DE102022000976A1

DE102022000976A1 - Kolbenspeicher

Info

Publication number: DE102022000976A1
Application number: DE102022000976.5A
Authority: DE
Inventors: Peter Kloft
Original assignee: Hydac Technology GmbH
Current assignee: Hydac Technology GmbH
Priority date: 2022-03-22
Filing date: 2022-03-22
Publication date: 2023-09-28
Also published as: WO2023180025A1

Abstract

1. Kolbenspeicher2. Kolbenspeicher mit einem Speichergehäuse (10) und einem darin längsverfahrbar angeordneten Trennkolben (12), der innerhalb des Speichergehäuses (10) zwei Medienräume (14, 16) voneinander separiert, wobei das Speichergehäuse (10) in Sandwich-Bauweise aus einzelnen, teilweise voneinander verschiedenen Lagen (18, 20, 22, 24) derart elastisch aufgebaut ist, dass es unter der Einwirkung mindestens einer äußeren Kraft ausgehend von einem Ausgangszustand eine Krümmung als Ganzes zulässt und bei Wegfall der jeweiligen Kraft in den Ausgangszustand zurückkehrt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolbenspeicher mit einem Speichergehäuse und einem darin längsverfahrbar angeordneten Trennkolben, der innerhalb des Speichergehäuses zwei Medienräume voneinander separiert.
Kolbenspeicher dieser Art sind handelsüblich. Sie finden in hydraulischen Anlagen verbreitete Anwendungen, beispielsweise zur Energiespeicherung, für Notbetätigungen, zur Dämpfung mechanischer Stöße oder von Druckstößen, für die Fahrzeugfederung und dergleichen mehr.
Durch DE 101 61 797 C1 ist ein Kolbenspeicher mit einem Speichergehäuse bekannt, einem in diesem, einen gasseitigen Medienraum von einem fluidseitigen Medienraum trennenden Kolben, der in Axialrichtung bewegbar ist, einem den fluidseitigen Medienraum abschließenden Gehäusedeckel, der eine Fluiddurchtrittsöffnung aufweist, und einer den Weg des Kolbens begrenzenden Anschlageinrichtung, die am Kolben und am Gehäusedeckel ausgebildete, die Fluiddurchtrittsöffnung umringende Anlageflächen aufweist, die bei der an den Gehäusedeckel angenäherten Endlage des Kolbens aneinander anliegen, wobei die Anlageflächen der Anschlageinrichtung als Dichtflächen vorgesehen sind, von denen zumindest eine für eine ununterbrochene Linienberührung mit der anderen Anlagefläche eine konvex gewölbte Konturierung besitzt, wobei der Kolben und der Gehäusedeckel aus Stahlwerkstoffen mit jeweils im Hinblick auf eine optimale Dichtwirkung an ihrer Berührungslinie ausgewählter Duktilität gefertigt sind. Aufgrund dieser Ausgestaltung der Anlageflächen bildet die den Kolbenweg begrenzende Anschlageinrichtung in Doppelfunktion eine metallische Dichtung aus, die bei der Endlage des Kolbens diesen gegen die Fluiddurchtrittsöffnung des fluidseitigen Raumes hin abdichtet und die durch die gewölbte Gestaltung zumindest einer der Anlageflächen bewirkte Linienberührung führt aufgrund der hohen Flächenpressung der metallischen Dichtungsanordnung zu einem sicheren Verschluss, so dass völlige Gasdichtheit gewährleistet ist und zwar über sehr große Temperaturbereiche hinweg, die Tiefstwerte von -40°C mit einschließen können.
Aufgrund dieser Merkmalsausgestaltung sich vor einem möglichen Bruch dauerhaft plastisch zu verformen, lassen sich solche Kolbenspeicher auch im harten Außeneinsatz unter extremen Umgebungsbedingungen einsetzen. So zeigt beispielhaft DE 10 2016 003 345 B4 eine dahingehende Anwendung im Rahmen einer Auswuchtvorrichtung zur Kompensation der Unwucht von Rotoren von Windanlagen, bestehend aus mindestens einem

- Rotorblatt mit zwei entlang seiner Längsausrichtung sich erstreckenden Kolbenspeichern, deren Trennkolben jeweils über ein kompressibles Medium einer Vorspannung unterliegen und die über eine Fluidleitung über ein inkompressibles Medium medienführend miteinander in Verbindung stehen,
- Steuerventil, das in die jeweilige Fluidleitung geschaltet die Medienverbindung zwischen den beiden Kolbenspeichern eines Paares herstellt oder voneinander separiert,
- Beschleunigungssensor,
- Rotorpositionssensor, und
- Steuerungssystem zum Auswerten der Sensordaten und Betätigen mindestens eines Kolbenspeicherpaares durch Ansteuern des Steuerventils.

Mittels dieser Auswuchtvorrichtung ist es möglich den jeweiligen Rotor einer Windenergieanlage im Betrieb entsprechend auszuwuchten, was regelmäßig notwendig ist, da sich insbesondere im Laufe des Betriebs Unwuchten entwickeln können, beispielsweise durch Ablagerungen von Schmutz auf den Rotorblättern oder durch ungleichförmige Windanströmung, beispielsweise bei Auftreten von Turbulenz im Windkraftbetrieb.
