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Wellenanordnunq und Verfahren zur Herstellung einer Wellenanordnunq sowie
Verbindunqselement als Vorprodukt
Anwendungsgebiet und Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Wellenanordnung zum Übertragen von Drehmomenten sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Wellenanordnung und ein Verbindungselement als Vorprodukt für die Herstellung einer Wellenanordnung. Besonders bevorzugt wird eine solche Wellenanordnung bei Windkraftanlagen eingesetzt um eine Rotornabe mit einem Generator zu verbinden.
Bei dem vorgenannten Verwendungszweck werden an die Wellenanordnung sehr hohe Anforderungen gestellt. Einerseits sind die zu übertragenden Drehmomente sehr groß angesichts von Windkraftanlagen mit immer größeren Rotordurchmessern. Gleichzeitig sollte eine Wellenanordnung möglichst haltbar sein bzw. der Wartungsaufwand für die Wellenanordnung sowie ihre Lagerung und dergleichen möglichst gering sein, da bei Windkraftanlagen die Wartung naturgemäß sehr aufwendig ist. Da immer mehr Windkraftanlagen in küstennahen Meeresgebieten installiert werden, wird deren Wartung nochmals erheblich schwieriger.
Aufgabe und Lösung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine eingangs genannte Wellenanordnung sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung zu schaffen, mit der Probleme des Standes der Technik gelöst werden können und insbesondere sehr stabile und im Dauereinsatz robuste Wellenanordnung geschaffen werden kann, die einerseits hohe Drehmomente übertragen kann und andererseits insbesondere zum Auffangen von Drehmomentspitzen eine gewisse Verdrehbarkeit bzw. Torsionsfähigkeit aufweist.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Wellenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung mit den Merkmalen des Anspruchs 15 oder 17 und ein Verbindungselement als Vorprodukt für die Herstel-
- - lung einer Wellenanordnung mit einem solchen Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 23. Vorteilhafte sowie bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Ansprüche und werden im folgenden näher erläutert. Dabei werden manche der Merkmale nur für die Wellenanordnung oder nur für eines der Verfahren zu ihrer Herstellung oder das Verbindungselement als Vorprodukt beschrieben. Sie sollen jedoch unabhängig davon sowohl für die Wellenanordnung als auch für das Herstellungsverfahren gelten können. Der Wortlaut der Ansprüche wird durch ausdrückliche Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
Es ist vorgesehen, dass an beiden Enden der Wellenanordnung Verbindungselemente vorgesehen sind. Mit diesen kann eine mechanische Ankopplung bzw. Verbindung nach außen erfolgen, und zwar bei einer Windkraf tan läge einerseits zur Nabe des Rotors und andererseits zum Generator.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Verbindungselemente jeweils von Endbereichen eines mittleren verbindenden Wellenrohrs überlappt werden. Dieses Wellenrohr besteht aus einem Faserverbundwerkstoff mit einer Vielzahl von Faserbündeln, die mit einem Harz odgl. auf bekannte Art und Weise verklebt worden sind. Dabei weisen die Verbindungselemente im vom Wellenrohr überlappten Bereich eine Vielzahl von abstehenden Haltestiften auf. Die Faserbündel sind um diese Haltestifte bzw. zwischen diese Haltestifte gelegt bzw. verlaufen entsprechend. Dadurch kann eine sehr gute mechanische Ankopplung des Wellenrohrs aus Faserverbundwerkstoff an die Verbindungselemente erfolgen. Eine reine Klebung würde aufgrund der für die Übertragung von sehr hohen Drehmomenten nicht ausreichenden Festigkeit nicht genügen. Ein nachträgliches Durchbohren eines Wellenrohrs aus Faserverbundwerkstoff zum Verschrauben bzw. sichereren Verbinden mit dem Verbindungselement würde eine Vielzahl von Faserbündeln durchtrennt und somit eine signifikante Schwächung des Wellenrohrs gerade in dem Verbindungsbereich bewirkt. Das Vorsehen der Vielzahl von Haltestiften, an die sehr viele bzw. vorteilhaft nahezu alle Faserbündel direkt oder indirekt über zwischenliegende Faserbündel angebunden sind, weist den großen Vorteil auf, dass über die gesamte Dicke des Wellenrohrs im Verbindungsbereich hinweg
- - eine stabile Verbindung geschaffen werden kann. Bei einer reinen Verklebung würden nur die untersten Schichten von Fasernbündeln, die mehr oder weniger direkt mit dem Verbindungselement verklebt sind, die Kräfte halten, während die weiter außen liegenden Faserbündel nur durch die Verklebung mit den innenliegenden Faserbündeln Kraft aufnehmen und übertragen könnten.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind die Verbindungselemente rohrartig ausgebildet, insbesondere relativ kurz im Vergleich zur Gesamtlänge der Wellenanordnung.
In nochmals weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es möglich, dass mindestens ein Verbindungselement an seinem freien Ende eine flanschartige Erweiterung aufweist nach Art einer Scheibe. Diese kann dann mit größerem Durchmesser als bei der Wellenanordnung selbst entweder an eine Nabe oder einen Generator angekoppelt werden. Alternativ kann gerade zur Rotornabe hin eine weitere nochmals größere Scheibe angeschraubt bzw. vorgesehen sein, welche dann wiederum mit der Nabe verschraubt wird. Es ist auch möglich, dass beide Verbindungselemente eine flanschartige Erweitung aufweisen.
