WO2015110580A1 - Guyed tower structure for a wind turbine with high torsional rigidity - Google Patents

Guyed tower structure for a wind turbine with high torsional rigidity Download PDF

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WO2015110580A1
WO2015110580A1 PCT/EP2015/051363 EP2015051363W WO2015110580A1 WO 2015110580 A1 WO2015110580 A1 WO 2015110580A1 EP 2015051363 W EP2015051363 W EP 2015051363W WO 2015110580 A1 WO2015110580 A1 WO 2015110580A1
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tower
guy
elements
shaft
load introduction
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PCT/EP2015/051363
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Philipp Wagner
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X-Tower Constructions Gmbh
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    • E04H12/20Side-supporting means therefor, e.g. using guy ropes or struts
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    • F03MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • EFIXED CONSTRUCTIONS
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    • Y02E10/70Wind energy
    • Y02E10/728Onshore wind turbines

Definitions

  • the invention relates to a tower construction for a wind energy plant, having a tower shaft which has a shaft cross-section and a longitudinal axis, and a plurality of bracing elements inclined to a longitudinal axis of the tower shaft, by which the tower shaft is braced at least in sections, the bracing elements being secured to one of the longitudinal axis of the tower shaft radially spaced load introduction point of the tower shaft are fixed and anchored radially outside the tower shaft in a ground, and wherein each guy element is assigned a radial direction which is defined in axial plan view by a centroid of the shank cross section and the load introduction point of the respective guy element.
  • the torsional stresses of the tower shaft are considerable, especially in large and high wind turbines (installed power> 2.5 MW, length of the rotor blades> 50 m, hub height> 140 m), so that material fatigue can occur over the intended plant life and the tower complex will ultimately be extensively rehabilitated got to.
  • the object of the invention is therefore to provide a tower construction for a wind energy plant, which has a slim, material-saving construction on the one hand and a particularly high torsional rigidity on the other hand.
  • a tower structure of the type mentioned in which at least some of the guy elements, starting from the respectively associated load introduction point with the associated radial direction in axial plan view form an angle, where: 45 ° ⁇ ⁇ 90 °, in particular 60 ° ⁇ ⁇ 90 °.
  • tensioning cables in particular prestressed tension cables made of steel, are preferably used as bracing elements.
  • the tension cables used as tensioning elements preferably extend substantially linearly, that is to say in a straight line from their load introduction points to their anchoring points. These anchoring points are formed for example on an abutment, which initiates the tensile forces from the guy elements in the ground.
  • at least one guy element can be coupled to a vibration damper, in particular with a friction damper or a cable for vibration damping of the guy element.
  • first bracing elements and second bracing elements are provided, wherein the first bracing elements a tangential force component in a first circumferential direction and the second tie down elements introduce a tangential force component in an opposite second circumferential direction into the tower shaft, wherein the number of first tie down elements preferably corresponds to the number of second tie down elements.
  • the tensioning elements can absorb torsional stresses acting on the tower shaft both in the first circumferential direction and in the opposite second circumferential direction and, if appropriate, counteract torsional excitation forces (damping).
  • Two bracing elements preferably form a guy pair, the bracing elements of a pair of guy braids facing one another in axial plan view and defining an opening angle ⁇ opening towards the tower shaft, where: ⁇ ⁇ 20 °, in particular ⁇ ⁇ 15 °.
  • each Abspannementpoc of a first guy element and a second guy element wherein in particular three uniformly distributed over the shaft periphery Abspannelementpase are provided.
  • a connecting path is defined between the two load introduction points of a guy element pair, wherein the two guy elements of the guy element pair are arranged in axial plan view preferably symmetrically to a perpendicular bisector to the connection path.
  • each pair of tie-bar elements designed as a prestressed pull cable pair acts on the tower shaft substantially "torsionally neutral.”
  • the two guy elements of a guy element pair intersect in an axial plan view.
  • This embodiment of the guy pairs also contributes to increased tower stiffness in terms of flexing and torsion.
  • the bracing elements of a guy element pair particularly preferably extend from their load introduction points to their anchoring points and are coupled to one another at their point of intersection.
  • a coupling or link in the intersection of the free span length of the guy elements and thus their susceptibility to vibration is reduced with little effort in an advantageous manner.
  • the anchoring elements are heavily stressed, especially in the area of anchoring points. A lower susceptibility to vibration of the guy elements thus increases their life and thus reduces the cost of maintaining the tower structure.
  • the two guy elements of a guy element pair converge substantially at one point.
  • the abutment can be made in this case with less effort, but also reduces the positive effect on the tower stability and optionally increases the susceptibility to vibration.
  • the two guy elements of a guy element pair preferably engage a common abutment for anchoring in the ground. In this way, halves the number of abutments required for the tower structure. As a rule, the associated savings far exceed the additional expenditure for the larger dimensioning of the remaining abutments, resulting overall in a reduction of the construction costs and the associated costs.
  • each anchoring element engages for anchoring in the ground at an abutment, wherein the abutment comprises at least one prestressed anchor and at least one foundation pile.
  • prestressed anchor and foundation pile enables significantly stronger prestressing of the guy elements and thus higher rigidity in the guy direction.
  • the stronger bias of the guy elements in turn contributes to increased stability and rigidity of the tower structure.
  • the natural frequency of the tower building also increases and thus moves away from the excitation frequency of the rotor of the wind turbine (1 p and 3p excitation). Unwanted resonance effects are thereby avoided.
  • the effective anchoring length of the prestressed armature is more than 8 m.
  • the abutment comprises a foundation body, to which at least one prestressed anchor and at least one anchoring element engage and at least one foundation pile is fastened.
  • the prestressed anchor preferably has an unanchored, substantially slidably mounted portion extending through the foundation body and / or the ground , For the preloaded anchor thus results in a total length of at least 10 m.
  • the tower shaft has radially outwardly projecting extensions, on each of which a load introduction point of a guy element is formed.
  • the lever arm with respect to which the torsion axis of the tower shaft increases, counteracts the tensioning elements of a torsional load of the tower shaft. Consequently, with identical tensile force in the guy elements an increased rigidity of the tower structure, or it is sufficient to lower tensile force in the guy elements to achieve the same tower stiffness.
  • the tower shaft is preferably a hollow shaft with a skirt wall encircling the shaft cross section.
  • the load introduction points are then provided, for example, on the shaft wall or near the shaft wall, so that the bracing elements have a sufficient lever arm to counteract the torsional loads of the tower shaft.
  • the tower shaft may have, at least in the region of the load introduction points, an annular wall in the shaft cross-section, the bracing elements extending in an axial plan view substantially tangentially to the shaft wall.
  • the anchoring elements act most effectively against a torsional load of the tower shaft, with slight deviations from the tangential direction in the order of ⁇ 5 ° are hardly significant and are also still referred to as "substantially tangential".
  • the tower shaft is made of reinforced concrete, in particular prestressed concrete, at least in the area of the load introduction points.
  • Tower shafts, in which each of the lower section to at least the load introduction points of the guy elements made of reinforced concrete or prestressed concrete, have been found to be particularly suitable for large and / or high wind turbines particularly suitable.
  • at least one anchoring element is designed as a rod, wherein such a rod can be made in one piece or composed of several rod sections.
  • a (possibly composite) rod has a greater inherent rigidity (pressure / bending) than a tension cable used as guy element and is therefore less prone to vibration.
  • FIG. 1 is a schematic view of a wind turbine with a tower structure according to the prior art
  • FIG. 2 shows a schematic cross section through a tower shaft of the tower structure according to FIG. 1 in the region of load introduction points of the guy elements;
  • FIG. 3 is a schematic view of a wind turbine with a tower construction according to the invention
  • FIG. 4 shows a schematic cross section through a tower shaft of a tower construction according to the invention in a first embodiment
  • - Figure 5 shows a schematic cross section through a tower shaft of a tower structure according to the invention in a second embodiment
  • FIG. 6 shows a schematic cross section through a tower shaft of a tower construction according to the invention in a third embodiment
  • - Figure 7 shows a schematic cross section through a tower shaft of a tower structure according to the invention in a fourth embodiment
  • FIG. 8 shows a schematic cross section through a tower shaft of a tower structure according to the invention in a fifth embodiment
  • FIG. 9 shows a schematic cross section through a tower shaft of a tower construction according to the invention in a sixth embodiment
  • FIG. 10 is a guy pair for the tower structure according to the invention in an axial plan view
  • FIG. 1 1 is a schematic sectional detail through an abutment of a tower structure according to the prior art
  • - Figure 12 is a schematic detail section through an inventive tower structure in the region of an abutment for guy elements;
  • FIG. 13 shows a schematic detail section through an inventive tower structure in the region of an abutment for guy elements according to a further embodiment variant
  • FIG. 14 shows a schematic detail section through a tower construction according to the invention in the region of an abutment for guy elements according to a further embodiment variant
  • FIG. 15 shows a schematic detail section through an inventive tower structure in the region of an abutment for guy elements according to a further embodiment variant
  • FIG. 16 shows a guy pair for the tower construction according to the invention in an axial plan view according to an alternative variant to FIG. 10;
  • FIG. 17 shows two alternative detail sections through a composite of rod sections guy element in the joint region of two rod sections.
  • Figures 1 and 2 show a view and a section through a known from the prior art tower construction 10 'for a wind turbine 12, with a tower shaft 14, which has a shank cross section 16 (see Figures 2 to 8) and a longitudinal axis A, and several to the longitudinal axis A of the tower shaft 14 inclined guy elements 18 ', through which the tower shaft 14 is at least partially braced.
  • the guy elements 18 ' are fastened to a load introduction point 22' of the tower shaft 14 radially spaced from the longitudinal axis A of the tower shaft 14 and anchored radially outside the tower shaft 14 in a ground 24.
  • each guy element 18 ' is assigned a radial direction 26, which is fixed in axial plan view by a center of gravity 28 of the shaft cross-section 16 and the load introduction point 22' of the respective guy element 18 '.
  • reference numeral 30 indicates the course of a shaft cross-section 16 that is substantially constant over a height h of the tower structure 10' and reference 32 'indicates the course of a torsional moment 33 constant over the height h, which is applied to a hub 34 of the wind energy plant 12 is initiated for example by lateral air flow or gusts of wind.
  • the comparatively large component deformations as a result of torsion come about in particular because only the material-optimized and very slender tower shaft 14 derives the torsional moment 33 via a shaft foundation 38 into the ground 24.
  • the guy elements 18 ' are substantially radially aligned according to FIG. 2 and therefore provide no or only a negligible proportion when removing the torsional moment 33 into the ground 24.
  • the tensioning elements 18 'extending in the radial direction 26 prevent a rotation of the tower shaft 14 (see FIG. 2, dashed lines) owing to the torsional moment acting on the hub 34.
  • FIG. 3 shows a view of a tower construction 10 for a wind power plant 12, this tower construction 10, in contrast to the known tower construction 10 'according to FIG. 1, having a significantly increased torsional resistance between the ground 24 and the load introduction points 22 of the guy elements 18, 20 the size and the constant profile 30 ', 30 of the shank cross sections 16 are identical over the height h.
  • the tower structure 10 of the wind energy installation 12 comprises, analogously to FIG. 1, the tower shaft 14 with the shank cross section 16 (see FIGS. 4 to 9) and the longitudinal axis A, as well as a plurality of bracing elements 18 inclined to the longitudinal axis A of the tower shaft 14 and running at least in sections outside the tower shaft the tower shaft 14 is braced at least in sections, the bracing elements 18 being fastened to a load introduction point 22 of the tower shaft 14 radially spaced from the longitudinal axis A of the tower shaft 14 and anchored radially outside the tower shaft 14 in the foundation 24, and each tie-down element 18 being a radial direction 26 is assigned, which is fixed in axial plan view through the centroid 28 of the shaft cross-section 16 at the level of the load application points 22 and the load application point 22 of the respective guy element 18.
  • the specified angle ⁇ is always the smaller of the two enclosed between the radial direction 26 and guying element 18, 20 angle.
  • FIGS. 4 to 9 show different embodiments of the load introduction points for the guy elements 18, 20 provided on the tower shaft 14.