Auch unterliegen die Rotorblätter im Betrieb der Windenergieanlage regelmäßig Deformationen, zu deren Beschreibung kinematische Modelle verwendet werden, welche in der Lage sind die Verformungen eines Rotorblattes zu beschreiben, beispielsweise basierend auf den Annahmen eines Euler-Bernouilli Biegebalkens. Die insoweit theoretisch ermittelbaren Deformationen am jeweiligen Rotorblatt stimmen mit praktischen Messwerterfassungen überein, die vorzugsweise auf einer Kombination aus photogrammetrischen und Laserscanner-Messungen basieren. In jedem Fall ergeben sich in der Praxis, insoweit Rotorblattdeformationen, regelmäßig in Form von reversiblen Durchbiegungen entlang der Rotorlängsachse und die gemäß der Lehre der DE 10 2016 003 345 B4 an den Rotorblättern angelenkten Kolbenspeicher müssen diesen Deformationen nachfolgen können, die sich durch einen ändernden Biegeverlauf, bedingt durch die sich ändernde Windanströmung nebst auftretender Turbulenz im Betrieb ergeben. Die regelmäßig aus massiven Stahlwerkstoffen aufgebauten Kolbenspeicher sind dann trotz der angesprochenen Duktilität für Teilkomponenten nicht in der Lage dem sich zeitlich ändernden Biegeverlauf des Rotorblattes nachzufolgen, was häufig zu einem Versagen der Verbindungsstelle zwischen Kolbenspeicher und Rotorblatt führt und damit zu einem Unbrauchbarwerden der Unwuchtausgleichseinrichtung als Ganzes.
Unabhängig von der vorstehend beschriebenen Ausgangssituation bei Windkraftanlagen können Kolbenspeicher aber auch sonst sich ändernden Biegewechselspannungen ausgesetzt sein, beispielsweise wenn der Kolbenspeicher im Rahmen des Betriebs einer Hydraulikanlage starken Vibrationen ausgesetzt ist, wie bei Einsatz in Flugzeugen, Raketen, militärischen Einsatzfahrzeugen, Landmaschinen etc.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt daher der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Kolbenspeicher der genannten Art dahingehend weiter zu verbessern, dass auch im Fall des Auftretens starker Biegebeanspruchungen ein sicherer Betrieb auch in Zusammenwirken mit Drittbauteilen gewährleistet ist.
Eine dahingehende Aufgabe löst ein Kolbenspeicher mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 in seiner Gesamtheit.
Dadurch, dass gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 das Speichergehäuse in Sandwich-Bauweise aus einzelnen, teilweise voneinander verschiedenen Lagen derart elastisch aufgebaut ist, dass es unter der Einwirkung mindestens einer äußeren Kraft ausgehend von einem Ausgangszustand eine Krümmung als Ganzes zulässt und bei Wegfall der jeweiligen Kraft in den Ausgangszustand zurückkehrt, ist ein Kolbenspeicher geschaffen, der auch bei großen Durchbiegungen des Speichergehäuses unter Last bei Wegnehmen derselben wieder in seinen Ausgangszustand verformungsfrei zurückkehrt und dabei auch im Fall der Durchbiegung funktionsfähig bleibt. Hierzu trägt maßgebend die genannte Sandwich-Bauweise mit bei, mittels der sich ein linear-elastisches Verhalten (Hookesches Gesetz) für das Speichergehäuse realisieren lässt. Im Übrigen ist durch den Sandwich-Aufbau in Mehrlagentechnik ein ausgesprochener Leichtbau realisiert, was in Verbindung mit Drittbauteilen, wie beispielsweise den Rotorblättern einer Windenergieanlage, zu einem ausgesprochen vorteilhaften Betriebsverhalten führt, da nur geringe Massen zu bewegen sind.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kolbenspeichers ist vorgesehen, dass im Rahmen des Sandwich-Aufbaues die zuinnerst liegende Lage des Speichergehäuses aus einer ersten Lage besteht, die gasundurchlässig ist und dass die nach außen jeweils nachfolgende Lage aus einer Faserwicklung gebildet ist. Vorzugsweise ist die erstliegende Lage ein von der Wandstärke her dünnes Stahlrohr, das vorzugsweise mittels Fliesdrücken (flow-forming) hergestellt ist und das innenumfangsseitig die Lauffläche für den Trennkolben bildet. Das Stahlrohr bildet insoweit einen Stahlliner aus und bildet auch im verformten Zustand eine glatte Lauffläche für die Außenumfangsseite des Trennkolbens mit seinen Führungs- und Dichtsystemen aus. Ferner ist in jedem Fall gewährleistet, dass der Stahlliner gasundurchlässig ist und es besteht nicht die Gefahr der Permeation des Arbeitsgases durch den Kunststoff bzw. von Leckagen in Folge von Harzbrüchen, sogenannten Faserzwischenbrüchen im Laminat, sofern man im Rahmen eines verbesserten Leichtbaus beabsichtigt, den inneren Stahlliner durch einen Kunststoffliner zu ersetzen.
