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,
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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.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa.de:swb:ch1-200700608 |
| Date | 09 May 2007 |
| Creators | Khadjavi, Armin Fazlollah |
| Contributors | TU Chemnitz, Fakultät für Maschinenbau, Prof. Dr. Günter Wozniak, Prof. Dr. Günter Wozniak, Prof. Dr. R. Kreißig, Prof. Dr. V. Weise |
| Publisher | Universitätsbibliothek Chemnitz |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | deu |
| Detected Language | German |
| Type | doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf, text/plain, application/zip |
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