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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen ein Turmsegment der
Art, welche eine Rohrform mit einer Umfangswand aufweist, umfassend eine Öffnung
in der Umfangswand um den Zugang in das Innere des Turms zu ermöglichen,
wobei der Bereich um die Öffnung verstärkt ist,
um die durch die Öffnung bewirkte Schwächung zu
kompensieren.
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Hintergrund der Erfindung
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Große
Windturbinentürme werden normalerweise aus einem oder mehreren
Rohrturmabschnitten hergestellt. In dem Fall, dass der Turm aus
mehr als einem Turmabschnitt zusammengesetzt ist, werden sie normalerweise
mittels Bolzverbindungen durch Flansche in den Enden verbunden.
Jeder Turmabschnitt kann wiederum aus einem oder einigen Rohrturmabschnitten
zusammengesetzt sein, welche normalerweise mit einer kreisförmigen
Querschnittsform hergestellt werden. Die Rohrsegmente für
jeden Turmabschnitt können eine Höhe von ungefähr
3 m aufweisen und werden in einer geeigneten Anzahl, um die gewünschte
Höhe des Turmabschnittes zu erzielen, miteinander verschweißt.
Die Rohrsegmente können zylindrisch sein oder können
eine Kegelstumpfform aufweisen und werden aus flachen Stahlplatten
hergestellt, welche in die gewünschte zylindrische oder
konische Form kaltgewalzt werden und zwei kurze Seitenkanten werden
durch eine vertikale Stoßnaht miteinander verschweißt.
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In
einem unteren Teil des Turms, in der Nähe des Bodens oder
des Wasserspiegels, ist er normalerweise mit einer Öffnung
in Form einer Tür bereitgestellt, um Zutritt in das Innere
des Turms für Reparaturen und Wartung der Geräte
zu ermöglichen. Um die durch die Türöffnung
erzeugte Schwächung zu kompensieren, ist es allgemeine
Praxis die Region um die Tür auf unterschiedliche Weise
zu verstärken.
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Eine
Art der Verstärkung der Region um die Tür ist
es, wie in der
WO 06/050723 offenbart,
einen speziellen Türbereich aus Stahl bereitzustellen,
welcher mit einer Türöffnung versehen ist und
die gleiche Breite wie das Stahlblech aufweist, jedoch eine erhöhte
Dicke in Bezug auf das Stahlblech besitzt. Der Türbereich,
wie auch der Stahlblechzuschnitt werden getrennt auf die genaue
gekrümmte Form kaltgewalzt und werden anschließend
mittels Stoßverbindungen miteinander verschweißt.
Das heißt, in diesem Fall wird das Rohrsegment mit wenigstens zwei
vertikalen Stoßnähten bereitgestellt. Der Türbereich
kann vorzugsweise eine variable Dicke aufweisen, um einen Übergangsbereich
bereitzustellen, welcher eine sich allmählich verändernde
Wanddicke zwischen dem Türbereich und dem Rest des Turmsegments
aufweist. Ein Nachteil dieser Lösung ist, dass es aufgrund
der vielen Herstellungsschritte und des aufwendigen Schweißens,
welches notwendig ist, zeitaufwendig ist, ein Rohrsegment auf diese Weise
herzustellen.
