Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verankerungssystem für einen Stahlrohrturm einer Windturbine. Sehr hohe Stahlrohrtürme benötigen eine bestimmte Steifigkeit wegen der auftretenden Vibration und der Eigenfrequenz. Dazu wird ein großer Turmdurchmesser oder eine große Wandstärke benötigt. Die Verankerung von Stahlrohrtürmen wird häufig mit Hilfe eines Flansches, besonders häufig mit Hilfe eines T-Flansches realisiert, welcher meist über zwei ringkreisförmig angeordnete Reihen von Ankerschrauben mit dem Fundament verspannt ist. Da der Transport von Stahlrohrtürmen von den Fertigungshallen der Hersteller zu den Aufstellungsstandorten meist mit Hilfe von Schwerlasttransporten über Land realisiert werden muss, ergibt sich wegen der Höhe von Brücken eine maximale Transporthöhe von 4,5 Metern. Die Turmsegmente werden beim Transport meist liegend transportiert, weshalb der maximale Durchmesser der Turmsegmente daher im Bereich des Flansches die Transporthöhe nicht überschreiten darf. Der Abstand zwischen der Straße und den transportierten Turmsegmenten entspricht bei den meisten Schwertransportern etwa 0,1 bis 0,2 Meter. Aus diesem Grund darf der maximale Durchmesser der Turmsegmente inklusive des Flansches nicht größer als 4,3 bzw. 4,4 Meter sein. Um eine ausreichende Standfläche und genügend Raum für die Positionierung der Ankerschrauben zur Verfügung zu stellen, muss die äußere Flanschbreite - das hei ßt der Teil des T-Flansches, welcher über den Durchmesser der Mantelfläche hinausragt - größer als 0,25, meist größer als 0,3 Meter sein. Dies gilt insbesondere für Türme von über 80 Metern Höhe. Aus diesem Grund darf der maximale Durchmesser des Turmes im Bereich der Mantelfläche ohne Flansch bei der Verwendung herkömmlicher Verankerungssysteme nicht größer sein als bestimmtes Maß, vorzugweise 4,0 oder 4,05 Meter. Wegen der transportbedingten Querschnittsbeschränkung der Turmsegmente, müssen bei Windturbinen mit großen Türmen deshalb andere Maßnahmen getroffen werden, um eine ausreichenden Steifigkeit des Turms zu gewährleisten. Eine Möglichkeit besteht darin, die Turmsegmente mit einer größeren Wandstärke zu konzipieren. Dies führt allerdings zu einem höheren Materialverbrauch, was sich kostentechnisch negativ auswirkt.

Eine Aufgabe der Erfindung besteht demnach darin, eine erhöhte Steifigkeit ohne einen erhöhten Materialverbrauch zu realisieren.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verankerungssystem für eine Windturbine mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst.

Das erfindungsgemäße Verankerungssystem ist dazu ausgebildet, eine Windturbine direkt oder indirekt gegen ein Fundament für eine Windturbine zu verspannen und umfasst einen Turm bzw. ein unteres Turmsegment, welcher bzw. welches zumindest an seinem unteren Ende einen Flansch aufweist, wenigstens ein Spannelement und eine Befestigungsvorrichtung. Der Flansch besitzt dabei eine im montierten Zustand dem Fundament zugewandte Unterseite und eine dem Fundament abgewandte Oberseite sowie eine in Umfangsrichtung um den Flansch laufende, Ober- und Unterseite verbindende Stirnfläche.

