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Die vorliegende Erfindung betrifft in einem ersten Aspekt ein Verfahren zur Umformung eines Rohrkörpers. In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung einen mit einem solchen Verfahren hergestellten mäanderförmigen Rohrkörper. In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung die Verwendung eines solchen Rohrkörpers.
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Das Umformen von Rohrkörpern ist allgemein bekannt. Rohrkörper liegen für gewöhnlich nach ihrer Herstellung in einer langgestreckten im Wesentlichen ungekrümmten Form vor. Da aber in der Praxis Rohrkörper nicht nur entlang gerader Förderstrecken eingesetzt werden, sondern es die Einbauorte bisweilen erfordern, Fluide mittels Rohrkörpern entlang gekrümmter Bahnen, beispielsweise um Ecken herum, zu fördern, und hierbei nicht immer das Verwenden von Zweigleitungen, angeflanschten Rohrkrümmern und dergleichen ermöglicht oder erwünscht ist, besteht zum einen der Bedarf, Rohrkörper etwa mittels Umformen biegen zu können. Zum anderen besteht der Bedarf, Rohrkörper hinsichtlich ihrer Querschnittsform umformen zu können, um diese durch vordefinierte Öffnungsquerschnitte hindurch verlegen zu können oder die Rohrkörper mit ihrem Querschnitt möglichst eng an vorgegebene Öffnungsquerschnitte anformen zu können. Letzteres ist insbesondere bei der Verwendung der Rohrkörper als Kühlkörper von Bedeutung, um einen möglichst guten Wärmeübergang zwischen Rohrkörper und zu kühlendem Körper erreichen zu können.
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Eine besondere Herausforderung beim Umformen von Rohrkörpern ist es, ein Kollabieren, Einknicken oder in sonstiger Art und Weise unerwünschtes Verformen des Rohrkörpers zu verhindern und nur diejenige Umformung zu erzielen, die beim Umformvorgang beabsichtigt ist. Um dies zu erreichen, wird im Stand der Technik Sand als Füllstoff verwendet. Der Sand füllt den inneren Querschnitt des Rohrkörpers aus und verhindert bei ausreichender Packungsdichte ein Kollabieren oder unerwünschtes Einbeulen des Rohrkörpers beim Umformen.
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Wenngleich dieses Verfahren für einfache Umformvorgänge wie beispielsweise das Erzeugen einzelner Biegeradien oder Erzeugen unrunder Querschnitte des Rohrs möglich ist, ergibt sich bei komplexeren Umformvorgängen wie beispielsweise dem Erzeugen mäanderförmiger Rohrkörper das Problem, dass der Sand nach dem Umformvorgang nicht mehr vollständig aus dem Rohrkörper entfernt werden kann. Folglich ist es im Stand der Technik nicht möglich, komplexe Rohrkörperformen wie beispielsweise mäanderförmige Rohrkörper aus einem Stück herzustellen.
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Der Erfindung lag folglich die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Umformen von Rohrkörpern anzugeben, welches die vorstehend beschriebenen Nachteile möglichst weitestgehend behebt. Insbesondere lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Umformen von Rohrkörpern anzugeben, welches eine höhere Flexibilität beziehungsweise Komplexität der Umformung ermöglicht.
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Die Erfindung löst die ihr zugrunde liegende Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs bezeichneten Art mit den Merkmalen von Anspruch 1. Insbesondere weist das erfindungsgemäße Verfahren die Schritte auf: Bereitstellen eines Rohrkörpers mit einem ersten und einem zweiten Rohrende, Befüllen des Rohrkörpers mit einer Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser, Verschließen des Rohrkörpers, und Umformen des Rohrkörpers. Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, dass Wasser insbesondere in flüssigem oder gasförmigem Zustand völlig rückstandsfrei aus dem Rohrkörper nach dessen Umformung entfernt werden kann, unabhängig von der Komplexität des Rohrkörpers, solange eines oder vorzugsweise beide Rohrenden nach der Umformung wieder geöffnet werden. Des Weiteren macht sich die Erfindung zunutze, dass Flüssigkeiten wie beispielsweise Wasser oder geeignete Öle nur schwer kompressibel sind und daher, sofern das Rohr vollständig befüllt und verschlossen ist, trotz ihres flüssigen Zustands eine ausreichende Stabilisierung des inneren Rohrvolumens gewährleisten.
