DE20321855U1

DE20321855U1 - Stahlturm für eine Windkraftanlage

Info

Publication number: DE20321855U1
Application number: DE20321855U
Authority: DE
Original assignee: Vestas Wind Systems AS
Current assignee: Vestas Wind Systems AS
Priority date: 2003-03-19
Filing date: 2003-03-19
Publication date: 2011-06-09
Anticipated expiration: 2013-03-20

Abstract

Stahlturm (1) für eine Windkraftanlage, der eine Anzahl von zylindrischen oder konischen Turmabschnitten (2) umfasst, wobei zumindest seine breiteren Abschnitte (2) in zwei oder mehr längliche Schalensegmente (3) unterteilt sind, die sich mittels vertikaler Flansche (6), die aneinander befestigt sind, beispielsweise durch Bolzen (10), zu einem vollständigen Turmabschnitt (2) vereinigen, wobei die Schalen auch mit oberen bzw. unteren horizontalen Flanschen (4) versehen sind, um eine Verbindung der Turmabschnitte (2) aufeinander zu ermöglichen.

Description

Die Erfindung betrifft große Türme für Windkraftanlagen aus einwandigen Stahlturmabschnitten, von denen jeder vorgefertigte Schalensegmente umfasst.
Viele Jahre lang war es übliche Praxis, Stahlturmabschnitte gesondert in einer Werkstattanlage zu bauen und dann jeden vollständigen Abschnitt zur Baustelle zu bewegen, wo der Aufbau der Windkraftanlage durchgeführt werden sollte. Die Turmabschnitte hatten typischerweise eine zylindrische oder leicht konische Form, und jeder der Abschnitte konnte wiederum längs axialer Linien in eine angemessene Anzahl von Schalen unterteilt werden.
Wegen dem immer mehr zunehmenden Bedarf an Windkraftwerken mit größerer Kapazität und demzufolge größeren Abmessungen aller Teile, die zum Bau solcher Windkraftanlagen erforderlich sind, ist nun eine physikalische Grenze erreicht, die von der Infrastruktur, z. B. dem Platz unter einer Brücke oder in einem Tunnel, auferlegt ist.
Dementsprechend wäre die Idee, vorzuschlagen, dass Turmstrukturen unterteilt werden, um deren Transport zu erleichtern, eine naheliegende Lösung.
STAND DER TECHNIK
Die veröffentlichte DE 198 32 921 beschreibt eine Turmstruktur, insbesondere für eine Windkraftanlage mit einem Bodendurchmesser größer als 6 m, wobei dieser Turm innere und äußere Schalensegmente aus Stahl umfasst, die an der Baustelle zu montieren sind, woraufhin Beton in den Raum zwischen der inneren und der äußeren Schale eingebracht wird, um die notwendige Festigkeit herzustellen, um der Kraft durch den Winddruck und den Kopf der Windkraftanlage standzuhalten.
Beim Turm nach dem Stand der Technik wird beansprucht, dass die innere und die äußere Schale mit dem Kern aus Beton bei der Bereitstellung der erforderlichen Tragfähigkeit zusammenwirken.
Außerdem ist jedes der Schalensegmente mit vertikalen und horizontalen Winkelkanten versehen, die eine Anzahl von Durchgangslöchern hab en, um die Segmente, z. B. mittels Bolzen, miteinander zu verbinden. Dies dient dem Zweck, eine gewisse horizontale Steifigkeit herzustellen, die für die Schalensegmente erforderlich ist, um als Abschlusswände dienen zu können.
Die Windkraft nimmt mit dem Quadrat der Windgeschwindigkeit zu, und demzufolge sollte die zu bemessende Struktur umso stärker dimensioniert sein, je höher die Windkraftanlagentürme sind, was wiederum bedeutet, dass entweder die Wandstärke oder der Durchmesser erhöht werden sollte.
