DE10233102B4 - Rotorblatt für Windkraftanlagen - Google Patents
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Abstract
Rotorblatt
für Windkraftanlagen,
dessen Oberfläche
im Bereich des Hinterkastens (2) aus einem flexiblen Material besteht
und dessen Inneres teilweise mit einem im Druck variierbaren Medium
gefüllt
ist, wobei im Bereich des Hinterkastens (2) vom Rotorblatt ein der Form
des Hinterkastens (2) und des Rotorblattes (1) angepasstes, flexibel
ausgebildetes Teilstück
(3) auswechselbar vorgesehen ist und in dessen Inneren eine elastische
Tragkonstruktion (13) angeordnet ist, bei der das Teilstück (3) aus
den seitlichen Flächenteilen
(8) und einem mit den seitlichen Flächenteilen (8) verbundenen
Auflageteil (9) besteht, wobei an den Verbindungsstellen zwischen
den seitlichen Flächenteilen
(8) und dem Auflageteil (9) Keder (10) vorgesehen sind, die mit
den seitlichen Flächenteilen
(8) und dem Auflageteil (9) fest verbunden sind und die Hülle (7)
des Rotorblattes (1) im Aufnahmebereich des Teilstückes (3)
beidseitig mit einer mit der Hülle
(7) fest verbundenen Kederschiene (12) ausgebildet ist.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Rotorblatt für Windkraftanlagen, insbesondere die Ausgestaltung des Hinterkastens und seine Verbindung zum Rotorblatt.
- Mit windelektrischen Anlagen stehen heute bereits hinsichtlich des technologischen Entwicklungstandes, der Leistungsklassen und akzeptablen Energiegestehungskosten, umweltfreundliche und wirtschaftliche Wandlersysteme zur Verfügung, die vielfach zur Anwendung kommen.
- Fraglos wird die Verwertung von Windkraft zur Energiegewinnung als eine der unverbrauchbaren Energieressourcen ohne Freisetzung jeglicher Art von Schadstoffen und ohne schädigende Wirkungen auf das Klima akzeptiert.
- Dabei kommt der Gestaltung und Ausführung von Rotorblättern besondere Bedeutung zu, die mitbestimmend sind für die Leistungsfähigkeit und Funktionsfähigkeit einer Windkraftanlage. So bedingen höhere Energieleistungen von Windkraftanlagen auch größenmäßige Veränderungen der Windkraftanlagen selbst, insbesondere der größenmäßigen Veränderung von Rotorblättern und der damit im Zusammenhang stehenden Veränderungen des Rotors selbst, welcher Träger der Rotorblätter ist.
- Ferner finden die landschaftlichen Gegebenheiten Berücksichtigung bei der Aufstellung und auch Gestaltung von Windkraftanlagen. Während in der Vergangenheit vorrangig Windkraftanlagen in windreichen Küstenregionen mit überwiegend vergleichsmäßigen klimatischen Bedingungen als Standorte ausgewählt wurden, sind auch in den Binnenlandstandorten Windkraftanlagen und Windparks entstanden. Derartige Windkraftanlagen werden deshalb so ausgelegt, dass sie im so genannten Schwachwindbereich zwischen 2 m/sek. bis 8 m/sek. mit variablen Rotordrehzahlen und mit optimalen Leistungsausbeuten arbeiten können. Ferner finden witterungsbedingte Anlagenstillstände derart Berücksichtigung, dass diese Anlagenstillstandzeiten auf Werte von weniger als 15 % der Kalenderzeit reduziert werden. Schließlich werden Windkraftanlagen so ausgelegt, dass Maßnahmen zur Verminderung der von den Rotorblättern ausgehenden Lärmemissionen, beispielsweise durch Begrenzung der Rotordrehzahl auf möglichst kleine Werte, durch Sichern einer höchstmöglichen Qualität der Windabrisskanten an den Rotorblättern und durch Gewährleisten von erforderlichen Mindestabständen zwischen Rotorblatt und Stammmast Berücksichtigung finden.
