尤其用于陆上和/或海上风能设备的支承结构的制作方法

1.本发明涉及一种尤其用于陆上和/或海上风能设备的支承结构，其具有在运行中面向容纳支承结构的基底的下部的第一端部和与第一端部相对地布置的上部的第二端部。此外，本发明涉及一种用于陆上和/或海上风能设备的基础结构。


背景技术：

2.使用已知的支承结构，以例如将风能设备与基底、例如海底相连接并且跨接海底和水体表面之间的距离。由于通过安装的风能设备在过去始终增大的产生能量的功率并且由此伴随着风能设备的增大的尺寸，所以在风能设备的基底中的可靠固定具有重要意义。尤其由于风能设备的较大的尺寸和因此上升的自重，将重力分布在较大的面积区域上在将力导入到基底中时提供优点。
3.为此目的，尤其在海上风能设备的区域中使用格式杆塔(gittermastturm)的形式的支承结构，也被称为外套区段(jacket-abschnitt)。利用这种外套区段，来自塔的重力经由至少三个或四个通过杆彼此连接的外环形桩被分布式地导入基底中的一个表面区域上，该表面区域通常具有待与支承结构连接的塔下部端部的面积的多倍。
4.此外，也可经由构造为外套区段的支承结构更好地吸收作用到风能设备上的风负荷，所述风负荷在到基底的连接区域中产生力矩。为此，从支承结构的上部的第二端部朝向支承结构的下部的第一端部的方向的有效的力分布同样是决定性的。尤其当力矩作用在支承结构上时，应实现作用力通过所有设置在支承结构下部端部的联接器件均匀地分布在与基体连接的基座中，该基座具有多个锚固在基底中的打入桩。
5.尤其尝试将单侧作用到风能设备上的风负荷和由此产生的作用到支承结构上的力矩均匀地在支承结构的外周上分布在其下部的端部处，并且相应地避免构造成类似于优选地由钢制成的框架结构的支承结构的过度负荷。这旨在抵抗材料失效的风险，并且将必要的维修和维护限制在最小。


技术实现要素：

6.在此背景下，本发明所基于的目的在于给出一种尤其用于陆上和/或海上风能设备的支承结构，该支承结构实现了从该支承结构的上部的第二端部朝向下部的第一端部方向上的优选均匀的力分布。
7.本发明在具有根据权利要求1的特征的、尤其用于陆上或海上风能设备的支承结构中实现了其所基于的目的。尤其设有多个基本上从支承结构的下部的端部延伸到上部的端部并且在运行中相对于竖直以一个角度倾斜的支柱，其中，支柱具有多个弧形弯曲的柱区段，并且两个彼此相邻布置的支柱在其弯曲的柱区段的区域内借助至少一个板形的连接部件彼此连接。
8.根据本发明，这里所追求的方案是，多个支柱优选连续地从支承结构的下部的端部延伸到上部的端部，由此优选沿着支柱在力传导中不出现中断。此外，通过沿着支柱、即
在柱方向上的弯曲的延伸，并且借助于板形的连接部件实现了特别有利的力传递节点的构造，所述连接部件将两个彼此相邻布置的支柱在其弯曲延伸的柱区段的区域中相互连接。在这样的力传递节点之前在仅仅一个支柱中作用的力在力传递节点内优选均匀地分布在两个支柱上。因此，力在力传递节点之后在两个支柱中大致对半平分。总体上，通过根据本发明的设计方案，在力传递节点的区域中实现了在支承结构内部的均匀的力分布。
9.根据本发明的支承结构的一种有利的改进方案，彼此相连接的柱区段相反地弯曲地延伸并且在其外侧的区域中彼此连接。优选地，两个弯曲的柱区段的彼此相对置的端部在力传递节点的区域中以相反的方向延伸。相邻的支柱的直的柱区段与弯曲的柱区段的相对置的端部连接，并且基本上彼此对准地延伸，这进一步支持了在力方向上在节点之前从一个支柱到力传递节点之后的两个支柱的力传导或力分布。
10.优选地，柱区段分别经由其凸形弯曲的外表面相互连接。板形连接部件优选地与柱区段的凸形弯曲的外表面材料连接，尤其与外表面焊接。另外，在至少一个板形连接部件与弯曲的柱区段之间力传递节点的连接部中获得较高的强度。在本发明的一个实施方式中，弧形的柱区段在其凸形弯曲的外表面处在柱方向上在柱区段的长度的至少一半上、优选在大于柱区段的长度的85％上与板形的连接部件联接。
