-
Die Erfindung betrifft eine Flettnerrotorkomponente nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen Flettnerrotor.
-
Flettnerrotoren werden in der Schifffahrt eingesetzt, um den Vortrieb des Schiffes zu unterstützen. Die Rotoren sind in der Regel als zylindrische Säule von einigen Metern Durchmesser auf dem Schiffsdeck drehend montiert. Dabei wird ausgenutzt, dass Luftströmung quer zur Längserstreckung des Schiffes durch Drehung des Rotors bugseitig beschleunigt und heckseitig gebremst wird. Durch den entstehenden Druckgradienten erfährt das Schiff einen zusätzlichen Vortrieb. Je nach Dimensionierung und Anzahl der verwendeten Flettnerrotoren kann zum Betrieb des Schiffs eine erhebliche Menge an Kraftstoff eingespart werden. Die Flettnerrotoren weisen eine kreiszylindrische Gestalt auf. Aus
EP 3 126 218 B1 ist beispielsweise ein Flettnerrotor bekannt, der aus mehreren Segmentschalen zusammengesetzt wird. In der Regel wird ein solcher aus Schalen hergestellter Zylinderabschnitt in Gestalt eines Hohlzylinders hergestellt. Üblicherweise werden mehrere solcher Zylinderkörper koaxial übereinander angeordnet und miteinander verbunden.
-
Die geschilderte Vorgehensweise ist aufwendig, da eine Flettnerrotorkomponente aus einer Mehrzahl von Schalen zusammengesetzt werden muss. Die Schalen selbst müssen zunächst separat hergestellt werden, um anschließend miteinander zu einem Zylinderkörper verbunden zu werden. Aufgrund der Mehrzahl von für einen Zylinderkörper erforderlichen Bauteilen ist der Zusammenbau natürlich toleranzbehaftet. Solche Toleranzen sorgen dafür, dass in aller Regel ein fertig gestellter Flettnerrotor zahlreiche Unwuchten aufweist, die ausgeglichen werden müssen. Je mehr Einzelteile zur Herstellung eines Flettnerrotors verwendet werden, desto aufwendiger ist das Auswuchten.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Flettnerrotorkomponente der eingangs genannten Art anzugeben, mit welcher die erwähnten Nachteile weitestgehend vermieden werden können.
-
Gelöst für diese Aufgabe durch eine Flettnerrotorkomponente mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen finden sich in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen.
-
Die erfindungsgemäße Flettnerrotorkomponente weist einen zylindrischen, insbesondere kreiszylindrischen, Grundkörper auf, wobei der Grundkörper wenigstens einen als Hohlzylinder ausgebildeten Zylinderabschnitt aufweist, der aus einem selbsttragenden Zylinderkörper ausgebildet ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass jeder Zylinderabschnitt einen selbsttragenden Zylinderkörper umfasst, der aus wenigstens einem gewickelten Materialstrang ausgebildet ist. Der Materialstrang selbst besteht dabei aus einem faserverstärkten, insbesondere glasfaserverstärkten, Kunststoff. Auf die geschilderte Weise kann eine Flettnerrotorkomponente aus einer Minimalzahl an Bauteilen ausgebildet werden. Infolgedessen können Toleranzen, die beim Zusammensetzen von mehreren Bestandteilen vorhanden sind, weitgehend minimiert werden. Als Materialstrang kann einerseits ein bandartiger Strang aus dem genannten Material aber auch ein Einzelfaden aus dem genannten Material dienen. Ebenso sind Mischformen denkbar, etwa aus einem fadenartigen Strang hergestelltes Gewebe oder auch ein Gelege. Alle Gewebeformen oder Gelegeformen können je nach Anforderungen an die Eigenschaften der gewickelten Flettnerrotorkomponente eingesetzt werden.
-
Insbesondere ist dabei vorgesehen, dass der gewickelte Materialstrang mittels eines ausgehärteten Materials, insbesondere eines Harzmaterials, verfestigt ist. Dies kann grundsätzlich nach dem Wickeln geschehen, bevorzugt ist jedoch vorgesehen, dass der Materialstrang beim Wickeln kurz vor dem Ablegen mit einem entsprechenden Material getränkt wird.