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In einer besonders bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens umfasst dieses ferner den Schritt: Druckbeaufschlagen der Flüssigkeit in dem Rohrkörper vor dem Schritt des Umformens. Durch das Druckbeaufschlagen der Flüssigkeit wird diese gewissermaßen vorgespannt. Flüssigkeiten sind physikalisch gesehen nicht vollständig inkompressibel. Allerdings hat sich herausgestellt, dass für die Zwecke des erfindungsgemäßen Verfahrens eine hinreichende Inkompressibilität, beziehungsweise hinreichend niedrige Kompressibilität bei der Verwendung von Wasser gegeben ist, die dadurch noch weiter verbessert wird, dass dieses vor dem Umformen mit Druck beaufschlagt wird. Die Druckbeaufschlagung gewährleistet gleichermaßen einen Indikator für vollständiges Befüllen des Rohrkörpers. Ein besonderer Vorteil, der mit der Druckbeaufschlagung einhergeht, ist folgender: Wenn beim Umformen des Rohrkörpers eine Leckage, beispielsweise in Form eines Risses, entsteht, würde die druckbeaufschlagte Flüssigkeit sofort aus dem Inneren des Rohrkörpers ausdringen. Dieses Ausdringen wäre leicht detektierbar. Somit kann beim Umformen simultan eine Drucküberprüfung vorgenommen werden. Wenn keine Flüssigkeit austritt, bis der Umformvorgang abgeschlossen ist, weiß der Bediener unmittelbar, dass des Rohr jedenfalls bis zu dem Druck, mit dem der Rohrkörper zuvor von innen druckbeaufschlagt worden ist, druckdicht ist. Dies stellt einen signifikanten wirtschaftlichen Vorteil dar.
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Vorzugsweise wird die Flüssigkeit mit einem Druck von 20 bar oder mehr beaufschlagt, besonders bevorzugt mit einem Druck in einem Bereich von 50 bar bis 200 bar.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens umfasst der Schritt des Umformens das Einbringen eines oder mehrerer Biegeradien in des Rohr, Kurz gesprochen wirkt sich der Vorteil der Verwendung von Flüssigkeit als innerem Stabilisator umso stärker aus, je komplexer die Geometrie des Rohrkörpers wird, desto mehr Biegeradien in das Rohr folglich eingebracht werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform liegt der Biegeradius, oder mindestens einer der mehreren Biegeradien, vorzugsweise mehrere der Biegeradien oder sämtliche Biegeradien, unterhalb des dreifachen Rohrdurchmessers. Während bei konventionellen Rohrbiegeverfahren im Stand der Technik von einem minimalen Biegeradius von dem etwa Fünffachen bis maximal hinab zum gut Dreifachen des Rohrdurchmessers ausgegangen wird, erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren infolge der Verwendung von Flüssigkeit, insbesondere druckbeaufschlagter Flüssigkeit als innerem Stabilisator, ein deutlich stärkeres Biegen, was sich in deutlich engeren möglichen Biegeradien auswirkt, in bevorzugten Ausgestaltungen liegt der erreichbare Biegeradius in einem Bereich von unterhalb des dreifachen Rohrdurchmessers bis etwa zum Zweifachen des Rohrdurchmessers, wobei der Biegeradius nach wie vor in bekannter Weise auch vom verwendeten Werkstoff des Rohrkörpers und insbesondere dessen Wandstärke abhängt. Bei einem Rohr mit Durchmesser 12 mm, Wanddicke 1 mm, und nichtrostendem Stahl als Werkstoff fassen sich die vorgenannten Biegeradien beispielsweise erreichen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens umfasst der Schritt des Umformens: Verändern des Rohrquerschnitts eines oder mehrerer Abschnitte des Rohrkörpers, oder des gesamten Rohrkörpers, vorzugsweise in eine im Wesentlichen polygonale Querschnittsform, besonders bevorzugt in eine im Wesentlichen rechteckige Form. Unter einer im Wesentlichen polygonalen beziehungsweise im Wesentlichen rechteckigen Form wird verstanden, dass die „Eckigkeit” des Querschnitts sich im Rahmen der technischen Möglichkeiten bewegt. Wenn ein Rohrquerschnitt mittels Umformen so verformt wird, dass er eine oder mehrere Kanten aufweist, die dem Querschnitt insgesamt eine polygonale, insbesondere rechteckige, Form geben, ist zu erwarten, dass ein kleiner Kantenradius innen wie außen verbleibt. Dieser ist für das Begriffsverständnis der im Wesentlichen polygonalen beziehungsweise im Wesentlichen rechteckigen Querschnittsform zu vernachlässigen.
