DE102004028253A1

DE102004028253A1 - Kombinierte Vollwand-Fachwerk Turmkonstruktion für Windenergieanlagen

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Publication number: DE102004028253A1
Application number: DE102004028253A
Authority: DE
Original assignee: AIRWERK GmbH
Current assignee: AIRWERK GmbH
Priority date: 2004-06-12
Filing date: 2004-06-12
Publication date: 2005-12-29

Abstract

Turmkonstruktion insbesondere für eine Windenergieanlage, bestehend aus einer Fachwerkkonstruktion im unteren Teil, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein oberer, mindestens über dem Radius des Rotors erstreckender Turmabschnitt anschließt, der in einer Vollwandkonstruktion ausgeführt ist.

Description

Durch die zunehmende weltweite Knappheit fossiler Energieträger wurde in den letzten Jahren die regenerative Energienutzung stark vorangetrieben. Neben der Energiegewinnung aus Wasser, Sonne, Erdwärme oder pflanzlichen Rohstoffen erhielt die Energiegewinnung aus Wind einen deutlichen Zuwachs.
Deutschland zählt in diesem Bereich weltweit als Markt- und Know-how Führer. Der zunehmende weltweite Export, die Erschließung von ehemals als unwirtschaftlich eingestufte Standorte durch den Einsatz höherer Nabenhöhen, die kontinuierliche Leistungssteigerung pro installierter Windenergieanlage, sowie die gleichzeitige Forderung zur Reduzierung der Investitionskosten pro installierter Kilowattstunde stellen die Zulieferindustrie und Ingenieure vor immer neue Herausforderungen. Eine wesentliche Komponente der erforderlichen Entwicklungsarbeit liegt hierbei in der wirtschaftlichen Auslegung von Turmkonstruktionen von Windenergieanlagen.

Derzeit werden Windenergieanlagentürme entweder in Vollwand- oder in Fachwerkbauweise ausgeführt. Die verwendeten Materialien können Stahl, Fertigteil-, Schleuder- oder Ortbeton und in Ausnahmefällen Holz sein. So genannte Hybridtürme bei denen verschiedenen Materialien zu Einsatz kommen, z.B. Stahl und Ortbeton, befinden sich ebenfalls in Planung.

Nabenhöhen bis ca. 90–100 Meter werden vorwiegend in Vollwandturmkonstruktionen aus Stahl oder Schleuder-, Fertigteil- und Ortbeton erreichtet. Hybridbauweisen aus Stahl und Beton sind ebenfalls möglich. Dies wird begünstigt durch den geringen Aufwand für Turmfertigung und -montage, sowie durch die ebenfalls geringen Wartungs- und Servicekosten dieser Bauart. Gerade bei geringeren Turmhöhen (bis 60–70 Meter Nabenhöhe) sind dies die maßgebenden Vorteile dieser Bauart. Werden Nabenhöhen über 100 Meter in der Vollwandbauweise geplant, ergeben sich im Vergleich zur Fachwerkbauweise die Nachteile dieser Konstruktionsvariante. Durch die Vorgabe der Turmbreiten am Turmfuß ergeben sich unwirtschaftliche Wandstärken, um den statisch dynamischen Erfordernissen nachzukommen. Die daraus resultieren hohen Einzelgewichte der Turmsegmente erfordern ein erhöhtes Maß an Transport- und Montagelogistik. Die dicken Wandstärken können nur von wenigen spezialisierten Fertigungsbetrieben verarbeitet werden. Die Errichtung von Ortbetontürmen kann unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten auf Dauer nur eine Ausnahme sein. Ebenso ist die Einhaltung der geforderten Eigenfrequenzbereiche bei Vollwandtürmen in Höhen über 100 Metern nur unter erhöhten Materialaufwand zu gewährleisten. Der runde Querschnitt dieser Turmbauweise begünstigt die Aufnahme von Torsionsbeanspruchungen durch die Windenergieanlage. Dadurch kann diese Bauart innerhalb des Bereiches des Rotorblattes wesentlich wirtschaftlicher konstruiert werden als eine vergleichbare Fachwerkkonstruktion.

Die für diese Bauart typischen Köcher- oder Rotundenfundamente erfordern gerade bei großen Höhen ein verhältnismäßig großes Volumen um die Standsicherheit zu gewährleisten. Der Vorteil der schnellen Montage aufgrund von langen Turmsegmenten (bis zu 38m-Segmentlänge) erweist sich für den Export, sowie für so genannte „unerschlossene Standorte", wie z.B. gebirgiges Gelände, als großer Nachteil, da viele Länder nicht über die notwendige Logistik verfügen.

Die traditionelle Fachwerkkonstruktion hat vor allem in den letzten Jahren in Deutschland für die Windenergie stark an Bedeutung gewonnen. Die Bauart setzt da an, wo die Vollwandbauweise an Ihre Grenzen stößt. Höhen über 100 Meter Nabenhöhe stellen für die Fachwerkbauweise konstruktiv und logistisch keine Probleme dar. Durch das Baukastenprinzip, viele einzelne Komponenten mit maximalen Lieferlängen von 12m, kann nahezu jeder denkbare Standort erreicht und realisiert werden.