-
Die erfindungsgemäße Flettnerrotorkomponente kann lediglich einen Zylinderkörper umfassen, der dann als Flettnerrotor verwendet wird. Aus logistischen Gründen kann es sich allerdings anbieten, auch eine Mehrzahl Zylinderkörper koaxial zueinander anzuordnen und den Flettnerrotor daraus herzustellen. So können die einzelnen Komponenten beispielsweise separat transportiert und dann vor Ort montiert werden. Zur Montage kann insbesondere vorgesehen sein, dass an wenigstens einer oder an zwei Stirnseiten des Zylinderabschnitts ein Flansch angeordnet ist. Ein solcher Flansch kann zum einen zur Befestigung des Zylinderkörpers und anderen Bauteilen des Flettnerrotors dienen, zum anderen auch zur Verbindung mehrerer Zylinderkörper untereinander.
-
Der Flansch kann beispielsweise in Gestalt eines nach innen oder nach außen über den Rand des Zylinderabschnitts vorstehenden Ringes ausgebildet sein. Insbesondere der nach innen vorstehenden Ring weist den Vorteil auf, dass die äußere Oberfläche des Flettnerrotors dann weitgehend homogen und zylindrisch ausgebildet werden kann.
-
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Flansch aus einem faserverstärktem, insbesondere glasfaserverstärkten Kunststoff, ausgebildet ist. Dieser kann dabei separat zum Wickeln bereitgestellt oder durch die Wicklung selbst und das spätere Aushärten erzeugt werden.
-
Ein erfindungsgemäßer Flettnerrotor weist eine Rotorwelle und eine konzentrisch zur Rotorwelle angeordnete und über Verbindungsmittel mit der Rotorwelle verbundene Flettnerrotorkomponente auf, wie sie oben beschrieben ist.
-
Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass der Grundkörper eine Mehrzahl über Flansche miteinander verbundene Zylinderabschnitte umfasst. Die mehrteilige Ausgestaltung weist auch den Vorteil auf, dass im Bereich der Verbindungen der Zylinderkörper auch die Anbindung der Zylinderkörper an die Rotorwelle realisiert werden kann. So ist nach einer vorteilhaften Ausführungsform vorgesehen, dass die Verbindungsmittel im Bereich eines Flansches mit der Flettnerrotorkomponente verbunden sind.
-
Die oben beschriebene Flettnerrotorkomponente kann durch ein Verfahren hergestellt werden, bei welchem nacheinander folgende Schritte durchgeführt werden:
- a) Bereitstellen eines zylindrischen, insbesondere kreiszylindrischen, Wickelkerns, dessen Außendurchmesser im Wesentlichen dem Innendurchmesser der herzustellenden Flettnerrotorkomponente entspricht;
- b) Bewickeln des Wickelkerns mit einem Materialstrang aus faserverstärktem, insbesondere glasfaserverstärktem, Kunststoffmaterial, wobei der Materialstrang vor oder bei der Zuführung des Materialstrangs zum Wickelkern mit einem aushärtbaren Material, insbesondere einem Harzmaterial, getränkt wird;
- c) Aushärten des aushärtbaren Materials, um den auf den Wickelkern gewickelten Materialstrang auf dem Wickelkern zu verfestigen;
- d) Entfernen des Wickelkerns.
-
Durch das beschriebene Verfahren wird eine selbsttragende Flettnerrotorkomponente hergestellt, die keine weiteren Stützkomponenten auf der Innenseite benötigt. Es müssen lediglich Verbindungen angebracht werden, um die Flettnerrotorkomponente, die im Wesentlichen einem Hohlzylinder entspricht, an eine mit dem Hohlzylinder konzentrische Rotorwelle anzubringen. Dazu können die Verbindungsmittel so angebracht werden, wie dies oben beschrieben ist.
-
Beim Bewickeln kann wenigstens ein Flansch, insbesondere ein Flansch aus faserverstärktem Kunststoffmaterial, mit dem aufgewickelten Materialstrang verbunden oder beim Wickeln durch den Wickelstrang ausgebildet werden. Besonders die Variante, bei welcher der Flansch letztlich aus dem Materialstrang selbst ausgebildet wird, kann die Zahl der erforderlichen Bauteile der erfindungsgemäße Flettnerrotorkomponente weiter reduzieren. Dabei wird bevorzugt der Wickelkern über den Kernrand in axialer Richtung hinaus bewickelt, sodass ein Teil des Materialstrangs über den Kernrand übersteht. Dieser kann dann vor dem eigentlichen Aushärtprozess um 90° gegen die Stirnseite des Kernmaterials umgekantet werden, sodass dadurch an der Stirnseite des Zylinderkörpers ein Flansch entsteht. Für Verschraubungen können nach dem Aushärten noch Bohrungen in der Flanschfläche vorgesehen werden.