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Das Verändern des Rohrquerschnitts in eine im Wesentlichen polygonale beziehungsweise im Wesentlichen rechteckige Querschnittsform wird vorzugsweise erreicht, indem der Rohrkörper abschnittsweise oder vollständig in einen Formkörper eingelegt wird und dann mittels Kraftbeaufschlagung an den Formkörper angeformt wird. Erfindungsgemäß erfolgt das Kraftbeaufschlagen entweder von außen auf den Formkörper oder den Rohrkörper und/oder durch den beispielsweise nach Art eines Stempels arbeitenden Formkörper selbst. Erfindungsgemäß wird beispielsweise bevorzugt, den Rohrkörper mittels eines Stempels oder einer Walze, etwa mittels Richtwalzen, zu verformen.
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Das Verfahren wird in einer weiteren Ausführungsform weitergebildet, indem mehrere Biegeradien in den Rohrkörper eingebracht werden und der Schritt des Umformens weiter umfasst: Biegen des Rohres in eine Mäanderform, wobei die Mäanderform einen oder mehrere im Wesentlichen ungekrümmte Rohrabschnitte aufweist, die sich jeweils an einen oder mehrere der Biegeradien anschließen.
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Weiter vorzugsweise umfasst das Verfahren den Schritt: Ablassen von Flüssigkeit aus dem Rohrkörper, vorzugsweise mittels eines Überdruckventils, wenn der Druck während des Umformens einen vorbestimmten Wert überschreitet. Dies wird vorzugsweise durchgeführt, indem wenigstens eines der Enden des Rohrkörpers mit einem Überdruckbegrenzerventil verschlossen wird, welches immer dann Flüssigkeit ablässt, wenn der Druck infolge der fortschreitenden Umformung deutlich ansteigt, vorzugsweise um 1 bis 10% oder mehr. Hierdurch wird Folgendes erreicht: Beim Verändern des Rohrquerschnitts durch Kraftbeaufschlagung von außen wird mitunter des Volumen des Rohrkörpers verringert. Damit das aus dem gerade verformten Abschnitt des Rohrkörpers weichende flüssige Medium nicht an anderer Stelle ein Ausbeulen oder ungewolltes Verformen des Rohrkörpers bewirkt, wird gemäß dieser Ausführungsform gezielt Flüssigkeit abgelassen, um den Druck im Rohrkörper im Wesentlichen konstant zu halten. Je nach Ausbildung des Rohrkörpers können hier unterschiedliche Grenzwerte definiert werden. Bei einer Wandstärke von 1 mm, und nichtrostendem Stahl als Werkstoff, hat sich beispielsweise ein Grenzwert für die Druckbegrenzung von etwa 50 bar bewährt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst dieses weiter den Schritt: Überwachen des Flüssigkeitsdrucks während des Umformens, vorzugsweise mittels eines Drucksensors. Abgesehen davon, dass natürlich eine visuelle Überwachung des Flüssigkeitsdrucks durch Beobachtung des Überdruckventils stattfinden kann, kann es zur genaueren Steuerung des Umformprozesses bevorzugt sein, den Druckanstieg im Inneren des Rohrkörpers auch quantitativ zu erfassen, und hierzu wird vorzugsweise ein allgemein bekannter Druckmessaufnehmer verwendet.
