according to the invention is a HV set consisting of screw, nut and washers, taking into account Standard DIN EN 14399 screwed. In this case, a rotation for the screw or the nut is provided, for example by welding the nut on the flange collar ( 16 ) or by holding with a tool.

In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Schraube in ein Gewinde eingedreht, so dass Arbeiten an der Außenwand des Turmes vermieden oder reduziert werden können. Dazu eignet sich ein bei der Herstellung der Bohrungen (14) vorbereitetes Innengewinde (20), ein Gewindeeinsatz oder eine Einpressbuchse mit vorbereitetem Gewinde.In a further advantageous embodiment of the method according to the invention, a screw is screwed into a thread, so that work on the outer wall of the tower can be avoided or reduced. This is a suitable in the Production of bores ( 14 ) prepared internal thread ( 20 ), a threaded insert or a press-fit bushing with prepared thread.

Es versteht sich, dass die dargestellten Sachverhalte und Figuren die Erfindung beispielhaft wiedergeben. Weitere Kombinationen in Bezug auf die Anordnung und Anzahl der Bauelemente (6, 7, 8, 9), der Bohrungen (14) und der Art der Führung der Verbindungselemente verlassen nicht den Rahmen der ErfindungIt is understood that the illustrated facts and figures exemplify the invention. Further combinations with regard to the arrangement and number of components ( 6 . 7 . 8th . 9 ), the holes ( 14 ) and the type of guidance of the connecting elements do not depart from the scope of the invention

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Claims (11)

