DE102012019595B3

DE102012019595B3 - Öffnung mit Verstärkungselement in einer Tragstruktur einer Windenergieanlage

Info

Publication number: DE102012019595B3
Application number: DE201210019595
Authority: DE
Inventors: Stefan Bockholt; Karsten Porm; Michael Bull; Martin Hörenz
Original assignee: ENO Energy Systems GmbH
Current assignee: ENO Energy Systems GmbH
Priority date: 2012-10-05
Filing date: 2012-10-05
Publication date: 2013-11-21
Anticipated expiration: 2032-10-06

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Öffnung (4) mit Verstärkungselement (1), insbesondere eine Türzarge oder ähnlich große Öffnungen, beispielsweise zur Be- und Entlüftung, in einer Tragstruktur (2) einer Windenergieanlage, insbesondere in einem Turm einer Windenergieanlage, wobei die Öffnung (4) mit einem Verstärkungselement (1) versehen ist, bei dem durch die Wahl der Form des Verstärkungselementes (1) eine Trennung des Ortes der größten Belastung durch die Unterbrechung der Tragstruktur der Windenergieanlage vom Ort der infolge eines Schweißprozesses auftretenden Material- und Gefügeveränderung erfolgt. Die Öffnung (4) in einer Tragstruktur (2) wird dabei mit einem aus einem gewalzten und/oder geschmiedeten Halbzeug hergestellten Verstärkungselement (1) versehen, an dem eine Vorschweißnase (7) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Öffnungen, insbesondere eine Tür oder ähnlich große Öffnungen, beispielsweise zur Be- und Entlüftung, mit einem Verstärkungselement in einer Tragstruktur einer Windenergieanlage, insbesondere in einem Stahlrohrturm.
Windenergieanlagen umfassen in der Regel einen in einem Fundament verankerten Turm, ein darauf drehbar gelagertes Maschinenhaus sowie einen am Maschinenhaus montierten Rotor. Bei modernen Windenergieanlagen werden dabei oft Turmhöhen von 100 m und mehr benötigt, um eine bestmögliche wirtschaftliche Ausnutzung der Windverhältnisse zu garantieren.
Bei der Errichtung von Windenergieanlagen werden oft Stahlrohrtürme oder Hybridtürme mit einem Stahlrohr-Abschnitt aufgrund einer im Vergleich mit beispielsweise Betontürmen geringen Masse und des schnellen Aufbaus bevorzugt. Bei modernen Windenergieanlagen wird dabei ein Turm mit einer Höhe von oft über 100 m eingesetzt, um einerseits der Größe des Rotors Rechnung zu tragen und um andererseits die in größeren Höhen auftretenden Windgeschwindigkeiten zu nutzen. Der Durchmesser eines solchen Turmes beträgt an seinem Fuß aus Gründen der zulässigen Transportmaße auf dem Weg zum Ort der Errichtung der Windenergieanlage meist etwa 4 m.
Der Turm einer Windenergieanlage wird meist aus mehreren Segmenten zusammengesetzt. Diese Segmente werden hergestellt, indem gewalzte Bleche miteinander verschweißt werden. Bei der Errichtung des Turmes werden die zur Baustelle gelieferten Turmsegmente meist aufrecht stehend durch Flanschverbindungen miteinander verschraubt.
Die Auslegung eines solchen Turms erfolgt dabei nach den auftretenden Schnittgrößen infolge der durch den Wind und den maschinenseitig induzierten statischen und dynamischen Belastungen. Dabei ist nachzuweisen, dass die Struktur eines solchen Stahlrohrturmes so ausgelegt ist, dass alle auftretenden Kräfte und Momente über die gesamte Betriebsdauer ertragen werden können, ohne dass ein Schaden auftritt.
Als besonders kritisch sind dabei Abweichungen von der homogenen Struktur des Turmes anzusehen, beispielsweise die Verbindungsstellen zwischen den Turmsegmenten aber insbesondere auch Öffnungen im Turm, beispielsweise zur Be- und Entlüftung, zur Durchführung von Kabeln oder als Durchgangsöffnung für Arbeiten während des Aufbaus beziehungsweise Wartungsarbeiten.
