NL1014463C2 - Vakwerkmast voor het dragen van een windturbine. - Google Patents

Description

VAKWERKMAST VOOR HET DRAGEN VAN EEN WINDTURBINE

De uitvinding heeft betrekking op een vakwerk-mast voor het dragen van een windturbine, omvattende zich hoofdzakelijk verticaal uitstrekkende elementen, zich hoofdzakelijk horizontaal uitstrekkende elementen en 5 diagonale elementen, waarbij de horizontale en verticale elementen star zijn en de diagonale elementen zijn ingericht voor het opnemen van trekkrachten.

Onder een windturbine wordt een combinatie van een rotor en een generator verstaan, eventueel samen met 10 een tandwielkast.

Dergelijke masten zijn algemeen bekend, bijvoorbeeld uit US-A-4 323 331.

Bij dergelijke, tot de stand van de techniek behorende vakwerkconstructies zijn de diagonale elementen 15 gedimensioneerd voor het opnemen van druk- en trekkrachten. Het opnemen van drukkrachten vereist dat de elementen bestand moeten zijn tegen knikken, zodat zij zwaarder gedimensioneerd moeten zijn dan zuiver nodig is voor het opnemen van krachten.

20 Het doel van de uitvinding is het verschaffen van een dergelijke mast, die goedkoper geconstrueerd is.

Dit doel wordt onder meer bereikt doordat de diagonale elementen van de vakwerkmast onder voorspanning zijn geplaatst.

25 Deze maatregel heeft tot gevolg dat de diagonale elementen slechts gedimensioneerd behoeven te zijn voor het opnemen van trekspanningen en wellicht kleine drukspanningen. Aldus kunnen de diagonale elementen licht worden uitgevoerd. Zij behoeven niet of 30 nauwelijks tegen knik te worden gedimensioneerd, zodat een gewichtsbeparing wordt verkregen of de elementen goedkoper kunnen worden gefabriceerd.

Volgens een eerste voorkeursuitvoeringsvorm is de voorspanning van de elementen zodanig gekozen dat 1014463· 1 - 2 onder elke bij ontwerp voorziene belasting de voorspanning in de diagonale elementen gehandhaafd blijft.

Hiermede worden knikbelastingen in de diagonale 5 elementen volledig vermeden, zodat ze alleen nog op trekkrachten behoeven te worden gedimensioneerd.

Er wordt overigens op gewezen dat de windturbine kan leiden tot het opwekken van laagfrequente mechanische trillingen in de vakwerkconstructie. Dit 10 leidt niet alleen tot overmatige slijtage van de constructie als gevolg van bijvoorbeeld vermoeiingsverschijnselen, maar ook tot sterk variërende belastingen in de constructieve elementen van de vakwerkconstructie, in het bijzonder ook in de diagonale 15 elementen. Door de hierboven genoemde maatregelen wordt vermoeiing verminderd omdat veranderingen tussen druk en trek in de diagonale elementen in het eerste geval minder frequent worden en in het tweede geval geheel worden vermeden.

20 Hierbij wordt er op gewezen dat de mast uiter- « aard voldoende sterkte moet hebben om het gewicht van de windturbine te dragen. Bovendien moet de mast voldoende sterk zijn om de door de wind uitgeoefende krachten te kunnen weerstaan.

25 Door de maatregelen volgens de uitvinding kan een vakwerkmast worden verkregen, welke enerzijds voldoende slap is om een lage eigenfrequentie van de constructie te verkrijgen, doch anderzijds voldoende sterk is voor het weerstaan van de daarop uitgeoefende 30 krachten. Deze eis is in tegenspraak met de algemeen gehanteerde constructieprincipes voor vakwerkmasten. Door de lage eigenfrequentie, lager dan de frequentie waarmee de bladen van de windturbine de mast passseren, worden aanstootkrachten vanuit de rotor door de massa van de 35 gondel en de traagheid van de rotor opgenomen en verzwakt doorgegeven aan de mast. Hierdoor kan de mast lichter en goedkoper worden geconstrueerd.

Ï014463» 3

Volgens een tweede uitvoeringsvorm heeft de vakwerkmast een in hoogte verschillende stijfheid.

Deze maatregel heeft het voordeel dat de stijfheid van de mast aangepast kan worden aan de diverse 5 omstandigheden, waaraan deze wordt onderworpen. Zo is het bijvoorbeeld mogelijk een dergelijke vakwerkmast aan de onderzijde stijver te construeren dan aan de bovenzijde, zodat de door de windturbine opgewekte trillingen zo min mogelijk doordringen in het onderste deel van de con-10 structie. Dit onderste deel van de constructie kan dan volledig geconstrueerd worden op het verkrijgen van de vereiste sterkte, en, wanneer deze in zee is geplaatst, voor het verkrijgen van de vereiste weerstand tegen golfslag. Door de grote stijfheid van het onderste deel 15 van de vakwerkmast wordt voorkomen dat golven de windturbine in beweging kunnen brengen, waardoor de rotor niet belast wordt met krachten die het gevolg zijn van een respons op bewegingen die door golven zijn opgewekt.

