NO330452B1

NO330452B1 - Device and method for installing wind turbines

Info

Publication number: NO330452B1
Application number: NO20092300A
Authority: NO
Inventors: Jan Ingar Knudsen
Original assignee: Master Marine Asa
Priority date: 2009-06-16
Filing date: 2009-06-16
Publication date: 2011-04-18
Also published as: NO20092300L; WO2010147480A1

Abstract

Oppfinnelsen omfatter en anordning og fremgangsmåte for installasjon av et turbinblad på en offshore vindturbin, hvor bladet lastes om bord på et installasjonsfartøy og bringes ut til et installasjonssted, idet installasjonsfartøyet posisjoneres nær et tårn til en vindturbin. Fremgangsmåten omfatter å låse bladet (7) fast til en installasjonsramme (1) montert på dekket av et installasjonsfartøy, idet installasjonsrammen er løsbart hengslet i en første ende til dekket nær en side av fartøyet og ved siden av nevnte tårn, å reise installasjonsrammen til en vertikal posisjon, feste en styremekanisme til en første ende av installasjonsrammen, frigjøre installasjonsrammen fra fartøyet, reise installasjonsrammen med bladet inntil den er nær et nav på vindturbinen, feste bladet til navet, frigjøre bladet fra installasjonsrammen, og å fjerne installasjonsrammen fra vindturbinen.The invention comprises a device and method for installing a turbine blade on an offshore wind turbine, wherein the blade is loaded on board an installation vessel and brought out to an installation site, the installation vessel being positioned near a tower of a wind turbine. The method comprises locking the blade (7) to an installation frame (1) mounted on the deck of an installation vessel, the installation frame being detachably hinged at a first end to the deck near one side of the vessel and next to said tower, to raise the installation frame to a vertical position, attach a control mechanism to a first end of the installation frame, release the installation frame from the vessel, raise the installation frame with the blade until it is near a hub of the wind turbine, attach the blade to the hub, release the blade from the installation frame, and remove the installation frame from the wind turbine.

Description

Oppfinnelsens område Field of the invention

Foreliggende oppfinnelse vedrører en anordning for installering av turbinblader på offshore vindturbiner. The present invention relates to a device for installing turbine blades on offshore wind turbines.

Bakgrunn Background

Pa grunn av støyen og periodiske skygger som genereres av vindturbiner, har det blitt foreslått å installere turbinene i offshore vindfarmer, enten som flytende strukturer forankret i dypvannsområder, eller som strukturer montert på bunnen i gruntvannsområder like utenfor kysten. Due to the noise and periodic shadows generated by wind turbines, it has been proposed to install the turbines in offshore wind farms, either as floating structures anchored in deep water areas, or as structures mounted on the bottom in shallow water areas just off the coast.

I tilfelle av bunnmonterte turbiner, omfatter en installasjonsprosedyre å først konstruere en understøttelsesstruktur rammet ned i bunnen, og deretter å montere tårnet til en vindturbin på denne understøttelsen. På dette tårnet monteres det er turbinhus, og til sist installeres det et antall turbinblader på et nav som stikker ut fra huset. Alt arbeid utføres med kraner montert på fartøy. In the case of bottom-mounted turbines, an installation procedure involves first constructing a support structure rammed into the bottom, and then mounting the tower of a wind turbine on this support. A turbine housing is mounted on this tower, and finally a number of turbine blades are installed on a hub that protrudes from the housing. All work is carried out with cranes mounted on vessels.

