Krafttürme: Große Wippkräne für Arbeiten an Windkraftanlagen

Der JLD1700 von Jinli Heavy Industries installiert eine 2-MW-Turbine in 95 Metern Höhe. Foto: HG Kessel

Zu Beginn des Einsatzes von Turmdrehkranen bei Windparkprojekten wurde diese Kranart als Alternative zu großen mobilen Gittermastkranen auf Baustellen mit eingeschränktem Platzangebot und eingeschränktem Zugang ausprobiert, schreibt Heinz-Gert Kessel.

Der Fokus lag auf hoher Tragfähigkeit bei geringer Ausladung. Die Umrüstung eines Standard-Schwerlast-Turmdrehkrans in einen Windkraft-Montagekran erforderte nur wenige Konstruktionsänderungen. Ein gutes Beispiel ist der Liebherr 630 EC-H70 des Bauunternehmens Max Bögel in Deutschland. Er verfügt über einen verstärkten Kurzausleger und eine spezielle Laufkatze für mehrere Seilzüge, um die geforderte Tragfähigkeit von 70 Tonnen zu bewältigen – gegenüber der Standardversion mit 50 Tonnen.

In China wurden die FZQ-Turmdrehkrane der 130-Tonnen-Hochleistungs-Wippausleger-Serie, die ursprünglich für den Bau von Kraftwerkskesseln gebaut wurden, für die Installation von Windkraftanlagen umgerüstet. Bei beiden Konzepten bestand ein Hauptaspekt der Konstruktion darin, Sonderfunktionen zu minimieren, um den Kran schnell für allgemeine Bauprojekte außerhalb der Windkraftindustrie umzurüsten.

Bereits beim ersten Prototypeneinsatz zeigte sich jedoch der Hauptnachteil dieses Ansatzes. Der Kran war ursprünglich für eine Projektdauer von mindestens drei bis fünf Monaten ausgelegt. Die Mobilisierungs- und Demobilisierungszeiten konnten auf Windkraftanlagenbaustellen, die in der Regel nur eine Woche dauern, niemals wirtschaftlich mit den Schnellmontage-Mobilkranen mithalten.

Die Anpassung des Standard-Turmdrehkrankonzepts für einfacheren Transport und schnelleren Aufbau wurde bei der Bewertung der Realisierbarkeit von Windkraft-Turmdrehkrankonzepten zunehmend zu einem wichtigen Aspekt. Ein erster Durchbruch beim Hersteller Liebherr war die Einführung eines Flat-Top-Krandesigns anstelle des Standard-Sattelauslegers mit Turmkopf und Gehängen. Dies reduzierte die Montagezeit des Kranoberteils.

Anderer Wipper

Krøll in Dänemark entwickelte eine alternative Wippspitze, bei der das zeitaufwändige Einscheren des Wippseils entfiel. Der voreingeschert liegende Zaum konnte auf dem A-Rahmen aufliegen, an dem auch die Wippwinde befestigt war. Ein Wippausleger ermöglicht die Umwandlung der Auslegerausladung in Hubhöhe. Dies ist eine hervorragende und schnelle Lösung, um zusätzliche Unterhakenhöhe zu gewinnen.

Zusätzliche Hakenhöhe wurde von Krøll erstmals durch die Einführung des markanten Auslegerspitzenabschnitts realisiert, um bei maximaler Hakenhöhe mehr Abstand zur Last zu schaffen.

Die beiden oben genannten Designkonzepte wurden später in alle später auf den Markt gebrachten chinesischen Windkraftturmkräne integriert. Dazu gehörten ähnlich aussehende Kräne von Jinli Heavy Industries, XCMG, Yongmao, Sany und Zoomlion.

Zoomlion LW2340-180-Fahrwerk auf einem Windkraftprojekt in schmalen Bergen. Foto: HG Kessel

Yongmao STF3080 mit einer Tragkraft von 200 Tonnen und einer Hakenhöhe von 200 Metern. Dieser Kran verfügt über gängige Konstruktionsmerkmale, die Krøll entwickelt hat. Foto: HG Kessel

Abhängig von den Abmessungen des Mastsystems liegt die maximale freie Hakenhöhe bei obendrehenden Wippausleger-Windkraftkranen üblicherweise bei 180 bis 200 Metern. Die Tragfähigkeit liegt üblicherweise zwischen 180 und 200 Tonnen.

Ab einer Tragfähigkeit von 140 Tonnen sind die Krankomponenten für den Transport meist überdimensioniert. Ein Vorteil von Wippkranen gegenüber herkömmlichen Turmdrehkranen besteht darin, dass weniger Mastabschnitte benötigt werden, um die erforderliche Hubhöhe zu erreichen. Dies spart außerdem Montagezeit beim Aufbocken des Krans.

Freistehende Turmdrehkrane bieten in der Regel die größte Flexibilität bei der Konstruktion von Windkraftanlagentürmen. Mit zunehmender Höhe der Windkraftanlagen müssen jedoch teurere und stabilere Mastabschnitte verwendet werden. Dies bedeutet oft längere Montagezeiten und höhere Transportlasten, was wiederum die Kosten für die Mobilisierung erhöht.

Ein großer Nachteil gegenüber großen mobilen Gittermastkranen besteht jedoch hinsichtlich der Basis des Turmdrehkrans. Mobilkrane können in der Regel zumindest teilweise montiert von einer Anlage zur nächsten bewegt werden. Ein Turmdrehkran hingegen muss komplett zerlegt werden, inklusive der großen und schweren Basis.

