19 OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS ESPAÑA 11 Número de publicación: 2 280 852 51 Int. Cl.: F03D 11/04 (2006.01) 12 TRADUCCIÓN DE PATENTE EUROPEA T3 86 Número de solicitud europea: 03817946.1 86 Fecha de presentación : 09.08.2003 87 Número de publicación de la solicitud: 1654460 87 Fecha de publicación de la solicitud: 10.05.2006 54 Título: Cimiento para torre, en particular para una turbina de energía eólica. 73 Titular/es: GENERAL ELECTRIC COMPANY 1 River Road Schenectady, New York 12345, US 45 Fecha de publicación de la mención BOPI: 16.09.2007 72 Inventor/es: Seidel, Marc 45 Fecha de la publicación del folleto de la patente: 16.09.2007 74 Agente: Carpintero López, Francisco ES 2 280 852 T3 Aviso: En el plazo de nueve meses a contar desde la fecha de publicación en el Boletín europeo de patentes, de la mención de concesión de la patente europea, cualquier persona podrá oponerse ante la Oficina Europea de Patentes a la patente concedida. La oposición deberá formularse por escrito y estar motivada; sólo se considerará como formulada una vez que se haya realizado el pago de la tasa de oposición (art. 99.1 del Convenio sobre concesión de Patentes Europeas). Venta de fascículos: Oficina Española de Patentes y Marcas. Pº de la Castellana, 75 28071 Madrid
1 ES 2 280 852 T3 2 DESCRIPCIÓN 2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 Cimiento para torre, en particular para una turbina de energía eólica. Antecedentes de la invención Campo de la invención La presente invención se refiere a una torre adecuada en concreto para una turbina de energía eólica. Más concretamente, la presente invención se refiere a una torre híbrida que incluye un segmento de torre que comprende material de hormigón y al menos otro segmento de torre que comprende acero. En concreto, la presente invención se refiere a la conexión entre el segmento de hormigón de la torre y el segmento de acero de la torre. Técnica anterior relacionada Se conocen bien torres para soportar diversos elementos y se utilizan en distintos campos técnicos. Por ejemplo, se utilizan torres tubulares para soportar la góndola de una turbina de energía eólica en la que la góndola está montada de forma rotatoria en la parte superior de la torre. Se conocen varias construcciones de torre por ejemplo de los documentos US-A-4217738 o US-A- 3473279. Para satisfacer la demanda en aumento de uso de fuentes de energía renovables para redes de distribución de energía eléctrica, las turbinas de energía eólica modernas requieren mayor capacidad de generación de potencia. Además, el aumento del tamaño del diámetro del rotor de las turbinas de energía eólica requiere aumentar en altura las torres. Hasta una cierta altura, las torres para turbinas de energía eólica pueden hacerse con segmentos tubulares de acero. Los segmentos tubulares pueden ser cilíndricos o cónicos, o puede utilizarse una combinación de ambos tipos de segmentos tubulares de torre. Para poder utilizar los segmentos tubulares de torre hechos con acero para torres relativamente altas, se conoce el uso en la base o la porción inferior de la torre de un segmento tubular de torre hecho con hormigón reforzado. Básicamente se conocen dos diseños para conectar un segmento tubular de acero a un segmento tubular de hormigón. En la fig. 4 se muestra una alternativa para esta conexión. Según este diseño, un segmento tubular de hormigón reforzado 1 con elementos de pretensado 2 conecta con un segmento de acero rebordeado 3 en su extremo superior, siendo también tubular el segmento de acero. Dispuesto entre el segmento de hormigón 1 y el segmento de acero 3, hay un espacio 4, que debe obturarse. Es difícil obturar el espacio 4 porque es probable que las dimensiones del espacio fluctúen, concretamente cuando la torre está sometida a cargas radiales. En la fig. 5 (en esta figura, se utilizan los mismos números de referencia que en la fig. 4 para referirse a elementos similares) se muestra otro diseño conocido para conectar un segmento tubular de acero de torre a un segmento tubular de hormigón de torre. El segmento de hormigón de torre 1 de este diseño incluye elementos de refuerzo 5 (acero de refuerzo) sin ningún elemento de