I tilfelle med turbinblader, er prosessen med løfting og montering av bladene til navet en stor oppgave, etter som turbinbladene varieres i størrelse fra omtrent 50 m i lengde til mer enn 60 m for de største turbinene, og veier fra omtrent 18 tonn til mer enn 22 tonn. Med fremgangsmåten som benyttes i dag, hvor bladene mer eller mindre henger fritt fra krankroken, må installeringsoperasjonen stoppes når vindhastigheten når omtrent 8 m/s. Dette hindrer installeringsoperasjoner om vinteren i nordeuropeiske farvann. Bortsett fra dette, er installasjonen en risikabel prosess for arbeiderne som skal feste de store svingende massene av bladene til turbinakslingen med bolter og mutre. Et turbinblad blir også lett skadet hvis det skulle treffe en annen struktur, slik som tårnet eller kranbommen. Selv små bulker i bladet blir ikke tillatt ettersom de senere kan forårsake at det utvikles sprekker i bladet. In the case of turbine blades, the process of lifting and fitting the blades to the hub is a major undertaking, as turbine blades vary in size from about 50 m in length to more than 60 m for the largest turbines, and weigh from about 18 tons to more than 22 ton. With the method used today, where the blades hang more or less freely from the crane hook, the installation operation must be stopped when the wind speed reaches approximately 8 m/s. This prevents installation operations in winter in northern European waters. Apart from this, the installation is a risky process for the workers who have to attach the large swinging masses of the blades to the turbine shaft with bolts and nuts. A turbine blade is also easily damaged if it were to hit another structure, such as the tower or crane boom. Even small dents in the blade are not allowed as they may later cause cracks to develop in the blade.

Sammenfatning av oppfinnelsen Summary of the Invention

En hensikt med den foreliggende oppfinnelsen er å tilveiebringe en anordning og fremgangsmåte for håndtering av vindturbinblader som gjør det mulig å installere turbinblader offshore på en mer effektiv og sikrere måte under nesten ubegrensede vindforhold. One purpose of the present invention is to provide a device and method for handling wind turbine blades which makes it possible to install turbine blades offshore in a more efficient and safer manner under almost unlimited wind conditions.

Foreliggende oppfinnelse, slik den er definert i de vedføyde krav, prøver å oppfylle denne hensikt. The present invention, as defined in the appended claims, attempts to fulfill this purpose.

Ved å bruke det foreslåtte håndteringssystem kan blader installeres gjennom hele vintersesongen. For en typisk offshore vindfarmlokasjon, vil i tillegg installasjons-operabiliteten øke fra omtrent 60% til omtrent 98% i sommermånedene. Using the proposed handling system, blades can be installed throughout the winter season. For a typical offshore wind farm location, installation operability will also increase from approximately 60% to approximately 98% in the summer months.

Systemet sikrer at bladene er beskyttet gjennom hele installasjonsprosedyren og under full kontroll. The system ensures that the blades are protected throughout the installation procedure and under full control.

Kortfattet beskrivelse av tegningene Brief description of the drawings

Foreliggende oppfinnelse og dens fordeler vil bli bedre forstått med henvisning til den etterfølgende detaljerte beskrivelse og de vedføyde tegninger, hvor: Fig. la-f er en tegning av en komponent av den oppfinneriske anordning, nemlig installasjonsrammen, sett fra siden, foran, fra baksiden, i perspektiv og fra enden, Fig. 2a-c er en tegning av en annen komponent, støttestrukturen, sett fra toppen, siden og i perspektiv, Fig. 3 er et bilde av det generelle arrangement av den oppfinneriske anordning, Fig. 4-8 er en sekvens som viser installasjonen av et turbinblad med den oppfinneriske anordning, Fig. 9 er en illustrasjon som viser arrangementet med styrevaiere i oppfinnelsen, Fig. 10-12 er en fortsettelse av sekvensen vist i Fig. 4-8, som viser hvordan den oppfinneriske anordningen fjernes, Fig. 13-18 er en sekvens korresponderende til Fig. 4-7 som viser de innledende trinn ved installasjon av et turbinblad som leveres motsatt vei. The present invention and its advantages will be better understood with reference to the following detailed description and the accompanying drawings, in which: Fig. la-f is a drawing of a component of the inventive device, namely the installation frame, seen from the side, from the front, from the back , in perspective and from the end, Fig. 2a-c is a drawing of another component, the support structure, seen from the top, side and in perspective, Fig. 3 is a picture of the general arrangement of the inventive device, Fig. 4- 8 is a sequence showing the installation of a turbine blade with the inventive device, Fig. 9 is an illustration showing the arrangement of guide wires in the invention, Figs 10-12 is a continuation of the sequence shown in Figs 4-8, showing how the inventive device is removed, Fig. 13-18 is a sequence corresponding to Fig. 4-7 showing the initial steps in installing a turbine blade which is supplied in the opposite direction.

