Zugl.: Hamburg, Helmut-Schmidt-Univ., Diss. / Lizenzpflichtig

Zugl.: Freiburg (Breisgau), Univ., Diss., 2009

Zugl.: Cottbus, Techn. Univ., Diss., 2009

Techn. Universiẗat, Diss., 2004--Berlin.

In this work the possibility for using natural fiber-reinforced thermoplastics in highly loaded large surface structural elements is demonstrated. A production process to fabricate an inexpensive semi-finished material made of polypropylene and unidirectionally orientated natural fibers was developed. The feasibility of the process was proven for different fiber contents. In further examinations optimal parameters for processing the semi-finished material to produce composites by press forming were examined. With these optimal parameters composites have been fabricated that were tested for their static and dynamic properties. On the basis of the characteristic values of these examinations the field of application for natural fiber reinforced thermoplastics in use of large surface structural elements could be shown. As an example for such an element a rotor blade of a wind turbine with a length of 3,75 m was created. For a prediction of the behaviour of the loaded rotor blade the following load cases were simulated by means of the FEM: - 50-year gust, with a wind velocity of 50 m/s and standing rotor - Nominal load, with a wind velocity of 11 m/s and turning rotor. For an evaluation of the composite behaviour the Tsai Wu criterion was used, because of its capability to determine the failure condition under multi-axle stress. With these simulations it could be shown that it is theoretically possible to use natural fiber-reinforced thermoplastics as material for large surface structural elements. / In der vorliegenden Arbeit wurde eine Möglichkeit für die Verwendung von naturfaserverstärkten Thermoplasten in hochbelasteten großflächigen Strukturbauteilen aufgezeigt. Es wurde ein Verfahren entwickelt, welches die preiswerte Herstellung eines Halbzeuges aus Polypropylen und unidirektional ausgerichteten Naturfasern ermöglicht. Die Realisierbarkeit dieses Verfahrens konnte für verschiedene Naturfasergehalte nachgewiesen werden. In weiteren Untersuchungen wurden die optimalen Verarbeitungsparameter für die Herstellung von Faserverbunden aus diesem Halbzeug mittels der Presstechnik ermittelt. Mit diesen optimalen Parametern wurden Verbunde hergestellt und auf ihre statischen und dynamischen Eigenschaften geprüft. Auf Grundlage der in diesen Prüfungen ermittelten Kennwerte konnte die Einsatzmöglichkeit dieser naturfaserverstärkten Thermoplaste für ein großflächiges Strukturbauteil gezeigt werden. Als Beispiel für ein solches Bauteil wurde ein 3,75 m langes Rotorblatt einer Windkraftanlage entworfen. Um eine Aussage über das Verhalten des Rotorblattes unter Belastung treffen zu können, wurden folgende Lastfälle mit Hilfe der FEM simuliert: - 50-Jahres-Böe, mit Windgeschwindigkeit von 50 m/s und stehendem Rotor - Nennlast, mit Windgeschwindigkeit von 11 m/s und drehendem Rotor Für die Bewertung des Verbundverhaltens wurde das Tsai-Wu-Ausfallkriterium herangezogen, da es eine Aussage über das Bruchverhalten von Faserverbunden unter mehrachsiger Belastung erlaubt. Die Auswertung dieser Simulationen ergab, dass es theoretisch möglich ist, naturfaserverstärkte Thermoplaste als Werkstoff in großflächigen Strukturbauteilen einzusetzen.