-
Bevorzugt wird der Materialstrang vor dem Ablegen auf dem Wickelkern durch eine, insbesondere parallel zur Längsachse des Wickelkerns verschiebliche, Tränkwanne geführt, in der das aushärtbare Material vorgehalten wird. Auf diese Weise wird das aushärtbare Material erst kurz vor dem Ablegen des Materialstrangs an der Zielposition getränkt, sodass ein vorzeitiges Aushärten vermieden wird.
-
Bevorzugt wird der Wickelkern beim Bewickeln um seine Längsachse gedreht. Auf diese Weise lässt sich der Materialstrang besonders einfach auf dem Wickelkern ablegen. Die Zuführung des Materialstrangs zum Wickelkern kann daher einfach ausgebildet werden. Besonders bevorzugt ist dabei, dass die Zuführung des Wickelstrangs parallel zur Längsachse des Wickelkerns während des Bewickelns verschoben wird.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der 1 - 4 näher erläutert.
- 1 - zeigt thematisch den Wickelprozess zur Herstellung der erfindungsgemäßen Flettnerrotorkomponente,
- 2 - zeigt thematisch einen Flettnerrotor,
- 3 - zeigt einen Teilabschnitt eines erfindungsgemä-ßen Flettnerrotors in perspektivische Darstellung,
- 4 - zeigt ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Flettnerrotorkomponente, die aus mehreren Zylinderkörpern hergestellt ist.
-
2 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Flettnerrotors 1, der in diesem Fall aus einem senkrecht stehenden zylindrischen Grundkörper 2 besteht, der sich um die Zylinderachse A dreht; die Drehrichtung ist durch den Pfeil P4 angedeutet. Streicht Wind an dem Flettnerrotor 1 vorbei, so wird der Wind an der Seite, an der sich die Rotorwand mit dem Wind bewegt, beschleunigt, auf der gegenüberliegenden Seite, an der sich die Rotoroberfläche gegen die Windrichtung bewegt, verlangsamt. Strömungstechnisch entsteht auf der ersten Seite ein Unterdruck, auf der zweiten Seite ein Überdruck, was eine Vortriebskraft auf den Flettnerrotor 1 quer zur Windrichtung erzeugt.
-
Idealerweise ist ein Flettnerrotor 1 leicht, stabil und besitzt keine Unwucht, d.h. dass eine der stabilen Hauptträgheitsachsen des Flettnerrotors 1 mit der Rotationsachse A übereinstimmt. Da die Hauptmasse des Flettnerrotors 1 in der Wandung des Grundkörpers 2, der als Hohlzylinder ausgeführt ist, angeordnet ist, muss dessen Herstellung möglichst sorgfältig erfolgen. Eine hohe Stabilität verbunden mit einem geringen Gewicht wird am besten durch die Verwendung eines faserverstärkten Kunststoffs erreicht. Besonders geeignet ist dabei die Verwendung von glasfaserverstärktem Kunststoff. In der 1 ist ein erfindungsgemäßes Verfahren dargestellt. Es wird ein zylindrischer Wickelkern 4 bereitgestellt, dessen Außendurchmesser dem Innendurchmesser der herzustellenden Flettnerkomponente entspricht. Der Wickelkern 4 wird bei der Herstellung um seine Zylinderachse in Richtung P1 gedreht. Dabei wird er mit einem Materialstrang 3 aus faserverstärktem Kunststoffmaterial bewickelt. Diese Bewicklung kann auch durch einen einzelnen Faden, ein Gewebe oder Gelege erfolgen. Bei der Zuführung des Materialstrangs 3 zum Wickelkern 4 wird der Materialstrang 3 mit einem aushärtbaren Material getränkt. Bevorzugt ist das aushärtbare Material ein Harzmaterial. Hierzu wird der Materialstrang 3 durch eine Tränkwanne 5 geleitet, in der das aushärtbare Material vorgehalten wird. Dieses Tränken kann allerdings auch vor der eigentlichen Zuführung erfolgen. Um ein gleichmäßiges Bewickeln des Wickelkerns 4 zu erreichen, ist die Tränkwanne 5 parallel zu der Längsachse des Wickelkerns 4 verschieblich geführt P2, P3. Dabei wird der Materialstreifen 3 beim Bewickeln immer gleichförmig ausgerichtet dem Wickelkern 4 zugeführt, so dass eine gleichmäßige Bewicklung erzeugt wird. Nach dem Bewickeln härtet das aushärtbare Material des um den Wickelkern 4 gewickelten Materialstrangs 3 auf dem Wickelkern 4 aus und verfestigt sich. Ggf. kann zum Aushärten auch eine Wärmebehandlung erfolgen. Nach der Verfestigung wird der Wickelkern 4 entfernt. Durch eine derartige Herstellung ist es möglich, einen sehr gleichmäßig runden, selbsttragenden Hohlkörper zu erstellen.