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Das erfindungsgemäße Verfahren hat sich insbesondere auch bei Rohrkörpern bewährt, die aus einem Stahlwerkstoff gebildet sind, insbesondere aus Edelstahl oder Baustahl.
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Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung lag dieser die Aufgabe zugrunde, einen Rohrkörper anzugeben, der zum Kühlen eines Generators geeignet ist, wobei der Generator zum Erzeugen eines elektrischen Stroms dient, insbesondere in Form eines vielpoligen Synchrongenerators einer Windenergieanlage.
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Die Erfindung löst die Aufgabe, indem der Rohrkörper mit den Merkmalen von Anspruch 12 ausgebildet ist. Insbesondere weist der mäanderförmige Rohrkörper mehrere Biegeradien, vorzugsweise mit einem Biegeradius von unterhalb des dreifachen Rohrdurchmessers, und mehrere im Wesentlichen ungekrümmte Abschnitte aus, die sich, vorzugsweise knickfrei, an die Biegeradien anschließen, wobei zumindest einer, vorzugsweise mehrere oder sämtliche der im Wesentlichen ungekrümmten Abschnitte einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweisen.
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Sofern im Vorstehenden und nachfolgend von im Wesentlichen ungekrümmten Abschnitten des Rohrkörpers gesprochen wird, so ist hierunter zu verstehen, dass der Rohrkörper in diesen Abschnitten krümmungsfrei, also gerade, ausgebildet ist oder jedenfalls eine derartig geringe Krümmung aufweist, dass er in die Nut des Generators einführbar ist und sich dort an die gegenüberliegenden Wände der Nut vorzugsweise anlegt, um einen Wärmeübergang zu ermöglichen. Bei einer leichten Krümmung in Richtung der Nuttiefe spielt die Krümmung hierbei keine Rolle. Eine leichte Krümmung quer zur Nuttiefe, also in Richtung auf die Nutwände zu beziehungsweise von diesen weg wird erfindungsgemäß auch dann noch von einem im Wesentlichen ungekrümmten Abschnitt ausgegangen, wenn der Abschnitt sich durch elastisches Verformen in die Nut hinein bewegen lässt.
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Der erfindungsgemäße Rohrkörper weist vorzugsweise eine Wandstärke in einem Bereich zwischen 0,5 und 3,5 mm auf, besonders bevorzugt in einem Bereich von 1–2 mm.
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Weiter vorzugsweise ist der erfindungsgemäße Rohrkörper aus einem Stahlwerkstoff, insbesondere aus Edelstahl oder Baustahl, ausgebildet. Es gibt zwar Werkstoffe, die aufgrund einer höheren Duktilität deutlich stärker formveränderbar sind, beispielsweise Kupferrohre. Insbesondere für die Verwendung in einem Generator zur Erzeugung elektrischen Stroms wird es erfindungsgemäß aber bevorzugt, den Rohrkörper mit einer möglichst geringen elektrischen Leitfähigkeit auszubilden. Der Rohrkörper in seiner Mäanderform wirkt grundsätzlich auch wie eine Spule und kann im Betrieb des Generators, wenn die Polschuhe an den mit dem Mäander versehenen Nuten vorbei bewegt werden, Leistungsverluste beziehungsweise Störfelder verursachen, die durch geeignete Werkstoffauswahl gering gehalten werden können.
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Die Erfindung betrifft demzufolge gemäß dem dritten Aspekt die Verwendung eines mäanderförmigen Rohrkörpers nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen in einem Generator.
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Die Erfindung löst insbesondere die Aufgabe, die Kühlung des Generators mit möglichst wirtschaftlichen Mitteln umzusetzen und eine möglichst leckagefreie Kühlmittelführung zu ermöglichen.