Zumindest im Überlappungsbereich von Verbindungselement und Wellenrohr kann mindestens auf einer Seite der Wellenanordnung ein konischer Verlauf vorgesehen sein bzw. sich das Wellenrohr zu seinem freien Ende hin konisch aufweiten. Das Verbindungselement kann eine entsprechende Konusform aufweisen mit entweder abnehmender Wandstärke in das konisch aufgeweitete Ende des Wellenrohrs hinein oder aber durch einen ebenfalls konischen Verlauf. Jedenfalls sollte es an seiner Außenseite im Verbindungsbereich entsprechend konisch sein. Durch diese Konizität kann erreicht werden, dass im Verbindungsbereich mit großen Durchmessern eine sehr gute und dauerhafte stabile Krafteinleitung von den Verbindungselementen in das Wellenrohr hinein erfolgt. Ein größerer Durchmesser bewirkt hier eine größere Verbindungsfläche für eine bessere Verbindung.
Des Weiteren kann so eine bessere Überleitung zu einem Mittelbereich mit geringerem Durchmesser erreicht werden. Durch diesen im Mittelbereich des Wellen-
- - rohrs vorgesehenen geringeren Durchmesser kann die Torsionssteifigkeit und auch die Biegesteifigkeit etwas verringert werden. Damit können zum einen Drehmomentspitzen ausgeglichen werden und zum anderen hinsichtlich der Biegesteifigkeit geringfügige Abweichungen der Flucht von Nabe und Generatorachse ausgeglichen werden ohne aufwendige und anfällige Kardangelenke oder sonstige Ausgleichsgelenke mit bewegten Teilen. Eine Außendurchmesserverrin- gerung des Wellenrohrs zwischen dem größten Bereichen an den Enden des Wellenrohrs und dem konstant bleibenden Mittelbereich kann mindestens 20% betragen, vorzugsweise 30% bis 40%. Dies bedeutet, dass das Wellenrohr im Mittelbereich deutlich schlanker ist als an den Enden.
Des Weiteren kann ein solcher Mittelbereich mindestens 50% der Länge des Wellenrohrs aufweisen, vorzugsweise 60% bis 80%. So kann die vorgenannte Verringerung der Torsionssteifigkeit sowie der Biegesteifigkeit besser erreicht werden.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind die Verbindungselemente, insbesondere auch das Wellenrohr, rotationssymmetrisch um eine Längsmittelachse. So kann eine gleichmäßige Stabilität sowie ein runder Lauf erreicht werden.
Die Haltestifte können grundsätzlich auf vielfältige Art und Weise befestigt bzw. erzeugt werden. Vorteilhaft werden sie in Bohrungen in den Verbindungselementen eingesteckt, insbesondere in den vorgeschriebenen konisch zulaufenden Bereichen von Verbindungselement und Wellenrohr. Dies erfolgt besonders vorteilhaft mit Presssitz, vorteilhaft indem die Haltestifte einen Presssitz mit beispielsweise 5μηπ bis 50μηπ aufweisen bzw. etwa 0,05% bis 0,2% des Durchmessers des Haltestifts. Ein solcher Presssitz weist gegenüber einem Verschrauben den Vorteil des leichteren Herstellens auf und ist ausreichend stabil, da hauptsächlich Scherkräfte auf die Haltestifte wirken und keine Auszugskräfte in ihrer Längsrichtung. Die alternative Möglichkeit des stumpfen Aufschweißens von Haltestiften wird bezüglich Wechselbelastungen hinsichtlich Torsion der Wellenanordnung als nachteilig angesehen. Die Haltestifte sind vorteilhaft zylindrisch und länglich und stehen einige Zentimeter über die Verbindungselemente über.
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Einerseits ist es möglich, die Haltestifte so an den Verbindungselementen zu befestigen, dass ihre Längsrichtung senkrecht zur Längsmittelachse des Wellenrohrs verläuft. Dann können insbesondere bei einer vorbeschriebenen Befestigung der Haltestifte durch Einpressen in einfache Bohrungen diese Bohrungen möglichst einfach hergestellt werden.
Andererseits ist es möglich, dass die Haltestifte rechtwinklig zur Oberfläche bzw. Außenseite oder Außenfläche der Verbindungselemente angeordnet sind bzw. verlaufen. Dann sind die Bohrungen, in die sie eingepresst sind, mit entsprechender Ausrichtung vorzusehen, was aber ebenfalls leicht möglich ist. Hier werden die Haltestifte dann durch die anliegenden Faserbündel und die von diesen ausgeübten Kräften genau senkrecht zu ihrer Längsrichtung beansprucht.
Vorteilhaft sind die Haltestifte gleichmäßig an dem Verbindungselement verteilt. Besonders vorteilhaft weisen sie jeweils gleich bleibende Abstände zueinander einerseits in Umfangsrichtung und andererseits in Längsrichtung des Wellenrohrs auf. Dies kann unter Umständen auch variiert werden, insbesondere um möglichst optimierte Verläufe der Faserbündel im Verbindungsbereich zu erreichen. Insbesondere kann ein Abstand in beiden Richtungen ähnlich groß sein.
In Längsrichtung der Wellenanordnung können die Haltestifte entlang von 4 bis 1 1 umlaufenden Kreisringen vorgesehen sein. Besonders vorteilhaft sind es sieben oder acht solcher Ringe. Ihr Abstand kann im Bereich der Dicke des Wellenrohrs im Verbindungsbereich liegen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung können in Umfangsrichtung um das Verbindungselement 10 bis 50 Haltestifte vorgesehen sein, vorteilhaft 25 bis 40. Bei einem vorgeschriebenen konisch ausgebildeten Verbindungselement kann die Zahl der Haltestifte mit geringerem Umfang abnehmen, was aber nicht so sein muss.
Ein weiterer gravierender Vorteil des Vorgehens der Haltestifte zur Befestigung der Faserbündel daran oder darum liegt darin, dass die Faserbündel bzw. ihre
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Enden vom freien Ende des Wellenrohrs her gesehen hinter mindestens einem Haltestift, an dem sie vorbeigeführt sind, eine Verlaufsänderung zum Haltestift hin durchmachen als Teilumschlingung. Vorteilhaft erfahren die Faserbündel hinter mehreren Haltestiften oder sogar jedem Haltestift eine Verlaufsänderung. Es kann sogar vorgesehen sein, dass sie derart aufgebracht sind, dass sie quasi im Bereich jedes Haltestifts, an dem sie vorbei kommen, eine solche Verlaufsänderung aufweisen. Eine Gesamtrichtung des Faserbündels kann schräg zur Längsmittelachse des Wellenrohrs sein, was beim Wickeln solcher Rohre ohnehin gilt und auch für den Verbindungsbereich vorteilhaft ist. Des Weiteren können so die vorbeschriebenen Umschlingungen der Haltestifte durch die Faserbündel besser erreicht werden.
