Reduzierte Windschwingungen an Brücken und Rotorblättern von Windkraftanlagen
Die Rotorblätter von Windkraftanlagen werden immer größer und länger, wobei man sie aus immer leichterem und flexiblerem Material konstruiert, was sie anfälliger für Gleichlaufschwankungen und Flatterschwingungen (Buffeting) werden lässt. Hinter Gleichlaufschwankungen verbirgt sich Instabilität aufgrund negativer Dämpfungseffekte, die bei ausreichend hohen Windgeschwindigkeiten auftreten können, wohingegen Flatterschwingungen durch Turbulenzen oder andere Störungen wie etwa Wirbelschleppen im ankommenden Windfeld verursacht werden. Diese Phänomene können erhebliche Schäden durch Materialermüdung verursachen und die Gebrauchstauglichkeit der Bauteile untergraben. Aus diesem Grund wurde das Projekt ACTAGREEN (Aeroelasticity control for transportation and green energy) eingerichtet, um nach allgemein brauchbaren Verfahren zur Analyse und zur Unterdrückung von durch Wind verursachten Schwingungen an großen, flexiblen Ingenieurbauwerken zu suchen. Die Initiative kombinierte Expertenwissen aus der Mechanik, Aerodynamik und Steuerung und begann mit der Untersuchung der Grenzen und des Potenzials von Vorder- und Hinterkanten bei der Unterdrückung aeroelastischer Instabilitäten. Resultate zeigten, dass, obgleich eine Stabilisierung des Systems relativ leicht zu erzielen ist, es gegenüber Windgeschwindigkeiten oberhalb der Torsionsdivergenzgeschwindigkeit empfindlich ist. Diese wichtige Feststellung setzt eine qualitative Grenze sowie Richtwerte für die Leistungsfähigkeit sämtlicher Steuerungen, die Winglets an der vorderen und hinteren Kante einsetzen. Für den Fall weitspanniger Brücken wurde zudem festgestellt, dass es möglich war, die Leistungsfähigkeit des Bauwerks erheblich zu steigern, indem das Brückendeck entlang eines Drittels der Gesamtlänge der Hauptspannweite mit steuerbaren Klappen ausgestattet wurde. Es wurden Windkanaltests durchgeführt, um die numerischen Ergebnisse zu bestätigen. Sie ergaben, dass die Brücke mit Klappen an der Vorderkante und gesteuerten Randklappen wirkungsvoll stabilisiert werden konnte. Zudem diente der Einsatz von passiven Systemen, die keine Energieversorgung brauchen, der Entwicklung des neuartigen Klappenmassendämpfers (Flap Mass Damper, FMD), der Energie von der schwingenden Struktur absorbiert. Die Forscher wiesen außerdem nach, dass die „Streifentheorie“, nach der auf einen gegebenen Abschnitt einwirkende aerodynamische Kräfte nur von dem Strömungsfeld in diesem Abschnitt abhängen, unabhängig vom der Größenordnung der Turbulenz auf weitspannige Hängebrücken angewendet werden können. Diese Resultate sind gleichermaßen für Tragflächen oder Rotorblätter von Bedeutung. ACTAGREEN wird dem Sektor, der mit Brückenkonstruktion und -bau zu tun hat, sowie der Windkraftanlagenindustrie von Nutzen sein. Auch den EU-Bürgerinnen und Bürgern werden die Ergebnisse zugute kommen, da es hier um den Zugang zu kostengünstigerer Mobilität und Windenergie geht. Nebenprodukte der Arbeit finden überdies maßgebliche Anwendung bei der fluiddynamischen Steuerung weiterer flexibler Strukturen, die innerhalb eines flexiblen Strömungsfelds operieren.
Schlüsselbegriffe
Gleichlaufschwankung, Flatterschwingung, Buffeting, Windkraftanlage, ACTAGREEN, Aeroelastizität, Klappenmassendämpfer