Untersuchung des dynamischen Nickverhaltens eines aerodynamischen Profils vor dem Hintergrund der Anstellwinkelregelung durch Pivot-Punkt Verschiebung (PDF)

Ein Forschungsgebiet des Aerodynamischen Instituts an der RWTH Aachen (AIA) ist die Energiegewinnung aus Windkraft. Dabei wird unter anderem Grundlagenforschung auf dem Gebiet der Vertikalachswindenergieanlagen betrieben. Diese Bauform zeichnet sich durch eine zum Boden vertikale Drehachse aus.
Eine solche Anlage kann als Widerstandsläufer (z.B. Savanius-Rotor) oder Auftriebsläufer (z.B. HRotor) konstruiert werden. Als aerodynamisch effektiver haben sich die Auftriebsläufer erwiesen.
Diese nutzen die an einem umströmten Flügel entstehenden Auftriebskräfte um den Rotor zu drehen. Im Folgenden werden Auftriebsläufer mit in konstantem Abstand zur Rotorachse parallel
angeordneten Flügeln mit konstantem Querschnitt betrachtet. Zu dieser Gruppe zählt beispielsweise der H-Rotor (Hau, 2008).
Während bei herkömmlichen Anlagen dieser Bauform die Rotorblätter fest eingespannt sind, gibt es Konzepte, die einen variablen Anstellwinkel der Rotorblätter realisieren um somit den Auftrieb
effektiver nutzen zu können. Eine Umsetzung ist z.B. die 'Cycloidal Wind Turbine'. Bei diesem Konzept wird das Blatt über einen Bowdenzug mit Hilfe eines Elektromotors um den gewünschten
Winkel gedreht. Ein Rechnersystem steuert den Motor und gibt den optimalen Anstellwinkel vor (Hwang, Min, Jeong, Lee, & Kim, 2005). Ein Nachteil dieser Anstellwinkelregelung ist, dass eine
beträchtliche Hilfsenergie notwendig ist um den Flügel in die gewünschte Position zu drehen.
In dieser Studienarbeit soll daher ein Konzept untersucht werden, dass nicht den Flügel dreht, sondern die Einspannung des Flügels durch ein Gelenk ersetzt und die Position dieses Gelenkpunktes
(auch als Pivot-Punkt bezeichnet) verändert. Die Drehung des Pivot-Punktes erfolgt dann durch die in Folge von Druck und Beschleunigung am Flügel angreifenden Kräfte und Momente. Dazu wird zunächst der weniger komplexe Fall eines Hubflügels mit konstanter Anströmung betrachtet und das Modell dann auf die beschriebene Vertikalachswindenergieanlage erweitert. In beiden Fällen wird
ein zweidimensionales Modell betrachtet. Ziel der Arbeit ist es bei gegebenem optimalem Verlauf des Anstellwinkels den erforderlichen Verlauf der Position des Pivot-Punktes heraus zu finden.