pretensado. Una porción inferior del segmento de acero de torre 3 está encastrada en el hormigón del segmento de hormigón de torre 1 e incluye un elemento de anclaje con forma de anillo plano 6, que también está encastrado en el hormigón. Un borde exterior del elemento de anclaje 6 se extiende de forma próxima hacia la superficie externa 7 del segmento de hormigón de torre 1. Es común observar una formación de grietas 9 debido a la importante concentración de fuerzas de tensión dentro del área 8. Es un objeto de la presente invención proporcionar una torre híbrida que comprende un segmento de torre hecho con hormigón y un segmento de torre hecho con acero en la que se mejora la conexión entre los segmentos. Resumen de la invención Según la presente invención, se proporciona una torre, en concreto para una turbina de energía eólica, que incluye - un primer segmento de torre con una pared que incluye un material de hormigón y que es típicamente de forma tubular, y - un segundo segmento de torre con una pared que incluye acero y que es típicamente de forma tubular, - en la que la pared del segundo segmento de torre incluye una porción final axial encastrada en una porción de encastrado de la pared del primer segmento de torre y - en la que el segundo segmento de torre en su porción final encastrada incluye al menos un elemento de anclaje que sobresale radialmente desde una superficie interna o externa, o desde ambas superficies, interna y externa, de la pared del segundo segmento de torre, estando dispuestos los elementos de anclaje a lo largo de una dirección axial del segundo elemento de torre. Un aspecto según la invención se refiere a una capacidad aumentada para manejar las fuerzas de cizallamiento en el primer segmento de torre con material de hormigón (en adelante denominado como el segmento de hormigón de torre). Estas fuerzas de cizallamiento son el resultado de las cargas laterales que actúan sobre el segundo segmento de torre o los segundos segmentos de torre (en adelante denominado como segmento de acero de torre). Según la presente invención, las fuerzas de cizallamiento se distribuyen en la porción de encastrado del segmento de hormigón de torre que admite la porción final encastrada del segmento de acero de torre. Dentro de la porción final encastrada del segmento de acero encastrado hay dispuesta una multitud de elementos de anclaje individuales para sobresalir radialmente desde la superficie interna o externa o ambas superficies, interna y externa, de la pared del segmento de acero de torre. Los elementos de anclaje se disponen adyacentes entre sí a lo largo de la dirección axial del segmento de acero tubular de torre. De ese modo, debido a la distribución de las fuerzas de cizallamiento desde el segmento de acero de torre al segmento de hormigón de torre, pueden prevenirse concentraciones de fuerza de tensión considerables no deseadas. Por consiguiente, puede obtenerse una torre híbrida sin ningún espacio entre los segmentos de acero y hormigón adyacentes de torre y sin peligro de que se formen grietas en la pared de hormigón del segmento de hormigón de torre. En lugar de ser tubular o hueco, el segmento de acero de torre puede incluir al menos una viga, y preferentemente diversas, de acero encastradas en el ex-
3 ES 2 280 852 T3 4 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 tremo o la terminación del segmento de hormigón de torre. En otra forma más de realización de la presente invención, los elementos de anclaje incluyen pernos con cabeza o porciones anulares que se extienden de forma circunferencial como bridas. Generalmente, se prefieren los elementos de anclaje que tengan una porción final libre ampliada situada opuesta a la pared del segmento de acero de torre. En concreto, pueden utilizarse elementos de anclaje que se extienden a lo largo de una sección de la dirección circunferencial del segmento de acero de torre. La conexión de los elementos de anclaje a la pared de acero del segmento de acero de torre puede realizarse de distintas maneras. Un ejemplo es que se atornillan los elementos de anclaje a la pared del segmento de acero de torre. En otra forma más de realización, se sueldan los elementos de anclaje