Wenn man den optimalen Durchmesser auf der Grundlage von Tragfähigkeit, Steifigkeit und Eigenfrequenzen bestimmt, würden die Durchmesser größerer Turmstrukturen die erlaubten Transportbegrenzungen hinsichtlich vertikaler und horizontaler Größe überschreiten. Die Gründe, größere Durchmesser zu fordern, sind darin zu finden, dass Festigkeit und Steifigkeit mit der Dicke des Stahlblechs in der ersten Potenz zunehmen, während sie in Bezug auf den Durchmesser in der zweiten bzw. dritten Potenz zunehmen. Die mathematische Erklärung, worin D den mittleren Durchmesser und t die Dicke darstellen, ist, dass die Tragfähigkeit dem Widerstandsmoment entspricht, Q = (π/4) × D² × t, während die Steifigkeit (oder Biegung) dem Trägheitsmoment entspricht, I = (π/8) × D³ × t.
Also ist es vorteilhafter, den Turmdurchmesser zu erhöhen, als die Blechdicke.
Eine erhöhte Dicke würde höhere Materialkosten und das Erfordernis schwerer Transportfahrzeuge bedeuten, seien es nun Lastwagen, Züge, Schiffe oder Hubschrauber, während die Durchmesser klein genug sein müssen, um zu ermöglichen, dass die Fahrzeughöhen typischerweise 4,20 m nicht überschreiten, um noch unter Brücken und durch Tunnel fahren zu können.
Um einen Kompromiss zu schließen und den Vorteil erhöhter Durchmesser nutzen zu können, müssen die zu breiten Abschnitte längs vertikaler Linien aufgeteilt werden, so dass die Schalen der Länge nach umgelegt werden können, mit einer Lasthöhe, die zum Transport geeignet ist.
Eine solche Lösung hat allerdings den Nachteil, ein größeres Maß an Handarbeit an ungeeigneten Plätzen und vielleicht ein Hinzufügen von Tragestrukturen zu den Unter-Bauteilen zu erfordern, was der Grund dafür ist, dass sie bisher noch nicht als profitable Lösung in Betracht gezogen wurde.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Turmstruktur mit großem Durchmesser für eine Windkraftanlage bereitzustellen, die die Gesamtkosten für eine errichtete Struktur beibehält oder senkt, wobei der Turm den Transport unter Einhaltung der typischen logistischen Beschränkungen ermöglicht.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgaben gelöst durch einen Stahlturm für eine Windkraftanlage, der eine Anzahl von zylindrischen oder konischen Turmabschnitten umfasst, wobei wenigstens die breiteren Abschnitte in zwei oder mehr längliche Schalensegmente unterteilt sind, die sich mittels vertikaler Flansche, die aneinander befestigt sind, zum Beispiel durch Bolzen, zu einem vollständigen Turmabschnitt vereinigen und wobei die Schalen auch mit oberen bzw. unteren horizontalen Flanschen versehen sind, um eine Verbindung der Turmabschnitte aufeinander zu ermöglichen.
Ein Beispiel eines Verfahrens, das zur Erläuterung der Erfindung beschrieben wird, und das zum Bauen eines großen, zylindrischen oder konischen Turms für eine Windkraftanlage aus einwandigen Stahl-Turmabschnitten aus vorfabrizierten Schalensegmenten, wobei zumindest die breiteren Abschnitte längs vertikaler Linien in Segmente unterteilt und durch Flansche miteinander verbunden sind, die entlang ihrer Kanten vorgesehen sind dient, umfasst die folgenden Schritte:

a) Bereitstellen von zwei oder mehr Turm-Schalenabschnitten aus einem gewalzten Stahlblech mit dem erforderlichen Krümmungsradius, wobei die Schalen gemeinsam einen vollständigen umlaufenden Turmabschnitt bilden,
b) Ausstatten eines jeden Schalensegments mit vertikalen und horizontalen Verbindungsflanschen entlang seiner freien Kanten,
c) Anbringen eines oder mehrerer Schalensegmente auf einem Transportwagen,
d) Transportieren der gestützten Segmente zur Baustelle,
e) Zusammenmontieren der Schalensegmente längs ihrer vertikalen Flansche durch Verbindungsmittel, zum Beispiel Bolzen, um einen Turmabschnitt bereitzustellen,
f) Aufeinandermontieren der Turmabschnitte, indem man sie längs ihrer gegenüberliegenden horizontalen Flansche durch Verbindungsmittel, zum Beispiel Bolzen, verbindet.

