Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung einer aerodynamischen Federhaut auf Basis faserverstärkter Siliconschichten für den Einsatz auf Rotorblättern zur Reduktion dynamischer Lasten

Ziel des Forschungsvorhabens ist es, Elastomerfolien zu entwickeln, die für den Einsatz als passive und selbst-adaptierende Strukturen zur aerodynamischen Beeinflussung ablösegefährdeter Strömungen an Rotorblättern geeignet sind. Es sollen die optimalen Schichteigenschaften sowie geeignete Flap-Formen ermittelt werden, mit denen Ablöseeffekte minimiert werden können. Dazu ist es notwendig, insbesondere die mechanischen Eigenschaften der Elastomerschichten als auch die Form und Anordnung der Flaps zu variieren und die resultierende Wirkung auf die Tragflügelumströmung systematisch zu untersuchen.

Die Bearbeitung erfolgt in drei Arbeitsschwerpunkten:

A) Entwicklung und Herstellung von Elastomerfolien auf Siliconbasis mit Festigkeitsträger;

B) Entwicklung von Methoden zur Strukturierung der Elastomerschichten und zur Applikation auf Rotorblätter und

C) Untersuchung des aerodynamischen Verhaltens.

Die Innovation dieses Ansatzes umfasst nicht nur die Anwendung auf Rotorblättern, sondern ist für Tragflächen im Bereich der Luftfahrt wie auch bei Ventilationssystemen gleichermaßen einsetzbar. Die neuartigen Flapstrukturen sollen beitragen, dass

• die Energieausbeute der Windkraftanlagen auch bei höheren Windstärken noch möglich wird

• die akustischen Geräuschemissionen verringert werden

• die Betriebssicherheit erhöht wird.

Die Anwendung von Elastomerfolien trägt zur Öffnung eines neuen Geschäftsfeldes im Bereich der Schichtherstellung und -verarbeitung mit einem Potential allein für den deutschen Markt von ca. 1 Mio. m² jährlich bei. Sie liefert wichtige Impulse zur Verbesserung der Energieausbeute und Akzeptanz der Windenergie, wovon die Branche der Hersteller und Betreiber von Windenergieanlagen profitieren. Den Anteil der Windkraft in Deutschland weiter zu steigern, entspricht der Umsetzung des Energiekonzeptes der Bundesregierung von 2010, wonach der Ausbau und die Integration erneuerbarer Energien die wichtigsten Faktoren der künftigen Stromerzeugung sind.

Ergebniszusammenfassung:

Das Ziel des Projektes, Elastomerfolien zu entwickeln, die für den Einsatz als passive und selbst-adaptierende Strukturen zur aerodynamischen Beeinflussung ablösegefährdeter Strömungen geeignet sind sowie die Erarbeitung geeigneter Strukturen und Anordnungen der Flaps, mit denen die Auswirkungen lokaler Strömungsablösungen an Rotorblättern auf die dynamischen Lasten verringert werden können, wurde teilweise erreicht. Es wurden Flapmaterialien auf Basis von Silicon entwickelt, die eine hohe Flexibilität aufweisen. Hergestellt wurden sowohl Folien als auch textilverstärkte Verbunde. Beide Materialien sind geeignet, um die entsprechenden Flapgeometrien zu realisieren. Ein idealer Prozess dafür ist das Laserschneiden. Da es sich bei Silicon um ein thermisch nicht aktivierbares Material handelt, wurde ein Klebeprozess erarbeitet, mit dem die Flapmaterialien haftfest auf dem Tragflügel angebracht werden können. Systematische Untersuchungen im Windkanal ergaben, dass die Anordnung der Flaps auf der Vorder- und Hinterkante des Tragflügelprofils die optimale Variante ist. Im Vergleich zum Referenzprofil wurde mit dieser Konfiguration vor dem Strömungsabriss eine Auftriebssteigerung von 2,5 % und nach dem Strömungsabriss von ca. 50 % erreicht. Der Vergleich der verschiedenen Flapmaterialien zeigte, dass mit unverstärkten Siliconfolien die besten Ergebnisse erzielbar sind. Unter Nutzung der optimalen Flapposition wurde das Verhalten der mit Flaps beklebten Tragflügel untersucht. Während sich die Strömung beim Referenzprofil bei einer Böe ablöst, konnte dies bei Verwendung des Profils mit den Flaps verhindert werden. Die experimentellen Befunde wurden durch numerische Simulationen verifiziert. Die Projektarbeiten haben gezeigt, dass der Ansatz, freibewegliche Flaps zur Auftriebssteigerung und Verzögerung des Strömungsabrisses zu verwenden, erfolgreich ist. Allerdings ist eine weitere Optimierung des Flapmaterials unter Freifeldbedingungen erforderlich.