Analyse des Strukturverhaltens eines Rotorblatts einer Kleinwindanlage

Kurzfassung

Bei der Einführung eines neuen Produktionsprozesses für ein bereits existierendes Windrotorblatt entstehen viele neue Anforderungen an das Design und die Materialien. Diese Masterarbeit unterstützt die Enbreeze GmbH bei der Einführung eines solchen neuen Herstellungsprozesses. Die im Rotationsschmelzverfahren produzierten Rotorblätter sollen dabei die herkömmlich produzierten CFK/GFK-Versionen ersetzen. Dazu werden thermoplastische Kunststoffe in einer schwenkbaren Form zum Schmelzen gebracht und automatisiert in der gewünschten Form wieder erhärtet. Der Fokus dieser Arbeit liegt allerdings nicht auf dem eigentlichen Produktionsprozess, sondern auf der Analyse des Strukturverhaltens eines solchen Rotorblattes. Dies geschieht im Wesentlichen auf der Grundlage der Design Umgebung DELiS und dem FE-Programm ANSYS. Im Detail besteht diese Arbeit dabei aus zwei Hauptaufgaben. Der erste Teil bildet die Bestimmung und die Verifizierung geeigneter Eingabeparameter. Dies ist unabdingbar, da die Design Umgebung DELiS bisher keinem praktischen Einsatz unterzogen worden ist. Aus diesen Analysen ergeben sich normierte Richtwerte für eine geeignete Diskretisierung und Lasteinleitung. Im Anschluss an die Verifizierung wird auf dieser Grundlage ein geeignetes FE-Modell eines Windrotorblattes der Enbreeze Kleinwindanlage erzeugt und analysiert. Dabei werden insgesamt vier unterschiedliche Grundvarianten mit einer variierenden Anzahl an Holmen untersucht. Zusätzlich werden verschiedene, potenzielle Werkstoffe für die Enbreeze Windrotorblätter überprüft. Im Detail sind dies Polyethylen, Polypropylen und Polyamid 6 für die Außenhaut und Aluminium 7075 bzw. der Stahl S235JR für den Holm. Die Grundlagen der abschließenden Evaluation sind die in den DIN-Richtlinien EN 61400-2:2015-05 hinterlegten Sicherheiten gegen Festigkeits-, Ermüdungs- und Stabilitätsversagen. Aber auch der Einfluss der Temperatur fließt ebenso wie die Robustheit gegenüber Fertigungsabweichungen und die jeweiligen Materialkosten in die abschließende Bewertung mit ein. Auf diesen Grundlagen hat sich vor allem Polypropylen als Werkstoff für das Rotationsschmelzverfahren herauskristallisiert. Auf die jeweilige Gesamtmasse bezogen, bietet es die besten Festigkeitskennwerte. Für die Integration eines zusätzlichen Holmes bietet sich besonders Aluminium als zugleich leichtes und widerstandsfähiges Material an. Dabei liefern sowohl die Windrotorblattvarianten mit einem als auch die mit zwei Holmen gute Gesamtresultate.