11.此外，通过相互连接的弧形柱区段的相反的弯曲实现了固定在其处的直的柱区段不相互交叉。在不同的弯曲的柱区段的相邻端部上的两个直的柱区段彼此成大约40
°
至80
°
范围中的角度延伸。
12.根据一种改进方案，在根据本发明的支承结构的运行中，多个彼此连接的弧形的柱区段基本上布置在支承结构的相同的高度上。根据本发明的多个力传递节点在支承结构的相同高度上优选均匀分布地布置在支承结构的外周上，由此进一步使在支承结构处的力分布变得均匀。根据本发明的支承结构的一个实施方式，优选地，多个力传递节点沿着支柱布置在支承结构的不同高度处，其中，两个在高度上直接重叠布置的力传递节点围绕支承结构的中间轴以一定角度错开布置。优选地，所述角度错开相当于整圆的一半。
13.支承结构的一个优选的改进方案设置，连接部件基本上沿支柱的柱方向延伸，优选平行于与其连接的弧形柱区段的中间轴延伸。这种力传递节点构造在两个支柱之间，所述支柱优选在一个平面中从在运行中的下部的第一端部延伸至在运行中的上部的第二端部。这种力传递节点也被称为“蛇状x型节点”(“snake-x-node”)。在一个优选的实施方式中，板形的连接部件或连接板在一个具有与其连接的弧形柱区段的中间轴以及与支柱的分别在弯曲的柱区段的端侧固定的直的柱区段的中间轴的共同的平面内延伸。
14.根据按本发明的支承结构的一种可选的以及备选的设计方案，连接部件在一个平面中延伸，该平面以一个角度相对于沿着与所述连接部件连接的弧形柱区段的中间轴伸展的平面倾斜地定向。优选地，每个弧形的柱区段布置成相对于板形的连接部件的平面基本上扭转。这种力传递节点构造在支承结构的两个支柱之间，所述支柱的中间轴在以一个角度彼此倾斜定向的平面中延伸。这种力传递节点也被称为蛇状k型节点(“snake-k-node”)。优选地，支承结构的两个支柱(其纵轴在不同的平面中彼此倾斜地延伸)通过多个、优选地至少两个、优选地三个或更多个这样的力传递节点彼此连接。节点的数量尤其取决于根据待构造的支承结构的总高度，其中在支承结构的总高度上的蛇状k型节点的数量比蛇状x型节点的数量少一个。
15.按照根据本发明的支承结构的一种优选的设计方案，支承结构的一个、多个或全部支柱借助于多个板形的连接部件在其弧形柱区段的凸形弯曲的外表面上分别与两个直接相邻地布置的支柱连接。因此，在一种优选的实施形式中，每个从下部的第一端部延伸至上部的第二端部的支柱沿纵侧与同样连续的支柱连接，其中，其中间轴在一个共同的平面内延伸。优选地，相对置的纵侧同样连接到带有弧形柱区段的连续的支柱，其中中间轴在不同的平面中相对于彼此倾斜地延伸。沿着连续的支柱的延伸方向分别交替地设置所谓的蛇状x型节点和蛇状k型节点。相同的力传递节点沿着相应的支柱的纵侧布置。
16.根据一种优选的实施形式，支柱构造成管，由此通过支柱的圆柱形横截面实现了优选的基础强度。
17.在根据本发明的支承结构的一种优选的改进方案中，弧形的柱区段借助于至少两个至少局部地彼此重叠的板形的连接部件彼此连接，其中，两个连接部件优选地也彼此连接。作为弧形柱区段之间的连接部，代替仅唯一一个连接板，使用两个或更多个连接板，所述连接板分别单独地在其连接区域上与弯曲的柱区段的优选凸形弯曲的外表面联接。在一个实施方案中，板形的连接部件为了构造力传递节点而彼此重合地布置并且形状相同地构造。
18.根据一个优选的改进方案，两个连接部件中的每一个在端侧分别仅与支柱的一个柱区段连接，并且具有在其连接端部之间延伸的用于与相应的另一个连接部件联接的联接区段，所述另一个连接部件本身不与弧形柱区段联接。连接部件类似于条状的连接板地构造有中间的联接区段和端侧的连接端部。连接端部优选以一个角度倾斜于联接区段延伸。连接部件镜像对称地布置，使得它们仅在其联接区段的区域中重合。连接部件通过联接区段相互连接，尤其是螺纹连接或铆接。连接部件之间的这种连接对于在根据本发明的力传递节点内实现必要的强度或刚度是重要的。
