DE102008000382A1

DE102008000382A1 - Richtungskorrekturelement zum Ausgleich von Schiefstellungen von Gründungen bei Windenergieanlagen und Verfahren zur Richtungskorrektur

Info

Publication number: DE102008000382A1
Application number: DE200810000382
Authority: DE
Inventors: Roland Hassert
Original assignee: Ed Zueblin AG
Current assignee: STRABAG OFFSHORE WIND GMBH, DE
Priority date: 2008-02-22
Filing date: 2008-02-22
Publication date: 2009-09-03

Abstract

Das erfindungsgemäße Korrekturelement weist in seiner einfachsten Form als Zwischenstück zwischen Mast und Gründung mindestens eine schräge Verbindungsfläche zum Mast oder zur Gründung auf. Durch Rotation um diese schräge Verbindungsfläche wird ein einstellbarer Knick zwischen Zwischenstück und Gründung oder zweischen Zwischenstück und Mast erzeugt, der eine Schrägstellung der Gründung kompensieren kann. Ist die zweite Verbindungsfläche senkrecht zur Mastachse (also im Sprachgebrauch "waagerecht"), so dient diese, ohne Veränderung des Winkels zwischen Mastachse und Gründungsachse, zur Ausrichtung der Orientierung des Knicks in der horizontalen Ebene. Ist die zweite Verbindungsfläche hingegen ebenfalls schräg, so erzeugt auch sie im allgemeinen Fall einen Knick, der bei der Korrektur der Schiefstellung der Gründung mitberücksichtigt werden muß. Das erfindungsgemäße Korrekturelement kann auch aus mehreren, bevorzugt direkt übereinander angeordneten Elementen bestehen, die zueinander über schräge und waagerechte oder nur schräge Verbindungsflächen miteinander in Kontakt stehen.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft das Ausgleichen von Schiefstellungen der Gründungen von Windenergieanlagen (WEA).
Stand der Technik
Bei Windenergieanlagen gibt es oft das Problem, den Turm in vertikaler Richtung auszurichten, wenn das Fundament schief aufgebaut wurde. Im Bereich von Offshore-Gründungen tritt dieses Problem aufgrund der extremen Umweltbedingungen vor Ort (Wind, Wellen) und den damit verbundenen logistischen Problemen besonders häufig auf.
Bei Monopilegründungen (ein in den Boden gerammtes Stahlrohr) wird derzeit eine ungewollte Schiefstellung zwischen Mast und dem gerammten Pfahl durch eine sogenannte Grout-Verbindung ausgeglichen. Bei einer Grout-Verbindung werden zwei Stahlrohre mit unterschiedlichen Durchmessern ineinander gesteckt und ausgerichtet. Anschließend wird der Zwischenraum mit einem speziellen Grout-Material vergossen um die Rohre kraftschlüssig zu verbinden. Diese Art der Verbindung ist relativ teuer und nicht nachjustierbar.
Bei anderen Gründungsvarianten wie z. B. Jacket-Gründungen (räumliche Stahlgitterkonstruktion) oder Schwergewichtsgründungen aus Beton sind die ungewollten Schiefstellungen jedoch nicht so leicht auszugleichen. Deshalb wird bei diesen Gründungsvarianten mit ziemlich hohem Aufwand versucht, die Gründung exakt auszurichten, damit der Turm der WEA später gerade steht. Es wäre möglicherweise auch hier eine Grout-Verbindung zwischen Gründung und Mast machbar, jedoch wäre der Aufwand enorm und wirtschaftlich uninteressant. Eine Korrektur von späteren Schiefstellungen, z. B. durch Fundamentsetzungen, wäre auch hier mit einer Grout-Verbindung nicht machbar.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Richtungskorrektur und ein Konstruktionselement für sämtliche Gründungsstrukturen zu schaffen, welches unplanmäßige Schiefstellungen der Gründung ausgleichen kann, damit der darauf befestigte Mast in die gewünschte Richtung zeigt (üblicherweise senkrecht) und keine weitere vertikale Ausrichtung erforderlich ist. Das erfinderische Richtungskorrekturelement soll zudem eine Nachjustierung auch noch zu einem späteren Zeitpunkt ermöglichen.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird durch die im Kennzeichen der Ansprüche angegebenen Merkmale gelöst.
Wesentliches Merkmal der Erfindung ist es, durch Verdrehen zweier Elemente A und B um eine gemeinsame Verbindungsfläche (1, 2), die nicht senkrecht zur Achse der Elemente ist, einen Knick zwischen den Elementen in gewünschter Größe einstellen zu können.