Die jeweilige Faserwicklung für das Speichergehäuse, die dem Stahlliner nachfolgt, weist eine andere Wicklungsrichtung auf als die jeweils in der Wickelabfolge vorangehende Faserwicklung. Die jeweils aufzuwickelnden Fasern werden, vorzugsweise entsprechend der auftretenden Lastpfade, ausgerichtet, so dass beispielsweise einer Wicklung in radialer Richtung mit kleiner 90 °, um den zylindrischen Stahlliner herum, eine weitere Faserwicklung folgen kann, deren jeweilige Faserausrichtung demgegenüber zwischen 0° bis 45° beträgt und nachfolgend kann bevorzugt wieder eine Wicklung in ausschließlich radialer Richtung erfolgen, also in Richtung eines Lastpfades von kleiner 90°, der insoweit senkrecht zur Axialausrichtung des rohrförmigen Stahlliners steht. Kleiner 90° bedeutet beispielsweise Wicklungsrichtungen von 87° oder 88°. je nach Festigkeitsanforderungen können zusätzliche Faserwicklungen mit entsprechend gleicher oder geänderter Orientierung aufgebracht werden. Um die Festigkeit in verschiedene Richtungen zu beeinflussen, können statt einzelner Fasern auch Gewebe oder Gelege verwendet werden, die vor dem Kontakt mit der Matrix herzustellen sind. In jedem Fall soll auch unter Einsatz der zu wickelnden Einzelfasern ein Faserverbundwerkstoff hergestellt werden, der als Mehrphasen- oder Mischwerkstoff im Allgemeinen aus mindestens zwei Hauptkomponenten besteht, nämlich aus den verstärkenden, zu wickelnden Fasern sowie einer bettenden Matrix, regelmäßig gebildet aus einem geeigneten Füll- und Klebstoff zwischen den Fasern. Um einen hochfesten Faserverbund zu erreichen, werden für den vorliegenden Kolbenspeicher bevorzugt Kohlenstoffmaterialien zum Einsatz gebracht. Es können aber auch andere Chemiefasern zum Einsatz kommen, insbesondere aus Glas, Aramiden sowie aus hochfestem Polyester etc. Insgesamt ist eine Art CFK-Rohr gebildet, das im Inneren den dünnen Stahlliner aufweist und insgesamt bilden die einzelnen Faserlagen zusammen mit dem Stahlliner einen in sich druckfesten, hochelastischen Linerverbund aus.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kolbenspeichers ist vorgesehen, dass auf zumindest einer freien Stirnseite des Speichergehäuses ein Anschlussteil zumindest von einem Teil der Faserwicklungen teilweise umfasst ist. Vorzugsweise ist dabei ferner vorgesehen, dass das Anschlussteil auf seiner zylindrischen Innenumfangsseite von der zuinnerst liegenden Lage zumindest teilweise durchgriffen ist und außenumfangsseitig eine ringförmige Aufnahmenut für die Aufnahme von Faserlagen der einzelnen Wicklungen aufweist. Besonders bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass die Aufnahmenut zumindest teilweise von einer Rampe begrenzt ist, an die zumindest eine innenliegende Faserwicklung angelegt ist und die zumindest von einer nachfolgenden, weiter außenliegenden Faserwicklung übergriffen ist. Dergestalt lässt sich die jeweilige Faserwicklung an dem freien Ende des Speichergehäuses mit dem Anschlussteil hochfest verbinden, das insoweit einen Aufnahmeflansch ausbildet für das Aufsetzen eines das Speichergehäuse jeweils endseitig abschließenden Deckelteils. Das dahingehende Deckelteil kann mit der freien Stirnseite des Anschlussteiles verklebt werden, so dass das Innere des Speichergehäuses gegenüber der Umgebung entsprechend abgedichtet ist. Ferner lässt sich eine hochfeste Verbindung herstellen, sofern das jeweilige Deckelteil mit dem Anschlussteil fest verschraubt wird. Wird das Deckelteil mit dem Anschlussteil verklebt, kann bevorzugt vorgesehen sein, dass die Linerwicklung zumindest teilweise über das Deckelteil geführt ist, um dergestalt eine hochfeste Verbindung zwischen dem Speichergehäuse und dem Deckelteil herzustellen. Bedarfsweise benötigt jedoch das Deckelteil, vorzugsweise mittig, eine Anschlussstelle regelmäßig in Form einer Anschlussbohrung, um das Innere des Speichergehäuses an einen Fluidkreislauf anzuschließen oder um die Befüllung eines der beiden Medienräume mit dem Arbeitsgas sicherzustellen. Anstelle des angesprochenen Deckelteils kann aber auch gleich je nach Ausgestaltung des Speichergehäuses zumindest das eine Ende des Rohres als Halbkugel oder unter Einsatz einer Art Klöpperboden ausgeführt sein. Auch die dahingehende Abschlussseite ist dann nach Möglichkeit mit einer Faserwicklung zu versehen, um das Innere des Speichergehäuses entsprechend druckfest ausbilden zu können. Auf jeden Fall ist aufgrund der Linerausgestaltung sichergestellt, dass im üblichen Rahmen das Speichergehäuse derart eine Biegekraft aufnehmen kann, dass eine relevante Krümmung entsteht, die nach Entfallen der Biegekraft aufgrund der Elastizität des Linerverbundes die Rückstellung des Speichergehäuses in den Ausgangszustand erlaubt, ohne dass bleibende Verformungen auftreten.
Um eine feste Verbindung der jeweiligen Faserwicklung mit dem zugehörigen Anschlussteil zu erreichen, ist ferner vorgesehen, dass mehrere Haltestifte den Linerverbund mit den Faserwicklungen durchgreifen, die einen gleichbleibenden radialen Abstand zueinander aufweisen und die Faserwicklung dergestalt mit dem Anschlussteil definiert verbinden. Trotz dieser Verbindung ist die Flexibilität des Speichergehäuses dabei nicht in Mitleidenschaft gezogen.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist eine Verwendung eines Kolbenspeichers, wie vorstehend in Leichtbauweise beschrieben, für eine Windkraftanlage als Teil einer Auswuchteinrichtung zur Kompensation der Unwucht von Rotoren einer solchen Anlage vorgesehen, von denen mindestens ein Rotor mit dem Speichergehäuse des Kolbenspeichers an diskreten Festlegestellen fest verbunden ist und zwar dergestalt, dass bei einer Biegung des Rotors das Speichergehäuse diesem Biegeverlauf nachfolgen kann, ohne in der Funktion beeinträchtigt zu sein. Dies hat so keine Entsprechung im Stand der Technik.