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Eine
andere Art ein Turmsegment, welches mit einer Türöffnung
bereitgestellt ist, zu verstärken, ist in der
US 2007/0148004 offenbart. In
diesem Dokument wird eine Öffnung, welche größer
als die tatsächliche Tür ist, in das Turmsegment
geschnitten. Nachfolgend wird ein Bauelement, welches aus einem
schweißbaren Gussmaterial, wie Gussstahl, hergestellt ist,
in die Türöffnung eingeführt und mit dem
Turmsegment verschweißt. Das Bauelement wird als ein Ring
gebildet, mit einer Außenform, welche der Öffnung
in dem Turmsegment entspricht und mit einer Innenform, welche der
Tür in Frage entspricht. Das Bauelement weist im Querschnitt
vorzugsweise eine variable Dicke auf. Ein Nachteil solch eines Turmsegmentes
ist, dass es zeitaufwendig ist, das Strukturelement in der Türöffnung
zu positionieren und mit dem Turmsegment zu verschweißen. Des
Weiteren kann es problematisch sein, gewalzten Stahl und Gussstahl
miteinander zu verschweißen und ein Bauelement aus Gussstahl
ist des weiteren in der Herstellung teuer.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Im
Hinblick auf das obige ist es ein Gegenstand der Erfindung, ein
Turmsegment wie auch einen Blechzuschnitt zur Herstellung eines
Turmsegments bereitzustellen. Insbesondere ist es ein Gegenstand
ein Turmsegment wie auch einen Blechzuschnitt zur Herstellung eines
Turmabschnittes bereitzustellen, bei welchem eine Verstärkung
um eine Öffnung in dem Turmsegment einfach und kostensparend
durchgeführt werden kann. Wenigstens dieser Gegenstand
kann durch ein Turmsegment und ein Blechzuschnitt gemäß Anspruch
1 bzw. 11 erzielt werden.
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Demzufolge
basiert die Erfindung auf der Erkenntnis, dass dieser Gegenstand
erzielt werden kann, indem das Turmsegment aus einem Stahlblechzuschnitt
geformt wird, welcher einheitlich in einem Stück geformt
wird, mit einem Bereich mit einer erhöhter bzw. vergrößerten
Materialdicke. Das Stahlblech wird als ein Rechteck oder als längliches
Blech ge formt, mit einer Längen- bzw. einer Breitenabmessung,
mit zwei langen Kanten und zwei kurzen Kanten und der Bereich mit
der erhöhten Materialdicke erstreckt sich über
die Breite des Blechzuschnitts von einer langen Kante zu der anderen.
Der Bereich mit einer erhöhten Materialdicke kann optional
an eine der kurzen Kanten oder an einen mittleren Bereich des Blechzuschnitts
angrenzend gebildet werden.
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Ein
Stahlblechzuschnitt mit einem Bereich mit einer erhöhten
Materialdicke kann vorzugsweise mittels Warmwalzen in einem Walzwerk
geformt werden. Es wird jedoch nicht ausgeschlossen, dass die erhöhte
Materialdicke auch auf andere geeignete Arten geformt wird.
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Nach
dem Formen des Blechzuschnittes mit einem Bereich mit erhöhter
Dicke, wird der Blechzuschnitt in eine gewünschte Form
gekrümmt, indem der Blechzuschnitt entlang der Längenabmessung gebogen
wird, so dass sich die zwei kurzen Kanten treffen. Indem die beiden
kurzen Kanten miteinander mittels einer vertikalen Schweißnaht
verschweißt werden, wird die Form des Turmsegments fixiert. Normalerweise
wird das Turmsegment mit einem kreisförmigen Querschnitt
geformt, es sind jedoch auch andere Formen, wie ein ovaler Querschnitt, denkbar.
Des Weiteren kann der Turmabschnitt mit einer zylindrischen Form
geformt werden, in diesem Fall wird der Blechzuschnitt streng rechteckig
geformt oder wenigstens so, dass die langen Kanten wie auch die
kurzen Kanten parallel zueinander angeordnet sind, oder zu einem
Kegelstumpf, wobei die kurzen Kanten in diesem Fall nicht parallel
zueinander angeordnet sind. Das Biegen des Blechzuschnittes in die
gewünschte Form kann vorzugsweise mittels Kaltwalzen durchgeführt
werden.
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Die Öffnung
in dem erhöhten Materialbereich kann gegebenenfalls in
dem Stahlblechzuschnitt durchgeführt werden, bevor dieses
in die Rohrform geformt wird, oder nach dem Biegen des Blechzuschnittes
in die Rohrform. Das Schneiden der Öffnung kann auf viele
verschiedene Arten durchgeführt werden, wie Brennschneiden,
Laserschneiden oder Wasserdüsenschneiden.
