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DMS-Kraftsensorik für den Windkanal

Prof. Dr. Heiko Meironke, Fachbereich Maschinenbau

Die DMS-Kraftsensorik wird für die Bearbeitung und Akquise von Forschungsprojekten im Bereich der Fluidmechanik und Aerodynamik eingesetzt. Die DMS-Kraftsensorik für den Windkanal wird eingebunden in ein schon bestehenden Umlauf-Windkanal und dient der Bearbeitung aktueller Projekte und der Erhöhung der Kompetenz für neue Drittmittelprojekte. In dem Windkanal sollen im Rahmen von verschiedenen Forschungsprojekten experimentelle strömungsmechanische Untersuchungen an verschiedenen Rotorkonfigurationen für sowie allgemein die Analyse der Umströmung von Profilen durchgeführt werden.

Zur Durchführung von strömungsmechanischen Untersuchungen in dem Umlauf-Windkanal wird eine DMS-Kraftsensorik für die Messtrecke des Windkanal benötigt mit dem Aussagen zu aerodynamischen Kräften möglich sind. In dem Windkanal sollen im Rahmen von verschiedenen Forschungsprojekten experimentelle strömungsmechanische Untersuchungen an verschiedenen Rotorkonfigurationen für sowie allgemein die Analyse der Umströmung von Profilen durchgeführt werden. Bei der Umströmung von Rotorprofilen bei Windgeneratoren mit vertikaler Achsausrichtung treten während jeder Umdrehung des Rotors starke periodisch schwankende Kräfte auf. Die sind einerseits begründet durch die Geometrie der Rotoren, die aus wenigen Profilen bestehen die wiederum um eine vertikale Achse rotieren. Durch die Rotation der Vertikalachsenrotoren ändern sich ständig die Anstellung der Profile zum Wind, d. h. der Anströmwinkel und damit auch die Relativgeschwindigkeit der Profile zum Wind. Dies führt zum Durchfahren von Positionen mit größten und kleinsten Strömungswiderständen. Abhängig von der Drehzahl und multipliziert mit der Anzahl der Profile führt dies mit jeder Umdrehung zu einer entsprechend periodisch schwankenden Widerstandskraft.

Durch die unterschiedliche Oberflächenkrümmung der Profile und des sich ständig ändernden Anströmwinkels entsteht ebenfalls eine periodisch schwankende Auftriebskraft deren Wirkrichtung nicht mit der Wirkrichtung der Widerstandskraft übereinstimmt und somit zu einer Querkraft führt. Durch die Rotation von Vertikalachsenrotoren kann auf Grund unterschiedlicher Relativgeschwindigkeiten ihrer „Zylindersäulenoberfläche“ über ihren Umfang im Verhältnis zum Wind auch ein Magnus-Effekt zu weiteren Querkräften führen. Die Resultierende der Kräfte wirkt als eine stark schwankende Belastung auf die Konstruktion, was entsprechend hohe Anforderungen an die rechnerische Dimensionierung der Windkraftanlage erfordert.

Das Ermitteln dieser Belastungen soll durch experimentelle strömungstechnische Untersuchungen an verschiedenen Windgenerator-Modellen im Windkanal erfolgen, mit der Zielstellung eine Optimierung der Rotoren bzgl. Geometrie, Leistung, wirkender Kräfte, Optik durchführen zu können. Voraussetzung ist eine DMS-Kraftsensorik, welche die Momente sowie die Schub-, Auftriebs- und Seitenkräfte mit einer hohen Genauigkeit auflöst.

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