-
3 zeigt einen Teilabschnitt eines erfindungsgemäßen Flettnerrotors 1. Dabei ist der Zylinderabschnitt 2a mittels Verbindungsmittel 61, 62, 63 an der Rotorwelle 6 angeordnet. Das geschieht dadurch, dass an dem Zylinderabschnitt 2a ein Flansch 20 angeordnet ist, an dem wiederum die Verbindungsmittel 61, 62, 63 angeordnet sind. Dabei kann der Flansch 20 auf verschiedene Art an dem Zylinderabschnitt 2a angeordnet werden. In dem gezeigten Beispiel ist der Flansch 20 einstückig mit dem Hohlzylinder erstellt, wie es das Schnittbild links in der 3 zeigt. Dies kann grundsätzlich auf verschiedene Arten erfolgen.
-
So kann zum Beispiel nach dem Wickeln von Hand ein Flansch an das Ende des Hohlkörpers 23 anlaminiert werden. Dies kann zum Beispiel dadurch geschehen, dass an der Stirnseite des Hohlkörpers 23 ein (zum Beispiel kragenförmiges) Hilfswerkzeug angesetzt und dann etwa durch Überlaminieren des Flanschmaterials von außen eine Schulter angeformt wird. Anschließend wird das Hilfswerkzeug entfernt und bevorzugt auch von innen eine weitere Lage laminiert, um den Flansch fertig zu stellen. Alternativ dazu kann der Flansch 20 zumindest an einem Ende während des Wickelns mit dem Hohlkörper 23 verbunden werden. Auch ein nachträgliches Anbringen des Flansches, insbesondere eines Flanschringes aus beliebigem Material ist denkbar.
-
Durch die Einstückigkeit kann eine hohe Genauigkeit erzielt werden, weil unvermeidliche Toleranzen beim Zusammenbau mehrerer Teile nicht oder jedenfalls weniger stark zum Tragen kommen. Allerdings ist es auch möglich, einen vorgefertigten Flansch 20 beim Bewickeln des Hohlkörpers 2 mit zu verbinden oder den Flansch 20 später mit einzubinden.
-
Nach dem Aushärten des Zylinderabschnitts 2a, 2b, 2c können die Löcher 22 in den Flansch gebohrt werden. Dabei dienen die Löcher 22 zum einen der Befestigung der Verbindungsmittel 61, 62, 63, zum anderen können die Löcher so gesetzt werden, dass sie kleinere Unwuchten ausgleichen.
-
Von großem Vorteil ist bei einem derartigen Flettnerrotor 1, dass die Zylinderabschnitte aus möglichst einem Stück bestehen, da die Ungenauigkeiten, wie beispielsweise Spiel und Toleranzen, beim Zusammenbau zu zusätzlichen Unwuchten führen können. Auf der anderen Seite müssen die Flettnerrotoren 1 nach der Erstellung zum Einsatzort transportiert werden, so dass möglichst kleine kompakte Einheiten erstellt werden. Als ein Kompromiss zwischen den beiden Anforderungen hat sich, wie in der 4 dargestellt, eine Segmentierung des Grundkörpers 2 in mehrere Zylinderabschnitte 2a, 2b, 2c erwiesen. Dabei sind die einzelnen Zylinderabschnitte 2a, 2b, 2c für sich weitgehend unwuchtfrei, so dass bei dem Zusammenbau in dem Zusammenhang nur geringe Korrekturen notwendig werden. Aus mehreren gleichen Zylinderabschnitten 2a, 2b, 2c können so verschieden lange Flettnerrotoren 2 mit gleichem Durchmesser angeboten werden, was den Herstellungsprozess vereinfacht, da für jeden Durchmesser in der Regel ein einziger Wickelkern 4 genügt.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
