Zentrale Vakuumversorgung für wirtschaftliche Herstellung von Rotorblättern

Magdeburg-Rothensee, Deutschland Eine Energieeinsparung von mindestens 50 Prozent erzielte die Groß-Rotorblattfertigung GmbH bei der Vakuumversorgung der Rotorblattproduktion durch den Einsatz einer neuen Vakuumzentralanlage. Durch die Zentralisierung der Vakuumerzeugung für die Harzinfusion konnte das zur ENERCON-Gruppe gehörende Werk auch die Geräusch- und Wärmeemission aus der Produktionshalle verbannen. Die von der Firma Dr.-Ing. K. Busch GmbH konzipierte und realisierte Vakuumversorgung ist in einem separaten Raum untergebracht und versorgt die komplette Groß-Rotorblattfertigung mit Vakuum.
Fig. 1: Zentrale Vakuumversorgung mit COBRA NX Schrauben-Vakuumpumpen als einzelne Vakuummodule
Fig. 1: Zentrale Vakuumversorgung mit COBRA NX Schrauben-Vakuumpumpen als einzelne Vakuummodule

Seit 2001 fertigt ENERCON auf dem ehemaligen Gelände einer Stahlgießerei in Magdeburg-Rothensee Rotorblätter für Windenergieanlagen. Heute sind dort sechs verschiedene Firmen der ENERCON-Gruppe mit insgesamt ca. 2.500 Mitarbeitern ansässig, die sich mit dem Bau von Komponenten für Windenergieanlagen beschäftigen. Die Groß-Rotorblattfertigung produziert im Drei-Schicht-Betrieb unterschiedliche Typen von Rotorblättern mit einer Länge von derzeit bis 45 Metern. Die einzelnen Komponenten werden im Vakuum-Infusionsverfahren hergestellt und anschließend zusammengefügt. Das heißt, in die Formen werden manuell verschiedene Schichten von Glasgelegen und weiteren Materialien in Sandwichbauweise eingebracht. Diese werden mit einer Kunststofffolie abgedeckt, die entlang der Formenränder luftdicht aufgebracht wird. Aus Sicherheitsgründen wird eine zweite Folie darüber gelegt, die ebenfalls luftdicht aufgebracht wird. Diese soll verhindern, dass eine bei der Harzinfusion eventuell auftretende Undichtheit negative Auswirkungen auf den Prozess oder die Qualität des zu fertigenden Bauteiles hat. Danach wird ein Vakuum angelegt, das die Luft zwischen der Form und den Kunststofffolien absaugt. Nach erfolgter Dichtigkeitsprüfung beginnt die Infusion des Harzes in das Bauteil. Durch das Vakuum fließt das Harz in das Bauteil, gelangt an alle Stellen und Zwischenräume und tränkt somit das Bauteil vollständig. Nach dem Tempern und Aushärten des Harzes kann die Form wieder auf Atmosphärendruck belüftet und das Bauteil entnommen werden.

In der Vergangenheit wurden dezentrale Vakuumeinheiten mit ölgeschmierten Drehschieber-Vakuumpumpen benutzt. Diese waren teilweise fest installiert oder als mobile Einheiten an verschiedenen Formen im Einsatz. Sie versorgten die einzelnen Formen über Schläuche mit Vakuum. Insgesamt wurden bei der Groß-Rotorblattfertigung 36 Drehschieber-Vakuumpumpen für die Evakuierung der Formen und Infusion der Bauteile eingesetzt, welche über drei Schichten im Dauerbetrieb liefen. Die Regelung des Vakuums erfolgte manuell über Ventile.


Fig. 2: Schrauben-Vakuumpumpe COBRA NX im Schnitt

Thomas Giesecke als Verantwortlicher im Bereich Arbeitsvorbereitung suchte 2016 nach einer technisch optimierten Lösung. Die Nachteile der bestehenden Vakuumversorgung lagen darin, dass die Abwärme der Drehschieber-Vakuumpumpen direkt in die Fertigungshalle abgegeben wurde. Außerdem war die Geräuschemission an den Arbeitsplätzen durch die Vielzahl der Vakuumpumpen sehr hoch. Zudem suchte Giesecke nach einer Vakuumversorgung, die ohne Öl als Betriebsmittel auskommt, da Öle oder Öldämpfe eine trennende Wirkung auf die Glasfaser- und Kernmaterialien haben und somit den Fertigungsprozess negativ beeinflussen könnten. Seine Vision war es ferner, permanent ein bestimmtes Vakuumlevel zur Verfügung zu haben, das eine manuelle Regelung überflüssig und somit den Prozess stabil, sicher und nachvollziehbar macht. Die Vakuumspezialisten der Firma Dr.-Ing. K. Busch GmbH konzipierten nach einer genauen Analyse des Ist-Zustandes eine Vakuumversorgungsanlage, deren einzelne Vakuummodule aus trockenen, also ölfreien Schrauben-Vakuumpumpen des Typs COBRA NX bestehen. Diese Anlage wurde baulich so umgesetzt, dass sie von den Abmessungen in einen bereits bestehenden separaten Technikraum passte. Auch der Schaltschrank mit der Steuerung ist in diesem Raum untergebracht.