- Die Entwicklung von Windkraftanlagen in den letzten Jahren, um die Energieleistungen zu erhöhen, führten dazu, dass Windkraftanlagen mit immer größeren Abmaßen errichtet wurden. So sind Windkraftanlagen mit Höhen von weit über 100 m keine Seltenheit mehr und die zum Einsatz kommenden Rotorblätter sind teilweise bereits über 50 m lang, haben ein Gewicht von mehr als 15.000 kg und besitzen Rotorblatttiefen von mehr als 6 m.
- Die Energieleistungen derartiger Windkraftanlagen sind sehr beachtlich, demgegenüber stehen aber erhöhte technische Anforderungen an die Ausbildung und Gestaltung von Rotorblättern einschließlich ihrer Lagerung und auch an die Steuerung von Windkraftanlagen. Erwähnt muss auch werden, dass Rotorblättern in den beschriebenen Abmaßen, beispielsweise bei Rotorblatttiefen bis zu 6 m und darüber hinaus einen Transport auf öffentlichen Verkehrseinrichtungen kaum ermöglichen, insbesondere beim Unterfahren von Brücken und Straßenunterführungen. Die Ausbildung von Rotorblatttiefen bedingen besondere Ausgestaltungen des Hinterkastenbereiches von Rotorblättern, welcher wesentlichen Einfluss auf die Strömungsverhältnisse von Rotorblättern hat und zum Gesamtrotorblatt einen Flächenprozentanteil von 10 % bis 20 % hat. Demgegenüber ist nachteilig, dass die Ausbildung des Hinterkastens von Rotorblättern nur einen unwesentlichen Einfluss auf die Energieleistung einer Windkraftanlage hat.
- So wurde mit der
DE 31 50 715 A1 eine Rotorblattausbildung für Rotoren von Windkraftanlagen vorgestellt, bei der die Regelung des Rotors zur Beeinflussung der Drehzahl derart erfolgt, dass die Blattspitze des Rotorblattes über ein Gelenkelement angeordnet ist und über zugeordnete Stellelemente entsprechend den Betriebsbedingungen selbsttätig und/oder individuell schwenkbar sein soll, wobei die gebildete Schwenkachse etwa in Rotorblattebene liegt und einen Winkel zur Rotorblattmittellinie derart aufweisen soll, dass der Abstand zwischen Schwenkachse und Rotornabe an der Vorderkante des Rotorblattes gegenüber der Hinterkante geringer ist. Hierdurch soll es möglich sein, drei Hauptstellungen der Blattspitze mit beliebigen Zwischenstellungen einzustellen. So einmal nach vorn in Windrichtung für den Anlauf und zum anderen für den Normalbetrieb in Verlängerung des Rotorblattes sowie zum Abbremsen nach hinten in Richtung des Windes. - Dies ist mit einem erheblichen technischen und finanziellen Aufwand verbunden, wobei derartige Lösungen für Großanlagen kaum im vernünftigen Verhältnis von Kosten – Nutzensaufwand einsetzbar sind.
- Mit dem gleichen Problem befasst sich die Lösung nach der
DE 197 19 221 C1 , mit der ein Rotorblatt vorgestellt wird, welches an unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten anpassbar sei. Dies soll durch ein Rotorblatt erreicht werden, dessen Oberfläche mindestens bereichsweise aus einem flexiblen Material gefertigt ist und dessen Inneres mindestens teilweise mit einem druckvariierbaren Medium gefüllt ist, so dass die Querschnittsform des Blattes durch Druckänderungen des Mediums veränderbar ist. - Mit dieser Ausbildung des Rotorblattes soll vorrangig erreicht werden, dass ein Anschlagen der einzelnen Rotorblätter am Turm der Windkraftanlagen verhindert wird und zum anderen soll eine optimale Anpassung des Rotorblattquerschnittes an unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten erreicht werden.
- Ungeachtet des erheblichen technischen Aufwandes zur Realisierung eines derartigen Rotorblattes und unter Beachtung der Effektivität dürften derart gestaltete Rotorblätter kaum eine breite Anwendung finden, wobei ein derart ausgebildetes Rotorblatt halt auch nur dazu dienen soll, die Effektivität von Windkraftanlagen zu steigern.