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Der
Bereich mit erhöhter Dicke kann gegebenenfalls so durchgeführt
werden, dass die Verdickung an der Außenseite, an der Innenseite
oder an beiden Seiten der Wand des fertig gestellten Turmabschnittes
angeordnet ist. Im Allgemeinen ist es bevorzugt, dass die Verdickung
im Inneren angeordnet ist, wobei in dem Fall die Außenfläche
des Turmsegments bündig mit den Außenflächen
der angrenzenden Turmsegmente ausgebildet werden kann.
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Der
Bereich mit erhöhter Dicke des Turms kann für
eine Öffnung für eine einzelne Tür einen Winkelsektor
von zwischen 40 bis 80° abdecken, vorzugsweise zwischen
50 bis 70°, und besonders bevorzugt in etwas 60° des
Umfanges des Turmsegmentes. In Bezug auf den Blechzuschnitt kann
der Bereich mit erhöhter Dicke 10 bis 20%, vorzugsweise 12
bis 18% und besonders bevorzugt ungefähr 15% der gesamten
Länge des Blechzuschnittes betragen. Der Turm kann jedoch
mehr als eine Öffnung in der Mantel- bzw. Jacketwand aufweisen.
Zum Beispiel kann neben einer Türöffnung, um Personal
den Zutritt in das Inneren des Turms zu gewähren, der Turm auch Öffnungen
umfassen, zum Beispiel Leitungsdurchführungen oder dergleichen.
In diesen Fällen ist es vorteilhaft, die Öffnungen
nebeneinander zu positionieren und der Bereich mit erhöhter
Dicke kann unter diesen Umständen einen Winkelsektor von
bis zu 90° oder sogar 180° umfassen. Vorzugsweise
grenzt der Bereich mit erhöhter Dicke an jeder Seite an
eine Übergangszone mit einer sich allmählich verändernden
Dicke an, so dass ein glatter Übergang zwischen dem Bereich
mit erhöhter Dicke und den Bereichen der Wand mit einer
normalen Materialdicke erzielt wird. Dieser Übergangsbereich
kann eine sich allmählich ändernde Dicke von 1:3
zu 1:5 oder um 1:4 in Bezug auf die Dicke in Relation zu der Länge
in Umfangsrichtung des Turmsegments aufweisen. Die Oberfläche
der Übergangszone muss jedoch nicht flach sein, sondern
könnte zum Beispiel auch konvex oder konkav gekrümmt
sein. Eine Übergangszone kann an jeder Querseite wie auch
an den oberen und unteren Seiten für einen glatten Übergang
angeordnet sein, wie auch an die Wanddicken eines oberen Turmsegments
und einer unteren Befestigungsbasis.
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Mittels
eines Blechzuschnittes ist es bei einem Turmsegment gemäß der
Erfindung möglich, die Anordnung einer Verstärkung
in der Region um eine Öffnung oder eine Tür in
einem Turmsegment im Vergleich mit dem Stand der Technik zu vereinfachen. Die
Verstärkung wird gleichzeitig wie das Formen des Blechzuschnittes
bereitgestellt bzw. angeordnet, was zu dem Effekt führt,
dass keine zusätzlichen Herstellungsschritte durchgeführt
werden müssen, um die Verstärkung zu erzielen.
Die einzige Anforderung ist ein fortgeschritteneres Formen des Blechzuschnittes,
zum Beispiel durch Warmwalzen. Solch ein Formen liegt jedoch im
Bereich der Möglichkeiten des Standes der Technik.
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Obwohl
die Erfindung nachfolgend in Bezug auf eine auf dem Festland angeordneten
Windturbine beschrieben und erläutert ist, sollte deutlich
sein, dass die Erfindung gleichermaßen auch auf Windturbinen
vor der Küste angewandt werden kann.
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Andere
Gegenstände, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden aus der folgenden detaillierten Offenbarung, aus den begleitenden Ansprüchen
wie auch aus den Zeichnungen deutlich.
