FlexWing_Strömung-Struktur-Eigenschaften von flexiblen Tragflächen für Windrotoren

Projektförderung

Motivation und Zielsetzung

Im vorliegenden Forschungsvorhaben sollen die Eigenschaften einer flexiblen Tragfläche(„FlexWing“) für die Strömungsbedingungen bei Windkraftanlagen detailliert untersucht werden,um daraus Rückschlüsse für das Potenzial einer derartigen Anwendung zu gewinnen.Membranstrukturen tragen äußere Belastungen hocheffizient über Membranspannungen ab undkönnen somit mit minimalem Materialeinsatz sehr große Spannweiten erreichen. Charakteristisch sind die direkte Kopplung von Geometrieund Spannungszustand, was in der Regel große Deformationen unter äußeren Belastungen zurFolge hat, und die Prägung des Strukturverhaltens durch geometrische Nichtlinearitäten. Um unerwünschte Verformungen oder lokale Faltenbildung unter äußeren Belastungen zu vermeiden,müssen diese Strukturen durch Vorspannung und Flächenkrümmung stabilisiert werden. Die Ermittlung der vorgespannten Konfiguration ist das Ergebnis einer speziellen nichtlinearenAnalyse, der sog. Formfindung. Wesentliche formgebende Parameter sind die Größe und Verteilung der Vorspannung, dieGeometrie der Ränder, Vorspannung von Rand-, Grat- und Kehlseilen sowie der Einfluss weitererexterner Lastfälle, wie z.B. stabilisierender Innendruck bei sog. Pneukonstruktionen. Aufgrund der Nichtabwickelbarkeit der Freiformflächen von Membranstrukturen ergibt sich ein Zuschnittsproblemfür die ebenen Materialbahnen, zu dessen Lösung spezielle numerische Lösungsstrategienzur Abwicklung und Dekompensation entstanden sind.

Dem Konzept von „SailWing“-Rotoren für Windkraftanlagen wurde Ende der 1970er Jahre einevergleichbare Leistungsfähigkeit mit der konventioneller Holm-Haut-Konzepte bescheinigt und hinsichtlichkosteneffizienter Energierzeugung als ebenbürtig befunden. Bei dieser Studie blieb jedoch die Interaktion zwischen Strömung und flexibler, membranähnlicher Blattoberfläche unberücksichtigt, welche einen deutlichen Einfluss auf die aerodynamische Leistung einerseitsund auf die strukturellen Lasten andererseits hat. Eine Neubetrachtung wird unter Berücksichtigungdes rapiden Fortschritts bei Berechnungsverfahren und Materialien als dringendnotwendig erachtet.Darüber hinaus können flexible Blätter relativ zu herkömmlichen Rotoren ggf. leichter und/oderlänger gebaut werden und dabei geringere Betriebslasten aufweisen als konventionelle Blätter. Im Rahmen dieses Projektes sollen durch numerische Simulationen der Interaktionsvorgänge undValidierungsexperimente im Windkanal das mögliche Potenzial beleuchtet werden.