Eine genannte Verlaufsänderung eines Faserbündels an einem Haltestift kann klein sein. Sie kann zwar auch bis zu 90° betragen, vorzugsweise weist sie jedoch einen Drehwinkel bzw. Bogenwinkel von 20° bis 60° auf, besonders vorteilhaft von 25° bis 45°. Somit wird einerseits durch die Teilumschlingung eine gute AbStützung der Faserbündel an den Haltestiften erreicht und somit eine gute Kraftübertragung. Anderseits werden die speziellen Kraftübertragungseigenschaften der Faserbündel noch gut berücksichtigt, die durch zu häufige und zu starke Richtungsänderungen eher verschlechtert werden.
In einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass ein Faserbündel bei jeder Verlaufsänderung in die gleiche Richtung bzw. mit gleichem Drehsinn um einen Haltestift herum verläuft bzw. diesen umschlingt. Damit ein Faserbündel in der Gesamtrichtung dann nicht zu stark von einer günstigen Verlaufsrichtung abweicht können die vorgeschriebenen Winkel der Umschlingung eher an der genannten unteren Grenze oder sogar noch darunter liegen. In alternativer Ausgestaltung der Erfindung weisen die Verlaufsänderungen pro Faserbündel im wesentlichen jedes Mal einen anderen Drehsinn auf. Dies bedeutet, dass die Faserbündel zwar nicht bei jedem Haltestift ihren Verlauf ändern müssen, aber zumindest bei einigen oder den meisten Haltestiften. Letztlich wird aber die gesamte Richtung der Faserbündel weniger stark verändert für eine möglichst hohe Stabilität des Faserverbundwerkstoffs an sich sowie der Verbindung mit
- - dem Verbindungselement. Es können auch gemischte Verläufe mit unterschiedlichem Drehsinn vorgesehen sein so dass pro Haltestift die Faserbündel mal im einen Drehsinn und mal im anderen Drehsinn umlaufen. Diese Faserbündel können auch jeweils genau entgegengesetzt schräg zur Längsmittelachse der Wellenanordnung verlaufen, was sowohl für die Stabilitätseigenschaften des Wellenrohrs von Vorteil ist als auch eine resultierende Krafteinwirkung auf die Haltestifte in etwa in Längsrichtung der Wellenanordnung bewirkt.
In bevorzugter Ausbildung der Erfindung bleibt die Dicke der von den Fasern gebildeten Schicht, welche auf das Verbindungselement überlappen, unterhalb der Länge der Haltestifte. Dann können die Haltestifte die Schicht aus Faserbündeln bzw. die Endbereiche des Wellenrohrs ein kleines Stück überragen. So kann sichergestellt werden, dass auch die obersten Faserbündel sozusagen nicht von den Haltestiften abrutschen. Hier kann in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass eine Deckschicht als eine Art Manschette oberhalb der Haltestifte verläuft, vorteilhaft umlaufend. So wird eben verhindert, dass Faserbündel von den Haltestiften abrutschen, beispielsweise weil sie sich leicht lockern. Eine solche Manschette kann vorteilhaft wiederum aus einem Faserverbundwerkstoff bestehen und in Umfangsrichtung aufgewickelt sein. Alternativ kann sie auch aus Metall bestehen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es möglich, wie vorbeschrieben, dass an mindestens einem freien Ende bzw. flanschartigen Ende eines Verbindungselementes eine nochmals größere Flanschscheibe angebracht ist. Diese Verbindung kann vorteilhaft verschraubt werden, da dann höhere Festigkeitsanforderungen erfüllt werden als beim Verschweißen. Durch eine solche Flanschscheibe kann eine Anbindung an beispielsweise Rotornaben von Windkraftanlagen erfolgen, welche diese Durchmesser eben einfach benötigen. Gleichzeitig kann auch der Durchmesser der Wellenanordnung an sich gering gehalten werden, was deren Montage bei einer fertigen Windkraftanlage, die üblicherweise in großer Höhe erfolgt, erheblich erleichtert.
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Beim Herstellungsverfahren werden also die Faserbündel, welche das Wellenrohr ergeben, direkt auf die Verbindungselemente mit den Haltestiften aufgewickelt bzw. zwischen die Haltestifte eingelegt. Es wird also nicht das Wellenrohr separat von den Verbindungsbereichen hergestellt und diese Teile dann miteinander verbunden. So kann ein maximal fester Verbund zwischen Verbindungselementen und Wellenrohr geschaffen werden. Durch die spezielle Formgebung des Wellenrohrs mit dem vorbeschriebenen dünneren Mittelbereich können die vorbeschriebenen gewünschten Torsionseigenschaften und Biegeeigenschaften erreicht werden.
Das Einbringen der Faserbündel zwischen die Haltestifte ist zwar nicht ganz trivial, aber mit modernen Wickelmaschinen gut möglich. Des Weiteren sollte eine in Umfangsrichtung gleichmäßig vorliegende Wickelart bzw. Verlegung der Faserbündel vorgenommen werden, um eine möglichst gleichmäßige und stabile Wellenanordnung zu schaffen.