a la pared del segmento de acero de torre. Un aspecto importante que concierne a la conexión entre los elementos de anclaje y la pared del segmento de acero de torre es que los elementos de anclaje se montan de forma fija en la pared para prevenir movimientos relativos entre los mismos. Puede utilizarse el tipo de conexión entre un segmento tubular de hormigón de torre y un segmento tubular de acero según la presente invención para segmentos de hormigón reforzado de la que pueden incluir elementos de pretensado que se extienden axialmente a través de al menos la porción de encastrado del segmento de hormigón de torre. En un segmento de torre hecho con hormigón reforzado (sin elementos de pretensado), los elementos de anclaje del segmento de acero de torre pueden despuntar desde ya sea la superficie interna o la externa o bien desde ambas superficies. Si se utiliza un segmento de hormigón de torre que incluye hormigón pretensado con elementos de pretensado, los elementos de anclaje deberían sobresalir desde este lado del segmento de acero de torre frente a los elementos de pretensado. Debido a esta disposición, los elementos de anclaje interactúan con la porción pretensada del segmento de hormigón de torre, lo que es ventajoso respecto a la introducción distribuida de las fuerzas de cizallamiento. Breve descripción de los dibujos En la siguiente descripción se describirán algunos de los aspectos detallados que se han indicado anteriormente y algunos más y se ilustrarán parcialmente con referencia a los dibujos. Como se utilizan en este documento, los mismo números en las diversas figuras representan las mismas características o equivalentes de la presente invención. En la que: la fig. 1 es una vista lateral esquemática de una turbina de energía eólica provista de una torre, teniendo la torre segmentos de torre conectados según la presente invención, la fig. 2 es una vista en sección ampliada del área de conexión del segmento de torre marcada como sección II en la fig. 1, la fig. 3 es otra forma de realización de la sección II de la fig. 1, la fig. 4 es una vista en sección de un área de conexión del segmento de torre conocida, y la fig. 5 es otra vista en sección de un área de conexión del segmento de torre conocida. Descripción detallada de formas de realización referidas La fig. 1 muestra una vista lateral de una turbina de energía eólica 10. La turbina de energía eólica 10 incluye una torre 12 y una góndola 14 dispuesta de forma rotatoria en la parte superior de la torre 12. La góndola 14 está provista de un rotor 16 montado de forma rotatoria alrededor de un eje horizontal. La góndola 14 está montada en la torre 12 al tiempo que puede girar alrededor de un eje vertical. Aunque en la fig. 1 se muestra una turbina de energía eólica 10 con un rotor que puede girar alrededor de un eje horizontal, la presente invención no se limita a diseños de esta turbina de energía eólica sino que también puede utilizarse con una turbina de energía eólica con un rotor que gire alrededor de un eje vertical. Como puede verse a partir de la fig. 1, la torre 12 incluye diversos segmentos tubulares de torre. Específicamente en esta forma de realización, un primer segmento de torre 18 que incluye una pared 20 de hormigón está dispuesto en la porción base de la torre 12. Como se muestra en este documento, el primer segmento de torre tiene forma tubular. Además, el primer segmento de torre 18 está provisto de una porción de cimientos 22 dispuesta dentro del suelo 24. Adyacente al primer segmento tubular de torre y conectado al mismo 18 se sitúa un segundo segmento de torre 26 con una pared 25 de acero. Como se muestra en este documento, el segundo segmento de torre tiene forma tubular. La porción final inferior 30 de la pared 28 del segundo segmento de torre 26 está encastrada en una porción de encastrado superior 32 de la pared de hormigón 20 del primer segmento de torre 18. Pueden verse más detalles de la disposición de encastrado y se explicarán en relación con las figs. 2 y 3. En la parte superior del segundo segmento de torre 26 en esta forma de realización hay dispuestos dos segmentos de torre adicionales 34 y 36 teniendo cada uno paredes hechos con acero. Los