19.优选地，在运行中，每个连接部件在不同高度上用一个端部与一个支柱的弧形柱区段连接，并且用相反的端部与另一个支柱的弧形柱区段连接。因此，实现了根据本发明的这种力传递节点的最佳的力的导入和导出，并且避免了在柱区段和连接部件之间的固定区段中的不利地作用的应力。优选地，每个弯曲的柱区段在它的一个区域中的外侧不与连接部件联接，在该区域中，所述柱区段具有与相邻布置的相反弯曲的柱区段的最小距离。
20.根据本发明的支承结构的一个优选的实施形式，至少一个附加的加固部件设置为在两个连续地从下部的端部延伸到上部的端部的支柱之间的连接部。加固部件的任务尤其是，防止支柱在相邻布置的力传递连接节点的区域中弯折。借助加固部件，两个支柱的弧形柱区段的凹形弯曲的外表面优选相互连接。尤其支柱的弧形柱区段的凹形外表面相互连接，其中间轴在一个共同的平面内延伸。因此，这种加固部件在运行中直接布置在力传递连接节点旁，在该力传递连接节点中，两个相互连接的支柱的中间轴在两个平面中相对彼此倾斜地延伸。关于支承结构的高度方向，加固部件尤其布置在两个布置在不同高度上的力传递连接节点之间。在加固部件上主要作用有沿加固部件的纵向方向的牵引力。
21.在根据本发明的支承结构的一个改进方案中，多个水平延伸的加固部件布置在相同的高度上，其中加固部件优选构成环绕的、在运行中基本上水平布置的加固环。因此进一步改善了根据本发明的支承结构的强度或刚度，并且避免了优选从下部的第一端部连续延伸至上部的第二端部的支柱的弯折。优选加固部件被构造为直的管区段，从而分别由多个
管区段形成的加固环具有多边形的外形。当前优选在支承结构处布置六个加固部件，利用所述加固部件构造具有六边形外轮廓的环绕的加固环。在两个加固部件之间分别布置有一个力传递连接节点。
22.优选地，多个加固环在支承结构的高度上布置在不同的平面上。优选地，两个或更多个这种加固环在不同的平面上分布地布置在根据本发明的支承结构的高度上。
23.根据支承结构的一种优选的改进方案，每个支柱由多个直的和弧形弯曲的柱区段构成，其中优选在两个弧形弯曲的柱区段之间布置至少一个直的柱区段。从下部的第一端部延伸到上部的第二端部的支柱分别具有许多直的和弧形弯曲的柱区段，其中不同形状的柱区段在支柱的延伸方向上交替地布置。此外，弧形柱区段也沿着支柱分别具有交替不同的弯曲方向。弧形弯曲的柱区段因此交替地在相反的方向上延伸。
24.优选地，支柱的弧形弯曲的柱区段基本上相同地构造，即使所述柱区段沿相反的方向弯曲。尤其是直的柱区段的长度沿着支柱变化，该长度从下部的第一端部朝上部的第二端部的方向变小。
25.优选地，所述支柱在其上部的端部具有直的柱区段，所述柱区段相对于竖直以一个角度倾斜地延伸，并且设置成用于在所述支承结构的上部的端部处容纳力传递模块。优选地，直的柱区段在径向和轴向方向上如此彼此相向地延伸，使得直的柱区段的中间轴在共同的中心点相交。直的柱区段同样优选是管区段，力传递模块的套筒状的联接区段在所述管区段上移动。这种力传递模块优选具有至少一个在运行中基本上水平延伸的环形的板体。在所述板体上，与布置在支承结构的上部的端部的直的柱区段的数量对应地设有相应数量的用于将力传递模块与支承结构联接的联接区段。此外，在力传递模块的环形板体上布置有过渡连接管(trans ition-piece-rohr)，该过渡连接管设置成用于容纳风力设备的塔的下端部。在运行中，过渡连接管的下部的端部优选地终止于与多个连接区段的端部相同的高度处。过渡连接管的上部的端部延伸超过板体的上表面。此外，第二板体设置在力传递模块的下部的端部处，所述第二板体将连接区段的自由端彼此连接并且与过渡连接管的下部的端部连接。
26.根据本发明的一个优选实施方式，所述支柱的下部的端部可与转接装置连接，该转接装置具有多个与锚固在基底中的基座，尤其是与打入桩(rammpfahl)可联接的转接杆，这些转接杆在运行中基本上平行于竖直延伸；代替打入桩，也可以使用其它基础，例如钻孔桩、吸力桶或其它连接到海底的类型。在支柱的下部的端部设有脚部件，其具有优选沿竖直方向延伸的固定区段，该固定区段可以与转接装置的转接杆的上部的端部联接。在一种实施方式中，直接彼此相邻的脚部件通过基本上水平延伸的联接柱相互连接。