Terzijde wordt opgemerkt dat het aantrekkelijk 20 is windmolens in zee te plaatsen in verband met de daar heersende wind.

Er zijn diverse mogelijkheden voor het construeren van een vakwerkmast met een in hoogte verschillende stijfheid.

25 Volgens een eerste variant verschilt de doorsnede van de diagonale elementen van de vakwerkmast in hoogte.

Volgens een tweede variant verschilt de sterkte van het in de diagonale elementen van de vakwerkmast 30 toegepaste materiaal in de hoogte.

Volgens een derde variant van deze configuratie verschilt de hoek van de diagonaal met de horizontaal in de hoogte

Volgens een vierde variant van deze 35 configuratie verschilt het aantal parallel aangebrachte diagonale elementen van de vakwerkmast in hoogte.

Verder is het mogelijk parallelle diagonale elementen zodanig uit te voeren, dat zij concentrisch f014463* 4 zijn. Er is dan sprake van een omhulling die ingericht is voor het opnemen van trekkrachten en van een kern met dezelfde functie.

Volgens weer een andere uitvoeringsvorm is de 5 stijfheid van de mast voor tenminste een deel van de mast veranderbaar.

Hiermee is het mogelijk de configuratie van de mast aan te passen aan de verwachte omstandigheden; wanneer deze veranderen, of wanneer deze niet met de bij 10 de constructie veronderstelde waarden overeenkomen, is het mogelijk de stijfheid van de mast naderhand aan te passen. Deze maatregel is uiteraard bijzonder doch niet uitsluitend van toepassing op in zee geplaatste windmolens. De krachten waaraan deze zijn blootgesteld 15 variëren sterk en zijn in enige mate op korte termijn voorspelbaar.

Er wordt hierbij op gewezen dat de maatregel van het veranderen van de eigen frequentie ook toepasbaar is op masten, waarbij de diagonale elementen zijn 20 gedimensioneerd voor het opnemen van trek- en drukkrachten.

Volgens een voorkeursuitvoeringsvorm is het zelfs mogelijk de veranderingen van de stijfheid continu te laten plaatsvinden, hetgeen bijvoorbeeld aantrekkelijk 25 is bij het veranderen van de golffrequentie of het toerental als gevolg van een verandering van de windkracht. Hierdoor kan ten allen tijde resonantie van de constructie worden voorkomen, waardoor de constructie lichter en goedkoper kan worden geconstrueerd.

30 Constructief kan een dergelijke situatie worden verkregen, wanneer de meervoudig uitgevoerde elementen parallelle verbindingen omvatten die door middel van bestuurbare koppelingen verbonden zijn met de vakwerk-mast.

35 In het bijzonder wanneer concentrische configuraties voor de diagonale mastelememten worden toegepast, kan deze variant op een elegante manier worden toegepast.

1014468* 5

Deze laatste maatregelen zijn eveneens toepasbaar op mastconstructies, waarbij de diagonale elementen zijn gedimensioneerd voor het opnemen van treken drukkrachten.

5 Andere aantrekkelijke voorkeursuitvoeringsvor men blijken uit de overige onderconclusies.

Vervolgens zal de onderhavige uitvinding worden toegelicht aan de hand van de figuren, waarin voorstellen.· 10 figuur 1: een zijaanzicht van een vakwerkmast volgens de onderhavige uitvinding; figuur 2: een perspectivisch aanzicht van een tweede uitvoeringsvorm van een vakwerkmast volgens de onderhavige uitvinding; 15 figuur 3: een perspectivisch aanzicht van een vakwerkmast, welke door middel van een werkwijze volgens de onderhavige uitvinding op zijn plaats wordt gebracht; figuur 4: een schematisch aanzicht van een uitvoeringsvorm van een bij de werkwijze volgens de 20 onderhavige uitvinding te gebruiken voertuig; figuur 5: een schematisch aanzicht van een vakwerkmast met een daarnaast geplaatste hij sinrichting voor het verrichten van werkzaamheden aan de windturbine; en 25 figuur 6: een perspectivisch detailaanzicht van de in figuur 5 afgebeelde configuratie.

In figuur 1 is een vakwerkmast l getoond, waarop een generator 2 geplaatst is, op de as 3 waarvan een rotor 4 geplaatst is. De vakwerkmast is op de zeebo- 30 dem 5 geplaatst. Voor het steunen van de mast zijn in de zeebodem 5 funderingselementen 6 geplaatst.