Hauptziel dieser Arbeit ist die Klärung der in der Praxis oft getroffenen Annahme, dass die statischen Torsionseffekte eines Windturbinenrotorblatts keinen Einfluss auf die aerodynamische Leistungsbilanz nehmen. Auf dem Markt findet sich ein breites Angebot an Software, mit der die Aeroelastizität von Windturbinenblättern und deren dynamische Stabilität berechnet und geprüft werden kann. Mit diesen Programmen können üblicherweise Schwingungsformen, die dazugehörigen Frequenzen sowie die Überlagerung der Schwingungen, das Flattern und die Stabilität des Rotorblattes berechnet werden [1, 2, 3 und 4]. Konstruktive Maßnahmen in diesem Zusammenhang sind auf die Schwingungstechnik fokussiert [5]. Die dynamische Stabilität ist jedoch nicht maßgebend für die statische Deformation des Windturbinenblattes, bei deren Auslegung auf die Vermeidung von Kollisionen mit dem Turm geachtet werden muss. In diesem Zusammenhang gewinnt die statische Aeroelastizität der Windturbinenblätter an Wichtigkeit. Die zur Verfügung stehenden Berechnungsprogramme ziehen zwar sowohl die dynamische als auch die statische Aeroelastizität in Betracht. Da jedoch in der Regel die dynamischen Torsionsschwingungen der Windturbinenblätter wesentlich höhere Frequenzwerte aufweisen als die Schlag- und Schwenkschwingungen, wird als plausibel angenommen, dass die Rotorblätter grundsätzlich torsionssteif sind. Daher werden bei den handelsüblichen Berechnungsprogrammen sowohl für die Aerodynamik als auch für die Strukturmechanik Vereinfachungen vorgenommen, in denen die statischen Torsionsberechnungen wegfallen. Als Stand der Technik bei den kommerziell erhältlichen Programmen wird die Aerodynamik des Rotors zunächst an einem Modell untersucht, in welchem der Rotor in viele zweidimensionale Profilpolare (mit angenommenen Interpolationsmöglichkeiten) unterteilt ist, wobei die Profilpolare 2DWindkanalmessungen entnommen werden. Die Strukturmechanik bezieht sich in der Regel auf eindimensionale Balkenelemente, die für Biege- und Zuglasten, aber nicht für Torsionsbetrachtungen um die Rotorlängsachse berechnet werden, da die Torsionseffekte als sehr gering und vernachlässigbar eingeschätzt werden. Beim torsionselastischen Windturbinenblatt ist zu erwarten, dass die Last der lokalen Auftriebskräfte und Nickmomente das Rotorblatt um die eigene Längsachse tordieren lässt [6]. Durch den Torsionswinkel nimmt der Auftrieb und somit die Schubkraft des Rotorblattes zu. Da der Torsionswinkel an der Windturbinenblattspitze am größten ist, wird folglich die größte Schlagdeformation ebenfalls im äußeren Bereich des Rotorblattes auftreten. Mit zunehmender Größe des Rotordurchmessers von der Größenordnung 100 m wird erwartet, 10 dass die Torsionslasten einen zunehmenden, nicht mehr vernachlässigbaren Einfluss auf die Wechselwirkung der Aerodynamik und Strukturmechanik einnehmen und somit die Zunahme der Schlagdeformation begünstigen. Daher ist die Aufgabe dieser Arbeit die Klärung der Annahme, dass die statischen Torsionseffekte eines Windturbinenrotorblatts Einfluss auf die aerodynamische Leistungsbilanz nehmen. In den Kapiteln 4 und 5 dieser Arbeit werden daher die Größenordnung der Drehwinkel und die sich daraus ergebende Schlagdeformation mit einem besonderen Augenmerk auf die Torsionseffekte des Rotorblattes ermittelt. Weiterhin werden in der aeroelastischen Berechnung dieser Arbeit die lokalen Deformationen berücksichtigt, da die flexible Haut des Windturbinenprofils durch die aerodynamischen Lasten eine Verformung erfährt, die einen beachtenswerten Einfluss auf die Aerodynamik des Windturbinenprofils hat. Bei immer größer werdenden Profiltiefen wird die Zunahme der lokalen Deformationen der flexiblen Haut des Windturbinenprofils begünstigt, welche durch die aerodynamischen Lasten und Torsion verursacht wird, die ihrerseits die Aerodynamik beeinflussen. Da der Fokus auf den lokalen Deformationen und Torsionseffekten liegt, wird hier auf sonst wichtige Parameter wie z.B. Windgeschwindigkeitsgradient, und Rotorebenenneigung verzichtet und somit eine stationäre Strömung angenommen. In einem iterativen Verfahren wird zunächst die aerodynamische Lastverteilung des Rotorblatts ermittelt. Die Ergebnisse werden in einem strukturmechanischen Programm auf das Rotorblattmodell übertragen. Die aerodynamischen Lasten und die Zentrifugalkräfte erzeugen einen Gleichgewichtszustand und eine neue Deformation des Rotorblattes. Der neue Gleichgewichtszustand wird für die Ermittlung der Aerodynamik für den nächsten Berechnungsschritt benutzt. Das iterative Verfahren wird so lange fortgesetzt, bis sich eine Konvergenz eingestellt hat. Hierzu sollen die Konvergenzkriterien berücksichtigt und dokumentiert werden, um somit die Berechnungsgenauigkeit des Antriebsmoments der Turbinenwelle beurteilen zu können. Für die Untersuchungen werden sowohl ein Balkenmodell als auch ein Schalenmodell benutzt.