27.在另一方面，本发明涉及一种用于陆上和/或海上风能设备的基础结构，其具有根据上述优选实施方式中任一项所述的支承结构、设置在所述支承结构的上部的端部的力传递模块、以及优选与根据本发明的支承结构的下部的端部联接的转接装置，所述转接装置用于在不同的安装地点补偿基底相对于参考平面的高度差。借助于这种根据本发明的基础结构，在运行中实现从传递模块朝向容纳支承结构的下部的第一端部的基座的方向的改善的力传递，风能设备通过其塔容纳在所述传递模块处。在一个实施方式中，支承结构的下部的端部直接与锚固在基底中的基座连接。另一个实施方案设置，可与支承结构的下部的端部连接的转接装置作为与锚固在水体底部中的基座的联接件(kopplungsgl ied)。通过该
转接装置，在海上区域中装配风能设备时，可以补偿在不同安装地点处水体表面和基底之间变化的高度差，而不必调整支承结构本身。优选使用多个推进水体底部的打入桩、钻孔桩、吸力桶或其它与海底的连接类型作为基座。
28.针对根据本发明的支承结构所描述的优选实施方式或改进方案同时也是根据本发明的基础结构的优选实施方式。关于基础结构描述的、涉及支承结构的优选的实施方式同时也是支承结构的优选的实施方式。
附图说明
29.下面借助于优选的实施例参照附图对本发明进行详细说明。在此示出：
30.图1：根据本发明的具有支承结构的基础结构的前视图；
31.图2：根据本发明的支承结构和构造在两个支柱之间的力传递节点的细节视图；
32.图3、4：根据本发明的力传递节点的第一实施方式的视图；
33.图5、6：根据本发明的力传递节点的第二实施方式的视图；和
34.图7、8：根据本发明的力传递节点的另一替代实施方式的视图。
具体实施方式
35.图1示出了基础结构100，其包括类似于外套结构的支承结构1、布置在支承结构1的在运行中在下部的第一端部上的转接装置102和固定在支承结构1的在运行中在上部的第二端部上的力传递模块104。转接装置102与未详细示出的基座连接，尤其与锚固在水底的多个打入桩、钻孔桩、吸力桶或连接在海底的其它类型的上端的容纳部连接。
36.支承结构1具有多个支柱6、6’，所述支柱从支承结构的下部的第一端部2延伸到上部的端部4并且在运行中相对于竖直以一个角度倾斜。每个支柱6、6’由多个弧形弯曲的柱区段8、8’和多个直的柱区段10、10’构成。在两个弧形弯曲的柱区段8、8’之间，分别布置至少一个直的柱区段10、10’。在所示的实施方式中，支柱6、6’的弧形弯曲的柱区段交替地大致在相反的方向上弯曲。因此，每个支柱在延伸方向上首先具有向右弯曲的柱区段8，然后具有向左弯曲的柱区段8’，或者首先具有向左弯曲的柱区段8’，然后具有向右弯曲的柱区段8。每个支柱6、6’在其上部的第二端部处还包括直的柱区段12，直的柱区段12设置成在支承结构1的上部的端部4处容纳力传递模块104。直的柱区段12相对于支承结构1的中心轴14以一定角度倾斜地延伸，其中，所有的直的柱区段12的中心轴相交于中心轴14上的一个点。柱区段12与力传递模块104的套筒状的联接部件106相对应。
37.从图1中还可以看出，在支柱的支承结构1的下部的端部2上设置有脚部件16，该脚部件具有沿竖直方向延伸的、未详细示出的固定区段。如本实施方式所示，各个脚部件16的固定区段固定到转接装置102的转接杆108的上端，或者直接联接到未详细示出的基座的上端。如在此展示的，两个支柱6、6’分别在其下端与脚部件16连接。
38.图2示出图1中的细节a和两个彼此相邻布置的支柱6、6’在其弯曲的柱区段8、8’的区域中借助至少一个板形的连接部件18相互连接，并且构成根据本发明的力传递节点20。在根据本发明的这种力传递节点20中，彼此连接的柱区段8、8’相反地弯曲地延伸。一个柱区段8在节点20中具有左弯曲部，并且另一个柱区段8’具有右弯曲部。在力传递节点20上方一定间隔中，形成有另一个力传递节点22，其具有弯曲的柱区段8、8’。