In der Regel werden Fachwerktürme aus gewalzten Stahlbauprofilen gefertigt. Holzkonstruktionen sind ebenso denkbar, wie auch die Verbundbauweise, bei der Stahlhohlprofile mit Beton verfüllt werden. Durch die geringen Einzelgewichte und Abmessungen der eingesetzten Stahlprofile kann diese Bauart an nahezu jedem beliebigen Ort und Umgebung errichtet werden. In Höhen ab 100 Metern Nabenhöhe erweist sich das frei wählbare Spreissmaß des Turmes als großer Vorteil, um die Fundamentabmessungen und -mengen zu reduzieren, aber auch um den Materi aleinsatz des gesamten Bauwerkes unter Berücksichtigung der kritischen Eigenfrequenzen zu minimieren. Wegen der Vielzahl der Schraubverbindungen und den sich daraus ergebenen Mehraufwand für Wartung und Service wurde diese Bauweise lange nicht beachtet. Im Vergleich zu Vollwandmasten ist der Fertigungs- und Montageaufwand bei Fachwerkmasten sehr hoch, so dass gerade bei geringen Nabenhöhen die Vollwandbauweise ökonomischer ist.

Das Erscheinungsbild einer Fachwerkkonstruktion ergibt sich aus den einwirkenden Lasten resultierend aus der Windenergieanlage, dem minimal zulässigen Abstand von Rotorblattspitze zur Mastwand, dem Flanschdurchmesser des Maschinenhauses der Windenergieanlage, sowie durch standortspezifische Notwendigkeiten.

Diese konstruktiven Vorgaben innerhalb des Bereiches Flansch Maschinenhaus und minimal zulässigem Abstand zwischen Rotorblattspitzendurchgang und Mastwand sind für eine Fachwerkkonstruktion vergleichsweise ungünstig und führen zu einem verhältnismäßig hohen Materialeinsatz um die Ableitung der einwirkenden Kräfte zu gewährleisten.

Die Mastgeometrie eines Vollwandmastes wird in der Regel noch zusätzlich durch die transportbedingten maximal zulässigen Breiten bestimmt.

Der Hybridturm „Vollwand Fachwerk Turm", gemäß der Erfindung vereint die wirtschaftlichen und konstruktiven Vorteile beider Konstruktionsprinzipien.
Der Bereich zwischen Gondelkopf (Maschinenhaus Windenergieanlage) und Rotorblattspitzendurchgang wird in der Vollwandbauweise ausgeführt. Unterhalb des Rotorblattspitzendurchganges geht die Konstruktion in die Fachwerkbauweise über.
Durch die Zusammenführung der jeweils wirtschaftlichsten Turmkomponenten der beiden Mastvarianten Vollwandturm und Gittermast, reduzieren sich die Materialaufwendungen für den Turm und das Fundament maßgeblich. Zusätzlich können die Fertigungs- und Montageaufwendungen und der Wartungs- und Serviceaufwand im direkten Vergleich zu einer reinen Fachwerkkonstruktion reduziert werden.
Die Einleitung der Kräfte aus der Windenergieanlage erfolgt über eine Flanschverbindung in den Vollwandturm. Die Überleitung der Vollwandvariante in die Fachwerkvariante erfolgt idealenweise im Bereich des Rotorblattspitzendurchganges, da die Mastgeometrie unterhalb des Rotorblattspitzendurchganges nicht mehr durch den Rotorblattspitzendurchgang eingegrenzt wird. Ein Übergangsstück, Turmadapter, nimmt die kreisförmige Struktur der Vollwandkonstruktion über eine Flanschverbindung auf. In der mittleren Sektion des Adapters wird der Querschnitt der kreisförmigen Struktur in einen quadratischen Querschnitt übergeleitet. Der quadratische Querschnitt endet in vier einzelne Turmanschlüsse, dem Übergang Gittermast, der direkt mittels Laschenstoß, Flanschverbindung oder geschweißte Verbindung mit dem darunter liegenden Gitterturm verbunden wird. Dieser Übergang wird derart ausgeführt, dass der Querschnitt des Überganges jeweils identisch mit dem eines einzelnen Eckstiels der Fachwerkausführung ist. Diese Ausführung des Überganges auf den Turm ist sowohl für Winkelprofile in jeder Anordnung als auch für kreisförmige Querschnitte durchführbar.
Der Turmadapter kann sowohl als Gussteil in einem Stück als auch als Schweißkonstruktion aus warm oder kaltverformten Blechen gefertigt werden.
Die Hybridbauweise ermöglicht die wirtschaftliche Errichtung von Windenergieanlagen sowohl von logistisch schwer erschließbaren Standorte, als auch die Errichtung beliebiger Turmhöhen.

Claims

Turmkonstruktion insbesondere für eine Windenergieanlage, bestehend aus einer Fachwerkkonstruktion im unteren Teil, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein oberer, mindestens über dem Radius des Rotors erstreckender Turmabschnitt anschließt, der in einer Vollwandkonstruktion ausgeführt ist.