Hierbij heeft de totale vakwerkmast een hoogte van ongeveer 80 meter, waarvan een kwart, circa 20 %, zich onder de waterspiegel 7 bevindt.

35 De vakwerkmast bestaat uit randstaven 8, welke verbonden zijn door horizontale elementen 9. Tussen de knooppunten van de randstaven 8 en de horizontale elementen 9 zijn diagonale elementen 10 aangebracht. Hierbij is 1014463« 6 de dimensionering van de constructie zodanig, dat de diagonale elementen gewoonlijk slechts zijn ingericht voor het opvangen van trekkrachten.

Als gevolg van deze maatregelen is het mogelijk 5 door variaties in de doorsnede, materiaal en de verbinding met de knooppunten aan te brengen, de stijfheid van de constructie aan te passen aan het betreffende gebruik. Als gevolg daarvan is het mogelijk, in het bijzonder voor de getoonde uitvoeringsvorm, aan de bovenzijde de mast 10 slapper te maken, dat wil zeggen met een lagere eigen-frequentie, en aan de onderzijde de mast stijver te maken, dat wil zeggen met een hogere eigenfrequentie.

Bij de in figuur 1 getoonde configuratie is sprake van continue randstaven 8. Het is echter tevens 15 mogelijk, zoals in figuur 2 getoond is, gebruik te maken van een aanvankelijk rechthoekige configuratie en daaronder een hoofdzakelijk piramide-vormige configuratie. Deze configuratie heeft het voordeel dat deze zonder verdere maatregelen, bijvoorbeeld voor wat betreft de eigenschap-20 pen van de diagonalen, aan de onderzijde reeds een grotere stijfheid heeft dan boven.

Een dergelijke configuratie is aldus bijzonder geschikt voor het hier geschetste toepassingsbeeld.

In figuur 3 is getoond, hoe een dergelijke 25 constructie rijdend over de zeebodem wordt geplaatst. De mast 1 wordt in een dergelijke situatie bijvoorbeeld op het strand opgebouwd in de verticale toestand.

Om de mast in zijn opgerichte toestand naar de uiteindelijke plaats te bewegen wordt gebruik gemaakt van 30 een over de zeebodem heen rijdend voertuig 11. Dit voertuig is in zijn geheel in figuur 4 afgeheeld. Het voertuig wordt gevormd door een U-vormig frame 12, aan de zijden waarvan draagrollen 13 zijn aangebracht, waaromheen een rupsband 14 is geslagen. Tenminste een van de 35 draagrollen 13 wordt aangedreven door middel van een motor 15, welke door middel van een as 16 met de betreffende draagrol 13 is verbonden.

1014463« t 7

Uiteraard is het geheel waterdicht uitgevoerd om onder water te kunnen rijden. Hierbij is het mogelijk gebruik te maken van afstandsbesturing, waarvoor bij voorkeur camera's op het voertuig zijn opgenomen om te 5 kunnen zien, waarlangs het voertuig zich beweegt.

Verder is het. voertuig voorzien van in verticale richting beweegbare draaghaken 17, welke gebruikt worden voor het optillen en weer neerzetten van de te transporteren constructie. Hiertoe zijn hefmiddelen 18 10 aangebracht, bijvoorbeeld in de vorm van hydraulisch aangedreven cilinders.

Uiteraard is het mogelijk op de constructie van dit voertuig talloze variaties aan te brengen; zo is het bijvoorbeeld mogelijk gebruik te maken van een andersvor-15 mig frame, van een anderssoortige aandrijving, van wielen in plaats van rupsbanden, waarbij de banden van de wielen met vloeistof kunnen zijn gevuld in plaats van met lucht, terwijl de besturing anderszins kan worden uitgevoerd.

Verder kan het voertuig zijn voorzien van een 20 platform dat tot boven het watemiveau kan worden bewogen. Dit platform kan worden gebruikt voor het verkrijgen van toegang tot de mast, bijvoorbeeld voor onderhouds- of reparatiewerkzaamheden, terwijl tevens, boven het water-niveau of tot boven het watemiveau, beweegbaar een 25 aanlandingssteiger kan zijn aangebracht om het voertuig met een boot te kunnen bereiken, wanneer het zich in zee bevindt.

Bovendien kan het voertuig zijn voorzien van een cabine, welke zich eveneens gewoonlijk boven het 30 watemiveau bevindt, en welke dan gebruikt kan worden voor het opslaan van materiaal of als verblijfsruimte voor onderhouds- en reparatiepersoneel. Uiteraard is het wel mogelijk de cabine beweegbaar te maken tot onder het watemiveau; zij zal dan echter waterdicht moeten zijn 35 uitgevoerd.

In figuur 5 is een vakwerkmast 1 getoond, waarop een generator 2 geplaatst is. Op de uitgaande as 1014463« 8 van de generator 2 is een rotor 4 geplaatst. Uiteraard kan in de generator 2 een tandwielkast zijn opgenomen .