tres segmentos de torre 26, 34 y 36 hechos con acero están conectados entre sí mediante porciones de brida que básicamente conocen los expertos en la materia. Mientras que el segundo segmento de torre 26 en esta forma de realización es sustancialmente cilíndrico, los otros dos segmentos tubulares de torre 34, 36 hechos con acero tienen una forma cónica. Según la presente invención, los segmentos de torre pueden tener una forma cilíndrica o cónica, o cualquier otra forma hueca y son típicamente tubulares. Por supuesto, los segmentos de torre también pueden tener otras formas geométricas como cuadrados, rectángulos y similares. No obstante, aquellos expertos en la materia entenderán que son más comunes y se prefieren las formas tubulares para la integridad estructural. Se explicará con más detalle una primera forma de realización de la conexión entre el primer y el segundo segmento de torre 18 y 26 con referencia a la fig. 2. En la fig. 2 puede verse que la porción final 30 de la pared 28 del segundo segmento de torre 26 está encastrada en el hormigón de la porción de encastrado 32 de la pared 20 del primer segmento de torre 18. Dentro de la porción final encastrada 30 de la pared 28, sobresalen diversos elementos de anclaje 38, 40 de tipos similares o distintos desde una superficie interna 42 de la pared 28. En esta forma de realización estos elementos de anclaje 38, 40 están soldados a la pared 28. No obstante, como se ha tratado anteriormente, son posibles otras maneras de sujetar los elementos de anclaje 38, 40 a la pared 28. En la fig. 2 se muestra con líneas discontinuas que los elementos de anclaje 3
5 ES 2 280 852 T3 6 38, 40 se distribuyen a lo largo de la dirección axial de la pared 28 de forma que hay dispuestos elementos de anclaje 38, 40 en distintas alturas. Los elementos de anclaje 40 están construidos como pernos con cabeza con extremos libres ampliados opuestos a la pared 28 desde la que sobresalen. Hay diversos pernos con cabeza dispuestos a lo largo de la dirección circunferencial de la pared 28. En 38 se muestra otro tipo de elemento de anclaje que representa una porción anular que se extiende a lo largo de la dirección circunferencial de la pared 28. Como alternativa, en lugar de una porción anular cerrada, los elementos de anclaje 38 también pueden diseñarse como secciones de un anillo. Además, en la fig. 2 se muestra que la pared 20 del primer segmento de torre 18 incluye hormigón pretensado con elementos de pretensado 46 que se extienden al menos a través de la porción de encastrado 32 de la pared 20. Los elementos de pretensado 46 están dispuestos adyacentes a la superficie interna 42 de la pared 28 del segundo segmento de torre 26. Debido a la presión y la tensión internas a las que está sometida la porción de encastrado 32 de la pared de hormigón 20 en el lado de los elementos de anclaje 38, 40, se mejoran las propiedades de anclaje y las características de fuerza de cizallamiento de los segmentos de torre 18, 26. En la vista en sección de la fig. 3 se muestra una forma de realización alternativa de la conexión entre los segmentos de torre 18 y 26. Una diferencia entre las formas de realización de las figs. 2 y 3 se refiere al hecho de que la pared 20 del primer segmento de torre 18 según la forma de realización de la fig. 3 se refuerza mediante elementos de refuerzos 50. No se proporcionan elementos de pretensado en la pared 20 del primer segmento de torre 5 10 15 20 25 30 35 18 de la fig. 3. En la forma de realización de la fig. 3, los elementos de anclaje 38, 40 y 52 están situados en ambas superficies, interna y externa 42, 44 de la pared 28. En la fig. 3 también se muestra otra forma de realización de los elementos de anclaje 52. Los elementos de anclaje 52 están diseñados como una brida en forma de L soldada o sujetada a la pared 28. Según las formas de realización de la presente invención que se muestra en las figs. 2 y 3 y como se han descrito anteriormente, las fuerzas de cizallamiento que actúan entre los segmentos de torre 18 y 26 se distribuyen a lo largo de la porción final encastrada del segmento de acero de la torre 18 en la pared de hormigón 20. Al distribuir las concentraciones de fuerzas y tensiones