  • FIG. 4 shows an embodiment of the tower construction 10, in which the tower shaft 14 has projections 40 projecting radially outwards, on each of which a load introduction point 22 of a guy element 18, 20 is formed.
  • radial extensions 40 increases in relation to the Torsions sin. Longitudinal axis A of the tower shaft 14 of the lever arm 42, with which the bracing elements 18, 20 counteract a torsional load of the tower shaft 14.
  • FIG. 5 shows a further embodiment of the tower construction 10, in which the tower shaft 14 is a hollow shaft with a shaft wall 44 encircling the shaft cross section 16 at least in the area of the load introduction points 22, the load introduction points 22 of the guy elements 18, 20 on a radial outside of the shaft wall 44 are formed.
  • the shaft wall 44 of the tower shaft 14 in FIG. 5 is annular in the shaft cross-section 16 at least in the area of the load introduction points 22, the bracing elements 18, 20 extending substantially tangentially to the shaft wall 44 in an axial plan view.
  • the guy elements 18, 20 most effectively counteract a torsional load of the tower shaft 14, with slight deviations from the tangential direction of the order of magnitude of ⁇ 5 ° scarcely being considered and likewise also being termed "substantially tangential".
  • FIG. 6 shows a further embodiment of the tower structure 10, which differs from the embodiment according to FIG. 5 only in that the load introduction points 22 of the guy elements 18, 20 are formed on a radial inner side of the shaft wall 44.
  • the lever arm 42 with which the guy elements 18, 20 counteract a torsional load of the tower shaft 14, decreases from FIG. 5 to FIG. 7 with identical shaft cross-section 16, the lever arm 42 is still sufficient in FIGS derive the torsional load via the guy elements 18, 20 into the ground.
  • FIG. 7 shows a further embodiment of the tower structure 10, which differs from the embodiment according to FIG. 6 only by the cross-sectional shape of the tower shaft 14.
  • polygonal tower shafts 14 instead of the preferred circular, in particular annular shaft cross-sections 16 with an outer diameter d, polygonal tower shafts 14, in particular polygonal tower shafts 14 with a hollow shank cross section 16 according to FIG. 7, can also be used.
  • FIG. 8 shows a further embodiment of the tower structure 10, in which two guy elements 18, 20 of the tower shaft 14 are integrally formed.
  • the two guy elements 18, 20 merge into one another in the region of their load introduction points 22 and are deflected on the tower shaft 14.
  • the center of the contact section of the guy elements 18, 20 on the tower shaft is regarded as a common load introduction point 22.
  • the tower shaft 14 is made of reinforced concrete, in particular prestressed concrete, at least in the area of the load introduction points 22.
  • Tower shafts 14, in which each of the lower section is made up to at least the load introduction points 22 of the guy elements 18, 20 made of reinforced concrete or prestressed concrete, have been found to be particularly suitable for large and / or high wind turbines 12 particularly suitable.
  • the tower shafts 14 according to the invention have the greatest advantages because in these cases the loads from external torsional moments 33 are greatest.
  • FIG. 9 shows a further embodiment of the tower structure 10, which only differs from the embodiment according to FIG differs by the shaft material, wherein the tower shaft 14 in this case is a truss or lattice mast.
  • guy elements 18, 20 preferably tension cables, in particular prestressed tension cables made of steel, are used.
  • first guy members 18 and second guy members 20 are provided, wherein the first guy members 18 introduce a tangential force component in a first circumferential direction and the second guy members 20 introduce a tangential force component in an opposite second circumferential direction into the tower shaft 14
  • Number of first guy elements 18 corresponds to the number of second guy elements 20.
  • FIG. 10 shows a first guy element 18 and a second anchor element 20 in an axial plan view, in each case between their load introduction points 22 and their anchoring points 48, wherein the guy elements 18, 20 extend linearly from their load introduction points 22 to their anchoring points 48.
  • the two guy elements 18, 20 form a guy pair 50, wherein the guy elements 18, 20 of the guy pair 50 converge in axial plan view and define an opening angle ⁇ which opens towards the tower shaft 14, where ⁇ ⁇ 20 °, in particular ⁇ ⁇ 15 °.
  • a connecting path 51 is defined between the two load introduction points 22 of the Abspannianopass 50, wherein the two guy elements 18, 20 of the Abspannianopass 50 in the axial Top view are arranged symmetrically to a perpendicular bisector 52 on the connecting section 51.
  • the guy elements 18, 20 of the guy element pair 50 shown are linked to one another in the region of their intersection point 53, whereby a maximum free oscillation length of the two guy elements 18, 20 is reduced by a length corresponding to the distance s k to a reduced one Oscillation length - s k shortened. Due to the reduced free oscillation length -s k , the natural frequency of the guy elements 18, 20 increases, so that their susceptibility to vibration is reduced (for example in the case of wind excitation).
  • the connection at the intersection point 53 also leads to a mutual vibration damping of the guy elements 18, 20. As shown in dashed lines in FIG.
  • a coupling element 55 can be provided for linking the guy elements 18, 20 at the point of intersection 53, which connects the two guy elements 18, 20 firmly connected at least transversely to their respective longitudinal direction.
  • the coupling element 55, the two guy elements 18, 20 also connect firmly in their respective longitudinal direction.
  • the two guy elements 18, 20 of a guy element pair 50 converge essentially in an anchoring point 48.
  • an abutment 54 of the guy elements 18, 20 can be made in this case with less effort, but also reduces the positive effect on the tower stability.
  • the free oscillation length of the two guy elements 18, 20 corresponds in this embodiment, the distance s- ⁇ between the load application point 22 and the anchoring point 48 of the respective guy element 18, 20th
  • the two guy elements 18, 20 of a guy element pair 50 preferably engage with a common abutment 54 for anchoring in the ground 24.
  • the number of abutments 54 required for the tower construction 10 is halved.
  • FIG. 1 1 shows a schematic sectional detail through an abutment 54 'of a tower structure 10' according to the prior art, wherein the abutment 54 'is fastened with tie rods in the ground 24.
  • FIG. 12 shows a diagrammatic sectional detail through an abutment 54 of a tower construction 10 according to the invention of a wind energy plant 12.
  • each anchoring element 18, 20 engages an abutment 54 for anchoring in the ground 24, wherein the abutment 54 has at least one preloaded anchor 56 such as a Compression anchor, in particular a GeWi- anchor, and at least one foundation pile 58, in particular a Bohroder pile comprises.
  • the anchors 56 and thus also the guy elements 18, 20 can be prestressed against the ground 24 without the permissible ground pressure at the underside of the abutment 54 being exceeded.
  • the bias of the guy elements 18, 20 in turn contributes to increased stability and rigidity of the tower structure 10.
  • the natural frequency of the tower construction 10 also increases, thereby moving away from the excitation frequency of the rotor of the wind turbine 12, so that no undesirable resonance effects occur.
  • the effective anchoring length of the prestressed armature 56 is more than 8 m.
  • the prestressed armature 56 is preferably composed of an anchoring section with the effective anchoring length of more than 8 m and a floating anchoring section, which has a sliding bearing and extends through the ground 24 and / or a foundation body of the Abutment 54 extends so that the biased anchor an overall length of at least 10 m results.
  • FIG. 13 shows a further variant of anchoring a guy element 18, 20, which differs from the anchoring variant according to FIG. 12 only in that no cavity 60 for tensioning or readjusting the guy elements 18, 20 has to be provided in the abutment 54, but the clamping the guy elements 18, 20 at a coupling joint
  • FIG. 14 shows a further variant of the anchoring of a guy element 18, 20, which differs from the anchoring variant according to FIG. 13 only by the orientation of the anchors 56 and of the foundation pile 58.
  • This anchoring variant is particularly advantageous if the foundation of the tower structure 10 takes place near a property boundary 59 which may not be overbuilt.
  • Figure 15 shows a further anchoring variant for the guy elements 18, 20, in which the carrying capacity of a solid foundation 62 (for example rock) is utilized.
  • the at least one foundation pile 58 is in this case preferably as a foundation plate above the solid ground
  • an additional load 64 can be provided in addition to the permissible tensile stress of the
  • a guy pair 50 is shown in FIG. 16, in which, however, the guy elements 18, 20 are designed not as pull cables but as rods in order to reduce the susceptibility to vibration of the guy elements 18, 20.
  • the bars are longitudinally composed of a plurality of separate bar sections 66 with longitudinally adjacent bar sections 66 fixedly connected together.
  • An abutting region 68 between a rod section 66 and the coupling element 55 can be embodied analogously to a joint region 68 between two rod sections 66, as shown in FIG. 17.
  • Figure 17 shows two alternative embodiments for the butt portions 68.
  • the opposite ends of the bar portions 66 are formed with a conical male thread 70 (e.g., rolled) and a complementary (e.g., rolled) conical female thread 72 with overhang 74.
  • a conical screw connection with projection 74 is particularly fatigue-resistant with regard to lateral vibrations and thus contributes to a particularly long-lasting and reliable connection of the rod sections 66 in the impact region 68.

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Abstract

The invention relates to a tower structure (10) for a wind turbine (12), comprising a tower shaft (14), which has a shaft cross-section (16) and a longitudinal axis (A), as well as a plurality of guying elements (18, 20) which are inclined relative to the longitudinal axis (A) of the tower shaft (14) and by which the tower shaft (14) is guyed at least in some sections, wherein the guying elements (18, 20) are fastened to a load introduction point (22) of the tower shaft (14) that is located radially at a distance from the longitudinal axis (A) of the tower shaft (14) and are anchored radially outside of the tower shaft (14) in a construction base (24), wherein each guying element (18, 20) is assigned a radial direction (26) which, as seen in axial plan view, is defined by a centroid (28) of the shaft cross-section (16) and the load introduction point (22) of the respective guying element (18, 20), and wherein at least some of the guying elements (18, 20), starting from the respectively assigned load introduction point (22), enclose an angle (α) with the assigned radial direction (26), as seen in axial plan view, wherein: a) α = 90° or b) 45°≤α<90°, in particular 60°≤α<90°.

Description

ABGESPANNTES TURMBAUWERK FÜR EINE WINDENERGIEANLAGE MIT HOHER TORSIONSSTEIFIGKEIT  TENDERED TOWER CONSTRUCTION FOR A WIND POWER PLANT WITH HIGH TORSION STIFFNESS
Die Erfindung betrifft ein Turmbauwerk für eine Windenergieanlage, mit einem Turmschaft, der einen Schaftquerschnitt und eine Längsachse aufweist, sowie mehreren zu einer Längsachse des Turmschafts geneigten Abspannelementen, durch die der Turmschaft zumindest abschnittsweise abgespannt ist, wobei die Abspannelemente an einem von der Längsachse des Turmschafts radial beab- standeten Lasteinleitungspunkt des Turmschafts befestigt sowie radial außerhalb des Turmschafts in einem Baugrund verankert sind, und wobei jedem Abspannelement eine Radialrichtung zugeordnet ist, die in axialer Draufsicht durch einen Flächenschwerpunkt des Schaftquerschnitts und den Lasteinleitungspunkt des jeweiligen Abspannelements festgelegt ist. The invention relates to a tower construction for a wind energy plant, having a tower shaft which has a shaft cross-section and a longitudinal axis, and a plurality of bracing elements inclined to a longitudinal axis of the tower shaft, by which the tower shaft is braced at least in sections, the bracing elements being secured to one of the longitudinal axis of the tower shaft radially spaced load introduction point of the tower shaft are fixed and anchored radially outside the tower shaft in a ground, and wherein each guy element is assigned a radial direction which is defined in axial plan view by a centroid of the shank cross section and the load introduction point of the respective guy element.
Im Bereich der Windkrafttechnik werden häufig eingespannte Kragträger als Turmbauwerke für Windenergieanlagen eingesetzt. Zur Aufnahme der nach unten zunehmenden Biegemomente und zur Aufnahme der Torsion um die Längsachse weiten sich diese Turmbauwerke nach unten hin auf und/oder werden durch zunehmende Material- bzw. Wandstärken für die auftretende Beanspruchung, insbesondere infolge der Biege- und Torsionsmomente bemessen. In the field of wind power technology, often clamped cantilevers are used as tower structures for wind turbines. To accommodate the downward bending moments and to absorb the torsion about the longitudinal axis, these towers widen downwards and / or are dimensioned by increasing material or wall thicknesses for the occurring stress, in particular as a result of the bending and torsional moments.