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Die Verwendung des mäanderförmigen Rohrkörpers nach einer der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen ist aus den vorstehenden Erwägungen deswegen besonders bevorzugt, weil der Rohrkörper bereits während seiner Herstellung auf Druckdichtheit (implizit) überprüft wurde.
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Erfindungsgemäß wird der mäanderförmige Rohrkörper besonders bevorzugt bei einem Generator verwendet, der als vielpoliger Synchrongenerator einer Windenergieanlage ausgebildet ist. Der Generator, besonders bevorzugt der Stator des Generators, weist eine Vielzahl von Nuten auf, in denen eine Wicklung, die vorzugsweise die Statorwicklung darstellt, angeordnet ist. Der Rohrkörper wird mit seinen mehreren im Wesentlichen ungekrümmten Rohrabschnitten mit im Wesentlichen rechteckigem Querschnitt in die Nuten eingeführt. Wenn der Rohrkörper dann von Kühlflüssigkeit durchströmt wird, kann unmittelbar die von der Statorwicklung erzeugte Wärme aus der Nut abgeführt werden und zugleich die Wärmeentwicklung im Stator eingedämmt werden.
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Unter „vielpolig” wird bei einem Synchron-Ringgenerator einer getriebelosen Windenergieanlage eine Vielzahl von Statorpolen verstanden, insbesondere eine Ausbildung mit wenigstens 48 Statorzähnen, häufig sogar mit deutlich mehr Statorzähnen wie insbesondere 96 Statorzähnen oder noch mehr Statorzähnen. Der magnetisch aktive Bereich des Generators, nämlich sowohl des Rotors, der auch als Läufer bezeichnet werden kann, als auch des Stators ist in einer ringförmigen Bereich um die Drehachse des Synchrongenerators angeordnet. So ist insbesondere ein Bereich von 0 bis wenigstens 50 Prozent des Radius des Luftspalts frei von Materialien, die elektrischen Strom oder elektrisches Feld des Synchrongenerators führen. Insbesondere ist dieser Innenraum vollständig frei und grundsätzlich auch begehbar. Häufig beträgt dieser Bereich auch mehr als 0 bis 50 Prozent des Luftspaltradius, insbesondere bis zu 0 bis 70 Prozent oder sogar 0 bis 80 Prozent des Luftspaltradius. Je nach Aufbau kann eine Tragstruktur in diesem inneren Bereich vorhanden sein, die aber in einigen Ausführungen axial versetzt ausgebildet sein kann. Funktionsbedingt sind solche Synchrongeneratoren einer getriebelosen Windenergieanlage langsam drehende Generatoren. Unter langsam drehend wird hier je nach Anlagengröße eine Drehzahl von unterhalb 40 Umdrehungen pro Minute, insbesondere von etwa 4 bis 35 Umdrehungen pro Minute verstanden.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher beschrieben. Hierbei zeigen:
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1 einen ersten Verfahrenszustand in der Herstellung eines mäanderförmigen Rohrkörpers,
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2 einen zweiten Verfahrensstand des Verfahrens gemäß 1, und
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3 einen dritten Verfahrenszustand des Verfahrens gemäß den 1 und 2.
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Der in den 1–3 gezeigte Rohrkörper 1 hat in seinem unverformten Zustand einen im Wesentlichen zylindrischen Querschnitt und ist ungekrümmt, wie in 1 zu erkennen ist. Zum Vorbereiten des Umformschrittes wird der Rohrkörper 1 an einem ersten Endabschnitt 2 mit einem Verschluss 3, beispielsweise einem Blindstopfen, druckdicht verschlossen. An einem gegenüberliegenden zweiten Endabschnitt 4 wird ein zweiter Verschluss 5 angebracht. Der zweite Verschluss 5 ist beispielsweise als Rückschlagventil mit Überdruckbegrenzer ausgebildet.
