Zeitschrift für Grundlagen erneuerbarer Energien und Anwendungen
Offener Zugang

Abstrakt

Eine Überprüfung der Belastungsbedingungen vor Ort für die mathematische Modellierung asymmetrischer Rotorblätter von Windkraftanlagen

Bardsley A, Whitty JPM, Howe J und Francis J

In diesem Artikel werden verallgemeinerte Lösungen der klassischen Balkenmomentgleichung zur Lösung der Durchbiegungs- und Dehnungsfelder von Windturbinenblättern aus Verbundwerkstoffen untersucht. Es wird ein verallgemeinertes Momentenfunktional vorgestellt, um das Moment an jedem Punkt eines Blattes/Balkens unter Verwendung von Lastfällen vor Ort effektiv zu modellieren. Die Modelle gehen davon aus, dass die Komponenten aus quasi-isotropen Verbundwerkstoffen in der Ebene mit einem Gesamtelastizitätsmodul von 42 GPa bestehen. Genaue Lösungen für die Verschiebung und Dehnungen für ein angepasstes Tragflächenprofil, das in der Literatur beschrieben und mit einem anderen durch die Joukowski-Transformation definierten Profil verglichen wird. Modelle ohne Versteifungsrippen führten zu Durchbiegungen der Blätter, die die allgemein akzeptablen Kriterien der Konstruktionsvorschriften überstiegen. Jedes der entwickelten Modelle wurde streng validiert, und zwar mithilfe numerischer (Runge-Kutta) Lösungen einer identischen Differentialgleichung, die zur Ableitung der vorgestellten analytischen Modelle verwendet wurde. Die Ergebnisse der robusten Konstruktionscodes, die in der Open-Source-Computer Aided Software (CAS) Maxima geschrieben wurden, stimmen nachweislich mit Simulationen unter Verwendung der kommerziellen Finite-Elemente-Codes (FE) von ANSYS sowie mit experimentellen Daten überein. Eine wichtige Folgerung aus der theoretischen Behandlung ist, dass diese Lösungen nun in Konstruktionscodes verwendet werden können, um die Festigkeit analoger Komponenten zu maximieren, die in der Luft- und Raumfahrt und insbesondere im Bereich der erneuerbaren Energien verwendet werden, während gleichzeitig ihr Gewicht und damit ihre Kosten deutlich reduziert werden. Es werden die realistischsten Belastungsbedingungen vor Ort für ein dynamisches und ein stationäres Rotorblatt vorgestellt, die sich als einzigartig für das optimale Blattspitzengeschwindigkeitsverhältnis, die Blattabmessungen und die Windgeschwindigkeit erweisen.