In jüngerer Vergangenheit wurden für sehr hohe Turmbauwerke bereits abgespannte Konstruktionen vorgeschlagen, um die Momentenbeanspruchung im Turmschaft zu reduzieren. Diese Bauweise mit in axialer Draufsicht vom Turmschaft radial nach außen verlaufenden Abspannelementen ermöglicht es, die Momente im Turmschaft zu reduzieren, sodass das Turmbauwerk insbesondere im unteren, bodennahen Bereich erheblich schlanker ausgebildet und somit Material eingespart werden kann. Infolge der schlankeren Bauweise sinkt jedoch der Torsionswiderstand des Turmbauwerks, was insbesondere bei ungleichmäßiger Anströmung des Rotors und böigem Wind zu unerwünschten Torsionsschwingungen führt, die insbe- sondere mit den Blatteigenfrequenzen 1 p und 3p der Rotorblätter und mit Corrioliskräften der rotierenden Massen in Konflikt kommen können. In the recent past, already very taut structures have been proposed for very tall tower structures in order to reduce the moment load in the tower shaft. This design with axially in plan view of the tower shaft extending outward Abspannelementen makes it possible to reduce the moments in the tower shaft, so that the tower construction, in particular in the lower, near-ground area significantly slimmer and thus material can be saved. As a result of the slimmer construction, however, the torsional resistance of the tower construction decreases, which leads to undesired torsional vibrations, in particular in the case of uneven flow to the rotor and gusty wind. special with the leaf natural frequencies 1 p and 3p of the rotor blades and with Corrioliskräften the rotating masses can come into conflict.
Die Torsionsbeanspruchungen des Turmschafts sind insbesondere bei großen und hohen Windenergieanlagen (installierte Leistung > 2,5 MW, Länge der Rotorblätter > 50 m, Nabenhöhe > 140 m) beachtlich, sodass über die beabsichtigte Anlagenlaufzeit eine Materialermüdung auftreten kann und das Turmbauwerk letztlich aufwendig saniert werden muss. The torsional stresses of the tower shaft are considerable, especially in large and high wind turbines (installed power> 2.5 MW, length of the rotor blades> 50 m, hub height> 140 m), so that material fatigue can occur over the intended plant life and the tower complex will ultimately be extensively rehabilitated got to.
Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung eines Turmbauwerks für eine Windenergieanlage, das zum einen eine schlanke, materialsparende Konstruk- tion und zum andern eine besonders hohe Torsionssteifigkeit aufweist. The object of the invention is therefore to provide a tower construction for a wind energy plant, which has a slim, material-saving construction on the one hand and a particularly high torsional rigidity on the other hand.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Turmbauwerk der eingangs genannten Art, bei dem zumindest einige der Abspannelemente ausgehend von dem jeweils zugeordneten Lasteinleitungspunkt mit der zugeordneten Radialrichtung in axialer Draufsicht einen Winkel einschließen, wobei gilt: 45°< α < 90°, insbesondere 60°< α < 90°. This object is achieved by a tower structure of the type mentioned, in which at least some of the guy elements, starting from the respectively associated load introduction point with the associated radial direction in axial plan view form an angle, where: 45 ° <α <90 °, in particular 60 ° <α <90 °.
Durch die radiale Beabstandung des Lasteinleitungspunkts von der Längsachse des Turmschafts sowie die Ausrichtung der Abspannelemente in dem angegebenen Winkelbereich wird sichergestellt, dass Torsionsbeanspruchungen des Turmschafts zumindest teilweise von den Abspannelementen aufgenommen und in den Baugrund abgeleitet werden können. Als Abspannelemente kommen dabei vorzugsweise Zugseile, insbesondere vorgespannte Zugseile aus Stahl zum Einsatz. The radial spacing of the load application point from the longitudinal axis of the tower shaft and the orientation of the guy elements in the specified angular range ensures that torsional stresses of the tower shaft can be at least partially absorbed by the guy elements and discharged into the ground. In this case, tensioning cables, in particular prestressed tension cables made of steel, are preferably used as bracing elements.
Vorzugsweise erstrecken sich die als Abspannelemente verwendeten Zugseile im Wesentlichen linear, das heißt geradlinig von ihren Lasteinleitungs- punkten zu ihren Verankerungspunkten. Diese Verankerungspunkte sind beispielsweise an einem Widerlager ausgebildet, welches die Zugkräfte aus den Abspannelementen in den Baugrund einleitet. Optional kann wenigstens ein Abspannelement mit einem Schwingungsdämpfer gekoppelt sein, insbesondere mit einem Reibdämpfer oder einem Seil zur Schwingungsdämpfung des Abspannelements. The tension cables used as tensioning elements preferably extend substantially linearly, that is to say in a straight line from their load introduction points to their anchoring points. These anchoring points are formed for example on an abutment, which initiates the tensile forces from the guy elements in the ground. Optionally, at least one guy element can be coupled to a vibration damper, in particular with a friction damper or a cable for vibration damping of the guy element.
In einer Ausführungsform des Turmbauwerks sind erste Abspannelemente und zweite Abspannelemente vorgesehen, wobei die ersten Abspannelemente eine tangentiale Kraftkomponente in einer ersten Umfangsrichtung und die zweiten Abspannelemente eine tangentiale Kraftkomponente in einer entgegengesetzten zweiten Umfangsrichtung in den Turmschaft einleiten, wobei die Anzahl der ersten Abspannelemente vorzugsweise der Anzahl der zweiten Abspannelemente entspricht. Durch diese Konstruktion können die Abspannelemente sowohl in der ersten Umfangsrichtung als auch in der entgegengesetzten zweiten Umfangsrichtung auf den Turmschaft einwirkende Torsionsbelastungen aufnehmen und gegebenenfalls torsionalen Erregerkräften (dämpfend) entgegenwirken. Bei identischer Anzahl und symmetrischer Ausrichtung der ersten und zweiten Abspannelemente ist sichergestellt, dass sich die über die vorgespannten Abspannelemente in den Turmschaft eingeleiteten Torsionsmomente aufheben, sodass der Turmschaft durch die Vorspannung der Abspannelemente nicht auf Torsion beansprucht wird. In one embodiment of the tower construction, first bracing elements and second bracing elements are provided, wherein the first bracing elements a tangential force component in a first circumferential direction and the second tie down elements introduce a tangential force component in an opposite second circumferential direction into the tower shaft, wherein the number of first tie down elements preferably corresponds to the number of second tie down elements. By virtue of this construction, the tensioning elements can absorb torsional stresses acting on the tower shaft both in the first circumferential direction and in the opposite second circumferential direction and, if appropriate, counteract torsional excitation forces (damping). With an identical number and symmetrical alignment of the first and second bracing elements, it is ensured that the torsional torques introduced via the prestressed guy elements into the tower shaft cancel, so that the tower shaft is not subjected to torsion as a result of the prestressing of the bracing elements.
Vorzugsweise bilden zwei Abspannelemente ein Abspannelementepaar, wobei die Abspannelemente eines Abspannelementepaares in axialer Draufsicht aufeinander zu laufen und einen sich zum Turmschaft hin öffnenden Öffnungswinkel ß definieren, wobei gilt: ß < 20°, insbesondere ß < 15°. Two bracing elements preferably form a guy pair, the bracing elements of a pair of guy braids facing one another in axial plan view and defining an opening angle β opening towards the tower shaft, where: β <20 °, in particular β <15 °.
Besonders bevorzugt besteht jedes Abspannelementepaar aus einem ersten Abspannelement und einem zweiten Abspannelement, wobei insbesondere drei gleichmäßig über den Schaftumfang verteilte Abspannelementpaare vorgesehen sind. Particularly preferably, each Abspannelementepaar of a first guy element and a second guy element, wherein in particular three uniformly distributed over the shaft periphery Abspannelementpaare are provided.
Zwischen den beiden Lasteinleitungspunkten eines Abspannelementepaars ist eine Verbindungsstrecke definiert, wobei die beiden Abspannelemente des Abspannelementepaars in axialer Draufsicht vorzugsweise symmetrisch zu einer Mittelsenkrechten auf die Verbindungsstrecke angeordnet sind. Auf diese Weise wirkt jedes als vorgespanntes Zugseilpaar ausgeführte Abspannelementepaar im Wesentlichen „torsionsneutral" auf den Turmschaft. Durch eine gleichmäßige Verteilung der Abspannelementepaare über den Schaftumfang wird auch die von den vorgespannten Zugseilen in den Turmschaft eingeleitete Biegebelastung abgetragen, sodass der Turmschaft durch die vorgespannten Abspannelemente insgesamt weder auf Torsion noch auf Biegung beansprucht wird. A connecting path is defined between the two load introduction points of a guy element pair, wherein the two guy elements of the guy element pair are arranged in axial plan view preferably symmetrically to a perpendicular bisector to the connection path. In this way, each pair of tie-bar elements designed as a prestressed pull cable pair acts on the tower shaft substantially "torsionally neutral." By uniformly distributing the tie-rod pairs over the shaft circumference, the bending load introduced by the prestressed tension cables into the tower shaft is also removed, so that the tower shaft as a whole is biased by the prestressed tension elements is claimed neither on torsion nor bending.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Turmbauwerks überkreuzen sich die beiden Abspannelemente eines Abspannelementepaars in axialer Draufsicht. Diese Ausführung der Abspannelementepaare trägt in Bezug auf Biegung und Torsion ebenfalls zu einer erhöhten Turmsteifigkeit bei. In a preferred embodiment of the tower structure, the two guy elements of a guy element pair intersect in an axial plan view. This embodiment of the guy pairs also contributes to increased tower stiffness in terms of flexing and torsion.
Besonders bevorzugt erstrecken sich die Abspannelemente eines Abspannelementepaars dabei jeweils von ihren Lasteinleitungspunkten zu ihren Ver- ankerungspunkten und sind in ihrem Kreuzungspunkt miteinander gekoppelt. Durch eine solche Kopplung oder Verknüpfung im Kreuzungspunkt wird die freie Spannlänge der Abspannelemente und damit deren Schwingungsanfälligkeit mit geringem Aufwand in vorteilhafter Weise reduziert. Durch windinduzierte Dauerschwingungen im Betrieb des Turmbauwerks werden die Abspannelemente insbesondere im Bereich der Verankerungsstellen stark beansprucht. Eine geringere Schwingungsanfälligkeit der Abspannelemente erhöht folglich deren Lebensdauer und senkt damit die Kosten für den Unterhalt des Turmbauwerks. In this case, the bracing elements of a guy element pair particularly preferably extend from their load introduction points to their anchoring points and are coupled to one another at their point of intersection. By such a coupling or link in the intersection of the free span length of the guy elements and thus their susceptibility to vibration is reduced with little effort in an advantageous manner. By wind-induced continuous vibrations during operation of the tower construction, the anchoring elements are heavily stressed, especially in the area of anchoring points. A lower susceptibility to vibration of the guy elements thus increases their life and thus reduces the cost of maintaining the tower structure.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist auch denkbar, dass die beiden Abspannelemente eines Abspannelementepaars im Wesentlichen in einem Punkt zusammenlaufen. Im Vergleich zu den obengenannten, überkreuzten Abspannelementen lässt sich das Widerlager in diesem Fall mit geringerem Aufwand fertigen, wobei sich allerdings auch die positive Wirkung auf die Turmstabilität verringert und gegebenenfalls die Schwingungsanfälligkeit erhöht. According to an alternative embodiment, it is also conceivable that the two guy elements of a guy element pair converge substantially at one point. Compared to the above-mentioned cross-over guy elements, the abutment can be made in this case with less effort, but also reduces the positive effect on the tower stability and optionally increases the susceptibility to vibration.