Im Folgenden wird der erfindungsgemäße Kolbenspeicher anhand eines Ausführungsbeispiels nach der Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigen in prinzipieller und nicht maßstäblicher Darstellung die

1 in der Art eines Längsschnittes, die randseitigen Endbereiche des in Sandwich-Bauweise als Linerverbund aufgebauten Speichergehäuses;
2 die stirnseitige Ansicht auf einen Gehäusedeckel für das Speichergehäuse nach der 1;
3 einen vergrößerten Ausschnitt des in 1 mit X bezeichneten Endabschnittes des Speichergehäuses;
4 in prinzipieller Darstellung den möglichen Krümmungsverlauf des Speichergehäuses nach der 1 bei eingeleiteter Biegekraft in Pfeilrichtung;
5 und 6 in Seitenansicht sowie in stirnseitiger Ansicht einen Trennkolben für das Speichergehäuse nach der 1;
7 den in 5 dargestellten Trennkolben, eingesetzt in ein Speichergehäuse nach der 1; und
8 die Verwendung eines Kolbenspeichers gemäß einer Ausgestaltung nach der 7 bei einer Windkraftanlage mit drei umlaufenden Rotorblättern.

1 zeigt im Längsschnitt ein Speichergehäuse 10 eines Kolbenspeichers und 7 zeigt das Speichergehäuse 10 mit einem darin längsverfahrbar angeordneten Trennkolben 12, der innerhalb des Speichergehäuses 10 zwei Medienräume 14, 16 voneinander separiert und der näher in den 5 und 6 dargestellt ist. Dabei kann der Medienraum 14 der Aufnahme eines Arbeitsgases dienen, wie beispielsweise in Form von Stickstoffgas und der weitere Medienraum 16 dient der Aufnahme einer Betriebsflüssigkeit, wie beispielsweise Hydrauliköl. Da das Speichergehäuse 10 eine entsprechend große Baulänge aufweisen kann, beispielsweise in der Größenordnung von 2 Metern, ist in den 1 und 7 das Speichergehäuse 10 nur im Bereich seiner endseitigen Enden dargestellt; im mittleren Bereich entspricht aber auch insoweit das Speichergehäuse 10 der randseitigen Endbereichsausgestaltung, was den Lineraufbau des Speichergehäuses 10 anbelangt. Demgemäß ist das Speichergehäuse 10 in Sandwich-Bauweise aus einzelnen, teilweise voneinander verschiedenen Lagen 18, 20, 22 und 24 derart elastisch aufgebaut, dass es unter der Einwirkung mindestens einer äußeren Kraft F ausgehend von einem Ausgangszustand, wie in den 1 und 7 angegeben, eine Krümmung als Ganzes zulässt, gemäß der vereinfachten Darstellung nach der 4, und bei Wegfall der jeweiligen Kraft F gerät das Speichergehäuse 10 wieder in den Ausgangszustand elastisch zurück. Insoweit erlaubt also die Sandwich-Bauweise ein linear-elastisches Verhalten für das Speichergehäuse 10.
Im Rahmen des genannten Sandwich-Aufbaus ist die zuinnerst liegende Lage 18 des Gehäuses 10 gasundurchlässig und die jeweils nach außen nachfolgenden Lagen 20, 22 und 24 sind aus einer Faserwicklung gebildet. Der dahingehende Lagenverbund ergibt sich insbesondere aus der 3, die eine vergrößerte Wiedergabe des in 1 mit X bezeichneten Ausschnittes darstellt. Die zuinnerst liegende Lage 18 ist von der Wandstärke her als dünnes Stahlrohr konzipiert, das vorzugsweise mittels Fliesdrücken aus einem Stück hergestellt ist und das innenumfangsseitig insoweit die glatte Lauffläche 26 für den Trennkolben 12 bildet, gemäß der Darstellung nach der 7. Der Stahlliner 18 erstreckt sich über die gesamte Länge des Speichergehäuses 10 bis zum freien stirnseitigen Ende desselben. Die jeweilige Faserwicklung für das Speichergehäuse 10 weist eine andere Wicklungsrichtung auf als die jeweils in der Wickelabfolge vorangehende Faserwicklung. Die jeweilige Faserwicklung besteht bevorzugt aus Carbonfasermaterial und die Faserwicklung der Lage 20 ist in Umfangsrichtung auf die Stahllage 18 aufgewickelt, weist also eine Wicklungsrichtung von kleiner 90° zur Längsrichtung 28 des Speichergehäuses 10 auf. Die nachfolgende Lage 22 kann demgegenüber um 0° bis 45° zur vorstehend genannten kleiner 90°-Wicklungsrichtung abweichen; es besteht aber auch die Möglichkeit die dahingehende Lage 22 weitgehend parallel zur Längsrichtung 28 des Speichergehäuses 10 auf die Wicklung 20 aufzubringen. Andere Wicklungsrichtungen sind hier möglich, ebenso der Auftrag weiterer Lagen in Abhängigkeit des jeweiligen Anwendungsfalles und in Abhängigkeit der benötigten Steifigkeit für das Gesamt-Speichergehäuse 10. Die zuäußerst angeordnete Lage 24 besteht wiederum aus einer Faserwicklung in derselben Richtung wie die gewickelte Lage 20, also mit radialer Wicklungsrichtung mit kleiner 90° zur Längsrichtung 28, beispielsweise 87° oder 88°.