Um eine solche Öffnung bereitzustellen, wird aus der Turmwand ein Abschnitt entsprechend der benötigten Größe herausgeschnitten. Die aufgrund des fehlenden Materials reduzierte Steifigkeit des Turmes kann zu einem Versagen des Turmes führen, die Standfestigkeit ist in einem solchen Fall möglicherweise nicht mehr gewährleistet. Daher muss zusätzlich ein Verstärkungselement eingebracht werden, beispielsweise eine Türzarge, oder ein Element mit großer Wanddicke.
In der WO 2010/128199 A1 wird ein Verfahren zur Einbringung einer Türzarge in eine Turmstruktur sowie eine zugehörige Schweißanordnung beschrieben. Dabei wird zunächst mittels einer Schneidvorrichtung eine Öffnung in die Struktur einer Turmschale eingebracht, wobei an beiden Seiten der Öffnung Abschrägungen erzeugt und anschließend die Türzarge an diese Öffnung mit Abschrägungen mit einer K-Naht angeschweißt werden.
Die DE 35 04 840 A1 beschreibt einen Stahlrohrmast mit einer Öffnung zur Montage und Wartung von beispielsweise Kabelanschlüssen, bei welchem der Stahlrohrmast im Bereich der Öffnung eine mit dem Mast unlösbar verbundene Versteifungsvorrichtung aufweist. Die Versteifungsvorrichtung besteht aus einem in das Hohlprofil eingeschweißten Rechteckrahmen dessen Innendurchmesser im Wesentlichen dem Umriss der Öffnung entspricht und aus einem dem Krümmungsradius des Mastes sowie im Wesentlichen dem Umriss der Öffnung entsprechenden, umlaufenden Flachbügelrahmen, der auf die Außenseite des Mastes aufgeschweißt ist, wobei die Versteifungsvorrichtung auch aus einem in die Öffnung eingeschweißten und beidseitig die Öffnung überragenden Kastenrahmen bestehen kann.
Diese Lösung ist sehr aufwendig zu fertigen und mit mehreren Schweißverbindungen am Mast zu verschweißen. Durch die Wärmeeinwirkung beim Schweißen entstehen Material- und Gefügeveränderungen in den Stahlblechteilen, die zu einer Unstetigkeit in der Struktur führt. Das Anbringen zusätzlicher Verstärkungselemente sowohl außen als auch innen und/oder eine Erhöhung der Materialstärke der für die Bildung der Mantelfläche benutzten Stahlbleche ist auch bei dieser Maßnahme unvermeidlich und führt zu einem hohen Material und Montageaufwand.
In der DE 101 52 550 A1 wird ein Bauelement zur Herstellung eines Turms einer Windkraftanlage offenbart, wobei dieses Bauelement einen Teil der Außenfläche bildet und eine Durchgangsöffnung zur Aufnahme einer Tür aufweist. Das Bauelement ist als ein Gussteil ausgebildet, besteht aus einem schweißbaren Gusswerkstoff und wird mit den Stahlblechen des Turmes verschweißt, wobei das Gussteil in seiner Form so ausgebildet ist, dass die Fuge zwischen den Stahlblechen und dem Gussteil einen keilförmigen Querschnitt (V-Naht) bildet.
Als Nachteil für diese Lösung sind in erster Linie der große Aufwand für die Herstellung der Gussform und die sich daraus ergebende Kostenintensivität zu nennen. Weiterhin ergeben sich ungünstige Auswirkungen in Bezug auf die Spannungsverteilung und Dauerfestigkeit durch die unterschiedlichen Materialkennwerte der beiden durch eine Stoßverbindung gefügten Bauteile aus gewalztem Stahl beziehungsweise Gussstahl.
In der EP 1 856 410 B1 wird ein Abschnitt eines Turmes bestehend aus einem Wandsegment und einem Öffnungssegment vorgestellt, wobei das Öffnungssegment eine größere Wandstärke aufweist, als das Wandsegment. Dabei werden das Wandsegment und das Öffnungssegment durch Verbindungsmittel, insbesondere durch Schweißverbindungen, miteinander verbunden und bilden gemeinsam einen geschlossenen Ring.