Die beiden Abspannelemente eines Abspannelementepaars greifen zur Ver- ankerung im Baugrund vorzugsweise an einem gemeinsamen Widerlager an. Auf diese Weise halbiert sich die Anzahl der für das Turmbauwerk erforderlichen Widerlager. Die damit verbundenen Einsparungen übertreffen dabei in der Regel bei Weitem den Mehraufwand für die größere Dimensionierung der verbleibenden Widerlager, sodass sich insgesamt eine Verringerung des Bauaufwands und der damit verbundenen Kosten ergibt. The two guy elements of a guy element pair preferably engage a common abutment for anchoring in the ground. In this way, halves the number of abutments required for the tower structure. As a rule, the associated savings far exceed the additional expenditure for the larger dimensioning of the remaining abutments, resulting overall in a reduction of the construction costs and the associated costs.
In einer weiteren Ausführungsform des Turmbauwerks greift jedes Abspannelement zur Verankerung im Baugrund an einem Widerlager an, wobei das Widerlager wenigstens einen vorgespannten Anker sowie wenigstens einen Fundamentpfahl umfasst. Diese Kombination aus vorgespanntem Anker und Fundamentpfahl ermöglicht eine deutlich stärkere Vorspannung der Abspannelemente und damit eine höhere Steifigkeit in Abspannrichtung. Die stärkere Vorspannung der Abspannelemente trägt wiederum zu einer erhöhten Stabilität und Steifigkeit des Turmbauwerks bei. Infolge der größeren Turmsteifigkeit er- höht sich auch die Eigenfrequenz des Turmbauwerks und entfernt sich dadurch von der Erregerfrequenz des Rotors der Windenergieanlage (1 p und 3p Anregung). Unerwünschte Resonanzeffekte werden dadurch vermieden. Um die Vorspannung der Abspannelemente in gewünschter Weise erhöhen zu können, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die wirksame Verankerungslänge der vorgespannten Anker mehr als 8 m beträgt. Insbesondere umfasst das Widerlager einen Fundamentkörper, an welchem wenigstens ein vorgespannter Anker und wenigstens ein Abspannelement angreifen sowie wenigstens ein Fundamentpfahl befestigt ist. Zwischen einem im Baugrund mit der wirksamen Ver- ankerungslänge von mehr als 8 m verankerten Abschnitt und einer Befestigungsstelle am Fundamentkörper weist der vorgespannte Anker bevorzugt einen un- verankerten, im Wesentlichen gleitend gelagerten Abschnitt auf, der sich durch den Fundamentkörper und/oder den Baugrund erstreckt. Für den vorgespannten Anker ergibt sich somit eine Gesamtlänge von wenigstens 10 m. In einer weiteren Ausführungsform des Turmbauwerks weist der Turmschaft radial nach außen ragende Fortsätze auf, an denen jeweils ein Lasteinleitungspunkt eines Abspannelements ausgebildet ist. Durch diese radialen Fortsätze vergrößert sich in Bezug auf die Torsionsachse des Turmschafts der Hebelarm, mit dem die Abspannelemente einer Torsionsbelastung des Turmschafts entge- genwirken. Folglich ergibt sich bei identischer Zugkraft in den Abspannelementen eine erhöhte Steifigkeit des Turmbauwerks, oder es reicht eine geringere Zugkraft in den Abspannelementen aus, um die gleiche Turmsteifigkeit zu erreichen. In a further embodiment of the tower construction, each anchoring element engages for anchoring in the ground at an abutment, wherein the abutment comprises at least one prestressed anchor and at least one foundation pile. This combination of prestressed anchor and foundation pile enables significantly stronger prestressing of the guy elements and thus higher rigidity in the guy direction. The stronger bias of the guy elements in turn contributes to increased stability and rigidity of the tower structure. As a result of the greater tower stiffness, The natural frequency of the tower building also increases and thus moves away from the excitation frequency of the rotor of the wind turbine (1 p and 3p excitation). Unwanted resonance effects are thereby avoided. In order to increase the bias of the guy elements in the desired manner, it has proved to be advantageous if the effective anchoring length of the prestressed armature is more than 8 m. In particular, the abutment comprises a foundation body, to which at least one prestressed anchor and at least one anchoring element engage and at least one foundation pile is fastened. Between a anchored in the ground with the effective anchoring length of more than 8 m section and an attachment point on the foundation body, the prestressed anchor preferably has an unanchored, substantially slidably mounted portion extending through the foundation body and / or the ground , For the preloaded anchor thus results in a total length of at least 10 m. In a further embodiment of the tower construction, the tower shaft has radially outwardly projecting extensions, on each of which a load introduction point of a guy element is formed. As a result of these radial extensions, the lever arm, with respect to which the torsion axis of the tower shaft increases, counteracts the tensioning elements of a torsional load of the tower shaft. Consequently, with identical tensile force in the guy elements an increased rigidity of the tower structure, or it is sufficient to lower tensile force in the guy elements to achieve the same tower stiffness.
Vorzugsweise ist der Turmschaft zumindest im Bereich der Lasteinleitungspunkte ein Hohlschaft mit einer im Schaftquerschnitt umlaufenden Schaftwand. Die Lasteinleitungspunkte sind dann beispielsweise an der Schaftwand oder nahe der Schaftwand vorgesehen, sodass die Abspannelemente einen ausreichenden Hebelarm aufweisen, um den Torsionsbelastungen des Turmschafts entgegenzuwirken. At least in the region of the load introduction points, the tower shaft is preferably a hollow shaft with a skirt wall encircling the shaft cross section. The load introduction points are then provided, for example, on the shaft wall or near the shaft wall, so that the bracing elements have a sufficient lever arm to counteract the torsional loads of the tower shaft.
Insbesondere kann der Turmschaft zumindest im Bereich der Lasteinleitungs- punkte eine im Schaftquerschnitt kreisringförmige Schaftwand aufweisen, wobei sich die Abspannelemente in axialer Draufsicht im Wesentlichen tangential zur Schaftwand erstrecken. Bei tangentialer Ausrichtung wirken die Abspannelemente einer Torsionsbelastung des Turmschafts am wirksamsten entgegen, wobei geringe Abweichungen von der Tangentialrichtung in der Größenordnung von ± 5° kaum ins Gewicht fallen und ebenfalls noch als „im Wesentlichen tangential" bezeichnet werden. In particular, the tower shaft may have, at least in the region of the load introduction points, an annular wall in the shaft cross-section, the bracing elements extending in an axial plan view substantially tangentially to the shaft wall. In the case of tangential alignment, the anchoring elements act most effectively against a torsional load of the tower shaft, with slight deviations from the tangential direction in the order of ± 5 ° are hardly significant and are also still referred to as "substantially tangential".
In einer weiteren Ausführungsform des Turmbauwerks ist der Turmschaft zu- mindest im Bereich der Lasteinleitungspunkte aus Stahlbeton, insbesondere aus Spannbeton hergestellt. Turmschäfte, bei denen jeweils der untere Abschnitt bis wenigstens zu den Lasteinleitungspunkten der Abspannelemente aus Stahlbeton oder Spannbeton hergestellt ist, haben sich insbesondere bei großen und/oder hohen Windenergieanlagen als besonders geeignet herausgestellt. Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Turmbauwerks ist wenigstens ein Abspannelement als Stab ausgebildet, wobei ein solcher Stab einstückig ausgeführt oder aus mehreren Stababschnitten zusammengesetzt sein kann. Ein (gegebenenfalls zusammengesetzter) Stab weist gegenüber einem als Abspannelement verwendeten Zugseil eine größere Eigensteifigkeit (Druck/Biegung) auf und ist daher weniger schwingungsanfällig. Im Betrieb des Turmbauwerks werden die Abspannelemente durch windinduzierte Dauerschwingungen insbesondere im Bereich der Verankerungsstellen stark beansprucht. Eine geringere Schwingungsanfälligkeit der Abspannelemente erhöht folglich deren Lebensdauer und senkt damit die Kosten für den Unterhalt des Turmbauwerks. Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. In diesen zeigen: In a further embodiment of the tower construction, the tower shaft is made of reinforced concrete, in particular prestressed concrete, at least in the area of the load introduction points. Tower shafts, in which each of the lower section to at least the load introduction points of the guy elements made of reinforced concrete or prestressed concrete, have been found to be particularly suitable for large and / or high wind turbines particularly suitable. According to a further embodiment of the tower construction, at least one anchoring element is designed as a rod, wherein such a rod can be made in one piece or composed of several rod sections. A (possibly composite) rod has a greater inherent rigidity (pressure / bending) than a tension cable used as guy element and is therefore less prone to vibration. During operation of the tower construction, the anchoring elements are subjected to high stresses by wind-induced permanent vibrations, in particular in the area of the anchoring points. A lower susceptibility to vibration of the guy elements thus increases their life and thus reduces the cost of maintaining the tower structure. Further features and advantages of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments with reference to the drawings. In these show:
- Figur 1 eine schematische Ansicht einer Windenergieanlage mit einem Turmbauwerk gemäß dem Stand der Technik; - Figur 2 einen schematischen Querschnitt durch einen Turmschaft des Turmbauwerks gemäß Figur 1 im Bereich von Lasteinleitungspunkten der Abspannelemente; - Figure 1 is a schematic view of a wind turbine with a tower structure according to the prior art; FIG. 2 shows a schematic cross section through a tower shaft of the tower structure according to FIG. 1 in the region of load introduction points of the guy elements;
- Figur 3 eine schematische Ansicht einer Windenergieanlage mit einem erfindungsgemäßen Turmbauwerk; - Figur 4 einen schematischen Querschnitt durch einen Turmschaft eines erfindungsgemäßen Turmbauwerks in einer ersten Ausführungsform; - Figur 5 einen schematischen Querschnitt durch einen Turmschaft eines erfindungsgemäßen Turmbauwerks in einer zweiten Ausführungsform; - Figure 3 is a schematic view of a wind turbine with a tower construction according to the invention; FIG. 4 shows a schematic cross section through a tower shaft of a tower construction according to the invention in a first embodiment; - Figure 5 shows a schematic cross section through a tower shaft of a tower structure according to the invention in a second embodiment;
- Figur 6 einen schematischen Querschnitt durch einen Turmschaft eines erfindungsgemäßen Turmbauwerks in einer dritten Ausführungsform; - Figur 7 einen schematischen Querschnitt durch einen Turmschaft eines erfindungsgemäßen Turmbauwerks in einer vierten Ausführungsform; FIG. 6 shows a schematic cross section through a tower shaft of a tower construction according to the invention in a third embodiment; - Figure 7 shows a schematic cross section through a tower shaft of a tower structure according to the invention in a fourth embodiment;
- Figur 8 einen schematischen Querschnitt durch einen Turmschaft eines erfindungsgemäßen Turmbauwerks in einer fünften Ausführungsform; - Figure 8 shows a schematic cross section through a tower shaft of a tower structure according to the invention in a fifth embodiment;
- Figur 9 einen schematischen Querschnitt durch einen Turmschaft eines erfindungsgemäßen Turmbauwerks in einer sechsten Ausführungsform; FIG. 9 shows a schematic cross section through a tower shaft of a tower construction according to the invention in a sixth embodiment;
- Figur 10 ein Abspannelementepaar für das erfindungsgemäße Turmbauwerk in axialer Draufsicht; - Figure 10 is a guy pair for the tower structure according to the invention in an axial plan view;
- Figur 1 1 ein schematisches Schnittdetail durch ein Widerlager eines Turmbauwerks gemäß dem Stand der Technik; - Figur 12 einen schematischen Detailschnitt durch ein erfindungsgemäßes Turmbauwerk im Bereich eines Widerlagers für Abspannelemente; - Figure 1 1 is a schematic sectional detail through an abutment of a tower structure according to the prior art; - Figure 12 is a schematic detail section through an inventive tower structure in the region of an abutment for guy elements;
- Figur 13 einen schematischen Detailschnitt durch ein erfindungsgemäßes Turmbauwerk im Bereich eines Widerlagers für Abspannelemente gemäß einer weiteren Ausführungsvariante; - Figur 14 einen schematischen Detailschnitt durch ein erfindungsgemäßes Turmbauwerk im Bereich eines Widerlagers für Abspannelemente gemäß einer weiteren Ausführungsvariante; FIG. 13 shows a schematic detail section through an inventive tower structure in the region of an abutment for guy elements according to a further embodiment variant; FIG. 14 shows a schematic detail section through a tower construction according to the invention in the region of an abutment for guy elements according to a further embodiment variant;
- Figur 15 einen schematischen Detailschnitt durch ein erfindungsgemäßes Turmbauwerk im Bereich eines Widerlagers für Abspannelemente gemäß einer weiteren Ausführungsvariante; FIG. 15 shows a schematic detail section through an inventive tower structure in the region of an abutment for guy elements according to a further embodiment variant;
- Figur 16 ein Abspannelementepaar für das erfindungsgemäße Turmbauwerk in axialer Draufsicht gemäß einer zur Figur 10 alternativen Variante; FIG. 16 shows a guy pair for the tower construction according to the invention in an axial plan view according to an alternative variant to FIG. 10;
- Figur 17 zwei alternative Detailschnitte durch ein aus Stababschnitten zusammengesetztes Abspannelement im Stoßbereich zweier Stababschnitte. Die Figuren 1 und 2 zeigen eine Ansicht bzw. einen Schnitt durch ein aus dem Stand der Technik bekanntes Turmbauwerk 10' für eine Windenergieanlage 12, mit einem Turmschaft 14, der einen Schaftquerschnitt 16 (siehe Figuren 2 bis 8) und eine Längsachse A aufweist, sowie mehreren zur Längsachse A des Turmschafts 14 geneigten Abspannelementen 18', durch die der Turmschaft 14 zumindest abschnittsweise abgespannt ist. Die Abspannelemente 18' sind an einem von der Längsachse A des Turmschafts 14 radial beabstandeten Lasteinleitungspunkt 22' des Turmschafts 14 befestigt sowie radial außerhalb des Turmschafts 14 in einem Baugrund 24 verankert. Ferner ist jedem Abspannele- ment 18' eine Radialrichtung 26 zugeordnet, die in axialer Draufsicht durch einen Flächenschwerpunkt 28 des Schaftquerschnitts 16 und den Lasteinleitungspunkt 22' des jeweiligen Abspannelements 18' festgelegt ist. - Figure 17 shows two alternative detail sections through a composite of rod sections guy element in the joint region of two rod sections. Figures 1 and 2 show a view and a section through a known from the prior art tower construction 10 'for a wind turbine 12, with a tower shaft 14, which has a shank cross section 16 (see Figures 2 to 8) and a longitudinal axis A, and several to the longitudinal axis A of the tower shaft 14 inclined guy elements 18 ', through which the tower shaft 14 is at least partially braced. The guy elements 18 'are fastened to a load introduction point 22' of the tower shaft 14 radially spaced from the longitudinal axis A of the tower shaft 14 and anchored radially outside the tower shaft 14 in a ground 24. Furthermore, each guy element 18 'is assigned a radial direction 26, which is fixed in axial plan view by a center of gravity 28 of the shaft cross-section 16 and the load introduction point 22' of the respective guy element 18 '.
