Entwicklung eines numerischen Verfahrens zur Stabilitätsuntersuchung
der Rotorblätter von Windkraftanlagen
Ungewollte Schwingungen der Rotorblätter von Windkraftanlagen können
zu schweren Schäden an der gesamten Anlage führen. Als besonders
kritisch erwiesen sich dabei in der Vergangenheit instabile
Schwingungsphänomene wie das sog. Flattern (engl. ''flutter''), das
bei Stall-geregelten Maschinen im Falle starker Winde auftreten kann, wenn
die Rotorblätter im abgelösten Strömungszustand operieren.
Für eine sichere Auslegung ist es deshalb wünschenswert, Werkzeuge zu
entwickeln, die bereits in der Entwurfsphase eine Vorhersage dieser instabilen
Schwingungsvorgänge erlauben.
Die relevanten Phänomene, die auf stark gekoppelten
strömungsmechanischen und
strukturmechanischen Effekten basieren, können prinzipiell durch ein
numerisches Simulationsverfahren beschrieben werden. Dafür wird das
Rotorblatt
in eine Vielzahl von Einzelelementen zerlegt, für die sich jeweils
repräsentative Matrizen sowohl für die aerodynamische als auch die
strukturdynamische Dämpfung und Steifigkeit bestimmen lassen.
Durch die Kombination der Elemente zu einem Gesamtsystem lässt sich das
Schwingungsverhalten des Rotorblatts dann bei unterschiedlichen
Strömungsbedingungen simulieren.
Im Rahmen der Studienarbeit soll das Auftreten von Instabilitäten
am Beispiel einer Anlage mit einer Kapazität von 600KW bis 750KW
untersucht werden. Die strömungsmechanische Auslegung erfolgt nach
Schmitz (siehe [1]). Auf der Basis der aerodynamischen Kräfte für
den gesamten auftretenden Anstellwinkelbereich sollen dann die Einzelmatrizen
für alle Blattquerschnittsflächen bestimmt
werden und mit dem Übertragungsmatrizenverfahren zu einem einzigen
gekoppelten Simulationsverfahren kombiniert werden, das die Simulation der
Schwingungsdynamik für unterschiedliche Parameter zulässt.
Ziel der Arbeit ist es, mit dem erstellten Programm die Grenzen des
Betriebsbereichs zu ermitteln, in dem das Auftreten von Instabilitäten
ausgeschlossen werden kann und somit ein sicherer Betrieb gewährleistet
ist.
Die Ergebnisse sind ausführlich zu dokumentieren
und kritisch zu diskutieren.
Literaturhinweise:
[1] R. Gasch,
Windkraftanlagen,
Teubner Verlag, 2004.
Webmaster
Last modified: Wed Feb 04 15:50:50 CEST 2004