Preisträger 2015

Kurzfassung

Ziel der Masterarbeit ist ein Berechnungsmodell für die Untersuchung des aeroelastischen Verhaltens von Rotorblättern einer Windkraftanlage, deren Rotoren bei hohen Windgeschwindigkeiten in Stillstand gebracht werden müssen. Unterschiedliche Bremsvorgänge führen dabei zu variierenden Anstellwinkeln. Das Modell soll die Schwingungseigenschaften von Rotorblättern im Ruhezustand beschreiben.

Im Schwerpunkt der Arbeit steht die Entwicklung eines numerischen Berechnungsmodells zur Untersuchung aeroelastischer Phänomene.

Die Modellierung des Schwingungsverhaltens des Rotorblattes erfolgt im Rahmen der Bernoulli- Hypothese für die Balkenbiegung sowie die Dehn- und Torsionsverformungen. Die numerische Berechnung der Druckverteilung aus instationärer Aerodynamik erfolgt mit 2D-Simulationen der Umströmung eines NACA0012-Profils mit dem TAU-Code des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt. Die entsprechenden Dämpfungs- und Steifigkeitseigenschaften aus Aerodynamik werden auf die Profilfreiheitsgrade des Balkens abgebildet.

Die Diskretisierung der Modellgleichungen erfolgt mit der Finite-Element-Methode und anschließender Transformation in den Modalraum ausgewählter Eigenschwingungsformen. Mit der Modal-Reduktion auf wenige Eigenschwingungsformen verringert sich der numerische Aufwand der Untersuchungen ganz erheblich.

Die Untersuchung der aeroelastischen Phänomene „Torsionsdivergenz“ und „Biege-Torsions-Flattern“ zeigt, dass die Torsionsdivergenz des Rotorblattes auszuschließen ist. Ein theoretisches Auftreten von Biege-Torsions-Flattern ist dagegen möglich. Die entsprechenden Windgeschwindigkeiten liegen jedoch über 75 m/s und sind damit für eine Bemessung irrelevant.

Mit dem hier entwickelten Modell sind grundsätzliche Untersuchungen zum Schwingungsverhalten von Rotorblättern von Windkraftanlagen möglich. Das im Rahmen der Masterarbeit untersuchte Rotorblatt weist keine Instabilitäten bei bemessungsrelevanten Geschwindigkeiten auf.