Detaljert beskrivelse Detailed description

Turbinbladene blir normalt levert til installasjonsfartøyet i havn og lagret horisontalt i en ramme på dekk. Fartøyet inkluderer en anordning ifølge oppfinnelsen montert på dekk ved siden av rammen, dvs. at den spenner over bredden av fartøyet vinkelrett på kjølens retning. Når installasjonsfartøyet har ankommet installasjonsstedet, blir den oppfinneriske anordning benyttet til å heve bladene fra dekket til en vertikal posisjon nær inntil navet på turbinakselen klar for montering. The turbine blades are normally delivered to the installation vessel in port and stored horizontally in a frame on deck. The vessel includes a device according to the invention mounted on the deck next to the frame, i.e. that it spans the width of the vessel perpendicular to the direction of the keel. When the installation vessel has arrived at the installation site, the inventive device is used to raise the blades from the deck to a vertical position close to the hub of the turbine shaft ready for installation.

En anordning ifølge oppfinnelsen omfatter to ramme-lignende strukturer, Fig. 1 og 2, en montert inne i den annen. Den generelle sammensetningen er i vist i Fig. 3 montert på dekket av et installasjonsfartøy ved siden av rammen som holder turbinbladene. Dette er en utførelse av oppfinnelsen hvor operasjonen av de ramme-lignende strukturene kontrolleres av vaiere og vinsjer. A device according to the invention comprises two frame-like structures, Fig. 1 and 2, one mounted inside the other. The general assembly is shown in Fig. 3 mounted on the deck of an installation vessel next to the frame holding the turbine blades. This is an embodiment of the invention where the operation of the frame-like structures is controlled by cables and winches.

Anordningen inkluderer en struktur som har et u-formet tverrsnitt, kalt installasjonsrammen, se Fig. 1. Installasjonsrammen 1 er utstyrt med klemmer 3 som kan rotere og låse et blad 7 i rammen 1. The device includes a structure that has a u-shaped cross-section, called the installation frame, see Fig. 1. The installation frame 1 is equipped with clamps 3 that can rotate and lock a blade 7 in the frame 1.

Videre er det en støttestruktur 2 som inkluderer et glidende skinnesystem 6 og et dreiebord 4 med et hengselsystem 5. Hengselsystemet og dreiebordet er installert ved en første ende av støttestrukturen. Støttestrukturen 2 er vist i Fig. 2. I tillegg er det trekkvinsjer, eller hydrauliske støttearmer (ikke vist på figurene), som kontrollerer posisjonen av bunnen av installasjonsrammen når den bringes inn i en vertikal posisjon. Furthermore, there is a support structure 2 which includes a sliding rail system 6 and a turntable 4 with a hinge system 5. The hinge system and the turntable are installed at a first end of the support structure. The support structure 2 is shown in Fig. 2. In addition, there are traction winches, or hydraulic support arms (not shown in the figures), which control the position of the bottom of the installation frame when it is brought into a vertical position.

Det generelle arrangementet er vist i Fig. 3 med installasjonsrammen 1 hvilende på støttestrukturen 2. Klemmene 3 i installasjonsrammen er åpne og klar for å motta et turbinblad. Installasjonsrammen 1 er i en første ende låst til det løsbare hengselsystemet 5 i støttestrukturen 2. The general arrangement is shown in Fig. 3 with the installation frame 1 resting on the support structure 2. The clamps 3 in the installation frame are open and ready to receive a turbine blade. The installation frame 1 is at a first end locked to the detachable hinge system 5 in the support structure 2.