Gemäß Figur 1 ist mit dem Bezugszeichen 30' der Verlauf eines über eine Höhe h des Turmbauwerks 10' im Wesentlichen konstanten Schaftquerschnitts 16 und mit dem Bezugszeichen 32' der Verlauf eines über die Höhe h konstanten Torsionsmoments 33 angedeutet, welches an einer Nabe 34 der Windenergieanlage 12 zum Beispiel durch seitliche Luftanströmung oder Windböen eingeleitet wird. Das Bezugszeichen 36' weist schließlich auf den Verlauf einer vom Baugrund 24 aus kontinuierlich und linear zunehmenden Verdrehung bzw. Verformung des Turmschafts 14 durch das Torsionsmoment 33 hin. According to FIG. 1, reference numeral 30 'indicates the course of a shaft cross-section 16 that is substantially constant over a height h of the tower structure 10' and reference 32 'indicates the course of a torsional moment 33 constant over the height h, which is applied to a hub 34 of the wind energy plant 12 is initiated for example by lateral air flow or gusts of wind. The reference numeral 36 'finally points to the course of a continuously and linearly increasing from the ground 24 from rotation or deformation of the tower shaft 14 through the torsional 33.
Große Torsionsverformungen des Turmschafts 14 können über die geplante Betriebsdauer der Windenergieanlage 12 zu unerwünschten Schwingungen der Windenergieanlage und damit zu einer Materialermüdung sowie unerwünschten Sanierungskosten führen oder erfordern präventiv größere und steifere Schaft- konstruktionen. Large torsional deformations of the tower shaft 14 can lead to undesirable oscillations of the wind turbine over the planned operating period of the wind turbine 12 and thus to material fatigue and undesirable refurbishment costs or require preventively larger and stiffer shaft constructions.
Die vergleichsweise großen Bauteilverformungen infolge Torsion kommen insbesondere dadurch zustande, dass lediglich der materialoptimierte und sehr schlanke Turmschaft 14 das Torsionsmoment 33 über ein Schaftfundament 38 in den Baugrund 24 ableitet. Die Abspannelemente 18' sind gemäß Figur 2 im Wesentlichen radial ausgerichtet und liefern daher keinen oder lediglich einen vernachlässigbaren Anteil beim Abtragen des Torsionsmoments 33 in den Baugrund 24. Ausgehend von einem Zustand ohne äußere Torsionseinwirkung (siehe Figur 2, durchgezogene Linien) setzen die in Radialrichtung 26 verlaufenden Abspannelemente 18' einer Verdrehung des Turmschafts 14 (siehe Figur 2, gestrichelte Linien) aufgrund des auf die Nabe 34 wirkenden Torsionsmoments nahezu keinen Widerstand entgegen. The comparatively large component deformations as a result of torsion come about in particular because only the material-optimized and very slender tower shaft 14 derives the torsional moment 33 via a shaft foundation 38 into the ground 24. The guy elements 18 'are substantially radially aligned according to FIG. 2 and therefore provide no or only a negligible proportion when removing the torsional moment 33 into the ground 24. Starting from a state without external torsional action (see FIG. 2, solid lines), the tensioning elements 18 'extending in the radial direction 26 prevent a rotation of the tower shaft 14 (see FIG. 2, dashed lines) owing to the torsional moment acting on the hub 34.
Die Figur 3 zeigt eine Ansicht eines Turmbauwerk 10 für eine Windenergieanlage 12, wobei dieses Turmbauwerk 10 im Unterschied zum bekannten Turmbauwerk 10' gemäß Figur 1 zwischen dem Baugrund 24 und den Lasteinleitungspunkten 22 der Abspannelemente 18, 20 einen deutlich erhöhten Torsionswider- stand aufweist, obwohl die Größe und der konstante Verlauf 30', 30 der Schaftquerschnitte 16 über die Höhe h identisch sind. FIG. 3 shows a view of a tower construction 10 for a wind power plant 12, this tower construction 10, in contrast to the known tower construction 10 'according to FIG. 1, having a significantly increased torsional resistance between the ground 24 and the load introduction points 22 of the guy elements 18, 20 the size and the constant profile 30 ', 30 of the shank cross sections 16 are identical over the height h.
Das Turmbauwerk 10 der Windenergieanlage 12 umfasst analog zu Figur 1 den Turmschaft 14 mit dem Schaftquerschnitt 16 (siehe Figuren 4 bis 9) und der Längsachse A, sowie mehrere zur Längsachse A des Turmschafts 14 geneigte sowie zumindest abschnittsweise außenseitig des Turmschafts verlaufende Abspannelemente 18, durch die der Turmschaft 14 zumindest abschnittsweise abgespannt ist, wobei die Abspannelemente 18 an einem von der Längsachse A des Turmschafts 14 radial beabstandeten Lasteinleitungspunkt 22 des Turmschafts 14 befestigt sowie radial außerhalb des Turmschafts 14 im Baugrund 24 verankert sind, und wobei jedem Abspannelement 18 eine Radialrichtung 26 zugeordnet ist, die in axialer Draufsicht durch den Flächenschwerpunkt 28 des Schaftquerschnitts 16 auf Höhe der Lasteinleitungspunkte 22 und den Lasteinleitungspunkt 22 des jeweiligen Abspannelements 18 festgelegt ist. The tower structure 10 of the wind energy installation 12 comprises, analogously to FIG. 1, the tower shaft 14 with the shank cross section 16 (see FIGS. 4 to 9) and the longitudinal axis A, as well as a plurality of bracing elements 18 inclined to the longitudinal axis A of the tower shaft 14 and running at least in sections outside the tower shaft the tower shaft 14 is braced at least in sections, the bracing elements 18 being fastened to a load introduction point 22 of the tower shaft 14 radially spaced from the longitudinal axis A of the tower shaft 14 and anchored radially outside the tower shaft 14 in the foundation 24, and each tie-down element 18 being a radial direction 26 is assigned, which is fixed in axial plan view through the centroid 28 of the shaft cross-section 16 at the level of the load application points 22 and the load application point 22 of the respective guy element 18.
Im Unterschied zu Figur 1 schließen jedoch zumindest einige der Abspann- elemente 18, 20, vorzugsweise alle Abspannelemente 18, 20, ausgehend von dem jeweils zugeordneten Lasteinleitungspunkt 22 mit der zugeordneten Radialrichtung 26 in axialer Draufsicht einen Winkel α ein, wobei gilt: a) α = 90° oder b) 45°< α < 90°, insbesondere 60°< α < 90° (siehe auch Figuren 4 bis 9). Der angegebene Winkel α ist dabei stets der kleinere der beiden zwischen Radialrichtung 26 und Abspannelement 18, 20 eingeschlossenen Winkel.  In contrast to FIG. 1, however, at least some of the bracing elements 18, 20, preferably all bracing elements 18, 20, assume an angle α starting from the respective assigned load introduction point 22 with the associated radial direction 26 in axial plan view, where: a) α = 90 ° or b) 45 ° <α <90 °, in particular 60 ° <α <90 ° (see also FIGS. 4 to 9). The specified angle α is always the smaller of the two enclosed between the radial direction 26 and guying element 18, 20 angle.
Durch die radiale Beabstandung des Lasteinleitungspunkts von der Längsachse des Turmschafts sowie die Ausrichtung der Abspannelemente im Winkelbereich 45°< a < 90°, insbesondere 60°< α < 90° wird sichergestellt, dass Torsionsbeanspruchungen des Turmschafts zusätzlich von den Abspannelementen aufgenommen und in den Baugrund abgeleitet werden können. Dies wird anhand des Verlaufs 32 des im Turmschaft 14 wirkenden Torsionsmoments deutlich, welches auf Höhe der Lasteinleitungspunkte 22 sprunghaft abnimmt und zu einer insgesamt deutlich reduzierten Verformung des Turmschafts 14 führt (siehe Verlauf 36 der Verformung des Turmschafts). The radial spacing of the load introduction point from the longitudinal axis of the tower shaft and the orientation of the guy elements in the angular range 45 ° <a <90 °, in particular 60 ° <α <90 ° ensures that Torsionsbeanspruchungen the tower shaft can be additionally absorbed by the guy elements and derived in the ground. This becomes clear on the basis of the course 32 of the torsion moment acting in the tower shaft 14, which decreases abruptly at the level of the load introduction points 22 and leads to an overall significantly reduced deformation of the tower shaft 14 (see curve 36 of the deformation of the tower shaft).
In den Figuren 4 bis 9 sind unterschiedliche Ausführungsformen der am Turmschaft 14 vorgesehenen Lasteinleitungspunkte für die Abspannelemente 18, 20 dargestellt. Die Figur 4 zeigt eine Ausführungsform des Turmbauwerks 10, bei welcher der Turmschafts 14 radial nach außen ragende Fortsätze 40 aufweist, an denen jeweils ein Lasteinleitungspunkt 22 eines Abspannelements 18, 20 ausgebildet ist. Durch diese radialen Fortsätze 40 vergrößert sich in Bezug auf die Torsionsbzw. Längsachse A des Turmschafts 14 der Hebelarm 42, mit dem die Abspann- elemente 18, 20 einer Torsionsbelastung des Turmschafts 14 entgegenwirken. FIGS. 4 to 9 show different embodiments of the load introduction points for the guy elements 18, 20 provided on the tower shaft 14. FIG. 4 shows an embodiment of the tower construction 10, in which the tower shaft 14 has projections 40 projecting radially outwards, on each of which a load introduction point 22 of a guy element 18, 20 is formed. By these radial extensions 40 increases in relation to the Torsionsbzw. Longitudinal axis A of the tower shaft 14 of the lever arm 42, with which the bracing elements 18, 20 counteract a torsional load of the tower shaft 14.