Die Befestigungsvorrichtung ist erfindungsgemäß als Spannklaue oder Spannzange ausgebildet und im montierten Zustand über das Spannelement direkt oder indirekt derart mit dem Fundament verbunden, dass sie eine auf die Oberseite des Flansches wirkende, vertikal nach unten d. h. in Richtung des Fundamentes gerichtete Anpresskraft überträgt, durch welche der Flansch des Turmes gegen das Fundament der Windturbine verspannt ist. Ein derartiges Verankerungssystem bewirkt, dass die äußere Flanschbreite, also der Teil des Flansches, welcher über den Durchmesser der Mantelfläche hinausragt, reduziert werden kann, denn die Kräfte, die für die Verankerung erforderlich sind, werden nicht mehr durch Ankerschrauben übertragen, welche durch Bohrungen im Flansch geführt werden, sondern mit Hilfe einer als Spannzange oder Spannklaue ausgebildeten Befestigungsvorrichtung. Vorzugsweise weist der Flansch des Turmes dementsprechend keine Bohrungen oder Aussparungen auf; besonders bevorzugt sind die Ober- und Unterseite des Flansches im Wesentlichen orthogonal zur vertikal orientierten Turmachse ausgerichtet. Dies bewirkt einen einfacheren Transport des erfindungsgemäßen Turms.

Diese Befestigungsvorrichtung ist - bis auf eine Auflagefläche, welche auf der Oberseite des Flansches des Turms aufliegt - im montierten Zustand radial zum Flansch angeordnet und mit Hilfe von Spannelementen - zum Beispiel ebenfalls Ankerschrauben oder Spannlitzen - mit dem Fundament verspannt. Im montierten Zustand weisen dementsprechend die Spannelemente der Befestigungsvorrichtung in radialer Richtung einen größeren Abstand von der Achse des Turmes auf, als die umlaufende Stirnfläche des Flansches. Durch das Verspannen der Spannelemente der Befestigungsvorrichtung direkt oder indirekt mit dem Fundament, übt die Befestigungsvorrichtung über die Auflagefläche eine lokal definierte Anpresskraft auf die Oberseite des Flansches des Turms aus, sodass dieser mit dem Fundament direkt oder indirekt verspannt ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Befestigungsvorrichtung als Spannzange ausgebildet. Als Spannzange besitzt die Befestigungsvorrichtung neben einer Auflagefläche, über welche die Anpresskraft auf den Flansch übertragen wird, auch eine Abstützfläche, welche als Auflager der Spannzange dient und durch ihren Abstand zur Auflagefläche die Länge des Kraftarms nach dem Hebelgesetz definiert. Vorzugsweise verfügt das Verankerungssystem über eine Vielzahl von Befestigungsvorrichtungen, welche bevorzugt als Spannzangen ausgebildet sind und im montierten Zustand bevorzugt symmetrisch um den Umfang des Turmes im Bereich des Flansches angeordnet sind. Besonders bevorzugt sind die Befestigungsvorrichtungen dabei so ausgebildet, dass sie im montierten Zustand eine segmentierte Ringscheibe bilden, deren innerer Radius kleiner ist, als der äußere Radius des Flansches, so dass durch die Differenz zwischen innerem Radius der segmentierten Ringscheibe und dem äußeren Radius des Flansches eine definierte Auflagefläche gebildet wird.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung, ist die Befestigungsvorrichtung als Spannklaue ausgebildet. Eine Spannklaue verfügt zwar ebenfalls über eine Auflagefläche zur Übertragung der Anpresskraft auf den Flansch, nicht jedoch über eine Abstützfläche. Demnach muss das Spannelement, welches mit der Spannklaue verbunden ist, Querkräfte aufnehmen, um ein Abrutschen der Auflagefläche von dem Flansch zu verhindern. Um diese Querkräfte bei der Verwendung von Spannklauen als Befestigungsvorrichtungen zu vermeiden, verfügt das Verankerungssystem vorzugsweise über eine Mehrzahl - also wenigstens zwei - bevorzugt symmetrisch um den Umfang des Turmes im Bereich des Flansches angeordnete Spannklauen, welche im montierten Zustand eine segmentierte Ringscheibe bilden und miteinander verbunden sind.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Befestigungsvorrichtung als eine nicht segmentierte Ringscheibe - d. h. Ringscheibe aus einem Stück - ausgebildet, welche bei der Montage von Oben über den Turm geschoben wird. Weist der Turm der Windturbine bzw. das untere Turmsegment am unteren Ende einen T-Flansch auf, so ist im montierten Zustand vorzugsweise wenigstens eine Befestigungsvorrichtungen so angeordnet, dass sie den radial nach innen weisenden Flansch des Turmes bzw. das untere Turmsegment gegen das Fundament verspannt. Vorzugsweise weist der Turm des Verankerungssystems einen äußeren Radius im Bereich der Mantelfläche ohne Flansch von mehr als 1 ,8 Metern, besonders bevorzugt von mehr als 1 ,9 oder sogar von mehr als 2 Metern auf. Der besagte äußere Flansch des Turmes hat vorzugsweise eine Breite von weniger als 0,25 Meter, besonders bevorzugt von höchstens 0,2 oder sogar höchstens 0,15 Metern.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform beträgt die Wandstärke des Turms weniger als 5 Promille der Höhe des Turms. Gemäß einer Besonders bevorzugten Ausführungsform beträgt die Wandstärke weniger als 4,5 Promille, und weiter bevorzugt weniger als 4,2 Promille der Turmhöhe. Diese beiden Ausführungen sind besonders vorteilhaft, wenn der Turm höher als 80 Meter, insbesondere höher als 100 Meter, oder vorzugweise höher als 120 Meter ist. Ein weiter Aspekt der Erfindung betrifft eine erfinderische Befestigungsvorrichtung für das beschriebene Verankerungssystem.