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Allgemein
sind die in den Ansprüchen verwendeten Ausdrücke
gemäß ihrer originären Bedeutung auf
dem technischen Gebiet zu interpretieren, es sei denn, es ist hier
ausdrücklich anders definiert. Alle Bezugnahmen auf „ein/eine/die/der/das
[Element, Vorrichtung, Komponente, Mittel, Schritt etc.] sollen
offen interpretiert werden, so dass sie sich auf wenigstens ein
Beispiel des Elementes, der Vorrichtung, der Komponente, des Mittels,
der Stufe etc. beziehen, es sei denn es ist hier explizit anders
angegeben. Die Schritte jedes hier offenbarten Verfahrens müssen
nicht in der exakten offenbarten Reihenfolge durchgeführt
werden, es sei denn, es ist explizit angegeben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Der
obige, wie auch zusätzliche Gegenstände, Merkmale
und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser durch die
folgende erläuternde und nicht einschränkende
detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen deutlich, wobei die gleichen Bezugszeichen für
gleiche Elemente verwendet werden, wobei:
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1 diagrammartig
eine vor der Küste gelegene Windturbine in einer Vorderansicht
darstellt;
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2 diagrammartig
eine perspektivische Ansicht eines Turmsegments gemäß der
Erfindung darstellt;
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3 diagrammartig
eine Ansicht eines Blechzuschnittes zum Formen eines Turmsegments gemäß 2 von
oben darstellt; und
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4 diagrammartig
eine alternative Ausführungsform eines Blechzuschnittes
gemäß 3 darstellt.
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Detaillierte Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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Zunächst
wird Bezug auf 1 genommen, wobei eine auf dem
Festland angeordnete Windturbine in einer Vorderansicht dargestellt
ist. In diesem Fall ist ein Turm der Windturbine auf einem Fundament 1 angeordnet,
welches einen Abstand unter der Geländeoberflä che 2 angeordnet
ist. Oberhalb der Geländeoberfläche umfasst die
Windturbine einen unteren Turmabschnitt 3, einen oberen Turmabschnitt 4,
ein Maschinenhaus 5 und Rotorblätter 6,
wobei der untere Turmabschnitt 3 mit einer Befestigungsbasis 7 verbunden
ist, die an dem Fundament 1 befestigt ist.
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Jeder
Turmabschnitt 3, 4 ist ein Rohr, welches mit Umfangswänden
aus Stahl hergestellt ist und welches aus einigen Rohrturmsegmenten,
welche miteinander Ende an Ende verschweißt sind, besteht.
Beide dieser sind auch leicht kegelstumpfartig ausgebildet, wobei
der untere Turmabschnitt 3 konischer als der obere Turmabschnitt 4 ist.
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Einen
kurzen Abstand oberhalb der Geländeoberfläche 2 ist
der Turm mit einer Turmöffnung 8 durch die Mantelwand
bereitgestellt, um den Zutritt in das Innere des Turms zu ermöglichen.
Im Inneren ist der Turm mit nicht dargestellten Leitern bereitgestellt, mit
denen es möglich ist, das Maschinenhaus 5 an der
Oberseite zu erreichen, um Wartung und Reparaturen der Geräte
durchzuführen.
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Nachfolgend
wird auf die 2 bis 4 in Kombination
Bezug genommen. In 2 ist ein unteres Turmsegment 9 des
unteren Turmabschnitts 3 dargestellt, welches die Türöffnung 8 enthält.
Um das Turmsegment zu verstärken und die Schwächung, die
durch die in der Mantelwand 10 durchgeführte Öffnung
bewirkt wird, zu kompensieren, wird das Turmsegment mit einem Bereich 11 ausgebildet,
welcher eine erhöhte Materialdicke in der Region um die Öffnung
aufweist. Gemäß der Erfindung wird der Bereich 11 mit
erhöhter Dicke integral mit dem Rest des Turmsegments 9 in
einem einheitlichen Stück geformt, das heißt ein
einzelnes Stahlblech wird für das gesamte Segment verwendet.
Präziser wird das Turmsegment aus einem Stahlblechzuschnitt 12 hergestellt,
wie in der Ansicht des Blechzuschnittes in 3 von oben
dargestellt, welches in einem Walzwerk warmgewalzt wird, um einen
Bereich 11 mit erhöhter Dicke aufzuweisen, welcher
sich auf einer Seite des Blechzuschnittes nach außen wölbt.