Videre kan man se trekkvinsjene 10, 12 og deres styrevaiere 11, 13 som er festet til bunnen av installasjonsrammen 2. Det er to bommer 8, 8', en på hver side av turbintårnet 14, som bærer en kasteblokk 9, 9' for styrevaierne 11, 13 for å gi dem gunstig vinkel for å kontrollere posisjonen av bunnen av installasjonsrammen 1 når denne frigjøres fra hengselsystemet 5 på dreiebordet 4. Furthermore, one can see the traction winches 10, 12 and their guide wires 11, 13 which are fixed to the bottom of the installation frame 2. There are two booms 8, 8', one on each side of the turbine tower 14, which carry a throw block 9, 9' for the guide wires 11, 13 to give them a favorable angle to check the position of the bottom of the installation frame 1 when it is released from the hinge system 5 on the turntable 4.

En tredje line 16 direkte fra dekket av fartøyet sikrer full kontroll i alle retninger. For denne hensikt er det montert en tredje trekkvinsj 15 på dekket, se Fig. 9. A third line 16 directly from the deck of the vessel ensures full control in all directions. For this purpose, a third traction winch 15 is mounted on the deck, see Fig. 9.

I stedet for et arrangement med trekkvaiere, kan kontrollen av bunnen av installasjonsrammen utføres av et system bestående av hydrauliske sylindre og teleskopiske armer festet til fartøyet. Instead of an arrangement of traction cables, the control of the bottom of the installation frame can be performed by a system consisting of hydraulic cylinders and telescopic arms attached to the vessel.

Bak installasjonsrammen er det vist rammer med blader klar for installering. Behind the installation frame, frames with leaves ready for installation are shown.

Turbinbladet 7 posisjoneres inn i installasjonsrammen 1 med den ledende kanten nedover. Klemmer 3 griper bladet 7 og holder det i posisjon. Disse klemmene 3 har et ytre lag av et mykt materiale som ikke skader bladet, og opereres enten hydraulisk eller pneumatisk. Fig. 4 viser at bladet blir løftet mot installasjonsrammen opphengt i en kran 17, og Fig. 5 viser bladet sikret i installasjonsrammen. Kranvaieren er festet til installasjonsrammen som er klar til å reises opp. The turbine blade 7 is positioned in the installation frame 1 with the leading edge downwards. Clamps 3 grip the blade 7 and hold it in position. These clamps 3 have an outer layer of a soft material that does not damage the blade, and are operated either hydraulically or pneumatically. Fig. 4 shows that the blade is lifted towards the installation frame suspended in a crane 17, and Fig. 5 shows the blade secured in the installation frame. The crane wire is attached to the installation frame which is ready to be erected.

Når bladet 7 er sikkert låst i installasjonsrammen 1, brukes kranvaieren til å reise opp rammen 1 mens den roterer rundt et hengselsystem 5 på dreiebordet 4 av støttestrukturen 2. Fig. 6 viser rammen 1 når den reises opp. When the blade 7 is securely locked in the installation frame 1, the crane wire is used to raise the frame 1 as it rotates around a hinge system 5 on the turntable 4 of the support structure 2. Fig. 6 shows the frame 1 being raised.

Installasjonsrammen 1 blir deretter brakt i en vertikal posisjon hvor bunnen av rammen fremdeles er sikret i hengselsystemet 5 på dreiebordet 4, se Fig. 7. The installation frame 1 is then brought into a vertical position where the bottom of the frame is still secured in the hinge system 5 on the turntable 4, see Fig. 7.