Diese Befestigungsvorrichtung, welche im montierten Zustand dazu ausgebildet ist, eine Anpresskraft auf die Oberseite eines Flansches eines Turms einer Windturbine zu übertragen, verfügt erfindungsgemäß über eine im montierten Zustand nach unten orientierte und der Oberseite des Flansches zugewandte Auflagefläche, welche ringscheibenförmig oder ringscheibensegmentförmig ausgebildet ist und vorzugsweise durch eine umlaufende Stoßkante begrenzt wird. Die Stoßkante weist dabei in einer horizontalen Ebene - zumindest in dem Bereich, in dem sie an die Auflagefläche stößt - einen Krümmungsradius aufweist, der dem halben Durchmesser des äußeren Flansches entspricht, insbesondere einen Krümmungsradius von zwischen 2,05 und 2,15 Metern und vorzugsweise zwischen 2,1 und 2,15 Metern aufweist.

Besonders bevorzugt ist die Befestigungsvorrichtung zu mehr als 90% aus Gusseisen hergestellt. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein rohrförmiges Turmsegment, vorzugsweise, aber nicht limitiert auf, aus vorzugsweise Stahl und/oder GFK für den Turm einer - on shore - Windturbine. Erfindungsgemäß besitzt das untere rohrförmige Turmsegment einen äußeren Radius im Bereich der Mantelfläche ohne Flansch von mehr als 1 ,8 Metern, besonders bevorzugt von mehr als 1 ,9 oder sogar von mehr als 2 Metern. Gleichzeitig weist dieses Turmsegment erfindungsgemäß einen äußeren Flansch am unteren Ende auf, welcher eine Breite von weniger als 0,25 Metern, besonders bevorzugt von höchstens 0,2 oder sogar höchstens 0,15 Metern besitzt.

Ein weitere Aspekt der Erfindung betrifft eine Windturbine, welche wenigstens über einen Turm mit dem oben genannten rohrförmigen Turmsegment, ein Maschinenhaus, eine Rotorwelle, eine Rotornabe und Rotorblätter sowie über die oben genannte Befestigungsvorrichtung verfügt.

Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus den Zeichnungen anhand der Beschreibung hervor.