Die Figur 5 zeigt eine weitere Ausführungsform des Turmbauwerks 10, bei welcher der Turmschaft 14 zumindest im Bereich der Lasteinleitungspunkte 22 ein Hohlschaft mit einer im Schaftquerschnitt 16 umlaufenden Schaftwand 44 ist, wobei die Lasteinleitungspunkte 22 der Abspannelemente 18, 20 an einer radialen Außenseite der Schaftwand 44 ausgebildet sind. FIG. 5 shows a further embodiment of the tower construction 10, in which the tower shaft 14 is a hollow shaft with a shaft wall 44 encircling the shaft cross section 16 at least in the area of the load introduction points 22, the load introduction points 22 of the guy elements 18, 20 on a radial outside of the shaft wall 44 are formed.
Insbesondere ist die Schaftwand 44 des Turmschafts 14 in Figur 5 zumindest im Bereich der Lasteinleitungspunkte 22 im Schaftquerschnitt 16 kreisringförmig ausgebildet, wobei sich die Abspannelemente 18, 20 in axialer Draufsicht im Wesentlichen tangential zur Schaftwand 44 erstrecken. Bei tangentialer Ausrichtung wirken die Abspannelemente 18, 20 einer Torsionsbelastung des Turmschafts 14 am wirksamsten entgegen, wobei geringe Abweichungen von der Tangential- richtung in der Größenordnung von ± 5° kaum ins Gewicht fallen und ebenfalls noch als„im Wesentlichen tangential" bezeichnet werden. In particular, the shaft wall 44 of the tower shaft 14 in FIG. 5 is annular in the shaft cross-section 16 at least in the area of the load introduction points 22, the bracing elements 18, 20 extending substantially tangentially to the shaft wall 44 in an axial plan view. In the case of a tangential orientation, the guy elements 18, 20 most effectively counteract a torsional load of the tower shaft 14, with slight deviations from the tangential direction of the order of magnitude of ± 5 ° scarcely being considered and likewise also being termed "substantially tangential".
Die Figur 6 zeigt eine weitere Ausführungsform des Turmbauwerks 10, welche sich von der Ausführungsform gemäß Figur 5 lediglich dadurch unterscheidet, dass die Lasteinleitungspunkte 22 der Abspannelemente 18, 20 an einer radialen Innenseite der Schaftwand 44 ausgebildet sind. Obwohl sich der Hebelarm 42, mit dem die Abspannelemente 18, 20 einer Torsionsbelastung des Turmschafts 14 entgegenwirken, ausgehend von Figur 5 über die Figur 6 zur Figur 7 bei identischem Schaftquerschnitt 16 verringert, reicht der Hebelarm 42 auch in Figur 6 noch aus, um Anteile der Torsionsbe- lastung über die Abspannelemente 18, 20 in den Baugrund abzuleiten. FIG. 6 shows a further embodiment of the tower structure 10, which differs from the embodiment according to FIG. 5 only in that the load introduction points 22 of the guy elements 18, 20 are formed on a radial inner side of the shaft wall 44. Although the lever arm 42, with which the guy elements 18, 20 counteract a torsional load of the tower shaft 14, decreases from FIG. 5 to FIG. 7 with identical shaft cross-section 16, the lever arm 42 is still sufficient in FIGS derive the torsional load via the guy elements 18, 20 into the ground.
Die Figur 7 zeigt eine weitere Ausführungsform des Turmbauwerks 10, welche sich von der Ausführungsform gemäß Figur 6 lediglich durch die Querschnittsform des Turmschafts 14 unterscheidet. So können anstelle der bevorzugten kreisförmigen, insbesondere kreisringförmigen Schaftquerschnitte 16 mit einem Außendurchmesser d auch polygonale Turmschäfte 14, insbesondere polygonale Turmschäfte 14 mit hohlem Schaftquerschnitt 16 gemäß Figur 7 zum Einsatz kommen. FIG. 7 shows a further embodiment of the tower structure 10, which differs from the embodiment according to FIG. 6 only by the cross-sectional shape of the tower shaft 14. Thus, instead of the preferred circular, in particular annular shaft cross-sections 16 with an outer diameter d, polygonal tower shafts 14, in particular polygonal tower shafts 14 with a hollow shank cross section 16 according to FIG. 7, can also be used.
Die Figur 8 zeigt eine weitere Ausführungsform des Turmbauwerks 10, bei der zwei Abspannelemente 18, 20 des Turmschafts 14 einstückig ausgebildet sind. Die beiden Abspannelemente 18, 20 gehen im Bereich ihrer Lasteinleitungspunkte 22 ineinander über und werden am Turmschaft 14 umgelenkt. Als gemeinsamer Lasteinleitungspunkt 22 wird in diesem Fall der Mittelpunkt des Anlageabschnitts der Abspannelemente 18, 20 am Turmschaft angesehen. FIG. 8 shows a further embodiment of the tower structure 10, in which two guy elements 18, 20 of the tower shaft 14 are integrally formed. The two guy elements 18, 20 merge into one another in the region of their load introduction points 22 and are deflected on the tower shaft 14. In this case, the center of the contact section of the guy elements 18, 20 on the tower shaft is regarded as a common load introduction point 22.
Bei den obengenannten Ausführungsbeispielen des Turmbauwerks 10 ist der Turmschaft 14 zumindest im Bereich der Lasteinleitungspunkte 22 aus Stahlbeton, insbesondere aus Spannbeton hergestellt. Turmschäfte 14, bei denen jeweils der untere Abschnitt bis wenigstens zu den Lasteinleitungspunkten 22 der Abspannelemente 18, 20 aus Stahlbeton oder Spannbeton hergestellt ist, haben sich insbesondere bei großen und/oder hohen Windenergieanlagen 12 als besonders geeignet herausgestellt. In the abovementioned embodiments of the tower construction 10, the tower shaft 14 is made of reinforced concrete, in particular prestressed concrete, at least in the area of the load introduction points 22. Tower shafts 14, in which each of the lower section is made up to at least the load introduction points 22 of the guy elements 18, 20 made of reinforced concrete or prestressed concrete, have been found to be particularly suitable for large and / or high wind turbines 12 particularly suitable.
Gerade bei diesen großen und/oder hohen Windenergieanlagen 12 mit einer installierten Leistung ab 2,5 MW, einer Länge I der Rotorblätter 46 mit I > 50 m sowie einer Nabenhöhe h mit h > 140 m weisen die erfindungsgemäßen Turmschäfte 14 im Übrigen die größten Vorteile auf, da in diesen Fällen die Belas- tungen aus äußeren Torsionsmomenten 33 am größten ist. Especially with these large and / or high wind turbines 12 with an installed power from 2.5 MW, a length I of the rotor blades 46 with I> 50 m and a hub height h with h> 140 m, the tower shafts 14 according to the invention, moreover, have the greatest advantages because in these cases the loads from external torsional moments 33 are greatest.
Die Figur 9 zeigt schließlich noch eine weitere Ausführungsform des Turmbauwerks 10, welche sich von der Ausführungsform gemäß Figur 7 lediglich durch das Schaftmaterial unterscheidet, wobei der Turmschaft 14 in diesem Fall ein Fachwerk- oder Gittermast ist. Finally, FIG. 9 shows a further embodiment of the tower structure 10, which only differs from the embodiment according to FIG differs by the shaft material, wherein the tower shaft 14 in this case is a truss or lattice mast.
Als Abspannelemente 18, 20 kommen dabei vorzugsweise Zugseile, insbesondere vorgespannte Zugseile aus Stahl zum Einsatz. In allen dargestellten Ausführungsformen des Turmbauwerks 10 sind erste Abspannelemente 18 und zweite Abspannelemente 20 vorgesehen, wobei die ersten Abspannelemente 18 eine tangentiale Kraftkomponente in einer ersten Umfangsrichtung und die zweiten Abspannelemente 20 eine tangentiale Kraftkomponente in einer entgegengesetzten zweiten Umfangsrichtung in den Turmschaft 14 einleiten, wobei die Anzahl der ersten Abspannelemente 18 der Anzahl der zweiten Abspannelemente 20 entspricht. As guy elements 18, 20, preferably tension cables, in particular prestressed tension cables made of steel, are used. In all illustrated embodiments of the tower structure 10, first guy members 18 and second guy members 20 are provided, wherein the first guy members 18 introduce a tangential force component in a first circumferential direction and the second guy members 20 introduce a tangential force component in an opposite second circumferential direction into the tower shaft 14 Number of first guy elements 18 corresponds to the number of second guy elements 20.
Durch diese Konstruktion können die Abspannelemente 18, 20 sowohl in der ersten Umfangsrichtung als auch in der entgegengesetzten zweiten Umfangsrichtung auf den Turmschaft 14 einwirkende Torsionsbelastungen aufnehmen. Bei identischer Anzahl und symmetrischer Ausrichtung der ersten und zweiten Abspannelemente 18, 20 ist sichergestellt, dass sich die über die vorgespannten Abspannelemente 18, 20 in den Turmschaft 14 eingeleiteten Torsionsmomente aufheben, sodass der Turmschaft 14 durch die Vorspannung der Abspannelemente 18, 20 nicht auf Torsion beansprucht wird. Die Figur 10 zeigt ein erstes Abspannelement 18 und ein zweites Abspannelement 20 in axialer Draufsicht jeweils zwischen ihren Lasteinleitungspunkten 22 und ihren Verankerungspunkten 48, wobei sich die Abspannelemente 18, 20 von ihren Lasteinleitungspunkten 22 linear zu ihren Verankerungspunkten 48 erstrecken. Die beiden Abspannelemente 18, 20 bilden ein Abspannelementepaar 50, wobei die Abspannelemente 18, 20 des Abspannelementepaares 50 in axialer Draufsicht aufeinander zu laufen und einen sich zum Turmschaft 14 hin öffnenden Öffnungswinkel ß definieren, wobei gilt: ß < 20°, insbesondere ß < 15°. By this construction, the tie-down elements 18, 20 can absorb torsional stresses acting on the tower shaft 14 in both the first circumferential direction and in the opposite second circumferential direction. With an identical number and symmetrical alignment of the first and second guy elements 18, 20, it is ensured that the torsion moments introduced via the prestressed guy elements 18, 20 cancel each other, so that the tower shaft 14 does not twist due to the prestressing of the guy elements 18, 20 is claimed. FIG. 10 shows a first guy element 18 and a second anchor element 20 in an axial plan view, in each case between their load introduction points 22 and their anchoring points 48, wherein the guy elements 18, 20 extend linearly from their load introduction points 22 to their anchoring points 48. The two guy elements 18, 20 form a guy pair 50, wherein the guy elements 18, 20 of the guy pair 50 converge in axial plan view and define an opening angle β which opens towards the tower shaft 14, where β <20 °, in particular β <15 °.
Insbesondere ist zwischen den beiden Lasteinleitungspunkten 22 des Abspannelementepaars 50 eine Verbindungsstrecke 51 definiert, wobei die beiden Abspannelemente 18, 20 des Abspannelementepaars 50 in axialer Draufsicht symmetrisch zu einer Mittelsenkrechten 52 auf die Verbindungsstrecke 51 angeordnet sind. In particular, a connecting path 51 is defined between the two load introduction points 22 of the Abspannelementepaars 50, wherein the two guy elements 18, 20 of the Abspannelementepaars 50 in the axial Top view are arranged symmetrically to a perpendicular bisector 52 on the connecting section 51.