In einer vorteilhaften Art der Durchführung des Verfahrens wird das gewalzte Stahlblech, das eine Schale von 360° bildet, zusammengeschweißt, um einen zylindrischen oder konischen Turmabschnitt zu bilden, woraufhin der Abschnitt in die erforderliche Anzahl länglicher Schalensegmente zerschnitten wird.
In einer anderen vorteilhaften Art der Durchführung des Verfahrens und vor dem Schritt a) wird eine Anzahl der gewalzten, länglichen Schalensegmente längs ihrer aneinander angrenzenden horizontalen Kanten zusammengeschweißt, um größere Längenabschnitte aus Turm-Schalensegmenten zu bilden.
Ferner wird das Verfahren bevorzugt umfassen, dass die Flansche im Schritt b) in einer Position angeschweißt werden, in der sie zur Mitte des Turmes weisen. Dies belässt eine glatte Außenoberfläche des Turmes.
Die vertikalen Flansche werden bevorzugt in einem solchen Abstand von der Kante der jeweiligen Schale angeschweißt, dass eine Distanzstange zwischen den Flanschen eingefügt werden könnte, wenn sie aneinander befestigt werden. Eine vertikale Verbindung, die nach dem Verbinden zweier benachbarter Schalen über eine Distanzstange sichtbar ist, wird bevorzugt durch Einsetzen eines Füllmaterials und/oder eines Füllelements verdeckt.
In einem bevorzugten Beispiel eines Verfahrens wird die Verbindung der horizontalen Flansche durchgeführt, nachdem man die vertikalen Teilungslinien benachbarter Turmabschnitte gegeneinander versetzt hat. Auch das Ausrüsten einer jeden Schale mit notwendigen Leitern usw. sollte vorzugsweise vor dem Transport zur Baustelle durchgeführt werden, wodurch man den Arbeitsaufwand auf der Baustelle so weit wie möglich verringert.
Schließlich werden bevorzugt alle Teile der Turmstruktur schon in der Werkstatt vor dem Transport oberflächenbehandelt, um die beste Widerstandsfähigkeit gegen die aggressiven Umweltbedingungen, die oft an den Orten von Windkraftanlagen vorherrschen, herzustellen.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Turmes zeigt, dass mindestens einer der Turmabschnitte in drei Segmente von im Wesentlichen gleicher Bogenlänge, d. h. von jeweils 120°, unterteilt ist.
Um eine für den Transport befriedigende und praktische Länge eines Schalensegments vorzusehen, könnte ein solches Segment vorteilhafter Weise aus mindestens zwei Längenabschnitten von Segmenten bestehen, die entlang ihrer aneinander angrenzenden horizontalen Kanten zusammengeschweißt sind und entlang der obersten und untersten freien Kanten mit horizontalen Flanschen versehen sind, wobei die Flansche mit einer Anzahl von Durchgangslöchern für Verbindungsbolzen versehen sind.
In einer verbesserten Ausführungsform der Erfindung werden die vertikalen Flansche an die Schalensegmente von den entsprechenden Kanten abgesetzt und in einem Abstand von diesen angeschweißt, so dass zwischen den gegenüberliegenden Oberflächen der Flansche ein Raum für eine Distanzstange verbleibt, die zwischen ihnen eingefügt wird, wenn die Flansche aneinander befestigt werden, wodurch eine kräftige und sichere Verbindung ermöglicht wird. Die Distanzstange könnte mit Durchgangslöchern versehen sein, die zu den Löchern in den Flanschen passen, und bevorzugt würde jedes Loch in der Distanzstange eine Kerbe haben, die sich von einer Kante der Stange bis in das Loch erstreckt und breit genug ist, um ein seitliches Verschieben der Stange über einen Bolzen zu gestatten.
Eine glatte Außenoberfläche des Turmes wird erreicht, wenn die vertikalen und/oder horizontalen Verbindungen zwischen den Segmenten bzw. den Abschnitten dadurch abgedeckt werden, dass man ein Füllmaterial und/oder ein Füllelement einfügt.
Ein zeitsparender Aspekt der Arbeit mit Schalensegmenten liegt darin, dass sie zweckmäßigerweise mit einer Ausrüstung in Form von, zum Beispiel Leiterabschnitten und Kabelarmaturen versehen werden können, bevor sie zur Baustelle transportiert werden.
Der Transport würde vorzugsweise auf dem Landweg erfolgen, und zwar mit einem Lastwagen, der einen geeigneten „Anhänger” oder einen Wagen auf Rädern umfasst, beispielsweise in Form eines Gestells mit einer Anzahl von Stützen, die einen Längenabschnitt eines Segments in transportfertigem Zustand tragen. Auch andere Arten von Gestellen, die an Bord von Zügen oder Schiffen platziert sind, kämen für den Transport in Betracht. Mit einem Hubschrauber könnte das Schalensegment direkt an seinen Enden angehoben und zur Baustelle transportiert werden.