- Es sei auch auf die
DE 100 64 912 A1 undDE 101 52 449 A1 verweisen, mit denen Rotorblätter für Windenergieanlagen vorgestellt werden, deren Rotorblätter eine bestimmte Oberfläche aufweisen, die im Betrieb des Rotorblattes dem Wind ausgesetzt sind und gleichfalls Mittel besitzen, die zur Veränderung der Größe der Oberfläche des Rotorblattes dienen und als Tragstrukturen ausgebildet sind, die im Bereich des Hinterkastens eines Rotorblattes angeordnet sind. Diese Tragstrukturen sind dabei verformbar ausgeführt und dienen zur Herausbildung und Veränderung des Hinterkastens eines Rotorblattes. - Durch diese Gestaltung des Hinterkastens von Rotorblättern werden sicher höhere Energieleistungen erreicht, allerdings bedarf es auch Veränderungen an den Steuereinrichtungen von Windkraftanlagen, um die Funktionssicherheit zu gewährleisten, wobei insbesondere die Verbindung der Tragstrukturen zu dem jeweiligen Rotorblatt besonders ausgeführt sein muss, was bei den bekannten Lösungen mit nicht unerheblichen Aufwendungen realisiert wird, so dass es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Rotorblatt für Windkraftanlagen, insbesondere die Ausgestaltung des Hinterkastens und seine Verbindung zum Rotorblatt zu entwickeln, mit denen die Nachteile der bekannten Lösungen weitestgehend ausgeschlossen werden.
- Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Rotorblatt mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst und vorteilhafte Ausführungen und besondere Gestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
- Die erfindungsgemäße Lösung bezieht sich auf die besondere Ausgestaltung des Hinterkastens eines Rotorblattes. Das Rotorblatt ist so ausgebildet ist, dass beim Abbremsen und Stillsetzen von Windkraftanlagen ein Teil des Hinterkastens, welcher flexibel ausgebildet ist, weitestgehend eingezogen wird, wodurch sich die Fläche des Rotorblattes, insbesondere die dem Wind zugekehrte Fläche verringert und aufgrund der geringeren Angriffsfläche des Windes der Abbrems- und Stillsetzungsvorgang des jeweiligen Rotors und somit der Windkraftanlage positiv beeinflusst wird, d. h. die Abbrems- und Stillsetzungszeiten verringern sich wesentlich.
- Dies wird dadurch realisiert, dass im Bereich des Hinterkastens vom Rotorblatt ein der Form des Hinterkastens und des Rotorblattes angepasstes Teilstück auswechselbar vorgesehen ist. Das zum Einsatz kommende Teilstück ist dabei aus einem flexiblen, festen und korrosionsbeständigen Material hergestellt. Das Teilstück selbst wird mittels eines Mediums gefüllt, hier mit Luft, da diese im ausreichenden Maße zur Verfügung steht. Die in dieses Teilstück einzupumpende Luft füllt dieses gesamte Teilstück und erzeugt im Inneren desselben einen gewissen Druck, wodurch die Stabilität des Teilstückes und somit die gesamte Stabilität eines Rotorblattes gesichert ist.
- Im Inneren des Teilstückes ist eine Tragkonstruktion vorgesehen, welche im weitesten Sinne das Skelett des Teilstückes bildet. Diese Tragkonstruktion besteht aus einem elastischen Material und die einzelnen Teilstücke der Tragkonstruktion sind an den Innenwänden des Teilstückes und im Bereich der verbindenden äußeren Teilflächen des Teilstückes vorgesehen.
- Dies ist insbesondere von Vorteil beim Zusammenfalten bzw. beim Einziehen des Teilstückes, da die elastische Tragkonstruktion während des Betriebszustandes unter einer gewissen Spannung liegt und sobald der innere Druck abgesenkt wird, wird diese Vorspannung freigesetzt und unterstützt dabei das Zusammenlegen/Zusammenfalten des Teilstückes.
- Die flexible Ausbildung eines Bereiches des Hinterkastens eines Rotorblattes bedingt zum einen den Vorteil, dass die einzelnen Rotorblätter mit geringeren Rotorblatttiefen hergestellt werden können, was sich positiv auf die Herstellung, aber insbesondere auf den Transport auswirkt und zum anderen ist von wesentlichem Vorteil, dass durch die flexible Gestaltung des Hinterkastens die Sicherheit von Windkraftanlagen wesentlich beeinflusst wird.