39.如在图2中进一步所见，柱区段8、8’在每个力传递节点20、22中分别通过其凸形弯曲的外表面24彼此连接。在运行中，优选地形成相同的力传递节点20或22的多个相互连接的弧形柱区段8、8’布置在支承结构1的大致相同的高度处。此外，结合图1进一步可看到，支承结构1的全部支柱6、6’分别沿着其延伸方向借助多个板形的连接部件18与各两个直接相邻布置的支柱6、6’在力传递节点20、22上连接。每个从第一端部2延伸到第二端部4的支柱6、6’分别仅通过一种设计形式的力传递节点20或22与相邻的支柱连接。
40.此外，从图1和图2中都可以看出，在两个支柱6、6’之间设置有附加的加固部件26作为连接部，该加固部件26将支柱的弧形柱区段8、8’的凹形弯曲的外表面28相互连接。这种设计成加固柱的加固部件26仅设置在力传递连接节点22的高度上。此外，图1示出，多个水平延伸的加固部件26、26’设置在相同的高度上，其中加固部件构成在运行中环绕的、基本上水平布置的加固环30、30’。多个加固环30、30’设置在支承结构1的不同的平面上，但是始终仅在连接节点22的高度上设置。
41.图3和图4示出了力传递节点20，其连接部件18大致在支柱6、6’的柱方向上延伸。在本实施方式中，连接部件18与延伸经过弧形的柱区段8、8’的中间轴32的平面平行、尤其是重合地延伸。连接部件18在此构成为一件式的板体，所述板体如所示出的那样完全沿着其纵侧与柱区段8、8’的相应凸形弯曲的外表面24连接，尤其是焊接。连接部件18沿着与连接部件18连接的弯曲的柱区段8、8’的凸形弯曲的外表面24优选在至少一半上、优选在多于四分之三上延伸。直的柱区段10、10’在相应弧形的柱区段8、8’的端部上直接连接(见图2)。
42.在图5和图6中示出了根据本发明的力传递节点22的实施方式，与图3和图4所示的实施方式相反，其弯曲的柱区段8’在节点22中相对于彼此并且相对于连接部件18扭转地延伸。因此，连接部件20相对于沿着与其连接的弧形的柱区段8、8’的中间轴32伸展的平面以一定角度倾斜地延伸。连接部件与沿着柱区段8、8’的纵轴伸展的平面之间的倾斜角大约是沿着两个在节点22中相互连接的弯曲的柱区段8、8’的中间轴32延伸的平面之间的角度的一半。
43.图7和图8示出了力传递连接节点34的一个替代实施方式，该力传递连接节点现在具有两个至少在局部彼此重叠的连接部件36、36’，而不是单个连接部件。在所示的实施方式中，彼此重叠的连接部件36、36’具有联接区段38，所述联接区段借助于铆钉或栓彼此连接。联接区段38在运行中在待相互连接的弯曲的柱区段8、8’之间大致竖直地延伸。连接部件36、36’通过其相对的端部与不同支柱6、6’的弧形弯曲的柱区段8、8’的外表面24连接。连接部件36、36’的布置在联接区段38的相对的端部处的连接端部40在平行于联接区段38的第一平面中并且在垂直于第一平面延伸的第二平面中以相对于联接区段38的延伸方向倾斜一定角度地延伸。
44.两个连接部件36、36’的四个连接端部40在力传递连接节点34中与支柱6的弯曲的柱区段8、8’的连接区域减少。与节点20、22相反，节点34在柱区段8、8’与连接部件36、36’之间具有不连接的中间区域，在该中间区域中最小的区段存在于相邻布置的、相反弯曲的柱区段8、8’之间。
45.附图标记列表
46.1 支承结构
47.2 第一端部
48.4 第二端部
49.6、6
’ꢀ
支柱
50.8、8
’ꢀ
柱区段
51.10、10
’ꢀ
柱区段
52.12 柱区段
53.14 中心轴
54.16 脚部件
55.18 连接部件
56.20、22
’ꢀ
力传递节点
57.24、28
’ꢀ
外表面
58.26 加固部件
59.30、30
’ꢀ
加强环
60.32 中间轴
61.34 力传递节点
62.36、36
’ꢀ
连接部件
63.38 联接区段
64.40 连接端部
65.100 基础结构
66.102 转接装置
67.104 力传递模块
68.106 联接部件
69.108 转接杆