Der erfindungsgemäße Turm und das zur Erläuterung der Erfindung beschriebene Verfahren zum Aufbauen eines solchen Turms bieten bemerkenswerte ökonomische Einsparungen bei gegenwärtigen und zukünftigen Türmen mit großem Durchmesser, die im Windenergiesektor gefordert werden, und die Türme sind sofort benutzbar, da sie mit allen Installationen ausgestattet werden könnten, bevor sie die Werkstatt verlassen, so dass sie auf der Baustelle nur noch zusammengefügt zu werden brauchen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ein Beispiel einer vorteilhaften Ausführungsform des Turmes gemäß der Erfindung wird unten unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 eine Seitenansicht von einem von drei Schalensegmenten eines erfindungsgemäßen Abschnitts eines Windkraftanlagenturms, das aus mehreren Längenabschnitten von Schalen besteht, die nacheinander zusammengeschweißt wurden,
2 eine Perspektivansicht eines Turmabschnitts ist, der aus drei Segmenten besteht, die in seitlicher Richtung durch Bolzen verbunden wurden,
3 eine Detailansicht einer vertikalen Flanschverbindung im Inneren des Turmabschnitts ist, der sich senkrecht zur Zeichenebene erstreckt,
4 eine Detailansicht horizontaler bzw. vertikaler Flansche ist, die in 2 eingekreist sind,
5 eine Querschnittsansicht ist, die einen Turmabschnitt zeigt, der drei Schalensegmente umfasst, und
6 ein Schalensegment ist, das zur Beförderung mit einem Lastwagen bereitsteht.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Ein Schalensegment eines Windkraftanlagenturms, der erfindungsgemäß aufgebaut ist, ist in 1 gezeigt, und weitere Einzelheiten sind in 2 bis 5 gezeigt. Der Turm umfasst eine Anzahl von Schalensegmenten 1 aus gewalzten Stahlblechen, die vollständige, umlaufende Turmabschnitte 2 (siehe 2 und 5) ergeben, wenn sie nebeneinander durch Bolzen verbunden werden, wobei die genannten Abschnitte übereinander angeordnet und durch Bolzen aneinander befestigt sind (siehe 3 und 4). In 2 zeigt ein Segment 3 mehrere Schalen-Längenabschnitte 3, die längs aneinander angrenzender oberer und unterer Kanten zusammengeschweißt sind. Jede obere und untere Kante der verbundenen Schalensegment-Längenabschnitte 3 ist mit einem Planflansch 4 versehen, der sich nach Innen erstreckt und eine große Anzahl von Durchgangslöchern 5 zur Aufnahme entsprechender Bolzen trägt, um die Abschnitte sicher durch Bolzen miteinander zu verbinden.
Vertikale Planflansche 6, die mit einer großen Anzahl von Durchgangslöchern 7 versehen sind, sind in einem solchen Abstand von der Kante der jeweiligen Schale angeschweißt, dass eine längliche Distanzstange 9 zwischen den vertikalen Flanschen 6 eingesetzt werden kann, wenn sie mittels Bolzen 10 aneinander befestigt werden.
Auf der Außenseite des Turms sind vertikale Verbindungen 11 sichtbar, bis die Verbindung mit einem Füllmaterial und/oder einem Füllelement 12 aufgefüllt wird.
Auf eine ähnliche Weise könnten auch die horizontalen Verbindungen zwischen den Abschnitten unsichtbar gemacht werden.
In einem praktischen Beispiel des Verfahrens, das zur Erläuterung der Erfindung beschrieben wird, wird ein Turm-Schalensegment mit z. B. einem Leiterabschnitt oder mit Kabelbefestigungen versehen, bevor es zur Baustelle transportiert wird. Ein solcher Transport wird durchgeführt, indem man ein Schalensegment auf Stützen 1 aufsetzt, die ihrerseits auf einem Gestell oder einer Struktur 13 platziert sind, die bevorzugt mittels Rädern 15 (6) und mittels eines Lastwagens (nicht gezeigt) beweglich ist.
Es ist offensichtlich, dass die Anzahl von Schalensegmenten, in die ein Abschnitt unterteilt ist, unter Berücksichtigung der Einschränkungen bestimmt werden kann, die von der Infrastruktur auferlegt werden; das heißt, niedrige Brücken, enge Tunnels usw.
Ferner ist die Auswahl der Verbindungsmittel in keiner Weise auf Bolzen und Muttern beschränkt, sondern sie sind übliche und geeignete Mittel, insbesondere auch, um einen Vorteil aus der vorgefertigten Oberflächenbehandlung zu ziehen, die unbeschädigt bleiben sollte.
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 19832921 [0005]