Flanschverbindung (13) zur Verbindung von mindestens einem rohrförmigen Bauelement (6) eines Turmes (2) aus Stahl, insbesondere für eine Windenergieanlage (1), mit mindestens einem weiteren rohrförmigen Bauelement (7) des Turmes (2) aus Stahl und/oder einem Fundamentbauelement (3) aus Stahl, dadurch gekennzeichnet, dass die Flanschverbindung (13) an den Stirnseiten der zu verbindenden Bauelemente (3, 6, 7) jeweils einen Flanschkragen (16) mit mindestens einer Bohrung (14), die den Flanschkragen (16) und die Schalenmittelfläche (21) durchdringt und dadurch eine Öffnung in der Kontaktebene (18) der zu verbindenden Bauelemente (3, 6, 7) bildet, aufweist.Flange connection ( 13 ) for connecting at least one tubular component ( 6 ) of a tower ( 2 ) of steel, in particular for a wind energy plant ( 1 ), with at least one further tubular component ( 7 ) of the tower ( 2 ) of steel and / or a foundation component ( 3 ) made of steel, characterized in that the flange connection ( 13 ) at the end faces of the components to be connected ( 3 . 6 . 7 ) each have a flange collar ( 16 ) with at least one bore ( 14 ), the flange collar ( 16 ) and the shell middle surface ( 21 ) penetrates and thereby an opening in the contact plane ( 18 ) of the components to be connected ( 3 . 6 . 7 ) forms. Flanschverbindung (13) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Flanschkragen (16) als Ring ausgebildet ist, der einen Abschnitt mit trapezförmigen Querschnitt (17) aufweist.Flange connection ( 13 ) according to claim 1, characterized in that the flange collar ( 16 ) is formed as a ring having a section with a trapezoidal cross-section ( 17 ) having. Flanschverbindung (13) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel zwischen der Bohrung (14) und der Kontaktebene (18) der Bauelemente (6, 7) mindestens 15°, jedoch höchstens 75° beträgt.Flange connection ( 13 ) according to claim 1, characterized in that the angle between the bore ( 14 ) and the contact level ( 18 ) of the components ( 6 . 7 ) is at least 15 ° but not more than 75 °. Flanschverbindung (13) nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung der Bohrungen (14) durch eine ringförmige Verteilung über den Umfang der Kontaktebene (18) der Bauelemente (6, 7) erfolgt.Flange connection ( 13 ) according to claim 1 or 3, characterized in that the arrangement of the holes ( 14 ) by an annular distribution over the circumference of the contact plane ( 18 ) of the components ( 6 . 7 ) he follows. Flanschverbindung (13) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Bohrungen (14) durch die Flanschkragen (16) beider Bauelemente (6, 7) Turmes (2) durchgehend ist.Flange connection ( 13 ) according to one of claims 1 to 4, characterized in that at least one of the holes ( 14 ) through the flange collar ( 16 ) of both components ( 6 . 7 ) Tower ( 2 ) is continuous. Flanschverbindung (13) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Bohrungen (14) durch den Flanschkragen (16) des ersten Bauelementes (6) durchgehend ist und der Flanschkragen (16) des zweiten Bauelement (7) ein Sackloch aufweist.Flange connection ( 13 ) according to one of claims 1 to 4, characterized in that at least one of the holes ( 14 ) through the flange collar ( 16 ) of the first component ( 6 ) is continuous and the flange collar ( 16 ) of the second component ( 7 ) has a blind hole. Flanschverbindung (13) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens in einem Flanschkragen (16) mindestens eine Bohrung (14) zumindest auf einem Abschnitt ein Innengewinde (20) aufweist.Flange connection ( 13 ) according to one of claims 1 to 6, characterized in that at least in a flange collar ( 16 ) at least one bore ( 14 ) at least on a portion of an internal thread ( 20 ) having. Flanschverbindung (13) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens in einem Flanschkragen (16) mindestens eine Bohrung (14) ein Element mit einem Gewindeeinsatz oder eine Einpressbuchse mit Innengewinde aufweist.Flange connection ( 13 ) according to one of claims 1 to 6, characterized in that at least in a flange collar ( 16 ) at least one bore ( 14 ) has an element with a threaded insert or a Einpressbuchse with internal thread. Verfahren zum Verbinden von mindestens einem rohrförmigen Bauelement (6) eines Turmes (2) aus Stahl, insbesondere für eine Windenergieanlage (1), mit mindestens einem weiteren Bauelement (7) eines Turmes (2) aus Stahl und/oder einem Fundamentbauelement (3) aus Stahl mit einer Flanschverbindung (13), wobei die Flanschverbindung (13) an den Stirnseiten der zu verbindenden Bauelemente (3, 6, 7) jeweils einen Flanschkragen (16) mit mindestens einer Bohrung (14), die den Flanschkragen (16) und die Schalenmittelfläche (21) durchdringt und dadurch eine Öffnung in der Kontaktebene (18) der zu verbindenden Bauelemente (3, 6, 7) bildet, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in die mindestens eine Bohrung (14) jeweils mindestens ein Verbindungselement eingesetzt und in dieser befestigt wird.Method for connecting at least one tubular component ( 6 ) of a tower ( 2 ) of steel, in particular for a wind energy plant ( 1 ), with at least one further component ( 7 ) of a tower ( 2 ) of steel and / or a foundation component ( 3 ) made of steel with a flange connection ( 13 ), wherein the flange connection ( 13 ) at the end faces of the components to be connected ( 3 . 6 . 7 ) each have a flange collar ( 16 ) with at least one bore ( 14 ), the flange collar ( 16 ) and the shell middle surface ( 21 ) penetrates and thereby an opening in the contact plane ( 18 ) of the components to be connected ( 3 . 6 . 7 ), characterized in that in the at least one bore ( 14 ) is used in each case at least one connecting element and fastened in this. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement mit einem Befestigungselement vorgespannt wird, wobei das Verbindungselement durch eine Schraube oder einen Bolzen und das Befestigungselement durch eine Mutter, ein Innengewinde (20), einen Gewindeeinsatz und/oder eine Einpressbuchse gebildet wird.A method according to claim 9, characterized in that the connecting element is biased by a fastening element, wherein the connecting element by a screw or a bolt and the fastening element by a nut, an internal thread ( 20 ), a threaded insert and / or a Einpressbuchse is formed. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement oder das Befestigungselement bei der Montage gegen ein Verdrehen gesichert wird.A method according to claim 9 or 10, characterized in that the connecting element or the fastening element is secured during assembly against rotation.
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