På dette trinnet blir styrevaierne 11, 13, 16 festet til installasjonsrammen 1 før rammen 1 frigjøres fra hengselsystemet 5 på dreiebordet 4. Fig. 8 viser at installasjonsrammen 1 blir løftet fra dekket inn i posisjon for installasjon av bladet 7, og Fig. 9 viser arrangementet med trekkvinsjene 10, 12, 15 og styrevaierne 11, 13, 16. At this stage, the guide wires 11, 13, 16 are attached to the installation frame 1 before the frame 1 is released from the hinge system 5 on the turntable 4. Fig. 8 shows that the installation frame 1 is lifted from the deck into position for installing the blade 7, and Fig. 9 shows the arrangement with the traction winches 10, 12, 15 and the steering cables 11, 13, 16.

Når bladet 7 har blitt sikret til navet med et tilstrekkelig antall bolter og muttere, blir klemmene 3 i installasjonsrammen 1 åpnet enten fjernkontrollert eller via kontrollkabel mellom rammen 2 og dekket på fartøyet, se Fig. 10. Rammen 1 blir deretter trukket ned inn i hengselsystemet 5 på dreiebordet 4 av de styrende vinsjene 10, 12, 15, se Fig. 11. When the blade 7 has been secured to the hub with a sufficient number of bolts and nuts, the clamps 3 in the installation frame 1 are opened either remotely or via control cable between the frame 2 and the deck of the vessel, see Fig. 10. The frame 1 is then pulled down into the hinge system 5 on the turntable 4 of the steering winches 10, 12, 15, see Fig. 11.

Kranen 17 vil deretter legge rammen 2 ned tilbake i horisontal posisjon og klar for neste blad, se Fig. 12. The crane 17 will then lower the frame 2 back into a horizontal position and ready for the next blade, see Fig. 12.

Bladene blir ofte posisjonert i rammer slik at hvert andre blad har tuppen i motsatt retning. I dette tilfelle er idéen bak systemet at bladene kan posisjoneres sikkert i installasjonsrammen uten å måtte snu bladene 180 grader, og fremdeles bringes til en vertikal posisjon med den rette retningen for installasjon. The leaves are often positioned in frames so that every other leaf has the tip in the opposite direction. In this case, the idea behind the system is that the blades can be positioned securely in the installation frame without having to turn the blades 180 degrees, and still be brought to a vertical position with the correct orientation for installation.

Tuppen av bladene blir alltid posisjonert inne i installasjonsrammen, mens navenden alltid stikker utenfor rammen. I tilfelle tuppen er nærmest turbinen, blir installasjonsrammen løftet i den borteste enden og dreiet rundt hengslet på dreiebordet. The tips of the blades are always positioned inside the installation frame, while the center end always protrudes outside the frame. In case the tip is closest to the turbine, the installation frame is lifted at the far end and pivoted around the hinge on the turntable.

Når den er brakt inn i vertikal posisjon, blir trekklinene, eller de hydrauliske lede-armene festet til bunnen av installasjonsrammen. Dette tilfellet har blitt beskrevet ovenfor. Once brought into the vertical position, the pull lines, or the hydraulic guide arms are attached to the bottom of the installation frame. This case has been described above.

I det etterfølgende beskrives tilfellet hvor tuppen er i den borteste enden vekk fra vindturbinen. Bladet løftes inn i installasjonsrammen, se Fig. 13. In what follows, the case where the tip is at the far end away from the wind turbine is described. The blade is lifted into the installation frame, see Fig. 13.

Når bladet er låst i rammen, blir kranvaieren festet til rammen i enden som er nærmest vindturbinen, se Fig. 14. When the blade is locked in the frame, the crane cable is attached to the frame at the end closest to the wind turbine, see Fig. 14.