In der EP 2 466 134 A2 wird eine Tür für einen Turm einer Windenergieanlage offenbart. Die Tür besteht aus einem im Wesentlichen rechteckigen Rahmen mit einer Durchtrittsöffnung und einem am Rahmen beweglich montierten Türblatt. Das Turmsegment, in dem die Tür angeordnet ist, wird so aus Stahlblech gewalzt, dass ein Spalt mit entsprechender Breite zur Aufnahme des Türrahmens entsteht. Der Türrahmen wird in diesem Spalt eingesetzt und mit dem Turmsegment verschweißt und bildet so ein Teil des Turmsegmentes.
Ein Turm einer Windkraftanlage mit einer Türöffnung wird in der WO 2011/144367 A1 beschrieben, wobei die Türöffnung durch ein oder mehrere Stahlbänder an dem Turm um die Türöffnung herum verstärkt ist. Das oder die Stahlbänder werden mit der Wand des Turms durch eine Anzahl von Befestigungsmitteln verbunden.
Auch diese Verfahren zum Einbringen von Bauteilen einer Türzarge in die Struktur eines Turmes stellen eine große Schwächung der Struktur dar, die durch eine Erhöhung der Wandstärke und das Anbringen zusätzlicher Verstärkungen kompensiert wird. Diese Maßnahmen stellen aber aus Kostensicht eine unbefriedigende Lösung dar, da hiermit ein hoher zusätzlicher Fertigungsaufwand verbunden ist.
Außerdem sind der Festigkeits- und der Stabilitätsnachweis von Türmen mit einer Türöffnung im Stand der Technik häufig infolge der mit der wachsenden Größe von Windenergieanlagen einher gehenden Belastung nicht mehr möglich. Insbesondere die in der DIN 18800-1:2008-11 beschriebene Form einer K-Naht beziehungsweise Doppel-HV-Naht erweist sich aufgrund der Stoßverbindung als ungünstig, die Dauerfestigkeit kann hier infolge der unterschiedlichen Steifigkeiten der beiden Elemente, Turm und Türzarge nur schwierig nachgewiesen werden, da die Stelle der größten Belastung unmittelbar an oder in der Schweißnaht liegt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine Öffnung mit einem Verstärkungselement, insbesondere einer Türzarge, aber auch für ähnlich große Öffnungen, beispielsweise zur Be- und Entlüftung, für eine Tragstruktur einer Windenergieanlage, insbesondere für einen Turm, bereitzustellen, welche einerseits den zusätzlichen Materialaufwand reduziert und andererseits durch konstruktive Maßnahmen dafür sorgt, dass die genannten Nachteile hinsichtlich der Strukturschwächung abgemindert werden, so dass der Nachweis der Festigkeit eines solchen Turmes auch bei einer Höhe von mehr als 100 m möglich ist.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Öffnung (4) mit einem Verstärkungselement (1), insbesondere einer Türzarge, aber auch für ähnlich große Öffnungen, beispielsweise zur Be- und Entlüftung, in einer Tragstruktur (2) einer Windenergieanlage, insbesondere in einem Turm (2) einer Windenergieanlage gelöst, bei der durch die Wahl der Form des Verstärkungselementes (1) eine Trennung des Ortes der größten auftretenden Belastung durch die Unterbrechung der Tragstruktur (2) der Windenergieanlage vom Ort der infolge eines Schweißprozesses auftretenden Material- und Gefügeveränderung erfolgt. Die Öffnung in einer Tragstruktur (2) wird dabei mit einem aus gewalzten und/oder geschmiedeten Halbzeugen hergestellten Verstärkungselement (1) versehen, das eine Vorschweißnase (7) aufweist.
Die Geometrie der Vorschweißnase (7) richtet sich dabei nach dem Durchmesser und der Wandstärke der Tragstruktur (2) und den zu erwartenden Belastungen. Die Dicke der Vorschweißnase (7) muss dabei der Dicke der Tragstruktur (2) entsprechen.
Die Erfindung wird nun an einem Ausführungsbeispiel anhand der 1 bis 4 näher erläutert, wobei das Verstärkungselement (1) in Form einer Türzarge dargestellt wird, die aus zwei Halbschalen hergestellt wird.
In den 1 bis 4 stellen
Bezugszeichenliste