De mast 1 is enige tientallen meters hoog en 5 het ligt in de bedoeling dergelijke masten op enige kilometers afstand van de kust te plaatsen. In een dergelijke omstandigheid kan er behoefte zijn aan onderhoud van de generator. Hiertoe kan gebruik worden gemaakt van het in zijn geheel met 20 aangeduide voertuig dat wordt 10 gevormd door een frame 21 dat van wielen 22 is voorzien, waarmee het voertuig 20 zich over de zeebodem kan voortbewegen. Voor de aandrijving kan bijvoorbeeld_gebruik gemaakt worden van een hydraulische aandrijving.

Aan de bovenzijde van het frame 21 is een 15 platform 23 geplaatst, waarop de aandrijvings- en bestu-ringselementen van de inrichting aanwezig zijn. Bovendien kan hier een verblijfs- en besturingscabine worden geplaatst. Bovenop het platform 23 is een giek 24 geplaatst, waarvan de hellingshoek kan worden ingesteld, en 20 waarvan de lengte kan worden veranderd om deze aan te passen aan verschillende hoogten van windturbines. Essentieel is dat er een koppelingsmogelijkheid aanwezig is tussen de bovenzijde van de giek 24 en de generator 2 of de gondel, waarin de generator geplaatst is, of het 25 boveneinde van de mast 1. Hiermee wordt het mogelijk grote lasten met de beschreven inrichting te hijsen.

Een dergelijke koppeling is meer in detail in figuur 6 getoond. Hierbij is zichtbaar hoe de punt van de giek 24 overgaat in een profielbalk 25, welke als kraan-30 baan wordt gebruikt. Het einde van de profielbalk 25 is omgebogen en kan worden geplaatst in een daartoe aangebracht koppelingselement in een op mast 1 geplaatste gondel 2 6. Voor het hij sen van zware lasten kan gebruik gemaakt worden van een kat 27, welke rijdbaar is langs de 35 kraanbaan 25.

Het zal duidelijk zijn dat aan deze configuratie diverse veranderingen kunnen worden aangebracht.

1014469«

Claims (13)

1. Vakwerkmast voor het dragen van een wind-5 turbine, omvattende zich hoofdzakelijk verticaal uitstrekkende elementen, zich hoofdzakelijk horizontaal uitstrekkende elementen en diagonale elementen, waarbij de horizontale en verticale elementen star zijn, en de diagonale elementen zijn ingericht voor het opnemen van 10 trekkrachten, met het kenmerk, dat de diagonale elementen van de vakwerkmast onder voorspanning zijn geplaatst.

2. Vakwerkmast volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de voorspanning van de elementen zodanig is gekozen dat onder elke bij ontwerp voorziene belasting de 15 voorspanning in de diagonale elementen gehandhaafd blijft.

3. Vakwerkmast volgens conclusie l of 2, met het kenmerk, dat de vakwerkmast een in de hoogte verschillende stijfheid heeft.

4. Vakwerkmast volgens conclusie 2 of 3, met het kenmerk, dat de doorsnede van de diagonale elementen van de vakwerkmast in de hoogte verschilt.

5. Vakwerkmast volgens conclusie 2, 3 of 4, met het kenmerk, dat de sterkte van het in de diagonale 25 elementen van de vakwerkmast toegepaste materiaal in de hoogte verschilt.

6. Vakwerkmast volgens conclusie 2, 3, 4 of 5, met het kenmerk, dat de hoek van de diagonaal met de horizontaal in de hoogte verschilt.

7. Vakwerkmast volgens conclusie 2, 3, 4, 5 of 6, met het kenmerk, dat het aantal parallel aangebrachte diagonale elementen van de vakwerkmast in de hoogte verschilt.

8. Vakwerkmast volgens conclusie 7, met het 35 kenmerk, dat tenminste een deel van de parallel aangebrachte diagonale elementen concentrisch is geplaatst.

9. Vakwerkmast volgens een van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat de stijfheid van de mast 4014463» I » voor tenminste een deel van de mast veranderbaar is door aan- en afkoppeling van diagonale elementen.

10. Vakwerkmast volgens conclusie 7, 8 en 9, met het kenmerk, dat de meervoudig uitgevoerde elementen 5 parallelle verbindingen omvatten die door middel van bestuurbare koppelingen, verbonden zijn met de vakwerkmast .

11. Vakwerkmast volgens een van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat de mast in zee is ge- 10 plaatst.

12. Vakwerkmast volgens een van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat de zich hoofdzakelijk verticaal uitstrekkende elementen van beton zijn vervaardigd.

13. Vakwerkmast volgens conclusie 12, met het kenmerk, dat de horizontale elementen van beton zijn vervaardigd . f014463·