Wenn das Turmsegment 9 gebildet wird, wird der Blechzuschnitt 12 mittels
Kaltwalzen rohrförmig gebogen, wie in 2 dargestellt,
und zwei kurze Kanten 13, 13' des Blechzuschnittes
werden miteinander verschweißt, um eine vertikale Schweißnaht 14 zu
bilden. Zwei lange Kanten 15, 15' formen die Endkanten
des fertiggestellten Turmsegments 9, welche an benachbarte
Turmsegmente geschweißt werden sollen, um den unteren Turmabschnitt 3 zu
bilden.
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In
der in 2 dargestellten Ausführungsform ist der
Blechzuschnitt gekrümmt, so dass sich der Bereich 11 mit
erhöhter Dicke nach außen wölbt. Es sollte
jedoch deutlich werden, dass der Blechzuschnitt 12 auch
so gekrümmt sein kann, dass sich der Bereich mit erhöhter
Dicke nach innen wölbt. Dies kann vorteilhaft sein, da
es dann möglich ist, die benachbarten Turmsegmente an eine
obere und, wenn anwendbar, eine untere Kante des Turmsegmentes 9,
welches mit der Öffnung 8 bereitgestellt ist,
zu schweißen, so dass die Außenflächen
der Turmsegmente bündig zueinander sind.
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Um
einen glatten Übergang zwischen den Bereichen des Blechzuschnittes
und des Turmsegmentes mit einer herkömmlichen Dicke T1
und dem Bereich 11 mit erhöhter Dicke, welcher
eine erhöhte Dicke T2 aufweist, zu erzielen, wird eine Übergangszone 16,
mit einer sich stufenweise verändernden Dicke an jeder
Seite des Bereichs 11 mit erhöhter Dicke ausgebildet.
Auf diese Weise wird eine abrupte Dickenänderung vermieden,
welche eine Spannungserhöhungsursache sein könnte,
die zu einem Bruch während schwerer Last führen
könnte. Des Weiteren wird eine Übergangszone 17 mit
einer sich allmählich ändernden Dicke auf der
oberen wie auch der unteren Seite des Bereichs 11 mit erhöhter
Dicke ausgebildet, welche an die beiden langen Kanten 15, 15' angrenzen.
Dies erlaubt auch einen glatten Übergang zu der Wanddicke
eines nicht dargestellten oberen Turmsegments und der unteren Befestigungsbasis 7.
Die Materialdicke der Übergangszonen 16 und 17 verändert
sich allmählich von 1:3 auf 1:5 oder vorzugsweise auf 1:4
in Bezug auf die Dickenänderung in Relation zu der Länge
in Umfangsrichtung des Turmsegments.
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Gemäß einer
alternativen Ausführungsform, welche in 4 dargestellt
ist, kann sich der Bereich 11 mit erhöhter Dicke
sowohl nach außen wie auch nach innen wölben.
In diesem Fall werden die Übergangszonen 16 und 17 an
beiden, der Innen- und Außenoberfläche des Turmsegments,
ausgebildet. Ein Vorteil bei solch einem Design ist, dass die Übergangszonen 16 und 17 kürzer
gemacht werden können, bei beibehaltener Neigung der Turmsegmentoberfläche.
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Bei
den Ausführungsformen gemäß der 3 und 4 ist
der Bereich 11 mit erhöhter Dicke in einem mittleren
Bereich angeordnet, präziser in der Mitte jedes Stahlblechzuschnittes 12.
Es sollte jedoch deutlich werden, dass der Bereich mit erhöhter Dicke
auch unsymmetrisch in Bezug auf den Blechzuschnitt angeordnet sein
kann, zum Beispiel neben einer der kurzen Kanten 13, 13'.
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Die
Erfindung wurde hauptsächlich unter Bezugnahme auf einige
Ausführungsformen beschrieben. Es wird jedoch von einem
Fachmann auf dem Gebiet anerkannt werden, dass andere Ausführungsformen,
als die oben offenbarte, gleichermaßen innerhalb des Umfangs
der Erfindung möglich sind, wie durch die beigefügten
Patentansprüche definiert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 06/050723 [0004]
- - US 2007/0148004 [0005]