de esta manera, pueden prevenirse las fuerzas de cizallamiento dentro de la porción de encastrado 32 de la pared 20 del primer segmento de torre 18. Según la presente invención, las ventajas de encastrar la pared de acero comparativamente delgada dentro de la pared de hormigón 20, a saber prevenir la existencia de un espacio horizontal, pueden utilizarse sin riesgo a generar grietas porque pueden prevenirse las fuerzas internas concentradas dentro de la pared de hormigón 20 gracias al concepto de conexión distribuida del cizallamiento como se muestra y se describe en este documento. Aunque se ha descrito e ilustrado la presente invención con referencia a formas de realización específicas de la misma, no se pretende que la invención se limite a estas formas de realización ilustrativas. Aquellos expertos en la materia reconocerán que pueden hacerse variaciones y modificaciones sin desviarse del alcance de la invención como se define en las reivindicaciones adjuntas. 40 45 50 55 60 65 4
7 ES 2 280 852 T3 8 REIVINDICACIONES 1. Una torre, en concreto para una turbina de energía eólica, que comprende: - un primer segmento (18) tubular de torre con una pared (20) que comprende material de hormigón y - un segundo segmento (26) tubular de torre con una pared (28) que comprende acero, - en la que la pared (28) del segundo segmento (26) de torre comprende una porción final (30) encastrada en una porción de encastrado (32) de la pared (20) del primer segmento (18) de torre, y - en la que el segundo segmento (26) de torre en su porción final encastrada (30) comprende al menos un elemento de anclaje (38, 40, 52) que sobresale radialmente desde una superficie interna o externa (42, 44) o desde ambas superficies, interna y externa (42, 44), de la pared (28) del segundo segmento (26) de torre, estando dispuesto el elemento de anclaje (38, 40, 52) a lo largo de una dirección axial del segundo (26) elemento de torre. 2. La torre según la reivindicación 1, en la que el primer segmento (18) de torre es cilíndrico o cónico. 3. La torre según la reivindicación 1 ó 2, en la que el segundo segmento (26) de torre es cilíndrico o cónico. 4. La torre según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en la que los elementos de anclaje (40) también tienen una porción final libre ampliada opuesta a la pared (28) del segundo (26) segmento de torre. 5 10 15 20 25 30 35 5. La torre según la reivindicación 4, en la que los elementos de anclaje (40) con porciones finales libres ampliadas también comprenden pernos con cabezas. 6. La torre según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en la que los elementos de anclaje (38) se extienden de forma contigua en una dirección circunferencial del segundo segmento (26) de torre. 7. La torre según la reivindicación 6, en la que los elementos de anclaje contiguos (38) también comprenden porciones anulares. 8. La torre según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en la que los elementos de anclaje (38, 40, 52) están soldados a la pared (28) del segundo segmento (26) de torre. 9. La torre según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en la que la pared (20) del primer segmento (18) de torre también comprende un elemento de refuerzo (46, 50) en al menos su porción de encastrado (32). 10. La torre según la reivindicación 9, en la que la pared (20) del primer segmento (18) de torre comprende hormigón pretensado en al menos su porción final de encastrado. 11. La torre según la reivindicación 10, en la que la pared (20) del primer segmento (18) de torre comprende elementos de pretensado (46) que se extienden axialmente a través de al menos la porción de encastrado (32) y dispuestos para estar frente a la superficie interna (42) o la superficie externa (44) de la porción final encastrada (30) del segundo segmento (26) de torre. 12. La torre según la reivindicación 11, en la que los elementos de anclaje (38, 40, 52) están dispuestos en esa superficie (42, 44) de la porción final encastrada (30) de la pared (28) del segundo segmento (26) de torre adyacentes a los elementos de pretensado (46) del primer segmento (18) de torre. 40 45 50 55 60 65 5
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