Ist die Neigung der Verbindungsfläche 1 des Elementes A zur Senkrechten der Elementachse gleich n und die Neigung der Verbindungsfläche 2 des Elementes B zur Senkrechten der Elementachse gleich m, dann läßt sich durch Verdrehen der beiden Elemente um die gemeinsame Verbindungsfläche 1 ein Winkel zwischen 0 und (n + m) einstellen, je nach Erfordernis.
Um einen Windenergiemast in gewünschter Stellung auszurichten (meist senkrecht) ist es aber für den allgemeinen Fall notwendig, daß mindestens zwei Verbindungsflächen (1, 2) und (5 bzw. 6) vorhanden sind. Das bedeutet, man hat eine (schiefe) Gründung, auf die, verbunden über eine Verbindungsfläche 6, ein Korrekturelement folgt, auf das wiederum, verbunden über eine Verbindungsfläche 5, der Mast folgt.
Das erfindungsgemäße Korrekturelement weist in seiner einfachsten Form als Zwischenstück zwischen Mast und Gründung mindestens eine schräge Verbindungsfläche (1, 2) zum Mast oder zur Gründung auf. Durch Rotation um diese schräge Verbindungsfläche wird dann ein einstellbarer Knick zwischen Zwischenstück und Gründung oder zwischen Zwischenstück und Mast erzeugt, der eine Schrägstellung der Gründung kompensieren kann.
Ist die erste Verbindungsfläche (6) senkrecht zur Gründungsmastachse (also im Sprachgebrauch „waagerecht”), so dient diese, ohne Veränderung des Winkels zwischen Mastachse und Gründungsachse, zur Ausrichtung der Orientierung des Knicks an der zweiten Verbindungsfläche (1, 2).
Ist die erste Verbindungsfläche (6) hingegen ebenfalls schräg, so erzeugt auch sie im allgemeinen Verdrehungsfall einen Knick, der bei der Korrektur der Schiefstellung der Gründung an der zweiten Verbindungsfläche (1, 2) mitberücksichtigt werden muß.
Das erfindungsgemäße als Zwischenstück ausgeführte Korrekturelement kann auch aus mehreren, bevorzugt direkt übereinander angeordneten, Teilelementen bestehen, die zueinander über schräge und waagerechte oder nur schräge Verbindungsflächen miteinander in Kontakt stehen.
Ein solches Element ist z. B. in 1 für das Beispiel von Mastrohren dargestellt. Durch Drehen um die Verbindungsfläche wird ein „Wunschknick” erzeugt, der die die ungewollte Schiefstellung der Gründung korrigiert. Mit Hilfe mehrerer Knicks lassen sich auch größere Schiefstellungen kontinuierlicher über eine größere Länge kompensieren, wenn dies gewünscht ist.
Die abgeschrägten Elemente bzw. schrägen Verbindungsflächen bestehen z. B. aus planmäßig schief an einem Mastteilende angebrachten Ringflanschen (innen- oder außenliegend), die eine Neigung n gegenüber der üblichen „waagerechten” Ringflanschlage (senkrecht zur Rohrachse) aufweisen. Durch das gegenseitige Verdrehen der Mastelemente (z. B. Rohre) um den Winkel α von 0° bis ±180° um die gegenüber der Mastachse um n geneigte Verbindungsebene können somit sämtliche Schiefstellungen zwischen 0 (2) und 2·n (3) ausgeglichen werden. Die Richtung des Knicks zur Gründung wird in einem weiteren Verstellvorgang durch ein Verdrehen des gesamten Richtungskorrekturelementes um seine Verbindung zur Gründung eingestellt. Diese Drehung findet bevorzugt um eine Ebene (z. B. Flansch) statt, die senkrecht zur Achse des schiefgestellten Gründungsmastes liegt.
Die Schnittfläche einer nicht senkrecht zur Rohrache verlaufenden Ebene mit einem Kreisrohr ergibt eine Ellipse. Die Ringflanschverbindung in oben genanntem Beispiel ist somit auch elliptisch.
In 4 ist schematisch (stark übertrieben) die gegenseitige Verdrehung der Ellipsen dargestellt. Bei geringen Neigungen der Drehungsebene (z. B. Ringflansche) gegenüber der üblichen Lage (senkrecht zur Mastachse) ist dieser elliptische Effekt jedoch vernachlässigbar klein! Bei einer Neigung von n = 2% ist beispielsweise die Länge der großen Hauptachse der Ellipse nur um 0,02% größer als die der kleinen Hauptachse! Bei einem angenommenen Rohrdurchmesser von 500 cm ist damit die Abweichung kleiner als 1 mm! Die Ringflansche können daher wie üblich kostengünstig als Kreise gefertigt werden. Es müssen in diesem Falle somit nur 0,5 mm je Seite ausgeglichen werden, was z. B. im Anschluss an das Rohr (Schweißnaht) erfolgen kann.