Wie insbesondere die 3 weiter zeigt, ist an beiden Enden des Speichergehäuses 10 jeweils ein ringförmiges Anschlussteil 30 vorhanden, die als Gleichteile ausgebildet sind. Das ringförmige oder zylindrische Anschlussteil 30 ist auf seiner Innenumfangsseite von dem Stahlliner 18 durchgriffen und mündet stirnseitig am freien Ende des Anschlussteiles 30 aus. Außenumfangsseitig weist das jeweilige Anschlussteil 30 eine ringförmige Aufnahmenut 32 auf, für die Aufnahme von Faserlagen der beiden zuäußerst liegenden Wicklungen 22 und 24. Die Aufnahmenut 32 ist auf ihrer einen Seite von einem Anschlussflansch 34 begrenzt und auf ihrer innenliegenden Seite von einer Festlegerampe 36. Sowohl der Anschlussflansch 34 als auch die Festlegerampe 36 weisen auf ihren einander benachbarten Seiten schräg verlaufende Anlageflächen 38, 40 auf, die in Richtung eines Nutgrundes 42 in fiktiver Verlängerung einen Konus miteinander ausbilden. Die Festlegerampe 36 wird dabei von der dritten Lage 22 übergriffen, die insoweit in direkte Anlage mit dem Nutgrund 42 der Aufnahmenut 32 gelangt. Dabei läuft die dritte Lage 22 an ihrem freien stirnseitigen Ende spitz aus und endet am Fuß der schräg verlaufenden Anlagefläche 38. Das spitz auslaufende Ende der dritten Lage 22 begrenzt ein schräg verlaufendes Wandteil 44 dieser dritten Lage 22, die mit der schräg verlaufenden Anlagefläche 38 des Anschlussteiles 30 eine weitere V-förmige Eingriffsnut 46 ausbildet, die gleichfalls als Ringnut konzipiert dem Eingriff des freien Endes der äußeren Lage 24 dient. Die zweite Lage 20, die im Wickelverbund der Stahllage 18 nachfolgt, schmiegt sich hingegen an einem Rampenteil 48 der Festlegerampe 36 an, die in diesem Bereich mit schwachem Neigungswinkel fußseitig an die zuinnerst liegende Lage 18 angrenzt. Dergestalt ist im Rahmen der Sandwich-Bauweise ein sicherer Lagen- oder Linerverbund der einzelnen Lagen 18, 20, 22 und 24 in ihrem stirnseitigen freien Bereich über das jeweilige Anschlussteil 30 mit Anschlussflansch 34 und Festlegerampe 36 erreicht.
An der Stelle des Überganges zwischen steil verlaufender Anlagefläche 40 und demgegenüber flach verlaufender Rampenanstiegsfläche unter Einbezug des Rampenteils 48 weist die Festlegerampe 36 gemäß der Darstellung nach der 3 eine im wesentlichen horizontal verlaufende Umfangs- oder Eingriffsfläche 50 auf, die dem Durchgriff einzelner, vorzugsweise metallischer Haltestifte 52 dient, die in radialer Richtung in diskreten Abständen voneinander sich um das Speichergehäuse 10 herum gleichmäßig verteilen und den Lagenverbund aus den einzelnen Lagen 18, 20, 22 und 24 mit dem Anschlussteil 30 fest verbinden und dergestalt einen sicheren Lagenverbund gewährleisten.
An den freien Stirnseiten des jeweiligen Anschlussflansches 34 des Anschlussteiles 30 befinden sich Stiftausnehmungen 54, die gleichmäßig um den Außenumfang des Anschlussflansches 34 herum verteilt sind. Über die dahingehenden Stiftausnehmungen 54 lässt sich das jeweilige Deckelteil 56 mit dem zugehörigen Anschlussteil 30 verstiften, wobei an jedem freien Ende des Speichergehäuses 10 ein solches Deckelteil 56 vorhanden ist. Die dahingehend nicht näher dargestellten zugehörigen Stifte sind am Deckelteil 56 entlang einer hierfür vorgesehenen Ringfläche 58 anzubringen, deren fiktiver innerer Verlauf mit einer strichpunktierten Linie 60 wiedergegeben ist. Zusätzlich dient die dahingehende Ringfläche 58 auf ihrer dem Speichergehäuse 10 zugewandten Innenseite dem Auftrag eines Klebstoffes, um dergestalt eine mediendichte Verbindung zwischen den beiden Medienräumen 14, 16 und der Umgebung herzustellen. Ferner besteht die Möglichkeit im Rahmen einer nicht näher dargestellten Ausführungsform das jeweilige Deckelteil 56 über eine Faserwicklung mit dem Speichergehäuse 10 mediendicht und druckfest zu verbinden. Im Mittenbereich eines jeden Deckelteils 56 ist eine Anschlussöffnung 62 vorhanden, die auf der Gasseite des Speichergehäuses 10 mit dem Medienraum 14 dicht verschlossen werden kann und auf der Flüssigkeitsseite offenbleibt, um den weiteren Medienraum 16 mit einem üblichen Hydraulikkreislauf (nicht dargestellt) zu verbinden. Um die beiden Medienräume 14, 16 sprich eine Gasseite von einer Flüssigkeitsseite mediendicht zu separieren, wird gemäß der Darstellung nach der 7 ein Trennkolben 12 in das Speichergehäuse 10 längsverfahrbar eingesetzt, der in den 5 und 6 näher dargestellt ist, wobei die 6 eine stirnseitige Ansicht von rechts auf den Trennkolben 12 nach der 5 darstellt. Demgemäß weist der Trennkolben 12 zwei Kolbenteile 13, 15 auf, die als Scheiben mit gleichem Außendurchmesser ausgebildet sind und die über eine elastisch nachgiebige Kolbenstange 17 auf Abstand zueinander gehalten fest miteinander verbunden sind, wobei die Kolbenstange 17 unter der Einwirkung mindestens einer äußeren Kraft F ausgehend von einem Ausgangszustand eine Krümmung als Ganzes zulässt und bei Wegfall der jeweiligen Kraft F in den Ausgangszustand zurückkehrt. Dergestalt ist die Doppelscheiben-Kolbenanordnung des Trennkolbens 12 geeignet einem Krümmungsverlauf des Speichergehäuses 10 nachzufolgen, wie er beispielhaft in der 4 wiedergegeben ist. Ebenso wie die beiden Kolbenteile 13, 15 besteht die Kolbenstange 17 aus einem geeigneten Metallwerkstoff, wobei vorzugsweise die Kolbenstange 17 biegeelastischer ausgebildet ist als die Scheiben 13, 15. Insbesondere verhindert die Kolbenstange 17 das die relativ dünn ausgebildeten Scheiben für die beiden Kolbenteile 13, 15 im Rahmen der Führung entlang der Lauffläche 26 im Speichergehäuse 10 kippen und damit den Bewegungsablauffür den Trennkolben 12 hemmen können.