In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 eine Seitenansicht auf einen Turm für eine Windturbine mit rohrförmigen Turmsegmenten,

Fig. 2 eine Seitenansicht des unteren Teils des Turms der Windturbine aus Fig. 1 , mit verkleinerter Flanschbreite

Fig. 3 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verankerungssystems für eine Windturbine, Fig. 4 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verankerungssystems für eine Windturbine,

Fig. 5 eine Draufsicht auf das erfindungsgemäßen Verankerungssystems mit einer Mehrzahl von Befestigungsvorrichtungen. Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf eine als On-Shore-Anlage ausgebildete Windturbine. Dabei ruhen das Maschinenhaus mit Rotorwelle und die über eine Nabe mit der Rotorwelle verbundenen Rotorblätter der Windturbine auf einem aus rohrförmigen Segmenten 12 zusammengesetzten Turm 10. Die einzelnen rohrförmigen Segmente sind dabei erfindungsgemäß aus einem Stück d. h. nicht etwa aus zusammengesetzten Halbschalen gebildet und vorzugsweise von solcher Art, wie sie für On-Shore-Anlagen Verwendung finden. Der Turm 10 weist im montierten Zustand eine Höhe h von mehr als 90 Metern auf.

Fig. 2 zeigt das untere Ende der Windturbine gemäß Fig. 1 . Dabei weist das untere Ende des Turmes 10 einen Flansch 14 auf, welcher eine im Wesentlichen orthogonal zur vertikalen Turmachse 1 1 verlaufende Ober- und Unterseite sowie eine sich zwischen Ober- und Unterseite erstreckende Stirnfläche aufweist. Mit der Unterseite seines Flansches 14 ruht der Turm 10 auf einem Fundamenteinbauteil 16, einem so genannter Ankerkäfig, welcher Fest mit dem Fundament 15 verbunden ist. Der hier dargestellte Turm 10 bzw. das untere Turmsegment 12 entspricht dabei nicht dem Stand der Technik, denn er/es weist Maße auf, welche nur zusammen mit einem erfindungsgemäßen Verankerungssystem 1 ein sicheres Verspannen des Turms 10 mit dem Fundamenteinbauteil 16 und somit mit dem Fundament 15 gewährleisten. Dementsprechend stellt der hier dargestellte Turm 10 bzw. das untere Turmsegment 12 einen selbständigen Aspekt der Erfindung dar.

An seinem unteren Ende weist der Turm 10 im Bereich der Mantelfläche, also ohne den äußeren Flansch 14 _a , einen äußeren Durchmesser D _M von 3,8 Metern auf. Im Bereich des Flansches 14 _a weist der Turm einen äußeren Durchmesser von D _F von 4,2 Metern auf. Fig. 3 zeigt eine schematische Querschnitts-Darstellung des erfindungsgemäßen Verankerungssystems 1 für eine On-Shore-Windturbine. Im Detail ist hier dargestellt, wie das untere Turmsegment 12, welches einen inneren 14, und einen äußeren 14 _a Flansch aufweist, mit dem Fundamenteinbauteil 16 und damit auch mit dem Fundament 15 verspannt ist. Dabei ist der äußere Flansch 14 _a mit Hilfe einer Befestigungsvorrichtung 30 verspannt, welche einen selbständigen Aspekt der Erfindung darstellt. Der innere Flansch 14, ist gemäß der hier dargestellten Ausführungsform mit Hilfe von Spannschraube 18 und Spannmutter 20 mit dem Fundamenteinbauteil 16 verspannt.

Die hier dargestellte Befestigungsvorrichtung 30 ist als Spannzange ausgebildet, denn sie umfasst sowohl eine Auflagefläche 32, wie auch eine Abstützfläche 34. Um zu erreichen, dass die Befestigungsvorrichtung 30 eine senkrecht nach unten gerichtete Anpresskraft über die Auflagefläche 32 auf den äußeren Flansch 14 _a des Turmes 10 ausübt, ist die Befestigungsvorrichtung 30 im montierten Zustand mit Hilfe der Spannelemente 19, 21 , welche als Spannschraube 19 und Spannmutter 21 ausgeführt sind, mit dem Fundamenteinbauteil 16 und damit indirekt auch mit dem Fundament 15 verspannt.