Große Neigungen der Ringflansche sind ebenso möglich, jedoch muss dann auch ein größerer Unterschied zwischen kleiner und großer Hauptachse der Ellipse ausgeglichen werden. Kann dieser nicht mehr an der Schweißnaht zwischen Rohr und Flansch ausgeglichen werden, so müssen die Ringflansche als Ellipsen gefertigt werden. Ein Ausgleich zwischen den gegenseitig verdrehten Ellipsen (im Extremfall 90°) könnte dann z. B. durch das Lochspiel der Schrauben in den Flanschen ausgeglichen werden.
Bei der Ausbildung der Ringflansche als Kreis (kleine Neigungen) ist außerdem der Einsatz von Paßschrauben möglich.
Das Richtungskorrekturelement kann somit sämtliche richtungsunabhängigen Schiefstellungen bis 2·n ausgleichen und ist universell für sämtliche Gründungsvarianten einsetzbar. Auch im Sanierungsfall nachträglicher Fundamentschiefstellungen kann das Element eingesetzt werden. Hierzu ist das Richtungskorrekturelement bevorzugt vor dem Sanierungsfall in den Turm der Windenergieanlage einzubauen.
Die Erfindung stellt deshalb eine sichere, kostengünstige und zeitsparende Lösung der Probleme dar. Zudem kann der Montageaufwand der Gründungen reduziert werden, da größere Toleranzen zulässig sind.
Anstatt ein zweiteiliges Richtungskorrekturelement zwischen Gründung und Mast einzubauen, ist es auch möglich, nur ein einziges Element einzusetzen, welches zur Gründung hin über eine „waagerechte” Verbindungsfläche verfügt, die senkrecht zur Achse des Elementes ist und über eine Verbindungsfläche zum darüber befindlichen Mast hin, die gegenüber der Senkrechten zur Achse um n geneigt ist. In diesem Falle muß aber der Mast an seiner Verbindungsfläche zum Korrekturelement ebenfalls über eine schräge Verbindungsfläche verfügen, um einen Korrekturknick erzeugen zu können! Sind Masten an ihrer Unterseite von vornherein mit einer solchen schrägen Verbindungsfläche ausgestattet, spart man beim Richtungskorrekturelement zwei teure Flansche ein! Dadurch ist es lohnend, die schräge Verbindungsfläche standardmäßig bei allen Masten von vornherein vorzusehen, selbst wenn die Gründung ausnahmsweise ausreichend gerade stehen sollte.
Die Figuren zeigen eine schematische Darstellung der Erfindung. Gezeigt ist das Beispiel eines Richtungskorrekturelementes aus zwei zusammengesetzten Einzelelementen. Die Neigungen sind zur besseren Veranschaulichung übertrieben dargestellt. Auch die Elliptizität der Verbindungsebene zwischen den zwei Einzelelementen ist stark übertrieben, um den gegenseitigen Verdrehwinkel besser darstellen zu können.
1 zeigt beabstandet ein unteres Element A und ein oberes Element B, die zusammen ein Richtungskorrekturelement ergeben, wenn sie mit ihren gegen ihre Achse um den Winkel n geneigten Flächen F_A und F_B gegeneinander verdrehbar aufeinandergesetzt werden.
Die Flansche sind zur besseren Veranschaulichung als außenliegend dargestellt. Bevorzugt sind aber innenliegende Flansche, deren Verschraubungen vom Inneren des Rohres zugänglich sind.
2 zeigt diesen Zustand vor einer Verdrehung, so daß die Achsen der Einzelelemente A und B noch parallel zueinander sind. Der Knick beträgt 0.
3 zeigt den Zustand maximal möglicher Richtungskorrektur, bei dem die beiden Einzelelemente um den Winkel 180 Grad um ihre Verbindungsflächen gedreht wurden. Es resultiert ein Knick von 2n.
4 zeigt im Schnitt durch die Verbindungsfläche von A und B den allgemeinen Fall einer Verdrehung der (stark übetrieben dargestellten) Ellipsen um einen Winkel α.
5 zeigt noch den Fall, in dem das Korrekturelement nur aus zwei keilförmigen Unterlegscheiben zwischen den beiden Flanschen von Gründung und mast besteht. Ist der Flansch am Mast schräg, genügt sogar eine keilförmige Unterlegscheibe.
Die schiefen Schraubenverbindungen durch die Flansche muß in den Fällen von 5 aber u. U. zwischen Schraubenkopf und Flansch oder/und Mutter und Flansch durch Hilfsmittel ausgeglichen werden.