Techn. Universiẗat, Diss., 2004--Chemnitz.

In this work the possibility for using natural fiber-reinforced thermoplastics in highly loaded large surface structural elements is demonstrated. A production process to fabricate an inexpensive semi-finished material made of polypropylene and unidirectionally orientated natural fibers was developed. The feasibility of the process was proven for different fiber contents. In further examinations optimal parameters for processing the semi-finished material to produce composites by press forming were examined. With these optimal parameters composites have been fabricated that were tested for their static and dynamic properties. On the basis of the characteristic values of these examinations the field of application for natural fiber reinforced thermoplastics in use of large surface structural elements could be shown. As an example for such an element a rotor blade of a wind turbine with a length of 3,75 m was created. For a prediction of the behaviour of the loaded rotor blade the following load cases were simulated by means of the FEM: - 50-year gust, with a wind velocity of 50 m/s and standing rotor - Nominal load, with a wind velocity of 11 m/s and turning rotor. For an evaluation of the composite behaviour the Tsai Wu criterion was used, because of its capability to determine the failure condition under multi-axle stress. With these simulations it could be shown that it is theoretically possible to use natural fiber-reinforced thermoplastics as material for large surface structural elements. / In der vorliegenden Arbeit wurde eine Möglichkeit für die Verwendung von naturfaserverstärkten Thermoplasten in hochbelasteten großflächigen Strukturbauteilen aufgezeigt. Es wurde ein Verfahren entwickelt, welches die preiswerte Herstellung eines Halbzeuges aus Polypropylen und unidirektional ausgerichteten Naturfasern ermöglicht. Die Realisierbarkeit dieses Verfahrens konnte für verschiedene Naturfasergehalte nachgewiesen werden. In weiteren Untersuchungen wurden die optimalen Verarbeitungsparameter für die Herstellung von Faserverbunden aus diesem Halbzeug mittels der Presstechnik ermittelt. Mit diesen optimalen Parametern wurden Verbunde hergestellt und auf ihre statischen und dynamischen Eigenschaften geprüft. Auf Grundlage der in diesen Prüfungen ermittelten Kennwerte konnte die Einsatzmöglichkeit dieser naturfaserverstärkten Thermoplaste für ein großflächiges Strukturbauteil gezeigt werden. Als Beispiel für ein solches Bauteil wurde ein 3,75 m langes Rotorblatt einer Windkraftanlage entworfen. Um eine Aussage über das Verhalten des Rotorblattes unter Belastung treffen zu können, wurden folgende Lastfälle mit Hilfe der FEM simuliert: - 50-Jahres-Böe, mit Windgeschwindigkeit von 50 m/s und stehendem Rotor - Nennlast, mit Windgeschwindigkeit von 11 m/s und drehendem Rotor Für die Bewertung des Verbundverhaltens wurde das Tsai-Wu-Ausfallkriterium herangezogen, da es eine Aussage über das Bruchverhalten von Faserverbunden unter mehrachsiger Belastung erlaubt. Die Auswertung dieser Simulationen ergab, dass es theoretisch möglich ist, naturfaserverstärkte Thermoplaste als Werkstoff in großflächigen Strukturbauteilen einzusetzen.