Anhand der Figur 10 wird außerdem deutlich, dass sich die beiden Abspannelemente 18, 20 des Abspannelementepaars 50 in axialer Draufsicht über- kreuzen. Diese Ausführung des Abspannelementepaares 50 trägt in Bezug auf Biegung und Torsion zu einer erhöhten Turmsteifigkeit bei. Für einen Abstand zwischen dem Lasteinleitungspunkt 22 und dem Verankerungspunkt 48 eines Abspannelements 18, 20 gilt dabei vorzugsweise Si > 0,5 h, insbesondere Si > 40m und ein Abstand s2 zwischen den beiden Verankerungspunkten 48 eines Abspannelementepaares 50 liegt bevorzugt in der Größenordnung s2 ~ 0,5 d, insbesondere s2 ~ 2-3m. Entsprechend ergibt sich in Bezug auf den Flächenschwerpunkt 28 des Turmschafts 14 eine Ausmittigkeit s3 jedes Verankerungspunktes 48 von s3 = s2/2. Besonders bevorzugt sind die Abspannelemente 18, 20 des dargestellten Abspannelementepaars 50 im Bereich ihres Kreuzungspunkts 53 miteinander verknüpft, wodurch sich eine maximale freie Schwingungslänge der beiden Abspannelemente 18, 20 ausgehend von einer dem Abstand entsprechenden, ursprünglichen Schwingungslänge jeweils um die Länge sk auf eine reduzierte Schwingungslänge - sk verkürzt. Aufgrund der reduzierten freien Schwingungslänge - sk erhöht sich die Eigenfrequenz der Abspannelemente 18, 20, sodass sich (zum Beispiel bei Windanregung) deren Schwingungsanfälligkeit verringert. Die Verbindung im Kreuzungspunkt 53 führt außerdem zu einer gegenseitigen Schwingungsdämpfung der Abspannelemente 18, 20. Wie in Figur 10 gestrichelt angedeutet, kann zur Verknüpfung der Abspannelemente 18, 20 im Kreuzungspunkt 53 ein Kopplungselement 55 vor- gesehen sein, welches die beiden Abspannelemente 18, 20 zumindest quer zu ihrer jeweiligen Längsrichtung fest miteinander verbindet. Darüber hinaus kann das Kopplungselement 55 die beiden Abspannelemente 18, 20 auch in ihrer jeweiligen Längsrichtung fest miteinander verbinden. It is also clear from FIG. 10 that the two guy elements 18, 20 of the guy element pair 50 overlap in an axial plan view. This embodiment of the guy pair 50 contributes to increased tower stiffness with respect to flexing and torsion. For a distance between the load application point 22 and the anchoring point 48 of a bracing element 18, 20 is considered in this case preferably Si h> 0.5, in particular Si> 40m, and a spacing s 2 between the two anchoring points 48 of an anchoring element pair 50 is preferably in the order of s 2 ~ 0.5 d, especially s 2 ~ 2-3m. Accordingly, each anchoring point is obtained in relation to the centroid 28 of the tower shaft 14 is eccentricity of s 3 48 s 3 = s 2/2. Particularly preferably, the guy elements 18, 20 of the guy element pair 50 shown are linked to one another in the region of their intersection point 53, whereby a maximum free oscillation length of the two guy elements 18, 20 is reduced by a length corresponding to the distance s k to a reduced one Oscillation length - s k shortened. Due to the reduced free oscillation length -s k , the natural frequency of the guy elements 18, 20 increases, so that their susceptibility to vibration is reduced (for example in the case of wind excitation). The connection at the intersection point 53 also leads to a mutual vibration damping of the guy elements 18, 20. As shown in dashed lines in FIG. 10, a coupling element 55 can be provided for linking the guy elements 18, 20 at the point of intersection 53, which connects the two guy elements 18, 20 firmly connected at least transversely to their respective longitudinal direction. In addition, the coupling element 55, the two guy elements 18, 20 also connect firmly in their respective longitudinal direction.
Alternativ ist auch denkbar, dass die beiden Abspannelemente 18, 20 eines Abspannelementepaars 50 im Wesentlichen in einem Verankerungspunkt 48 zusammenlaufen. Im Vergleich zu der überkreuzten Ausführungsvariante lässt sich ein Widerlager 54 der Abspannelemente 18, 20 in diesem Fall mit geringerem Aufwand fertigen, wobei sich allerdings auch die positive Wirkung auf die Turmstabilität verringert. Die freie Schwingungslänge der beiden Abspannelemente 18, 20 entspricht in dieser Ausführungsvariante dem Abstand s-\ zwischen dem Lasteinleitungspunkt 22 und dem Verankerungspunkt 48 des jeweiligen Abspannelements 18, 20. Alternatively, it is also conceivable that the two guy elements 18, 20 of a guy element pair 50 converge essentially in an anchoring point 48. Compared to the crossed embodiment, an abutment 54 of the guy elements 18, 20 can be made in this case with less effort, but also reduces the positive effect on the tower stability. The free oscillation length of the two guy elements 18, 20 corresponds in this embodiment, the distance s- \ between the load application point 22 and the anchoring point 48 of the respective guy element 18, 20th
Wie in Figur 10 zu sehen, greifen die beiden Abspannelemente 18, 20 eines Abspannelementepaars 50 zur Verankerung im Baugrund 24 vorzugsweise an einem gemeinsamen Widerlager 54 an. Auf diese Weise halbiert sich die Anzahl der für das Turmbauwerk 10 erforderlichen Widerlager 54. As can be seen in FIG. 10, the two guy elements 18, 20 of a guy element pair 50 preferably engage with a common abutment 54 for anchoring in the ground 24. In this way, the number of abutments 54 required for the tower construction 10 is halved.
Die Figur 1 1 zeigt ein schematisches Schnittdetail durch ein Widerlager 54' eines Turmbauwerks 10' gemäß dem Stand der Technik, wobei das Widerlager 54' mit Zugankern im Baugrund 24 befestigt ist. 1 1 shows a schematic sectional detail through an abutment 54 'of a tower structure 10' according to the prior art, wherein the abutment 54 'is fastened with tie rods in the ground 24.
Die Figur 12 zeigt ein schematisches Schnittdetail durch ein Widerlager 54 eines erfindungsgemäßen Turmbauwerks 10 einer Windenergieanlage 12. Dabei greift jedes Abspannelement 18, 20 zur Verankerung im Baugrund 24 an einem Widerlager 54 an, wobei das Widerlager 54 wenigstens einen vorgespannten Anker 56 wie zum Beispiel einen Verpressanker, insbesondere einen GeWi- Anker, sowie wenigstens einen Fundamentpfahl 58, insbesondere einen Bohroder Rammpfahl umfasst. FIG. 12 shows a diagrammatic sectional detail through an abutment 54 of a tower construction 10 according to the invention of a wind energy plant 12. In this case, each anchoring element 18, 20 engages an abutment 54 for anchoring in the ground 24, wherein the abutment 54 has at least one preloaded anchor 56 such as a Compression anchor, in particular a GeWi- anchor, and at least one foundation pile 58, in particular a Bohroder pile comprises.
Aufgrund der Reibung des wenigstens einen Fundamentpfahls 58 können die Anker 56 und damit auch die Abspannelemente 18, 20 gegen den Baugrund 24 vorgespannt werden, ohne dass die zulässige Bodenpressung an der Unterseite des Widerlagers 54 überschritten wird. Die Vorspannung der Abspannelemente 18, 20 trägt wiederum zu einer erhöhten Stabilität und Steifigkeit des Turmbauwerks 10 bei. Infolge der größeren Turmsteifigkeit erhöht sich auch die Eigenfrequenz des Turmbauwerks 10 und entfernt sich dadurch von der Erreger- frequenz des Rotors der Windenergieanlage 12, sodass keine unerwünschten Resonanzeffekte auftreten. Um die Vorspannung der Abspannelemente 18, 20 in gewünschter Weise erhöhen zu können, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die wirksame Verankerungslänge der vorgespannten Anker 56 mehr als 8 m beträgt. Der vorgespannte Anker 56 setzt sich bevorzugt aus einem Ver- ankerungsabschnitt mit der wirksamen Verankerungslänge von mehr als 8 m sowie einem unverankerten Spannabschnitt zusammen, der eine Gleitlagerung aufweist und sich durch den Baugrund 24 und/oder einen Fundamentkörper des Widerlagers 54 erstreckt, sodass sich für den vorgespannten Anker eine Gesamtlänge von wenigstens 10 m ergibt. Due to the friction of the at least one foundation pile 58, the anchors 56 and thus also the guy elements 18, 20 can be prestressed against the ground 24 without the permissible ground pressure at the underside of the abutment 54 being exceeded. The bias of the guy elements 18, 20 in turn contributes to increased stability and rigidity of the tower structure 10. As a result of the greater tower rigidity, the natural frequency of the tower construction 10 also increases, thereby moving away from the excitation frequency of the rotor of the wind turbine 12, so that no undesirable resonance effects occur. In order to increase the bias of the guy elements 18, 20 in the desired manner, it has proven to be advantageous if the effective anchoring length of the prestressed armature 56 is more than 8 m. The prestressed armature 56 is preferably composed of an anchoring section with the effective anchoring length of more than 8 m and a floating anchoring section, which has a sliding bearing and extends through the ground 24 and / or a foundation body of the Abutment 54 extends so that the biased anchor an overall length of at least 10 m results.
Die Figur 13 zeigt eine weitere Variante der Verankerung eines Abspannelements 18, 20, welche sich von der Verankerungsvariante gemäß Figur 12 lediglich dadurch unterscheidet, dass im Widerlager 54 kein Hohlraum 60 zum Spannen oder Nachjustieren der Abspannelemente 18, 20 vorgesehen werden muss, sondern das Spannen der Abspannelemente 18, 20 an einem KoppelstoßFIG. 13 shows a further variant of anchoring a guy element 18, 20, which differs from the anchoring variant according to FIG. 12 only in that no cavity 60 for tensioning or readjusting the guy elements 18, 20 has to be provided in the abutment 54, but the clamping the guy elements 18, 20 at a coupling joint
61 erfolgt. 61 takes place.
Die Figur 14 zeigt eine weitere Variante der Verankerung eines Abspann- elements 18, 20, welche sich von der Verankerungsvariante gemäß Figur 13 lediglich durch die Ausrichtung der Anker 56 sowie des Fundamentpfahls 58 unterscheidet. Diese Verankerungsvariante ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Gründung des Turmbauwerks 10 nahe einer Grundstücksgrenze 59 erfolgt, die nicht überbaut werden darf. Die Figur 15 zeigt schließlich eine weitere Verankerungsvariante für die Abspannelemente 18, 20, bei welcher die Tragfähigkeit eines festen Baugrunds 62 (z.B. Fels) ausgenutzt wird. Der wenigstens eine Fundamentpfahl 58 wird in diesem Fall vorzugsweise als Fundamentplatte oberhalb des festen BaugrundsFIG. 14 shows a further variant of the anchoring of a guy element 18, 20, which differs from the anchoring variant according to FIG. 13 only by the orientation of the anchors 56 and of the foundation pile 58. This anchoring variant is particularly advantageous if the foundation of the tower structure 10 takes place near a property boundary 59 which may not be overbuilt. Finally, Figure 15 shows a further anchoring variant for the guy elements 18, 20, in which the carrying capacity of a solid foundation 62 (for example rock) is utilized. The at least one foundation pile 58 is in this case preferably as a foundation plate above the solid ground
62 ausgeführt und auf Biegung beansprucht. Optional kann zusätzlich eine Auflast 64 vorgesehen werden, um die zulässige Zugbeanspruchung des62 executed and claimed to bend. Optionally, an additional load 64 can be provided in addition to the permissible tensile stress of the
Widerlagers 54 zu erhöhen. Abutment 54 increase.
Analog zu Figur 10 ist in Figur 16 ein Abspannelementepaar 50 dargestellt, bei dem die Abspannelemente 18, 20 jedoch nicht als Zugseile, sondern als Stäbe ausgeführt sind, um die Schwingungsanfälligkeit der Abspannelemente 18, 20 zu verringern. Konkret sind die Stäbe in Längsrichtung aus mehreren separaten Stababschnitten 66 zusammengesetzt, wobei in Längsrichtung benachbarte Stababschnitte 66 fest miteinander verbunden sind. Analogous to FIG. 10, a guy pair 50 is shown in FIG. 16, in which, however, the guy elements 18, 20 are designed not as pull cables but as rods in order to reduce the susceptibility to vibration of the guy elements 18, 20. Specifically, the bars are longitudinally composed of a plurality of separate bar sections 66 with longitudinally adjacent bar sections 66 fixedly connected together.
