Festigkeit von Rohrflügeln

Hallo allerseits,

nachdem der Oli die neue Version vom RoWi-Tool fertig hat Forum/cf3/topic.php?t=3502 - anbei ein paar FEM-Simulationen zu dem Flügel, den ich hier Forum/cf3/topic.php?p=23427#real23427 vorgestellt hatte. Ausgelegt noch nach RoWi-Tool 2. Macht aber den Kohl nicht fett.

Simuliert habe ich 3 Varianten: Polypropylen (PP), PVC und Al-Blech

PP gilt als leichtester Plastikwerkstoff. PVC ist schwerer, steifer und kann auch fester sein.

Hier die verwendeten Werte, teils aus www.Wikipedia.de
Wo große Streubreiten angegeben sind habe ich etwas Sinnvolles angenommen



Al-Leg gut witterungsbeständig!

Habe mit PP begonnen, da schwarzes Design mehr gefällig, und eine Wandstärke bei KG-Rohren von 7,7 mm gefunden, bei Innen- Ø 200, s. Dokument im Anhang.
Selbe Wandstärke auch bei PVC angenommen.
Beim Al Blech 2mm, da ich das schon mal zu einem Propeller verarbeitet habe.
Das Rollen auf 250mm ging noch. Weniger als 200 mm sind womöglich gar nicht drin.
Material ist durchaus festes Zeug mit nur 10% Bruchdehnung.
Geht nicht mit Handrollvorrichtung beim Klempner. Muss Rollmaschine sein!

Hier mal die Flügel als 3-Stern, mit ganz ordentlichem Design, denke ich.
Nabe, vielleicht als 3-Stern aus Flachmaterial oder direkt auf Flachgenerator aufgeschraubt, muss man sich dazu denken.



Bild1 - Rotordesign

Hier mal eine Vorstellung von den Finiten Elementen.



Bild 2 –Vernetzung, ein Flügel

Habe das benutzt, was ANSYS standardmäßig anbietet. Sind nur ca. 200 Elemente. Schnelle Berechnung.
Wird wesentlich mehr, wenn später zur Erzielung einer „Konvergenz“ 1 oder 2 Verfeierungen stattfinden. Das nur für FEM-Insider.



Bild 2a – Vernetzung nach 1. Verfeinerung



Bild 3 – Randbedingungen bei 10 m/s

Luftkraft dabei über ganze Fläche in Achsrichtung wirkend angenommen.
Größe berechnet aus F=Pwind/(2/3*Vw) [N] F*v ist nämlich eine Leistung
Der Wind soll ja um 2/3 in seiner Stärke reduziert werden.
Dabei bezogen auf 100% Energieinhalt. Grenzwert von Betz erscheint mir hier nicht legitim.
Vereinfachend Schraubenlöcher festgesetzt. Ist nicht unüblich.

Ergebnisse für PVC, 10m/s



Durchbiegung, immer Originaldarstellung 1:1



Verwindung in der Drehebene



Belastung, mit logarithmischem Farbschema


Die kritischen Zonen sind zu sehen. Der Nabenbereich.
Man vergleiche bitte selbst mit der Zugfestigkeit von PVC.
Laut EN 61400-2 in der Fassung von 1996 ist zu dieser 10 fache Sicherheit gefordert.
Wohl gemerkt, wir sind hier nur bei 10 m/s !


Da PP noch schlabberiger ist, sind die elastischen Verformungen noch größer.
Inzwischen habe ich aber Unterlagen, nach denen PP durchaus im E-Modul bis 3500 N/mm² getrieben werden kann. Festigkeit dann auch höher.
PP dann einerseits PVC leicht überlegen, da noch leichter.
Andererseits nicht fest zu verkleben, bezüglich: Nabenbereich muss verstärkt werden.
Auch lt. Wikipedia "Glastemperatur " bei -12°. Da wird es spröde.
Beide Plastikwerkstoffe sind nicht UV-fest, wenn nicht irgendwas spezielles zugesetzt wurde. Bei KG-Rohren nicht zu erwarten.
PVC, nicht unbedingt hellbraun, aber offensichtlich Naturfarbe, besser beschichtbar, auch als UV-Schutz.
PP eigentlich nur beklebbar mit Schutzfolie.

Ergebnisse Für Al-Legierung 2mm Blech, 12 m/s













Ist auch bei 12m/s steifer aber im Nabenbereich auch noch nichts für die Ewigkeit.
Werde mir für beide eine Nabenversteifung aus denken und noch einmal simulieren.

Einfach so je 2 Schrauben M8 mit Scheiben drunter, das ist nix, auch nicht mit Großscheiben.


Grüße vom Windfried

[size=10]Vorbeugen ist besser als nach Hinten fallen[/size]

Aber klar doch. Ist in den Bildern "Randbedingungen" zu sehen.
Habe auch mal getrennt simuliert, um den Einfluss der Fliehkraft von dem der Luftkraft zu trennen.

Gruß, A.

Hallo allerseits,

es geht mit dem Rohr auch haltbarer, wenn man den Nabenbereich verstärkt.

Habe dazu - pünktlich zum Nationalfeiertag - ein Beispiel.

Wo genau das selbe Rohrmaterial auf geklebt wurde, ist den FEM-Bildern zu entnehmen.
Damit sichs kleben lässt ist mit PVC gerechnet worden. Spezialkleber verwenden, der das Material etwas anlöst.
In wieweit Epoxidharz verwendbar ist, muss durch Klebeversuch ermittelt werden. PE-Harz wird vermutlich zu sehr anlösen.

Auf der saugseite vom Profil, also zur nabe hin, aufkleben, da dann Flügeloberfläche dort unberührt bleibt, wo Zugspannungen herrschen.

Hier die Ergebnisse für immerhin 12 m/s



Spannung am Hinterflügel
Verstärkung endet, bei Sicht von Hinten genau auf die Achse, in einem Kreisbogen bei 0,2 R (hier 140mm). Auf dieser Bahn bildet sich übrigens das Wirkprofil für
0,2 R. Profilierungen und Abrundungen nicht dargestellt.
Ob ein 3. Befestigungsloch sein muss? Schadet zumindest nicht.



Vergleichsspannung aus Sicht von Vorn



vergrößert



Die Durchbiegung bei 12 m/s und zugehöriger Nenndrehzahl


Das soll nicht als Festigkeitsnachweis gelten. Aber wenn bei der Verschraubung Beidseitig Großscheiben untergelegt werden, vielleicht sogar etwas angebogen (eingesattelt), dann noch ne Normalscheibe drüber, kann das schon was werden. Man vergleiche mit den Bildern oben.
Unbedingt Schraubenverbindung mit selbstsichernden Muttern oder Loctide bzw. Ersatzpräparat verwenden!
Plastik kriecht nämlich bei Belastung.

Gruß vom Windfried