Die Anlage ist so aufgebaut, dass vier Schrauben-Vakuumpumpen an eine Ringleitung angeschlossen sind, welche durch die ganze Halle der Groß-Rotorblattfertigung führt. In dieser Leitung wird permanent exakt das vorgegebene Vakuumniveau aufrechterhalten. Dieses wird zur schnellen Erstevakuierung der Formen genutzt. Zwei weitere COBRA NX Vakuumpumpen sind an eine zweite, von der ersten unabhängigen Ringleitung angeschlossen. Mit dem gleichen Vakuumniveau dient dieser Vakuumkreis nach der Erstevakuierung der Infusion des Harzes in die Rotorblattbauteile.

Die Vakuumspezialisten von Busch haben zusammen mit Thomas Giesecke und seinem Team, Marcus Kempf als Programmierer und Dirk Sztuck als Projektkoordinator, die Vakuumversorgung so optimiert, dass zwischen den einzelnen Formen und den beiden Vakuumkreisen sogenannte Vakuumregelschränke zwischengeschaltet sind. Darin befinden sich Ventile, die automatisch von einem Vakuumkreis in den anderen schalten, wenn die Erstevakuierung abgeschlossen ist und die Harzinfusion beginnt. Durch diese Zweikreislösung und die intelligente Vakuumregeltechnik in den Vakuumregelschränken direkt an den Rotorblattformen kann der Harzinfusionsprozess zuverlässig und sicher durchgeführt werden. Diese Regelung ermöglicht auch, dass alle Prozessdaten erfasst und gespeichert werden können. 


Fig. 3: Rotorblattbau bei der Groß-Rotorblattfertigung GmbH

Der Vakuumbedarf ist sehr unterschiedlich, weil an allen angeschlossenen Formen die Abläufe zeitlich versetzt durchgeführt werden. Die bedarfsabhängige Steuerung erkennt permanent das notwendige Saugvermögen und schaltet dementsprechend kaskadenartig Vakuummodule zu oder ab. Eine der COBRA NX Schrauben-Vakuumpumpen ist frequenzgeregelt. Sie geht üblicherweise zuerst in Betrieb. Hat sie die volle Leistung erreicht, wird die nächste Vakuumpumpe zugeschaltet, und die frequenzgeregelte Vakuumpumpe fährt ihre Leistung dem Bedarf angepasst zurück. Bei weiter steigendem Bedarf an Saugvermögen schalten sich automatisch weitere Vakuumpumpen zu. Dieses System erfolgt rollierend. Das heißt die Steuerung berücksichtigt die Betriebszeit jeder einzelnen Vakuumpumpe und nimmt diese abwechselnd in Betrieb, so dass alle auf die gleiche Anzahl von Betriebsstunden kommen.

Durch die Aufstellung der Vakuumzentralanlage in einem separaten Raum kommt es an den Arbeitsplätzen zu keinerlei Beeinträchtigungen durch Lärm- oder Wärmeemission mehr. Die Vakuumanlage von Busch ist seit November 2016 in Betrieb und Thomas Giesecke und sein Team sind sehr zufrieden, denn alle Anforderungen an die neue Vakuumversorgung wurden voll erfüllt. Außerdem stellte sich ein weiterer positiver Effekt ein, den man zu Beginn der Planung nicht unbedingt im Fokus hatte: Die Energieeffizienz wurde erheblich gesteigert. Thomas Giesecke bestätigt, dass mindestens 50 Prozent Energie durch die neue Vakuumanlage eingespart werden konnten. Dies offenbart allein schon die Anzahl von insgesamt 36 Drehschieber-Vakuumpumpen die zuvor in Betrieb waren, gegenüber der sechs COBRA NX Schrauben-Vakuumpumpen der neuen Anlage. Eine siebte COBRA NX dient als reine Stand-by-Vakuumpumpe. Noch werden die Formen für die kleineren Rotorblattteile mit bestehenden Drehschieber-Vakuumpumpen evakuiert. Diese sollen jetzt aber auch sukzessive an die neue Anlage angeschlossen werden, die von der Leistung her bereits dafür ausgelegt ist.

Nicht nur die reine Reduzierung der Anzahl der Vakuumerzeuger ermöglicht eine drastische Reduzierung des Energieverbrauchs, sondern auch die bedarfsabhängige Steuerung. Waren zuvor die Vakuumpumpen oft 24 Stunden am Tag in Betrieb, kommt jetzt jede einzelne Schrauben-Vakuumpumpe auf wesentlich geringere Betriebszeiten. Dadurch verringert sich wiederum der Wartungsaufwand, der bei Schrauben-Vakuumpumpen ohnehin wesentlich niedriger ausfällt als bei Drehschieber-Vakuumpumpen. Somit können auch die Wartungskosten minimiert werden. Die Wartung kann während des laufenden Betriebs durchgeführt werden, indem die einzelnen COBRA NX Schrauben-Vakuumpumpen ausgekuppelt werden und dafür die Stand-by-Vakuumpumpe in Betrieb genommen wird. Die Groß-Rotorblattfertigung hat mit Busch ohnehin einen „All-Inclusive-Wartungsvertrag" abgeschlossen. Dieser garantiert, dass Busch zu einem jährlichen Festbetrag alle Wartungsarbeiten durchführt und die volle Verantwortung für die Funktion und Betriebsbereitschaft der Vakuumversorgung übernimmt.


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