Gemäß Figur 16 treffen im Bereich des Kreuzungspunkts 53 der Abspannelemente 18, 20 eines Abspannelementepaars 50 jeweils zwei Stababschnitte 66 des ersten und zweiten Abspannelements 18, 20 aufeinander, wobei im Kreuzungspunkt 53 ein als Kopplungskreuz ausgebildetes Kopplungselement 55 vorgesehen ist, welches zwei benachbarte Stababschnitte 66 des ersten Abspannelements 18, zwei axial benachbarte Stababschnitte 66 des zweiten Abspannelements 20 sowie darüber hinaus auch die beiden Abspannelemente 18, 20 fest miteinander verbindet. Die maximale freie Schwingungslänge der beiden Abspannelemente 18, 20 verkürzt sich dementsprechend auf eine Länge Si - Sk, sodass sich die Schwingungsanfälligkeit der Abspannelemente 18, 20 verringert. According to FIG. 16, in the region of the crossing point 53 of the guy elements 18, 20 of a guy element pair 50, two rod sections 66 of the first and second guy elements 18, 20 meet, wherein a coupling element 55 designed as a coupling cross is provided at the intersection 53, which two adjacent rod sections 66 of FIG first Abspannelements 18, two axially adjacent bar sections 66 of the second guy element 20 and beyond also the two guy elements 18, 20 firmly connected. The maximum free oscillation length of the two guy elements 18, 20 accordingly shortens to a length Si - S k , so that the susceptibility to vibration of the guy elements 18, 20 is reduced.
Ein Stoßbereich 68 zwischen einem Stababschnitt 66 und dem Kopplungselement 55 kann dabei analog zu einem Stoßbereich 68 zwischen zwei Stababschnitten 66 ausgeführt sein, wie er in Figur 17 dargestellt ist. An abutting region 68 between a rod section 66 and the coupling element 55 can be embodied analogously to a joint region 68 between two rod sections 66, as shown in FIG. 17.
Die Figur 17 zeigt zwei alternative Ausführungsvarianten für die Stoßbereiche 68. Dabei sind die entgegengesetzten Enden der Stababschnitte 66 mit einem (z.B. gerollten) konischen Außengewinde 70 bzw. einem komplementären (z.B. gerollten) konischen Innengewinde 72 mit Überstand 74 ausgeführt. Eine solche konische Verschraubung mit Überstand 74 ist in Bezug auf Lateralschwingungen besonders ermüdungsarm und trägt somit zu einer besonders langlebigen und zuverlässigen Verbindung der Stababschnitte 66 im Stoßbereich 68 bei. Figure 17 shows two alternative embodiments for the butt portions 68. The opposite ends of the bar portions 66 are formed with a conical male thread 70 (e.g., rolled) and a complementary (e.g., rolled) conical female thread 72 with overhang 74. Such a conical screw connection with projection 74 is particularly fatigue-resistant with regard to lateral vibrations and thus contributes to a particularly long-lasting and reliable connection of the rod sections 66 in the impact region 68.

Claims

Patentansprüche claims
1 . Turmbauwerk für eine Windenergieanlage (12), mit 1 . Tower construction for a wind energy plant (12), with
einem Turmschaft (14), der einen Schaftquerschnitt (16) und eine Längsachse (A) aufweist, sowie  a tower shaft (14) having a shank cross section (16) and a longitudinal axis (A), and
mehreren zur Längsachse (A) des Turmschafts (14) geneigten Abspannelementen (18, 20), durch die der Turmschaft (14) zumindest abschnittsweise abgespannt ist,  several to the longitudinal axis (A) of the tower shaft (14) inclined guy elements (18, 20) through which the tower shaft (14) is at least partially braced,
wobei die Abspannelemente (18, 20) an einem von der Längsachse (A) des Turmschafts (14) radial beabstandeten Lasteinleitungspunkt (22) des Turm- schafts (14) befestigt sowie radial außerhalb des Turmschafts (14) in einem Baugrund (24) verankert sind, und  wherein the guy elements (18, 20) are fastened to a load introduction point (22) of the tower shaft (14) radially spaced from the longitudinal axis (A) of the tower shaft (14) and anchored radially outside the tower shaft (14) in a ground (24) are and
wobei jedem Abspannelement (18, 20) eine Radialrichtung (26) zugeordnet ist, die in axialer Draufsicht durch einen Flächenschwerpunkt (28) des Schaftquerschnitts (16) und den Lasteinleitungspunkt (22) des jeweiligen Abspann- elements (18, 20) festgelegt ist,  wherein each guy element (18, 20) is assigned a radial direction (26) which is defined in axial plan view by a centroid (28) of the shank cross section (16) and the load introduction point (22) of the respective guy element (18, 20),
dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige der Abspannelemente (18, 20) ausgehend von dem jeweils zugeordneten Lasteinleitungspunkt (22) mit der zugeordneten Radialrichtung (26) in axialer Draufsicht einen Winkel (a) einschließen, wobei gilt: 45°< a < 90°, insbesondere 60°< a < 90°.  characterized in that at least some of the guy elements (18, 20), starting from the respectively assigned load introduction point (22) with the associated radial direction (26), form an angle (a) in axial plan view, where: 45 ° <a <90 °, in particular 60 ° <a <90 °.
2. Turmbauwerk nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass erste Abspannelemente (18) und zweite Abspannelemente (20) vorgesehen sind, wobei die ersten Abspannelemente (18) eine tangentiale Kraftkomponente in einer ersten Umfangsrichtung und die zweiten Abspannelemente (20) eine tangentiale Kraftkomponente in einer entgegengesetzten zweiten Umfangs- richtung in den Turmschaft (14) einleiten, wobei die Anzahl der ersten Abspannelemente (18) vorzugsweise der Anzahl der zweiten Abspannelemente (20) entspricht.  2. tower construction according to claim 1, characterized in that first guy elements (18) and second guy elements (20) are provided, wherein the first guy elements (18) a tangential force component in a first circumferential direction and the second guy elements (20) a tangential force component in an opposite second circumferential direction in the tower shaft (14), wherein the number of first tie-down elements (18) preferably corresponds to the number of second tie-down elements (20).
3. Turmbauwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Abspannelemente (18, 20) ein Abspannelementepaar (50) bilden, wobei die Abspannelemente (18, 20) eines Abspannelementepaares (50) in axialer Draufsicht aufeinander zu laufen und einen sich zum Turmschaft (14) hin öffnenden Öffnungswinkel (ß) definieren, wobei gilt: ß < 20°, insbesondere ß < 15°. 3. tower construction according to one of the preceding claims, characterized in that two guy elements (18, 20) form a Abspannelementepaar (50), wherein the guy elements (18, 20) of a guy pair (50) run towards each other in axial plan view and a to tower shaft (14) to open opening angle (ß), where: ß <20 °, in particular ß <15 °.
4. Turmbauwerk nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Abspannelementepaar (50) aus einem ersten Abspannelement (18) und einem zweiten Abspannelement (20) besteht. 4. tower construction according to claim 2 and 3, characterized in that each Abspannelementepaar (50) consists of a first guy element (18) and a second guy element (20).
5. Turmbauwerk nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Lasteinleitungspunkten (22) eines Abspannelementepaars (50) eine Verbindungsstrecke (51 ) definiert ist, wobei die beiden Abspannelemente (18, 20) des Abspannelementepaars (50) in axialer Draufsicht symmetrisch zu einer Mittelsenkrechten (52) auf die Verbindungsstrecke (51 ) angeordnet sind. 5. tower construction according to claim 3 or 4, characterized in that between the two load introduction points (22) of a guy element (50) a connecting path (51) is defined, wherein the two guy elements (18, 20) of the guy element (50) in axial plan view are arranged symmetrically to a perpendicular bisector (52) on the connecting path (51).
6. Turmbauwerk nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich die beiden Abspannelemente (18, 20) eines Abspannelementepaars (50) in axialer Draufsicht überkreuzen. 6. tower construction according to one of claims 3 to 5, characterized in that the two guy elements (18, 20) of a Abspannelementepaars (50) cross over in axial plan view.
7. Turmbauwerk nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Abspannelemente (18, 20) eines Abspannelementepaars (50) jeweils von ihren Lasteinleitungspunkten (22) zu ihren Verankerungspunkten (48) erstrecken und in einem Kreuzungspunkt (53) miteinander gekoppelt sind. 7. tower construction according to claim 6, characterized in that the guy elements (18, 20) of a Abspannelementepaars (50) in each case from their load introduction points (22) extend to their anchoring points (48) and in an intersection point (53) are coupled together.
8. Turmbauwerk nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekenn- zeichnet, dass die beiden Abspannelemente (18, 20) eines Abspannelementepaars (50) im Wesentlichen in einem Verankerungspunkt (48) zusammenlaufen. 8. tower construction according to one of claims 3 to 5, characterized in that the two guy elements (18, 20) of a Abspannelementepaars (50) converge substantially in an anchoring point (48).
9. Turmbauwerk nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Abspannelemente (18, 20) eines Abspannelementepaars (50) zur Verankerung im Baugrund (24) an einem gemeinsamen Widerlager (54) angreifen. 9. tower structure according to one of claims 3 to 7, characterized in that the two guy elements (18, 20) of a Abspannelementepaars (50) for anchoring in the ground (24) on a common abutment (54) attack.
10. Turmbauwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Abspannelement (18, 20) zur Verankerung im Baugrund (24) an einem Widerlager (54) angreift, wobei das Widerlager (54) wenigstens einen vorgespannten Anker (56) sowie wenigstens einen Fundamentpfahl (58) umfasst. 10. tower construction according to one of the preceding claims, characterized in that each anchoring element (18, 20) for anchoring in the ground (24) on an abutment (54) engages, wherein the abutment (54) at least one prestressed armature (56) and at least a foundation pile (58).
1 1 . Turmbauwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Turmschaft (14) radial nach außen ragende Fortsätze (40) aufweist, an denen jeweils ein Lasteinleitungspunkt (22) eines Abspannelements (18, 20) ausgebildet ist. 1 1. Tower structure according to one of the preceding claims, characterized in that the tower shaft (14) radially outwardly projecting extensions (40), on each of which a load introduction point (22) of a guy element (18, 20) is formed.
12. Turmbauwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Turmschaft (14) zumindest im Bereich der Lasteinleitungspunkte (22) ein Hohlschaft mit einer im Schaftquerschnitt (16) umlaufenden Schaftwand (44) ist. 12. tower construction according to one of the preceding claims, characterized in that the tower shaft (14) at least in the region of the load introduction points (22) is a hollow shaft with a shank cross-section (16) encircling stem wall (44).
13. Turmbauwerk nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Turmschaft (14) zumindest im Bereich der Lasteinleitungspunkte (22) eine im13. tower construction according to claim 12, characterized in that the tower shaft (14) at least in the region of the load introduction points (22) in the
Schaftquerschnitt (16) kreisringförmige Schaftwand (44) aufweist, wobei sich die Abspannelemente (18, 20) in axialer Draufsicht im Wesentlichen tangential zur Schaftwand (44) erstrecken. Shaft cross-section (16) has annular skirt wall (44), wherein the guy elements (18, 20) extend in an axial plan view substantially tangential to the skirt wall (44).
14. Turmbauwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Turmschaft (14) zumindest im Bereich der Lasteinleitungspunkte (22) aus Stahlbeton, insbesondere aus Spannbeton hergestellt ist. 14. tower construction according to one of the preceding claims, characterized in that the tower shaft (14) at least in the region of the load introduction points (22) made of reinforced concrete, in particular made of prestressed concrete.
15. Turmbauwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Abspannelement (18, 20) als Stab ausgebildet ist. 15. tower construction according to one of the preceding claims, characterized in that at least one guy element (18, 20) is designed as a rod.
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