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Der Rohrkörper 1 wird, vorzugsweise über den zweiten Verschluss 5, mit Flüssigkeit befüllt und druckbeaufschlagt, beispielsweise mit einem Druck in einem Bereich von 50 bis 200 bar. Über das optional vorgesehene Rückschlagventil ist der Rohrkörper dann druckdicht verschlossen, wobei der optional vorgesehene Druckbegrenzer bei einem Überschreiten eines vorbestimmten Drucks innerhalb des Rohrkörpers 1 zum Ablassen von Flüssigkeit aus dem Inneren des Rohrkörpers 1 eingerichtet ist.
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Mit dem befüllten und verschlossenen sowie vorzugsweise druckbeaufschlagten Rohrkörper 1 kann sodann der Schritt des Umformens durchgeführt werden. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird gemäß 1 zunächst der Rohrkörper 1 in eine Rohrbiegevorrichtung 100 eingelegt. Die Rohrbiegevorrichtung 100 hält den Rohrkörper 1 an einem ersten Schenkel gegen einen Anschlag 101. Ein Hebel 103 bewirkt das Biegen des Rohrkörpers 1 in Richtung des Pfeils A um einen Haltedorn 105 herum. Aufgrund der Befüllung des Rohrkörpers 1 mit der Flüssigkeit gelingt die Rohrbiegung ohne Kollabieren des Rohrquerschnitts, und es wird bei mehrfachem Durchführen des Biegevorgangs ein Zustand gemäß 2 erreicht.
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Der in 2 dargestellte mäanderförmig gebogenen Rohrkörper, der ein Zwischenprodukt des Verfahrens des gezeigten Ausführungsbeispiels darstellt, weist mehrere im Wesentlichen ungekrümmte Abschnitte 7 auf, die jeweils knickfrei anschließend an Biegeradien 9 angeordnet sind.
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Ausgehend von dem Zustand gemäß 2 werden vorzugsweise im Anschluss die Rohrquerschnitte der im Wesentlichen ungekrümmten Abschnitte 7 verändert. Dies geschieht gemäß 3, indem die im Wesentlichen ungekrümmten Abschnitte 7 nacheinander in einen Formkörper 203 einer Stempelvorrichtung 200 eingelegt werden. Der Formkörper 203 besteht beispielsweise aus zwei parallelen Planken, die zwischen sich einen Spalt mit rechteckigem Querschnitt definieren, beispielsweise als Quadrat mit der Nutbreite C und vorzugsweise gleicher Nuttiefe.
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Durch wiederholtes Auf- und Abbewegen eines Stempels 201 in Richtung der Pfeile B wird der Rohrkörper 1 in dem Formkörper 203 von außen mit einer Kraft beaufschlagt, die zur Verformung dergestalt führt, dass der Rohrquerschnitt an dem Querschnitt der Nut angeformt wird.
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An dem zweiten Verschluss 5 ist vorzugsweise ein Druckmessaufnehmer 11 angeordnet, der zur Überwachung des innen liegenden Drucks der Flüssigkeit eingerichtet ist. Bei Überschreiten eines vorbestimmten Druckwerts kann entweder manuell Flüssigkeit abgelassen werden, oder ein Überdruckventil öffnet automatisch bei Überschreiten jenes Drucks, um der Volumenverkleinerung im inneren des Rohrkörpers 1, infolge der Formveränderung durch die Stempelvorrichtung 200, Rechnung zu tragen.
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Wie sich aus dem vorstehenden Ausführungsbeispiel ergibt, kann das erfindungsgemäße Verfahren sowohl zum kombinierten Biegen und Formverändern des Rohrquerschnitts verwendet werden. Die erfindungsgemäßen Vorteile der Stabilisierung des Volumens des Rohrkörpers 1 mittels bevorzugt druckbeaufschlagter Flüssigkeit kommen aber auch bei beiden einzelnen Bearbeitungsschritten, also nur dem Biegen oder nur dem Formverändern des Rohrquerschnitts zum Tragen. Es hat sich herausgestellt, dass die Verwendung von Wasser eine ausreichende Stabilisierung ermöglicht, und die Umweltverträglichkeit von Wasser wird als vorteilhaft für dessen Verwendung angesehen.
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Alternativ ist ebenso die Verwendung von Öl oder dergleichen vorgesehen.