- So besteht allgemein die Gefahr, dass bei Ausfall der aktiven Leistungsbegrenzung es zu Überlastungen der Rotorblätter, insbesondere des Rotorblattmaterials kommt und ein dadurch bedingter Wegbruch der Rotorblätter kann zu verheerenden Auswirkungen führen. Allgemein wird das aktive Leistungsbegrenzungssystem einer Windkraftanlage elektronisch gesteuert und ein Havariefall kann in zwei Fällen eintreten.
- 1. Bei einem kombinierten Ausfall von Elektroenergie und Notstromanlage für das System und,
- 2. wenn die Reaktionszeit des aktiven Leistungsbegrenzungssystems auf schnell zunehmenden Wind oder Böen nicht kurzzeitig genug reagiert.
- Dabei ist die Rotorblatttiefe von besonderer Bedeutung, denn je höher die Rotorblatttiefe der Rotorblätter einer Windkraftanlage ist, desto schwieriger und leistungsintensiver ist das Abbremsen des Rotors. Hier begründen sich weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung, da zum einen Rotorblätter bei gleicher Leistungsfähigkeit mit geringerer Rotorblatttiefe gebaut werden können und zum anderen beim Abbremsvorgang die Windangriffsfläche eines jeden Rotorblattes reduziert, somit die Umlaufgeschwindigkeit des Rotors automatisch verringert wird und das Austrudeln von Windkraftanlagen somit effektiv unterstützt wird.
- Gemäß der Erfindung besteht das zum Rotorblatt zu verbindende Teilstück aus einzelnen Flächenteilen, die so ausgebildet und miteinander verbunden sind, dass sie im Betriebszustand die Gesamtform des jeweiligen Rotorblattes herausbilden. Die seitlichen Flächenteile sind in der Spitze miteinander festverbunden, vorzugsweise verschweißt und im unteren Bereich über ein stabiles allerdings flexibel ausgebildetes Auflageteil miteinander verbunden. Diese Verbindungsstelle selbst ist auch als eine Klebe- oder Schweißverbindung ausgebildet, wobei in diesen Verbindungsstellen jeweils ein in den längs seitlichen Flächenteilen des Teilstückes verlaufender Keder eingeschweißt ist. Über diesen Keder erfolgt die Befestigung des Teilstückes zum jeweiligen Rotorblatt, welches in seinen Endbereichen der Verbindungsstelle zum Teilstück mit Kederschienen ausgebildet ist, die fest in der Hülle des Rotorblattes eingebunden sind und bereits bei der Herstellung derselben eingearbeitet werden.
- Somit besteht die Möglichkeit, die Endausbildung des Rotorblattes unmittelbar am Montageort vorzunehmen und zum anderen bringt diese auswechselbare Verbindung den Vorteil, dass bei eventuellen Reparaturarbeiten das Teilstück mit sehr geringem Kosten- und Zeitaufwand demontiert und dann anschließend wieder montiert werden kann.
- Dabei ist die Verbindung des Teilstückes zur Hülle des Rotorblattes nicht allein auf die beschriebene Ausführung beschränkt. Es können auch andere Verbindungsmethoden, wie beispielsweise Kleben, Kletten, Verspannen und Verschweißen, zur Anwendung kommen.
- Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass das Teilstück des Hinterkastens mit Druckluftleitungen in Verbindung steht, über die mittels geeigneter Aggregate Luft in das Innere des Teilstückes gepumpt bzw. abgesaugt wird.
- Wird es erforderlich, dass das flexible Teilstück des Hinterkastens einzuziehen ist, werden automatisch die entsprechenden Pumpenaggregate angesteuert, die die Luft aus dem Teilstück entziehen und bei Aufrechterhaltung eines gewissen Saugdruckes bleibt das so zusammengefaltete Teilstück am jeweiligen Rotorblatt anliegend, wobei die im Inneren des Teilstückes vorgesehene elastische Tragkonstruktion dies auch rein mechanisch bewirkt.