Installasjonsrammen blir deretter løftet i den nære enden mens den fjerne enden ledes langs dekket i et skinnesystem i støttestrukturen, se Fig. 15. Når den fjerne enden av rammen når hengselsystemet ved dreiebordet og installasjonsrammen blir brakt vertikalt, blir den fjerne neden låst inn i hengselsystemet, se Fig. 16. The installation frame is then lifted at the near end while the far end is guided along the deck in a rail system in the support structure, see Fig. 15. When the far end of the frame reaches the hinge system at the turntable and the installation frame is brought vertical, the far bottom is locked into the hinge system , see Fig. 16.

Etter at det er reist opp, vil bladet være på den gale siden av installasjonsrammen som vist på Fig. 16. Dreiebordet vil derfor rotere installasjonsrammen 180 grader rundt den vertikale aksen slik at rammen og bladet er i den korrekte posisjonen for installasjon på bladet. After it is erected, the blade will be on the wrong side of the installation frame as shown in Fig. 16. The turntable will therefore rotate the installation frame 180 degrees around the vertical axis so that the frame and blade are in the correct position for installation on the blade.

Fig. 17 viser at rammen roteres og Fig. 18 viser rammen rotert 180 grader. Fig. 17 shows that the frame is rotated and Fig. 18 shows the frame rotated 180 degrees.

Fra dette punktet er operasjonen identisk til det som er beskrevet ovenfor, se Fig. 8-12. From this point the operation is identical to that described above, see Fig. 8-12.

Det tredje bladet blir deretter installert enten med fremgangsmåten benyttet for det første eller det andre bladet. The third blade is then installed using either the method used for the first or the second blade.

Klemmen i installasjonsrammen kan justeres eller erstattes for å passe til et bestemt bladdesign, og deres longitudinale posisjon kan også justeres. The clamp in the installation frame can be adjusted or replaced to suit a particular blade design, and their longitudinal position can also be adjusted.

Mens den oppfinneriske anordning og fremgangsmåten beskrevet ovenfor vedrører installasjonen av vindturbinblader, kan oppfinnelsen også brukes for den motsatte prosedyre, nemlig demontering av en offshore vindenergiinstallasjon. While the inventive device and method described above relate to the installation of wind turbine blades, the invention can also be used for the opposite procedure, namely the dismantling of an offshore wind energy installation.

Claims

1. Device for installing or dismantling turbine blades on an offshore wind turbine, said device being designed to be installed on the deck of an installation vessel, said vessel comprising a crane (17) to operate the device, characterized by• an installation frame (1) with a first end and a second end, and with a number of locking clips (3) for holding a turbine blade (7) to be installed, • a support structure (2) with a first end and a second end, wherein the support structure (2) includes a hinge system (5) near its first end, the hinge system (5) being adapted to releasably hold one end of the installation frame (1), • a control mechanism adapted to control the position of one end of the installation frame (1) relative to the first end of the support structure (2).

2. Device according to claim 1, where the steering mechanism comprises: • a first boom (8) with a first throwing block (9), a first traction winch (10) and a first steering cable (11), • a second boom (8') with a second throwing block (9'), a second traction winch (12) and a second steering cable (13), • a third traction winch (15) and a third steering cable (16).

3. Device according to claim 1, where the steering mechanism comprises a number of hydraulic cylinders and telescopic arms attached to the vessel.

4. Device according to claim 1, where the support structure (2) further comprises a turntable (4) on which the hinge system (5) is mounted, and a sliding track system (6).

5. Procedure for installing a turbine blade on an offshore wind turbine, where the blade is loaded on board an installation vessel and brought out to an installation site, the installation vessel being positioned close to a tower of a wind turbine, characterized by to lock the blade to an installation frame mounted on the deck of a installation vessel, the installation frame being releasably hinged at a first end to the deck near one side of the vessel and next to said tower, raise the frame to a vertical position, attaching a steering mechanism to a first end of said installation frame, releasing the installation frame from the vessel, raise the installation frame with the blade until it is close to a hub on the wind turbine, attach the blade to the hub, release the blade from the installation frame, and to remove the installation frame from the wind turbine.