Neben dem vorbeschriebenen Verfahren zum Aufbringen der Faserbündel in oder zwischen die Haltestifte ist es in einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung möglich, vereinfacht ausgedrückt, zuerst die Faserbündel als Belag auf die Verbindungselemente aufzubringen und danach erst die Haltestifte zwischen die Faserbündel und in die Verbindungselemente hineinzubringen. Dabei werden zuerst die Faserbündel auf das Verbindungselement aufgebracht werden, auch auf dessen aufgeweitete Endbereichen, beispielsweise mit einer Hilfskonstruktion zum Aufwickeln. In einem späteren oder nachfolgenden Schritt werden die Haltestifte durch die Faserbündel geführt bzw. gedrückt und dabei die Fasern des Faserbündels verdrängt. Vorzugsweise erfolgt dies bei noch vollständig feuchten Fasern. Die Haltestifte sind anschließend in Bohrungen in dem aufgeweiteten Verbindungselement befestigt und durchdringen im Wesentlichen, insbesondere vollständig, auch die Faserbündel. Dabei können die Faserbündel noch stärker verdichtet werden für eine höhere Festigkeit. Vor allem aber kann das Aufwickeln der Faserbündel erheblich vereinfacht werden und dabei auch gleichmäßiger und fester erfolgen.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung werden die Bohrungen für die Haltestifte in das Verbindungselement vor dem Aufwickeln der Faserbündel eingebracht, vorzugsweise durch Bohren von außen nach innen.
Des weiteren ist es möglich, dass die Haltestifte grundsätzlich von innen nach außen durch die Bohrungen in die auf das Verbindungselement aufgebrachten Faserbündel eingebracht bzw. hineingedrückt werden. Um dies zu erleichtern können die Haltestifte vorteilhaft nach außen hin verjüngt bzw. zugespitzt sein, insbesondere mit abnehmbaren Verjüngungen bzw. Spitzen, beispielsweise mittels Gewinde. So können die Spitzen nach dem Eindrücken der Haltestifte entfernt werden und, wie zuvor beschrieben, die Haltestifte abgedeckt werden.
Vorteilhaft sind die Haltestifte vor dem Aufbringen der Faserbündel bereits in den Bohrungen angeordnet ohne dabei über die Außenfläche bzw. Außenseite des Verbindungselements überzustehen. Dazu sind sie zuvor vorzugsweise von innen in die Bohrungen eingebracht worden. Insbesondere sollten die Haltestifte dabei bis kurz vor die Außenfläche des Verbindungselements heranreichen, also nicht überstehen. Nach dem Aufbringen der Faserbündel werden die Haltestifte dann von innen nach außen in die Faserbündel hineingedrückt.
Weiters ist es möglich, die Haltestifte in die auf das Verbindungselement aufgebrachten Faserbündel von außen nach innen einzubringen bzw. einzudrücken unter seitlicher Verdrängung der Faserbündel. Dabei sind die Bohrungen vorzugsweise vor dem Aufbringen der Faserbündel in das Verbindungselement eingebracht worden. Ihre Position ist somit bekannt. Nach dem Aufwickeln werden dann die Haltestifte von außen nach innen durch die Faserbündel in die Bohrungen mit Presssitz eingedrückt. Vorteilhaft können dabei die Haltestifte an den nach innen weisenden Bereichen verjüngt bzw. angespitzt sein.
Sind die Bohrungen in dem Verbindungselement noch nicht vor dem Aufwickeln erzeugt worden, so können von außen zuerst die Fasern bzw. Faserbündel seitlich verdrängt werden um einen Zugangskanal zum Verbindungselement zu schaffen, beispielsweise mittels eines Rohrs. Dann wird durch diesen Zugangs-
- - kanal hindurch das Verbindungselement angebohrt, und anschließend wird durch den Zusatzkanal ein Haltestift in die so erzeugte Bohrung im Verbindungselement von außen nach innen mit Presssitz eingesteckt. Die Methode des vorherigen Bohrens wird aber bevorzugt.
Des weiteren kann zumindest im Bereich der Haltestifte eine Abdeckung der freien Haltestiftenden erfolgt, vorzugsweise durch eine weitere Schicht von aufgebrachten Faserbündeln. Dies ist bei jeder der hier beschriebenen Varianten von Ausführungen möglich.
Ein Verbindungselement als Vorprodukt für die Herstellung einer Wellenanordnung mit einem vorbeschriebenen zweiten Verfahren ist hohl bzw. weist einen Innenraum mit einer Innenfläche sowie eine Vielzahl von Bohrungen auf, in welche Haltestifte von innen eingedrückt sind. Die Haltestifte stehen nicht über die Außenfläche des Verbindungselements über und sind insbesondere in ihren Endbereichen verjüngt bzw. zugespitzt ausgebildet. Vorzugsweise stehen die Haltestifte nach innen über die Innenfläche des Verbindungselements über, insbesondere mit mehr als der Hälfte ihrer Länge oder sogar mehr als 75%, also deutlich.
Diese und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombination bei einer Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird. Die Unterteilung der Anmeldung in einzelne Abschnitte sowie Zwischen-Überschriften beschränken die unter diesen gemachten Aussagen nicht in ihrer Allgemeingültigkeit.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
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Eine einfache Schnittdarstellung durch eine Windkraftanlage mit Wellenanordnung zwischen Rotornabe und Generator, eine Wellenanordnung entsprechend Fig. 1 vergrößert in Schnittdarstellung,
die Wellenanordnung entsprechend Fig. 2 in Schrägdarstellung, eine Vergrößerung eines linken Verbindungselements mit konischer Verjüngung und Bohrungen darin,
eine vergrößerte Darstellung des linken Bereichs der Wellenanordnung aus Fig. 2,
verschiedene Wicklungsverläufe der Faserbündel des Wellenrohrs um Haltestifte in den Bohrungen am Verbindungselement, einen Schnitt durch zwei Verbindungselemente zum Aufbringen von Fasernbündeln zum Herstellen einer Wellenanordnung gemäß eines alternativen Verfahrens,
eine starke Vergrößerung des rechten Bereichs der Anordnung aus Fig. 12 mit aufgebrachten Faserbündeln als Belag und teilweise durchgedrückten Haltestiften und
eine Schrägansicht eines Haltestifts mit abschraubbarer Spitze.
Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In Fig. 1 ist im Seitenschnitt sehr vereinfacht eine Windkraftanlage 1 1 dargestellt. Eine Rotornabe 12 ist wie üblich am vorderen Ende einer Gondel 13 gelagert, welche auch noch einen Generator 14 enthält. Rotornabe 12 und Generator 14 sind über eine Wellenanordnung 1 6 drehfest miteinander verbunden, wobei keinerlei Gelenke oder sonstige Ausgleichseinrichtungen vorteilhaft vorgesehen sind.
Die erfindungsgemäße Wellenanordnung 1 6 ist in den Fig. 2 im Seitenschnitt und Fig. 3 in Schrägansicht vergrößert dargestellt und weist ein Wellenrohr 17 auf, welches über einen Großteil seiner Länge von einem Mittelbereich 18 mit konstanter Bandstärke und konstanter Dicke gebildet wird. Das Wellenrohr 17 geht nach links über einen linken Übergangsbereich 19a in eine linke konische Aufweitung 21 a über. Am rechten Ende ist eine spiegelsymmetrisch gleiche Ausbildung
- - vorgesehen mit einem rechten Übergangsbereich 19b und einer rechten konischen Aufweitung 21 b. Das Wellenrohr 17 besteht aus einem Faserverbundwerkstoff, wie er dem Fachmann allgemein bekannt ist, also auf Faserbündeln und einem Matrixmaterial bzw. Epoxydharz odgl..
Zusammen mit den Fig. 4 und 5 werden im folgenden die Verbindungselemente 24a und 24b näher erläutert. Das in Fig. 4 und 5 auch vergrößert dargestellte linke Verbindungselement 24a weist einen geraden Rohrabschnitt 25a auf, der nach rechts, also zum Wellenrohr 17 hin, eine linke konische Verjüngung 26a aufweist. Der Winkel der konischen Verjüngung 26a beträgt etwa 10°. Des Weiteren nimmt die Wandstärke des Verbindungselements 24a hier zum rechten freien Ende hin ab, was jedoch nicht so sein muss. In der konischen Verjüngung 26a befinden sich die eingangs beschriebenen Bohrungen 27a. Sie sind in Umfangsrichtung entlang von sieben Kreisringen angeordnet mit jeweils gleichem Abstand zueinander. Ebenso verlaufen sie in Richtung der Längsmittelachse L der Wellenanordnung 1 6 parallel dazu und weisen auch hier den gleichen Abstand zueinander auf. Die Bohrungen 27a sind senkrecht zur Längsmittelachse L gebohrt, also in einem Winkel von 80° zur Außenfläche der konischen Verjüngung 26a. Dies muss jedoch nicht so sein, sie können auch rechtwinklig in die Außenfläche hineingebohrt sein und dann in einem Winkel von 80° zu Längsmittelachse L stehen. In Umfangsrichtung sind 34 Bohrungen an der konischen Verjüngung 26a vorgesehen.
Nach links geht der Rohrabschnitt 25a in einen linken Flansch 28a über, wobei er hier immer noch ein einziges Teil ist. An dem linken Flansch 28a ist dann über eine Vielzahl von Schrauben, was aus Fig. 3 zu ersehen ist, eine große Flanschscheibe 30 befestigt. Diese wiederum wird an äußeren Bohrungen mit der Rotornabe 12 oder einer sonstigen Anordnung verschraubt. Über den sehr großen Durchmesser der Flanschscheibe 30, der in der Praxis bis zu 2 Meter oder sogar noch mehr betragen kann, ist eine sehr gute drehfeste Anbindung der Wellenanordnung 1 6 möglich. Der Durchmesser des Rohabschnitts 25 kann dann etwa 75cm betragen und die Verjüngung 26a am dünnen Ende nur noch etwas über 50cm. Die gesamte Wellenanordnung kann einige Meter lang sein, beispielsweise
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7m bis 10m. Das Wellenrohr 17 selbst kann dabei beispielsweise etwa 8m lang sein mit einem Mittelbereich 18 von knapp 6m und einem Innendurchmesser von 40cm bei einer Wandstärke von mehreren cm, beispielsweise 5cm bis 15cm. Die Wandstärke des Wellenrohrs 17 nimmt in den konischen Aufweitungen 21 nach außen hin etwas ab, was ja auch selbstverständlich ist aufgrund des dort erweiterten Durchmessers. Die Bohrungen 27 können einen Durchmesser von 1 cm bis 2cm aufweisen. Aus Fig. 5 ist auch gut zu ersehen, dass bei allgemein möglicher konstanter Dicke der konischen Verjüngung 26a die dort vorgesehenen Bohrungen 27a überall gleiche Länge hätten.
Aus der Vergrößerung in Fig. 5 ist zu ersehen, wie in die Bohrungen 27a zylindrische Lange Haltestifte 32a eingesetzt sind mit Presssitz bzw. eingeschlagen sind. Die Haltestifte 32a sollten aus festem Stahl sein. Entsprechend dem vorgenannten Durchmesser der Bohrungen 27a kann ihr Durchmesser bei 1 cm bis 2cm liegen und ihre Länge bei 8cm bis 12cm.
Wenn das gesamte Verbindungselement 24 mit den Haltestiften 32a versehen ist, liegt eine Anordnung ähnlich einem Igel vor. Dann wird das Wellenrohr 17 aufgebaut, indem die dafür vorgesehenen Faserbündel in bzw. zwischen die Haltestifte 32 eingebracht werden und so eine Schicht erzeugen, die dann letztlich die konische Aufweitung 21 a ergibt. Auch das Aufbringen des Matrixmaterials dabei ist für den Fachmann kein Problem.