Das eine Kolbenteil 13, das dem einen Medienraum 14 zugewandt ist, weist außenumfangsseitig ein Führungsband 19 auf und das andere Kolbenteil 15, das dem weiteren Medienraum 16 zugewandt ist, weist ein weiteres Führungsband 21 sowie eine Ringdichtung 23 aus einem üblichen Elastomermaterial auf. Die beiden ringförmigen Führungsbänder 19, 21 sind als Gleichteile ausgebildet und bestehen aus einem Werkstoff mit guten Gleiteigenschaften, der vorzugsweise entsprechend temperaturbeständig ist, wie PTFE-Material. Sowohl die Führungsbänder 19, 21 als auch die Ringdichtung 23 sind in jeweils ringartigen Aufnahmenuten in den zugehörigen Kolbenteilen 13, 15 eingebracht und gleiten entlang der Innenumfangsseite des Speichergehäuses 10 ab in Form der Lauffläche 26. Insoweit ist gemäß der Darstellung nach der 5 die Ringdichtung 23 zwischen den beiden Führungsbändern 19, 21 am anderen Kolbenteil 15 angeordnet. Aufgrund der scheibenförmigen Anordnung der beiden Kolbenteile 13, 15 ist zwischen diesen ein Ringraum 25 gebildet, der das Medium des einen Medienraums 14 beinhaltet, insbesondere in Form des Arbeitsgases. Um das bereits angesprochene Kippen für die scheibenförmigen Kolbenteile 13, 15 zu vermeiden und um dennoch sicherstellen zu können, dass der Trennkolben 12 als Ganzes dem gekrümmten Verlauf eines unter Biegebeanspruchung stehenden Speichergehäuses 10 nachfolgen kann, ist der Abstand der beiden scheibenförmigen Kolbenteile 13, 15 voneinander kleiner als 1/3 des Durchmessers des jeweiligen Kolbenteiles 13, 15. Des Weiteren ist für einen sicheren Verschiebeverlauf die Scheibendicke des Kolbenteiles 13 mit dem Führungsband 19 kleiner als die Scheibendicke des anderen Kolbenteiles 15 mit dem weiteren Führungsband 21 und dem Dichtring 23 gewählt. Für einen hemmnisfreien Betrieb ist des Weiteren vorgesehen, dass die Kolbenstange 17 mit ihren beiden einander gegenüberliegenden Schultern 27 plan in die einander zugewandten freien Stirnseiten 29, 31 der beiden Kolbenteile 13 bzw. 15 übergeht. Demgemäß durchgreift die Kolbenstange 17 mit ihren voneinander abgewandten Endbereichen das jeweilige Kolbenteil 13, 15 und an diesem zugeordneten Kolbenteil 13, 15 entlang dieses Endbereiches ist die Kolbenstange 17 über eine Gewindestrecke 33 mittels einer üblichen Kontermutter 35, nur in Darstellung nach der 6 aufgezeigt, festgelegt.
Wie sich weiter aus den 5, 6 und 7 ersehen lässt, sind die Scheiben der beiden Kolbenteile 13, 15 mit ringförmigen Ausnehmungen 37 versehen, die zum einen der Gewichtsersparnis dienen und darüber hinaus die Elastizität für die Scheiben 13, 15 erhöhen. Die Ausnehmungen 37 sind auf den abgewandten Stirnseiten der beiden Kolbenteile 13, 15 im Wesentlichen gleich ausgebildet und konzentrisch zu einer Mittenausnehmung 39 angeordnet, die den jeweils zugeordneten Gewindeabschnitt 33 der Kolbenstange 17 sowie die Kontermutter 35 aufnimmt. Des Weiteren ist in konzentrischer Anordnung zu diesen Ausnehmungen 37 auf der inneren Stirnwand des Kolbenteiles 15 eine sowohl außenumfangsseitig als auch innenumfangsseitig verbreiterte ringförmige Ausnehmung 37 vorhanden. Der derart elastisch ausgebildete Trennkolben 12 kann auch für „normale“ Speichergehäuse 10 verwendet werden; ebenso können Speichergehäuse 10 der vorgestellten Art mit „üblichen“ Trennkolben zum Einsatz kommen.