- Denkbar ist auch, dass das Teilstück mit Einrichtungen ausgebildet ist, die nicht elektronisch angesteuert werden, sondern in Abhängigkeit der Windgeschwindigkeiten bzw. des Winddruckes.
- Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, dass im Inneren des Teilstückes so genannte Trennwände vorgesehen und mit entsprechenden Durchtrittsöffnungen ausgebildet sind, so dass die einzuströmende bzw. auszuströmende Luft in das gesamte Teilstück gelangen bzw. aus diesem austreten kann. Die Trennwände dienen der genauen Ausbildung der Außenform.
- Mit nachfolgendem Ausführungsbeispiel soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen:
-
1 : eine prinziphafte Darstellung eines Rotorblattes mit Hinterkasten und eingesetztem Teilstück; -
2 : eine Schnittdarstellung nach1 ; -
3 : eine Schnittdarstellung durch ein Teilstück. - Aus der prinziphaften Darstellung eines Rotorblattes
1 gemäß der1 ergibt sich, dass im Bereich des Hinterkastens2 vom Rotorblatt1 ein gewisser Bereich des Hinterkastens2 mit einem Teilstück3 ausgebildet ist. Dieses Teilstück3 stellt in seiner im Betriebszustand herausgebildeten Form einen Teil des Hinterkatens2 vom Rotorblatt1 dar, wobei dieses Teilstück3 als ein flexibles und auswechselbares Bauelement zum Rotorblatt1 zugeordnet ist. Das Rotorblatt1 selbst wird über die Rotoraufnahme4 zum nicht näher dargestellten Rotor befestigt, die dem Wind zugekehrte Seite ist mit der Bezugszahl5 und die dem Wind abgekehrte Seite ist mit der Bezugszahl6 gekennzeichnet. - Die beiden Darstellungen nach den
2 und3 geben unmittelbar Auskunft über die Anordnung und Ausbildung des Teilstückes3 zum Rotorblatt1 . - Aus der
2 ergibt sich, dass das Teilstück3 im Bereich des Hinterkastens2 des Rotorblattes1 angeordnet ist und dabei eine Form besitzt, die der strömungstechnisch und leistungsbedingten Form des Rotorblattes1 entspricht. - Das Teilstück
3 –3 – selbst besteht aus zwei seitlichen Flächenteilen8 , die im Spitzenbereich11 miteinander verschweißt sind und im unteren Bereich, der Verbindung zum Rotorblatt1 , über ein Auflageteil9 verbunden sind, wobei die Verbindungsstellen zwischen den seitlichen Flächenteilen8 und dem Auflageteil9 so ausgebildet sind, dass bei der Herstellung des Teilstückes3 in diesen Bereichen ein Keder10 eingearbeitet wird. Vorzugsweise wird der Keder10 sowohl zu den seitlichen Flächenteilen8 als auch zu den Auflageteilen9 verschweißt. Dies wird möglich, da Teilstück3 aus einem flexiblen und beschichteten Kunststoff oder auch Textilstoff und Auflageteil9 gleichfalls aus einem flexiblen Material bestehen. Dabei ist wesentlich, dass die Oberfläche der seitlichen Flächenteile8 besonders ausgebildet ist, die zur Erhöhung der Lebensdauer beiträgt, die der Lebensdauer von Rotorblättern1 angepasst ist. Die Werkstoffauswahl für das Teilstück3 erfolgt unter Berücksichtigung der Wetterbeständigkeit, der klimatischen Belastung und insbesondere der Flexibilität des Materials. So können, wie bereits ausgeführt, schweißbare Fluorpolymerfolien mit einem hochfesten Trägergewebe zum Einsatz kommen, die eine hohe Formstabilität besitzen und keinen Schrumpfungen unterliegen. - Denkbar ist aber auch, die Oberflächen der seitlichen Flächenteile
8 mit einer Beschichtung, beispielsweise auch durch Teflon, zu versehen, da eine derartige Beschichtung sehr dauerhaft und gegen Witterungseinflüsse unempfindlich ist. - Aus der