Claims

Stahlturm (1) für eine Windkraftanlage, der eine Anzahl von zylindrischen oder konischen Turmabschnitten (2) umfasst, wobei zumindest seine breiteren Abschnitte (2) in zwei oder mehr längliche Schalensegmente (3) unterteilt sind, die sich mittels vertikaler Flansche (6), die aneinander befestigt sind, beispielsweise durch Bolzen (10), zu einem vollständigen Turmabschnitt (2) vereinigen, wobei die Schalen auch mit oberen bzw. unteren horizontalen Flanschen (4) versehen sind, um eine Verbindung der Turmabschnitte (2) aufeinander zu ermöglichen.
Stahlturm nach Anspruch 1, wobei zumindest einer der Turmabschnitte (2) in drei Segmente (3) von im Wesentlichen gleicher Bogenlänge, das heißt, jeweils 120°, unterteilt ist.
Stahlturm nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Schalensegment (3) mindestens zwei Längenabschnitte von Segmenten (3) umfasst, die entlang ihrer aneinander angrenzenden horizontalen Kanten zusammengeschweißt sind und entlang der freien obersten und untersten Kante mit horizontalen Flanschen (4) ausgestattet sind, wobei die Flansche (4) mit einer Anzahl von Durchgangslöchern (5) für Verbindungsbolzen versehen sind.
Stahlturm nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die vertikalen Flansche (6) an die Schalensegmente (3) geschweißt sind, und zwar zu den entsprechenden Kanten um einen Abstand versetzt, der zwischen gegenüberliegenden Oberflächen der Flansche (6) einen Raum für eine Distanzstange (9) freilässt, die, wenn die Flansche durch Bolzen verbunden werden, zwischen ihnen eingesetzt wird.
Stahlturm nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Distanzstange (9) mit Durchgangslöchern versehen ist, die zu den Löchern in den Flanschen (6) passen, und vorzugsweise jedes Loch in der Distanzstange (9) eine Kerbe hat, die sich von der Kante der Stange (9) bis in das Loch erstreckt und breit genug ist, um ein seitliches Verschieben der Stange (9) über einen Bolzen (10) zu gestatten.
Stahlturm nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die vertikalen und/oder horizontalen Verbindungen zwischen den Segmenten (3) bzw. den Abschnitten (2) abgedeckt werden, indem man ein Füllmaterial und/oder ein Füllelement (12) einfügt.
Stahlturm nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Schalensegment (3) mit einer Ausrüstung in Form von beispielsweise einem Leiterabschnitt und Kabelbefestigungen versehen wird, bevor es zur Baustelle transportiert wird.