4 zeigt nun das aufgeständerte Speichergehäuse 10 auf zwei Lagerböcken 64 und von oben her wird an einer Einleitstelle 66 mittig eine Druckkraft F derart aufgebracht, dass sich das Speichergehäuse 10 wie in 4 dargestellt durchbiegt. Das Speichergehäuse 10 ist in der 4 in idealisierter Form wiedergegeben, insbesondere ohne die beiden Abschluss-Deckelteile 56. Wird die Kraft F weggenommen, kehrt der Speicher respektive das Speichergehäuse 10 in seine ursprüngliche Lage gemäß der Darstellung nach den 1 und 7 zurück. Es versteht sich, dass wenn das Speichergehäuse 10 an der Einleitstelle 66 festgehalten ist und die Kraftaufbringung erfolgt von unter her über die Lagerböcke 64 sich eine vergleichbare Durchbiegung wie in 4 wiedergegeben einstellt.
Wird der Kolbenspeicher im Rahmen einer Auswuchtvorrichtung zur Kompensation der Unwucht von Rotoren von Windenergieanlagen, wie in 8 beispielhaft aufgezeigt, angebracht, erfolgt das Festlegen entlang der beiden Lagerböcke 64 auf einer der beiden Blattseiten des jeweiligen Rotorblattes 68. In der 8 ist der teilweise dargestellte Turm einer Windenergieanlage mit 70 bezeichnet. In wie bei Windenergieanlagen üblicher Weise ist am oberen Ende des Turms 70 ein Maschinenhaus 72, das man fachsprachlich auch mit „Gondel“ bezeichnet, um zwei bis drei Umdrehungen vor- und rückdrehbar am oberen Ende des Turms 70, um die Turmhochachse drehbar angeordnet. Eine am Maschinenhaus 72 drehbar gelagerte Rotornabe für drei Rotorblätter 68 eines Dreiblattrotors ist in der vereinfachten Darstellung nach der 8 nicht sichtbar. Innerhalb eines jeden Rotorblattes 68 befindet sich ein Kolbenspeicherpaar, das einen inneren Kolbenspeicher 74 und einen äußeren Kolbenspeicher 76 aufweist. Der jeweilige Kolbenspeicher 74, 76 ist dabei dem Grunde nach aufgebaut, wie in 7 dargestellt mit entsprechend endseitigen Abschlussteilen, wie dem jeweiligen Deckelteil 56. Dabei ist der jeweilige Kolbenspeicher 74, 76 über die zugeordneten Lagerböcke 64 am zugehörigen Rotorblatt 68 befestigt.
Der jeweils innere Kolbenspeicher 74 ist im Bereich der an die Rotornarbe angrenzenden Blattwurzel angeordnet und der äußere Kolbenspeicher 76 ist demgegenüber um eine Strecke, die sich entlang der Längsausrichtung des jeweiligen Rotorblattes 68 erstreckt, in Richtung auf die jeweilige Blattspitze hin versetzt. Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass entsprechend dem geringeren innerhalb des jeweiligen Rotorblattes 68 in der Nähe der Blattspitze zur Verfügung stehenden Bauraums der äußere Kolbenspeicher 76 schlanker dimensioniert ist als der innere Kolbenspeicher 74 des Paares.
Bei den inneren Kolbenspeichern 74 ist der Medien- oder Arbeitsraum 14, der das kompressible Druckmedium wie das Arbeitsgas, vorzugsweise in Form von Stickstoffgas, führt der Blattwurzel zugewandt während bei den äußeren Kolbenspeichern 76 der Arbeitsraum 14, der das kompressible Medium führt, den Blattspitzen zugewandt ist. Im Bedarfsfall kann der Medienraum 14 des inneren Kolbenspeichers 74 auch Umgebungsluft führen und drucklos gehalten sein. In den jeweils anderen Medienräumen 16 der Kolbenspeicher 74 und 76, die innerhalb des Rotorblattes 68 einander zugewandt sind, befindet sich als Masse die zur Unwuchtkompensation innerhalb eines betreffenden Rotorblattes 68 verschiebbar ist, das inkompressible Medium, wie Hydraulikflüssigkeit. Diese einander zugewandten fluidführenden Medienräume 16 sind über eine Fluidleitung 78 miteinander verbunden, beispielsweise in Form einer Rohrleitung oder einer Verschlauchung. In der jeweiligen Fluidleitung 78 ist zum jeweils inneren Kolbenspeicher 74 benachbart ein Steuerventil 80 angeordnet, beispielsweise in Form eines elektromagnetisch betätigbaren Schaltventiles, die von einem Steuerungssystem 82 zentral ansteuerbar sind. Um dem Steuerungssystem 82 die Werte von an der Tragstruktur der Windenergieanlage quer zur Rotorwelle wirkenden Querbeschleunigungen zu übermitteln, ist im Turmkopf oder der Gondel 72 ein Beschleunigungssensor 84 angeordnet, der mit dem Steuerungssystem 82 über entsprechende Messsignalleitungen verbunden ist. Des Weiteren ist ein Rotorpositionssensor 86 vorgesehen, der in Form eines Rotor-Drehzahlgebers oder eines Rotor-Drehpositionsgebers an der Rotorwelle die Lage der Rotorblätter 68 ermittelt und über eine weitere Messsignalleitung an das Steuerungssystem 82 übermittelt.