3 ergibt sich ferner, dass im Inneren des Teilstückes3 eine elastische Tragkonstruktion13 vorgesehen ist, die aus einzelnen, vorzugsweise gummiartigen, Elementen besteht, die zu einem großflächigen Geflecht ausgebildet sind und flächenhaft auf den Innenseiten der seitlichen Flächenteile8 angeordnet und mit diesen verbunden sind. - Diese Tragkonstruktion
13 dient zum einen der Stabilität des gesamten Teilstückes3 , aber vorrangig dienen die einzelnen Elemente der Tragkonstruktion13 dazu, beim Entweichen der im Inneren des Teilstückes3 befindlichen Luft die Hülle des Teilstückes3 , somit die seitlichen Flächenteile8 im weitesten Sinne zusammenzufalten, so dass der Hinterkasten2 des Rotorblattes1 in diesem Bereich in der Tiefe des jeweiligen Rotorblattes1 verringert wird. - Wie auch in der
3 dargestellt, erfolgt die Zuordnung und Verbindung des Teilstückes3 zum Rotorblatt1 über eine Keder – Verbindung. Dies erfolgt in der Art und Weise, dass beidseitig in den Enden der Hülle7 des Rotorblattes1 eine Kederschiene12 eingearbeitet ist. Vorzugsweise bestehen diese Kederschienen12 aus einem Kunststoff, der unmittelbar bei der Herstellung des Rotorblattes1 in die Hülle7 eingearbeitet wird. Das Teilstück3 selbst ist an den Verbindungsstellen seiner seitlichen Flächenteile8 zum Auflageteil9 mit je einem Keder10 ausgebildet, die beim Fügen des Teilstückes3 zum Rotorblatt1 Aufnahme finden in den Kederschienen12 vom Rotorblatt1 .
Claims (6)
- Rotorblatt für Windkraftanlagen, dessen Oberfläche im Bereich des Hinterkastens (
2 ) aus einem flexiblen Material besteht und dessen Inneres teilweise mit einem im Druck variierbaren Medium gefüllt ist, wobei im Bereich des Hinterkastens (2 ) vom Rotorblatt ein der Form des Hinterkastens (2 ) und des Rotorblattes (1 ) angepasstes, flexibel ausgebildetes Teilstück (3 ) auswechselbar vorgesehen ist und in dessen Inneren eine elastische Tragkonstruktion (13 ) angeordnet ist, bei der das Teilstück (3 ) aus den seitlichen Flächenteilen (8 ) und einem mit den seitlichen Flächenteilen (8 ) verbundenen Auflageteil (9 ) besteht, wobei an den Verbindungsstellen zwischen den seitlichen Flächenteilen (8 ) und dem Auflageteil (9 ) Keder (10 ) vorgesehen sind, die mit den seitlichen Flächenteilen (8 ) und dem Auflageteil (9 ) fest verbunden sind und die Hülle (7 ) des Rotorblattes (1 ) im Aufnahmebereich des Teilstückes (3 ) beidseitig mit einer mit der Hülle (7 ) fest verbundenen Kederschiene (12 ) ausgebildet ist. - Rotorblatt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das im Druck variierbare Medium Luft ist.
- Rotorblatt nach Anspruch 1 oder2,gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen dem Teilstück (
3 ) und dem Rotorblatt (1 ) formschlüssig und lösbar über die in den Kederschienen (12 ) eingefügten Keder (10 ) erfolgt. - Rotorblatt nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elastische Tragkonstruktion (
13 ) aus zueinander gefügten und verbundenen Elementen besteht, die aus einem elastischen und vorspannbaren Material hergestellt sind. - Rotorblatt nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die seitlichen Flächenteile (
8 ) des Teilstückes (3 ) aus einem flexiblen, wetterbeständigen Material bestehen, so beispielsweise aus Fluorpolymerfolien mit einem hochfesten Trägergewebe oder auch aus Materialien, welche Oberflächen beschichtet sind, so beispielsweise mit Teflon. - Rotorblatt nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Teilstück (
3 ) über Zuführleitungen mit einem Pumpaggregat verbunden ist und im Betriebszustand des Teilstückes (3 ) in dessen Inneren ein Druck anliegt, der das Teilstück (3 ) formstabil ausbildet.
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