Aus Fig. 5 ist deutlich zu erkenne, dass die oberen Enden der Haltestifte 32a noch ein Stück über die linke konische Aufweitung 21 a bzw. über den Faserverbundwerkstoff überstehen, und zwar jeweils gleich viel. Dadurch soll verhindert werden, dass die Faserbündel während des Aufwickeins sowie auch nachher über die Haltestifte 32a rutschen bzw. an diesen vorbeirutschen können. Als zusätzliche Sicherung ist eine manschettenartige Abdeckung 34a vorgesehen, die die Enden der Haltestifte 32a überdeckt. Die Abdeckung 34a kann ein entsprechend konisch geformter Metallring sein, alternativ ist sie ebenfalls aus einem Faserverbundwerkstoff ausgebildet und fest auf die Außenseite der konischen Auf-
- - weitung 21 a gewickelt. So kann in diesem Bereich ein Ablösen des Faserverbundwerkstoffs des Wellenrohrs 17 vermieden werden.
Der Aufbau der Verbindungselemente ist identisch bis auf den rechts etwas kleineren Flansch 28b.
Verschiedene Wicklungsarten für die Faserbündel 22 auf die Haltestifte 32, die hier nur durch ihre Bohrungen 27 repräsentiert werden, am Verbindungselement 24 bzw. der konischen Verjüngung 26 sind in den Fig. 6 bis 1 1 dargestellt. In Fig. 6 oben sind mehrere Faserbündel 22 von den äußersten Haltestiften 32 links zum Wellenrohr 17 hin so gewickelt, dass sie schräg versetzt zum rechts daneben und eins darunter liegenden Haltestift gehen, dann wieder zum rechts daneben und eins darüber liegenden Haltestift usw.. Des Weiteren sind die Faserbündel 22 quasi von rechts kommend durch die Haltestifte 32 bis ganz nach links und dann wieder nach rechts gehend endlos durchgeführt, weisen also keine freien Enden auf. Des Weiteren ist hier auch noch eine jeweils spiegelsymmetrische Wicklung der Faserbündel 22 nach dem vorgenannten Verlegermuster dargestellt, wodurch erreicht werden kann, dass die Belastung der Haltestifte 32 quasi als Resultierende nur noch nach rechts entlang der Längsmittelachse L verläuft.
In Fig. 6 unten ist ein Wicklungsmuster für die Faserbündel 22 dargestellt, bei welchem um jeden der Haltestifte 32 eine Umlenkung des Faserbündels erfolgt. Während der Umschlingungswinkel in der oberen Darstellung noch etwa 90° beträgt, beträgt er bei der unteren nur noch etwa 20°.
In Fig. 7 ganz oben ist ein Wicklungsmuster dargestellt, bei dem von einem Haltestift 32 ausgehend zwei nach rechts und eins nach oben oder unten gegangen wird mit dem Faserbündel 22, und das wieder insgesamt spiegelsymmetrisch mit zwei Faserbündeln 22. In Fig. 7 in der Mitte ist ein Wicklungsmuster dargestellt, bei dem dies mit zwei Faserbündeln 22 parallel so gemacht wird. Hier betragen die Umschlingungswinkel etwa 50° bis 60°.
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In Fig. 7 ganz unten ist mit einem einzelnen Faserbündel 22 ein Wicklungsmuster dargestellt, welches von einem Haltestift 32 einen nach rechts und einen nach oben geht. Von diesem ausgehend wird zwei Haltestifte nach rechts und einen nach unten gegangen, usw..
Bei den in den Fig. 6 und 7 dargestellten Wicklungsmustern kommen die Faserbündel 22 zwar schräg weg von der konischen Verjüngung 26 bzw. den Haltestiften 32, verlaufen aber insgesamt entlang einer quasi gemittelten Richtung parallel zur Längsmittelachse L.
Bei dem Wicklungsmuster gemäß Fig. 8 oben ist leicht zu erkennen, dass hier von einem Haltestift 32 ganz links ausgehend zwei Haltestifte nach rechts und dann einen nach unten gegangen wird. Dann wird einen Haltestift nach rechts, dann zwei Haltestifte nach rechts und zwei nach unten und dann wieder nur einen nach rechts gegangen. Hier nimmt also der Umschlingungswinkel zu.
Bei dem Wicklungsmuster in Fig. 8 unten wird von einem linken Haltestift 32 ausgehend einen Haltestift nach rechts und einen nach unten gegangen, dann einen Haltestift nach rechts, dann wieder einen nach rechts und nach unten usw.. Hier ergibt sich bei beiden Wicklungsmustern gemäß Fig. 8 ein gemittelter schräger Verlauf. Des Weiteren ist beim unteren Wicklungsmuster an jedem Haltestift 32, den das Faserbündel 22 passiert, eine Umschlingung vorgesehen. Sie wechselt aber an jedem Haltestift 32 ihren Drehsinn.
In Fig. 9 ist ein Wicklungsmuster für die Faserbündel 22 dargestellt, bei welchem sich der Drehsinn der Umschlingung vom ganz linken Haltestift ausgehend nicht ändert. Allerdings liegt pro Haltestift 32 nur eine relativ geringe Umschlingung von 20° bis 30° vor.
In Fig. 10 ist ein Wicklungsmuster für die Faserbündel 22 dargestellt, bei welchem sich häufiger der Umschlingungssinn ändert. Des Weiteren nehmen die Umschlingungswinkel von links nach recht ab bzw. werden geringer.
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In Fig. 1 1 ist ein weiteres Wicklungsmuster dargestellt, bei dem die Faserbündel nach links mit offenen Enden weisen. Des Weiteren ist in Fig. 1 1 oben ein Wicklungsmuster dargestellt, bei welchem ähnlich wie in Fig.8 unten abhängig vom Umschlingungssinn der Umschlingungswinkel veränderlich ist. In Fig. 1 1 unten ist ein Muster wie in Fig. 6 dargestellt, allerdings wiederum mit nach links offenen Faserbündeln 22.