Um mittels der Auswuchtvorrichtung einen Unwucht-Kompensationsvorgang durchzuführen, wird die Windkraftanlage in einen Ausgangszustand gebracht, indem die Rotordrehzahl motorisch auf eine Drehzahl hochgefahren wird, bei der die Hydraulikflüssigkeit, die sich in den fluidführenden Medienräumen 16 der Kolbenspeicher 74, 76 und in der Fluidleitung 78 zwischen diesen befindet, bei geöffneten Steuerventilen 80 unter Einwirkung der Zentrifugalkraft nach außen in Richtung auf die Blattspitzen verdrängt ist und dabei das Arbeitsgas im jeweiligen Medienraum 14 der äußeren Kolbenspeicher 76 verdichtet, so dass sich diese in einem Ladezustand befinden. Um das Vorliegen einer Unwucht zu erkennen, muss die Windenergieanlage mit einer kritischen Drehzahl betrieben werden und beim Vorliegen einer Unwucht führt der Betrieb mit diesen Drehzahlen zu Turmquerschwingungen und damit zum Auftreten von Beschleunigungssignalen des Beschleunigungssensors 84. Die Ermittlung, welcher der Rotorblätter 68 ein abweichendes Massenträgheitsmoment aufweist, erfolgt mit Hilfe des Rotordrehpositionsgebers an der Rotorwelle, der zu jedem Zeitpunkt die präzise Lage der Rotorblätter 68 ermittelt. Aus dem Momentanwert der Querbeschleunigung der Rotorposition ermittelt das Steuerungssystem 82, welches Rotorblatt 68 das abweichende Massenträgheitsmoment aufweist und stellt ein Steuersignal für die Steuerventile 80 zur Verfügung, die die in Frage kommenden geladenen Kolbenspeicher 76 partiell entladen, um die Masse der inkompressiblen Hydraulikflüssigkeit derart zu verschieben, dass keine Querbeschleunigung mehr gemessen wird. Der Rotor ist dann insgesamt ausgewuchtet.
Es versteht sich, dass im Betrieb der Rotorblätter 68 durch Windkrafteinfluss, auch im Rahmen auftretender Turbulenz, es zu Verformungen auf grund von Biegekräften kommt, insbesondere zu einem Biegen des jeweiligen Rotorblattes 68 in seiner Längsausrichtung. Dank der vorstehend beschriebenen Kolbenspeicherlösung unter Einsatz eines biegeelastischen Speichergehäuses 10 und/oder eines biegeelastischen Trennkolbens 12, lassen sich dergestalt die jeweiligen Biegeverformungen des Rotorblattes 68 in allen Richtungen aufnehmen, wobei die Kolbenspeicherpaare 74, 76 auch im Fall der beschriebenen Durchbiegung funktionssicher einen Masseausgleich zur Kompensation der Unwucht der Rotorblätter 68 vornehmen können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10161797 C1 [0003]
DE 102016003345 B4 [0004, 0006]

Claims

Kolbenspeicher mit einem Speichergehäuse (10) und einem darin längsverfahrbar angeordneten Trennkolben (12), der innerhalb des Speichergehäuses (10) zwei Medienräume (14, 16) voneinander separiert, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichergehäuse (10) in Sandwich-Bauweise aus einzelnen, teilweise voneinander verschiedenen Lagen (18, 20, 22, 24) derart elastisch aufgebaut ist, dass es unter der Einwirkung mindestens einer äußeren Kraft (F) ausgehend von einem Ausgangszustand eine Krümmung als Ganzes zulässt und bei Wegfall der jeweiligen Kraft (F) in den Ausgangszustand zurückkehrt.
Kolbenspeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sandwich-Bauweise ein linear-elastisches Verhalten für das Speichergehäuse (10) ergibt.
Kolbenspeicher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen des Sandwich-Aufbaues die zuinnerst liegende Lage (18) des Speichergehäuses (10) gasundurchlässig ist und dass die nach außen jeweils nachfolgende Lage (20, 22, 24) aus einer Faserwicklung gebildet ist.
Kolbenspeicher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste zuinnerst liegende Lage (18) ein von der Wandstärke her dünnes Stahlrohr ist, das vorzugsweise mittels Fließdrücken hergestellt ist und das innenumfangsseitig die Lauffläche (26) für den Trennkolben (12) bildet.
Kolbenspeicher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Faserwicklung für das Speichergehäuse (10) eine andere Wicklungsrichtung aufweist als die jeweils in der Wickelabfolge vorangehende Faserwicklung.
Kolbenspeicher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf zumindest einer freien Stirnseite des Speichergehäuses (10) ein Anschlussteil (30) zumindest von einem Teil der Faserwicklungen teilweise umfasst ist.
Kolbenspeicher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlussteil (30) auf seiner zylindrischen Innenumfangsseite von der zuinnerst liegenden Lage (18) zumindest teilweise durchgriffen ist und außenumfangsseitig eine ringförmige Aufnahmenut (32) für die Aufnahme von Faserlagen (20, 22, 24) der einzelnen Wicklungen aufweist.
Kolbenspeicher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmenut (32) zumindest teilweise von einer Festlegerampe (36) begrenzt ist, an die zumindest eine innenliegende Faserwicklung (20) angelegt ist und die zumindest von einer nachfolgenden, weiter außenliegenden Faserwicklung (22, 24) übergriffen ist.
Kolbenspeicher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine außen liegende Faserwicklung (22, 24) von mehreren Haltestiften (52) durchgriffen ist, die vorzugsweise einen gleichbleibenden Abstand zueinander aufweisen und die das Anschlussteil (30) in radialer Richtung gesehen durchgreifen.
Verwendung eines Kolbenspeichers nach einem der vorstehenden Ansprüche für eine Windkraftanlage als Teil einer Auswuchteinrichtung zur Kompensation der Unwucht von Rotorblättern (68) einer solchen Anlage, von denen mindestens ein Rotorblatt (68) mit dem Speichergehäuse (10) des Kolbenspeichers (74, 76) an diskreten Festlegestellen (64) fest verbunden ist.