1: ein Verstärkungselement in Form einer Türzarge,
2: einen Turm einer Windenergieanlage,
3: ein Fundament einer Windenergieanlage,
4: eine Öffnung in der Tragstruktur (Turm) einer Windenergieanlage,
5: die linke gebogene Halbschale einer Türzarge,
6: die rechte gebogene Halbschale einer Türzarge,
7: eine Vorschweißnase sowie
8: ein Achsenkreuz des Turmes.

dar.

Die Figuren geben dabei die Sachverhalte beispielhaft und nicht maßstabsgetreu wieder.
Dabei zeigt die 1 die Position der Türzarge (1) innerhalb des Turmes (2) einer Windenergieanlage, welcher auf einem Fundament (3) steht.
Die 2 stellt als perspektivische Darstellung die beiden Halbschalen (5, 6) in ihrer Verschweißposition dar.
Die 3 zeigt als perspektivische Darstellung die Türzarge (1) mit einer Vorschweißnase (7) nach der spanenden Bearbeitung aus einem gewalzten und/oder geschmiedeten Halbzeug.
Die 4 stellt schließlich die Anordnung der Türzarge (1) mit einer Vorschweißnase (7) zur Mittelachse des Turmes als Schnittzeichnung dar.
Die Türzarge (1) wird dabei hergestellt, indem zwei gewalzte und/oder geschmiedete Bleche in ausreichender Dicke in zwei Halbschalen (5, 6) in Form gewalzt werden. Die Dicke des Bleches muss dabei mindestens der Dicke der gesamten Türzarge (1) inklusive der Vorschweißnase (7) entsprechen. Anschließend werden die beiden Halbschalen (5, 6) beispielsweise an ihren Scheitelpunkten miteinander verschweißt.
Schließlich wird die noch unfertige Türzarge (1) zuerst auf der einen Seite der Vorschweißnase (7), dann auf der anderen Seite der Vorschweißnase (7), spanend bearbeitet, beispielsweise mit einer Portalfräse, um die Form der Vorschweißnase (7) aus dem Vollmaterial herauszuarbeiten und gegebenenfalls nachgeschliffen, um die notwendige Oberflächengüte zu erreichen. Die Geometrie der Vorschweißnase (7) richtet sich dabei nach dem Durchmesser und der Wandstärke des Turmes (2) und den zu erwartenden Belastungen.
Abschließend wird die Türzarge (1) in die vorbereitete Öffnung (4) des Turmes oder Turmsegmentes (2) der Windenergieanlage eingebracht und die Vorschweißnase (7) an der dafür vorgesehenen Positionen am Turm (2) verschweißt. Dabei ist eine voll durchgeschweißte Stumpfnaht nach der Norm DIN EN 1993-1-9:2010-12 vorzusehen.
Mit der erfindungsgemäßen Öffnung mit Verstärkungselement kann für den Nachweis der Dauerfestigkeit des Turmes gegenüber dem Stand der Technik eine höhere Kerbfallklasse nach DIN EN 1993-1-9:2010-12 angenommen werden. So kann anstelle eines Kerbfalles 100 für den geschweißten Übergangsbereich mit voll durchgeschweißten K-Nähten entsprechend der Norm DIN EN 1993-1-9:2010-12 mit der Erfindung ein Kerbfall von bis zu 112 für die Schweißnaht und üblicherweise ein Kerbfall von bis zu 140 für den ausgerundeten Übergangsbereich des Verstärkungselementes im Bereich der Vorschweißnase ohne Schweißnaht nachgewiesen werden.
Dadurch wird unter Berücksichtigung der zu gewährleistenden Stabilität eine Reduktion der Kosten erreicht, da der Materialeinsatz im Mantelbereich des Turmes vermindert werden kann. In anderen Fällen wird dadurch der Nachweis der Stabilität und der Festigkeit eines solchen Turmes erst möglich.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung wird das Verstärkungselement aus dem Vollmaterial einer Stahlplatte herausgearbeitet. Dabei kann die Dicke der Stahlplatte so reduziert werden, dass bei einer erhöhten Breite der Türzarge die benötigte Steifigkeit erreicht wird.
Es versteht sich, dass der Umfang der Erfindung nicht auf ein Verstärkungselement in Form einer Türzarge im Turm einer Windenergieanlage beschränkt ist, sondern alle größeren Öffnungen, beispielsweise zur Be- und Entlüftung, in den Tragstrukturen einer Windenergieanlage betrifft, die eine erhebliche Unterbrechung der Tragstruktur und somit eine Schwächung der Tragstruktur verursachen.
Es versteht sich weiterhin, dass die beispielhafte Darstellung der Herstellung des Verstärkungselementes aus zwei Halbschalen die Erfindung nicht beschränkt, sondern andere Lösungen aus einer anderen Anzahl von Elementen oder aus einem Einzelelement ebenfalls zum Umfang der Erfindung gehören.

Claims

Öffnung (4) mit Verstärkungselement (1) in einer Tragstruktur (2) einer Windenergieanlage, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (4) in der Tragstruktur (2) einer Windenergieanlage mit einem mittels aus gewalzten und/oder geschmiedeten Halbzeugen hergestellten Verstärkungselement (1) versehen ist, welches eine Vorschweißnase (7) aufweist, wobei die Vorschweißnase (7) den Dickenübergang vom Verstärkungselement (1) zur Tragstruktur (2) darstellt, wobei die Öffnung (4) durch eine Tür und das Verstärkungselement (1) in der Tragstruktur (2) durch eine Türzarge gebildet wird.
Öffnung (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (4) durch ein Element zur Be- und Entlüftung und das Verstärkungselement (1) in der Tragstruktur (2) durch einen Rahmen für ein Element zur Be- und Entlüftung gebildet wird.
Öffnung (4) nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungselement (1) der Tragstruktur (2) einer Windenergieanlage im Bereich der Öffnung (4) an den Durchmesser und die Wandstärke der Tragstruktur (2) angepasst ist.
Öffnung (4) nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungselement (1) der Tragstruktur (2) einer Windenergieanlage im Bereich der Öffnung (4) mit einer voll durchgeschweißten Stumpfnaht an die Tragstruktur (2) angeschweißt wird.