Aus den zahlreichen möglichen Wicklungsmustern der Fig. 6 bis 1 1 ist zu ersehen, dass hier auf vielfältiger Art und Weise und sehr vorteilhaft der Faserverbundwerkstoff mit den Faserbündeln 22 des Wellenrohrs 17 an die Verbindungselemente 24 bzw. deren konische Abschnitte 26 angebunden werden kann. Es können ganz allgemein auch verschiedene Wicklungsmuster kombiniert werden, insbesondere in Schichten bzw. Lagen übereinander abwechseln.
Während die Haltestifte 32 mit den verschiedenen Wicklungsmustern den Sinn haben, eine möglichst gute, dauerhafte und drehmomentstabile Anbindung des Faserverbundswerkstoffs des Wellenrohrs 17 an das Verbindungselement 24 zu erreichen, sind die konischen Verläufe dazu vorgesehen, dass das Wellenrohr 17 im Mittelbereich 18 den vorgenannten deutlich verringerten Durchmesser aufweist. Der konische Verlauf schafft einen guten Übergang zwischen den Bereichen unterschiedlicher Durchmesser. Zwar steigt dadurch die Wandstärke etwas an. Allerdings ist der geringere Durchmesser entscheidend positiv für eine etwas geringere Biegesteifigkeit der Wellenanordnung 1 6 im Mittelbereich 18 sowie ein etwas verringerte Torsionssteifigkeit. So können neben möglicherweise dauerhafter Abweichung von der Flucht der Verbindungselemente 24 zueinander plötzlich auftretende Drehmomentspitzen zwischen Rotornabe 12 und Generator 14 etwas aufgefangen werden. Dadurch wird die Lebensdauer der Teile erheblich vergrößert und sehr störender Wartungsaufwand verringert.
In der Fig. 12 ist gemäß dem alternativen zweiten Herstellungsverfahren, bei dem die Faserbündel auf die Verbindungselemente 124a für den Rotor und 124b für den Generator aufgebracht werden noch bevor die Haltestifte vorstehen, also nicht in bzw. zwischen die Haltestifte aufgebracht werden. Dazu sind die beiden
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Verbindungselemente 124a und 124b vorgesehen, welche jeweils gleichartig ausgebildete konischen Verjüngungen 126a und 126b sowie unterschiedlich ausgebildete, daran anschließende Rohrabschnitte 125a und 125b aufweisen. Sie sind grundsätzlich ähnlich wie diejenigen der vorherigen Figuren ausgebildet. Diese Rohrabschnitte sind jedoch nicht von Interesse.
In den konischen Verjüngungen 126a und 126b sind die Bohrungen 127a und 127b vorgesehen, wie im Prinzip auch schon zu dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben, siehe dort insbesondere auch die Fig 4. Anders als in dem ersten Ausführungsbeispiel ist hier zusätzlich auch noch vorgesehen, dass die Wandstärke im Bereich der konischen Verjüngengen 126a und 126b deutlich weniger stark abnimmt. Dies soll aber nur die grundsätzlichen Variationsmöglichkeiten veranschaulichen. Der Vorteil der Wandstärkenvariation bei der konischen Verjüngung 126a und 126b liegt darin, dass so die ganz außen an den Enden liegenden Haltestifte 132, welche am stärksten belastet sind, etwas entlastet werden, da die Haltestifte nach innen zu aufgrund der etwas dünneren Wandstärke etwas mehr nachgeben können. Die Gesamtdicke des Belags aus Faserbündeln und der Wandstärke des Verbindungselements kann allgemein in etwa konstant bleiben in Längsrichtung. Der Belag kann seine Dicke von außen nach innen beispielsweise um 20% bis 40% vergößern.
Haltestifte für die Faserbündel sind in der Fig. 12 noch nicht dargestellt, sollen aber grundsätzlich schon in den Bohrungen 127a und 127b vorhanden sein. Dies wird zu dem vergrößerten Ausschnitt aus Figur 13 noch näher erläutert.
Des Weiteren ist in der Figur 12 zu erkennen, dass jeweils außenseitig an den konischen Verjüngungen 126a und 126b sogenannte Hilfswickelsterne 136a und 136b vorgesehen sind. Diese sind dem Fachmann an sich bekannt und weisen eine Menge von abstehenden Zacken oder Stiften auf, ähnlich dem äußersten Ring von Haltestiften in der Fig. 5 ganz links. Diese Hilfswickelsterne 136a und 136b dienen dazu, die Faserbündel gemäß dem zuvor beschriebenen Verfahren aufzuwickeln bzw. sie dienen als Umkehrpunkte, da ja noch keine Haltestifte aus den Verbindungselementen 124a und 124b herausstehen, auf die die Wicklung
- - vorgenommen werden könnte. Die Wickelwinkel können dabei variieren, wobei vorteilhaft Wickelwinkel von etwa +-45° dominieren können.
Im Inneren der Verbindungselemente 124a und 124b sind auf herausnehmbaren zentralen Stützrohren 138a bzw. 138b Pressvorrichtungen 140a und 140b vorgesehen. Sie sind jeweils auf dem zentralen Stützrohr 138 in Längsrichtung und in Drehrichtung bewegbar. Sie werden zu der vergrößerten Darstellung gemäß Fig. 13 näher erläutert.
Nach innen zu weisen die Stützrohre 138a und 138b jeweils aufgesteckte Stützscheiben 141 a und 141 b auf, welche einen dünnen Stützkern 142 tragen, vorteilhaft als dünnes Metallrohr, der die Verbindungselemente 124a und 124b durchgehend verbindet. Er trägt auch Konusadapter 143a und 143b, die den Übergang von der geradlinigen Erstreckung im Mittelbereich der Wellenanordnung zu den konischen Verjüngungen 126a und 126b schaffen. Während am Schluss die Stützrohre 138a und 138b samt den Stützscheiben 141 und Pressvorrichtungen 140 entfernt werden, können der Stützkern 142 und die Konusadapter 143a und 143b darin verbleiben.