Hauptziel dieser Arbeit ist die Klärung der in der Praxis oft getroffenen Annahme, dass die statischen Torsionseffekte eines Windturbinenrotorblatts keinen Einfluss auf die aerodynamische Leistungsbilanz nehmen. Auf dem Markt findet sich ein breites Angebot an Software, mit der die Aeroelastizität von Windturbinenblättern und deren dynamische Stabilität berechnet und geprüft werden kann. Mit diesen Programmen können üblicherweise Schwingungsformen, die dazugehörigen Frequenzen sowie die Überlagerung der Schwingungen, das Flattern und die Stabilität des Rotorblattes berechnet werden [1, 2, 3 und 4]. Konstruktive Maßnahmen in diesem Zusammenhang sind auf die Schwingungstechnik fokussiert [5]. Die dynamische Stabilität ist jedoch nicht maßgebend für die statische Deformation des Windturbinenblattes, bei deren Auslegung auf die Vermeidung von Kollisionen mit dem Turm geachtet werden muss. In diesem Zusammenhang gewinnt die statische Aeroelastizität der Windturbinenblätter an Wichtigkeit. Die zur Verfügung stehenden Berechnungsprogramme ziehen zwar sowohl die dynamische als auch die statische Aeroelastizität in Betracht. Da jedoch in der Regel die dynamischen Torsionsschwingungen der Windturbinenblätter wesentlich höhere Frequenzwerte aufweisen als die Schlag- und Schwenkschwingungen, wird als plausibel angenommen, dass die Rotorblätter grundsätzlich torsionssteif sind. Daher werden bei den handelsüblichen Berechnungsprogrammen sowohl für die Aerodynamik als auch für die Strukturmechanik Vereinfachungen vorgenommen, in denen die statischen Torsionsberechnungen wegfallen. Als Stand der Technik bei den kommerziell erhältlichen Programmen wird die Aerodynamik des Rotors zunächst an einem Modell untersucht, in welchem der Rotor in viele zweidimensionale Profilpolare (mit angenommenen Interpolationsmöglichkeiten) unterteilt ist, wobei die Profilpolare 2DWindkanalmessungen entnommen werden. Die Strukturmechanik bezieht sich in der Regel auf eindimensionale Balkenelemente, die für Biege- und Zuglasten, aber nicht für Torsionsbetrachtungen um die Rotorlängsachse berechnet werden, da die Torsionseffekte als sehr gering und vernachlässigbar eingeschätzt werden. Beim torsionselastischen Windturbinenblatt ist zu erwarten, dass die Last der lokalen Auftriebskräfte und Nickmomente das Rotorblatt um die eigene Längsachse tordieren lässt [6]. Durch den Torsionswinkel nimmt der Auftrieb und somit die Schubkraft des Rotorblattes zu. Da der Torsionswinkel an der Windturbinenblattspitze am größten ist, wird folglich die größte Schlagdeformation ebenfalls im äußeren Bereich des Rotorblattes auftreten. Mit zunehmender Größe des Rotordurchmessers von der Größenordnung 100 m wird erwartet, 10 dass die Torsionslasten einen zunehmenden, nicht mehr vernachlässigbaren Einfluss auf die Wechselwirkung der Aerodynamik und Strukturmechanik einnehmen und somit die Zunahme der Schlagdeformation begünstigen. Daher ist die Aufgabe dieser Arbeit die Klärung der Annahme, dass die statischen Torsionseffekte eines Windturbinenrotorblatts Einfluss auf die aerodynamische Leistungsbilanz nehmen. In den Kapiteln 4 und 5 dieser Arbeit werden daher die Größenordnung der Drehwinkel und die sich daraus ergebende Schlagdeformation mit einem besonderen Augenmerk auf die Torsionseffekte des Rotorblattes ermittelt. Weiterhin werden in der aeroelastischen Berechnung dieser Arbeit die lokalen Deformationen berücksichtigt, da die flexible Haut des Windturbinenprofils durch die aerodynamischen Lasten eine Verformung erfährt, die einen beachtenswerten Einfluss auf die Aerodynamik des Windturbinenprofils hat. Bei immer größer werdenden Profiltiefen wird die Zunahme der lokalen Deformationen der flexiblen Haut des Windturbinenprofils begünstigt, welche durch die aerodynamischen Lasten und Torsion verursacht wird, die ihrerseits die Aerodynamik beeinflussen. Da der Fokus auf den lokalen Deformationen und Torsionseffekten liegt, wird hier auf sonst wichtige Parameter wie z.B. Windgeschwindigkeitsgradient, und Rotorebenenneigung verzichtet und somit eine stationäre Strömung angenommen. In einem iterativen Verfahren wird zunächst die aerodynamische Lastverteilung des Rotorblatts ermittelt. Die Ergebnisse werden in einem strukturmechanischen Programm auf das Rotorblattmodell übertragen. Die aerodynamischen Lasten und die Zentrifugalkräfte erzeugen einen Gleichgewichtszustand und eine neue Deformation des Rotorblattes. Der neue Gleichgewichtszustand wird für die Ermittlung der Aerodynamik für den nächsten Berechnungsschritt benutzt. Das iterative Verfahren wird so lange fortgesetzt, bis sich eine Konvergenz eingestellt hat. Hierzu sollen die Konvergenzkriterien berücksichtigt und dokumentiert werden, um somit die Berechnungsgenauigkeit des Antriebsmoments der Turbinenwelle beurteilen zu können. Für die Untersuchungen werden sowohl ein Balkenmodell als auch ein Schalenmodell benutzt.