Um den Prozess bei Windkraftprojekten zu beschleunigen, können zwei Turmdrehkranbasen eingesetzt werden. Während eine im Einsatz ist, kann die zweite am nächsten Einsatzort wieder installiert werden. Ein solches Krankonzept ist jedoch nicht so wirtschaftlich, wie es sein sollte. In jüngerer Zeit wurden spezielle mobile Turmdrehkranbasen entwickelt oder befinden sich in der Entwicklung. Der Erfolg solcher Konstruktionen unter realen Baustellenbedingungen hängt von der Größe des Krans und der gewünschten technischen Lösung ab.

Bewegungsarten

In Japan wurden Prototypen für zwei Turmdrehkran-Mobilisierungskonzepte entwickelt. Sie beinhalten einen selbstangetriebenen modularen Transporter (SPMT) auf Rädern zum Umsetzen von Turmdrehkranen. Die Shimizu Corporation hat ihren S-Moving-Turmdrehkran fertiggestellt. Es handelt sich um einen großen mobilen Turmdrehkran der 1.800-Metertonnen-Klasse für die Installation von Onshore-Windkraftanlagen der 5- bis 7-Megawatt-Klasse.

Der neue Kran ist erdbebensicher konstruiert und hebt 145 Tonnen bei 12,5 Metern Ausladung auf eine Höhe von 152 Metern. Damit ist er der größte und höchste freitragende Turmdrehkran Japans. Er ist eine Gemeinschaftsentwicklung von SC Machinery und IHI Transport Machinery.

Derzeit laufen Feldtests des Krankonzepts. Die Unternehmen testen den Kran mithilfe von SPMT im japanischen Shingu-Distrikt auf der Werftanlage der Stadt Kure. Der komplette obere Kran bleibt montiert, sodass der Kran nur noch in die niedrigste Position herunterfährt und die Diagonalverstrebungen sowie die Stützbeine des Untergestells gelöst werden. Anschließend ist er bereit für den schnellen Transport zum nächsten Einsatzort. Laut Shimizu Corporation verkürzt sich der Verlagerungszyklus um etwa sechs Tage.

Kräne mit einem traditionellen japanischen zylindrischen Turmtyp, der den Winddruck absorbiert und gleichzeitig das Erklimmen des Turmsystems durch eine kompakte Drehkranzunterstützung ermöglicht, sind auf einem speziell entwickelten, vierbeinigen, kreuzförmigen Sockel montiert.

Der IHI S-Moveable Turmdrehkran mit montierten Stützen. Foto: HG Kessel

Sichereres Klettern

Die japanische Klettertechnik, bei der Turmsegmente durch den Drehkranz geschoben werden, bietet einen echten Sicherheitsvorteil beim Klettern unter rauen Wetterbedingungen. Sie ermöglicht zudem das Aufbocken des Krans auf ein gleich großes Turmsystem auf sehr niedrigem Niveau. Das 97,50 Meter hohe Turmsystem besteht aus 14 Turmsegmenten. Dank der speziellen japanischen Klettertechnik können maximal drei Turmsegmente in einem Klettervorgang in die Klettervorrichtung eingesetzt werden, wodurch die Anzahl der im Windparkbetrieb herzustellenden Turmverbindungen reduziert wird.

Um die freistehende Höhe von 97,50 Metern auf einer 2,45 Quadratmeter großen (transportoptimierten) Grundfläche zu erreichen, mussten dem Turm einige diagonale Verstrebungen hinzugefügt werden, die vom Turmdrehkran selbst installiert wurden. Die Verbindung dieser Rohrstruktur mit dem Mittelturm erfolgt über eine patentierte Schnellmontagevorrichtung, die vom Inneren des Turms aus und somit unter sicheren Zugangsbedingungen bedient wird.

Im Gegensatz zu europäischen und chinesischen Turmdrehkranen für die Installation von Windkraftanlagen reduzieren diese sehr langen Mastabspannungen die Mastdurchbiegung bei freistehenden Kranen deutlich. Im Gegensatz zu herkömmlichen Baukränen konnte durch die Entwicklung einer neuen, schnellen hydraulischen Hebevorrichtung die Anzahl der Hebestufen entlang des Turms zum Anheben des Krans reduziert werden.

Beim Verschieben des Krans steht der mittlere Teil des Kreuzfußes mit einer speziellen Halterung auf dem SPMT. Nach dem Abmontieren der äußeren Beine zur Reduzierung der Transportbreite des Krans werden die massiven Stützplatten als Ballast auf dem SPMT montiert, um den Schwerpunkt des Krans auszugleichen.

Beim Umsetzen des gesamten Kranoberteils, einschließlich des 55,55 Meter langen Auslegers und aller eingeschert gehaltenen Seile, wird das Maschinendeck mit speziellen Ladungssicherungsseilen an der SPMT-Plattform befestigt. Die Bedienung des Krans erfolgt in der Regel von der geräumigen und komfortablen Kabine des Kranführers aus, ist aber auch per Fernbedienung vom Boden oder von der Windkraftanlage aus möglich.

Langfristig prognostiziert IHI eine steigende Nachfrage nach solchen Hochleistungs-Turmdrehkranen. Im Gegensatz zu Europa und China sind in Japan eher moderate Windkraftanlagen mit 100 bis 120 Metern Nabenhöhe und einer Leistung von 4 bis 5 Megawatt üblich. Erfahrungen mit Turmdrehkranen für die Turbinenmontage in Europa haben bereits gezeigt, dass die benötigte Tragkraft und Hubhöhe der Krane schnell ansteigen, sodass die Krane nicht mehr zu groß sein können.

Der komplette IHI-Kranoberteil ist bereit für den Transport auf SPMT. Foto: HG Kessel