A: Teilelement A des Richtungskorrekturelementes
B: Teilelement B des Richtungskorrekturelementes
1: um n gegenüber der Senkrechten zur Achse 3 geneigte Verbindungsfläche von Teilelement A zu Teilelement B (hier als Außenflansch ausgeführt)
2: um n gegenüber der Senkrechten zur Achse 4 geneigte Verbindungsfläche von Teilelement B zu Teilelement A (hier als Außenflansch ausgeführt)
3: Achse von Teilelement A
4: Achse von Teilelement B
5: Verbindungsfläche von Teilelement A zum darüber befindlichen Restmast
6: Verbindungsfläche von Teilelement B zur darunterbefindlichen Gründung
7: keilförmige Unterlegscheibe
α: Winkel der Verdrehung der Achsen der elliptischen Flächen 1 und 2 zueinander
n: Neigung der Verbindungsflächen 1 und 2 gegen die Senkrechte zur Achse des jeweiligen Teilelementes

Claims

Verfahren zur Korrektur der Schiefstellung der Gründung einer Windenergieanlage bei der Errichtung derselben durch Erzeugung eines oder mehrerer Knicks oberhalb der Gründung in einem Bereich zwischen Gründung und in Sollage ausgerichtetem Restmast dadurch gekennzeichnet, daß a.) die Schiefstellung ausgemessen wird, b.) zwei Elemente A und B welches gegen ihre Achse geneigte Verbindungsflächen 1 und 2 aufweisen, so lange um ihre gemeinsame Verbindungsfläche (1, 2) gedreht werden, bis ein Knick entsteht, der so groß ist, daß er den Mast später in Sollausrichtung bringt, wobei c.) das untere der Elemente um seine zur Gründungsachse senkrechte Verbindungsfläche (6) zur Gründung so stark gedreht wird, bis die Sollausrichtung des Mastes erreicht ist.
Verfahren zur Korrektur der Schiefstellung der Gründung einer Windenergieanlage bei der Errichtung derselben durch Erzeugung eines oder mehrerer Knicks oberhalb der Gründung in einem Bereich zwischen Gründung und in Sollage ausgerichtetem Restmast dadurch gekennzeichnet, daß a.) die Schiefstellung ausgemessen wird, b.) zwei Elemente A und B welches gegen ihre Achse geneigte Verbindungsflächen 1 und 2 aufweisen, so lange um ihre gemeinsame Verbindungsfläche (1, 2) gedreht werden, bis ein Knick entsteht, wobei c.) das untere der Elemente ebenfalls unter Erzeugung eines Knicks um eine zur Senkrechten der Gründungsachse schräge Verbindungsfläche (6) zur Gründung so stark gedreht wird, bis die beiden Knicke zusammen die Schiefstellung der Gründung korrigieren und den Mast in Sollausrichtung bringen.