Um zu gewährleisten, dass die Befestigungsvorrichtung 30 beim Verspannen der Spannelemente 19, 21 nicht mit der Auflagefläche 32 seitlich von dem äußeren Flansch 14 _a abrutscht bzw. ungewünschte Querkräfte und Biegemomente auf die Spannelemente 19, 21 wirken, ist die Befestigungsvorrichtung 30 als Spannzange ausgebildet. Die Abstützfläche 34 kann dabei als Auflager der Spannzange angesehen werden, wobei der Abstand zwischen der Auflagefläche 32 und der Abstützfläche 34 den Kraftarm im Sinne des Hebelgesetzes definiert. Unerwünschte Biegemomente, welche auf die Spannelemente 19, 21 wirken, werden durch diese Bauweise vermieden.

Um eine definierte Auflagefläche 32 bereitzustellen, ist in der Befestigungsvorrichtung 30 eine Ausnehmung vorgesehen, durch welche die Auflagefläche 32 einerseits und eine Stoßkante 33 andererseits definiert werden. Die Stoßkante 33 liegt dabei im montierten Zustand an der umlaufenden Stirnfläche des äußeren Flansches 14 _a an und weist dementsprechend in der horizontalen Ebene einen Krümmungsradius von 2,1 Metern auf. Die Auflagefläche 32 entspricht dabei einem Kreisscheibensegment.

Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verankerungssystems 1 für eine Windturbine. Gemäß dieser Ausführungsform weist der Turm 10 bzw. das untere Turmsegment 12 einen T- Flansch 14 auf, wobei im montierten Zustand wenigstens eine Befestigungsvorrichtung 30 den radial nach innen weisenden Flansch (14,) des Turmes (10) gegen das Fundament (15) verspannt.

Fig. 5 zeigt eine Draufsicht des Verankerungssystems 1 mit einer Mehrzahl von Befestigungsvorrichtungen 30.

Dabei ist im Zentrum der Zeichnung das untere rohrförmige Turmsegment 12 zu sehen. Entgegen rohrförmigen Turmsegmenten 10 gemäß dem Stand der Technik weist dieses Segment bei einer Turmhöhe von 90 Metern eine Wandstärke W _s von weniger als 45 Millimeter auf und besitz demnach erfindungsgemäß ein Verhältnis zwischen Wandstärke W _s und Turmhöhe h von kleiner als 45 Promille.

Als gestrichelte Linie ist die umlaufende Kante des äußeren Flansches 14 _a mit dem Durchmesser D _F zu erkennen. Überlappend im Bereich der Auflageflächen 32 ruhen - ansonsten seitlich radial weiter außen angeordnet - eine Mehrzahl von Befestigungsvorrichtungen 30 auf dem äußeren Flansch 14 _a . Die Befestigungsvorrichtungen 30 sind dabei in Verbindungsbereichen 36 miteinander verbunden. Dies erhöht die Steifigkeit, des Verankerungssystems 1 .

Die in den beschriebenen Ausführungsbeispielen offenbarten Merkmalskombinationen sollen nicht limitierend auf die Erfindung wirken, vielmehr sind auch die Merkmale der unterschiedlichen Ausführungen miteinander kombinierbar. Bezugszeichenliste Turm 21 Spannelement

Turmachse 30 Befestigungsvorrichtung Rohrförmige Turmsegmente 32 Auflagefläche

Flansch 33 Stoßkante

, Innerer Flansch 34 Abstützfläche

a Äußerer Flansch 36 Verbindungsbereich

Fundament A Abstand

Fundamenteinbauteil DM Turm-Durchmesser im Bereich des Mantels

Spannschraube

D _F Turm-Durchmesser im Bereich Spannelement des Flansches

Spannmutter W _s Wandstärke