In der vergrößerten Darstellung des rechten Verbindungselements 124b gemäß der Fig. 13 für die Wellenanordnung 1 1 6 ist auch bereits das Wellenrohr 1 17 samt seiner rechten konischen Aufweitung 121 b dargestellt. Im Bereich der konischen Aufweitung 121 b bilden die hier im Einzelnen nicht dargestellten Faserbündel den vorgenannten Belag auf dem Verbindungselement 124b bzw. vor allem auf der konischen Verjüngung 126b. Im oberen Bereich ist in der Vergrößerung zu erkennen, wie in den Bohrungen 127b Haltestifte 132b eingebracht sind, allerdings von innen und nur so weit, dass sie nicht über die Außenfläche überstehen, diese also nicht durchbrechen.
Die Haltestifte 132b ragen also mit dem größten Teil ihrer Länge nach innen. In diesem Zustand des Verbindungselements 124b, welches so auch ein eigenständiges Teil und Bestandteil der beanspruchten Erfindung ist, insbesondere mit den bereits teilweise von innen eingedrückten Haltestiften, wird dann mittels des
- - rechts dargestellten Hilfswickelstern 136b der Belag mit den Faserbündeln für das Wellenrohr 1 17 und die konische Aufweitung 121 b hergestellt durch Aufwickeln, wie dies für den Fachmann an sich bekannt ist und wie es vorstehend grundsätzlich ja auch beschrieben ist.
Nach dem Aufwickeln der Faserbündel wird die auf dem zentralen Stützrohr 138b angeordnete Pressvorrichtung 140b in Betrieb genommen. Auf hier nicht näher dargestellte Art und Weise, vorteilhaft aber mittels eines pneumatisch, hydraulisch oder mechanisch betätigbaren Stößels, der jeweils genau radial innerhalb von den Haltestiften 132b platziert wird, werden diese langsam nach außen gedrückt durch die Bohrungen 127b hindurch. Dabei bohren sich diese Haltestifte 132b sozusagen durch den aufgebrachten Belag aus Faserbündeln, welche zur Seite gedrückt werden. Dafür sind zwar erhebliche Kräfte notwendig, diese können aber durch entsprechende Ausgestaltung der Pressvorrichtung 140b aufgebracht werden. Dieses Verdrängen der Faserbündel hat den weiteren Vorteil, dass sie hier sozusagen noch verdichtet werden und eine noch höhere Festigkeit erreicht werden kann. Der Faseranteil kann ganz allgemein bei mindestens 55% bis 70% liegen. Beim Eindrücken tritt möglicherweise etwas Harz bzw. Bindemittel an der Oberseite aus, welches jedoch problemlos entfernt werden kann. Selbstverständlich werden die Haltestifte 132b möglichst direkt nach dem Aufbringen der Faserbündel in diese hineingedrückt.
Im unteren Bereich der Fig. 13 ist zu erkennen, wie bis auf den ganz links dargestellten Haltestift alle sonstigen Haltestifte 132b bereits vollständig hinausgedrückt sind. Sie sitzen noch voll in den Bohrungen 127b, überragen jedoch mit ihren spitzen Enden die konische Aufweitung 121 b bzw. deren Außenseite etwas. Der ganz links dargestellte Haltestift 132b wird gerade mittels der Pressvorrichtung 140b herausgedrückt und hat die Endstellung noch nicht ganz erreicht.
In der Fig. 14 ist in vergrößerter Schrägdarstellung ein solcher Haltestift 132b dargestellt. An seinem Ende weist er eine Spitze 133 auf, die mit einem Gewinde versehen ist zum Einschrauben in den Stift 132, wobei die Spitze nach dem vollständigen Hindurchdrücken entsprechend Fig. 13 unten einfach abgeschraubt
- - werden kann. Ein Haltestift kann einen beispielhaften Durchmesser von 10mm bis 20mm aufweisen, vorteilhaft 18mm. Die Spitze 133 kann etwa 10mm bis 30mm lang sein, vorteilhaft etwa 20mm. Der gesamte Haltestift kann beispielsweise 100mm lang sein. Die Spitze 133 ist ganz leicht abgerundet, so dass beim Hindurchdrücken die Faserbündel möglichst nur zur Seite verschoben werden, aber nicht durchtrennt oder beschädigt werden.
Nach dem Abschrauben der Spitzen 133 von den Haltestiften 132 kann entsprechend Fig. 5 eine Abdeckung aufgebracht werden, vorteilhaft wiederum aus aufgewickelten Faserbündeln.
Zum Drücken der Haltestifte 132 können auch zwei am Stützrohr 138b jeweils genau gegenüber angeordnete Pressvorrichtungen 140b verwendet werden. So wird eine bessere Kraftverteilung und Krafteinleitung in das Verbindungselement 124 und das Stützrohr 138 erreicht.
Die zuvor beschriebene, hier nicht dargestellte Variante des Einbringens der Haltestifte in die entsprechend Fig. 13 rechts oben bereits aufgebrachten Faserbündel kann so aussehen, dass, da ja die Position der Bohrungen 127 grundsätzlich bekannt ist, jeweils von außen die Haltestifte mit Spitzen ähnlich der Fig. 14 angesetzt werden und durch die Faserbündel hindurch gedrückt werden. Die Spitzen helfen dabei sowohl bei der Verdrängung der Faserbündel als auch beim Zentrieren in die Bohrung hinein. Da aber das entsprechende Ansetzen der Haltestifte an der Außenseite des aufgewickelten Belags als eher schwierig angesehen wird, ist diese Möglichkeit zwar durchaus gegeben und vorstellbar und auch technisch realisierbar, die in den Fig. 12 bis 14 dargestellte Variante wird jedoch bevorzugt.