Da ich noch immer auf ein Drehteil warten muss, habe ich in der Zwischenzeit die Haltbarkeit der Achsverschraubung mittels FEM simuliert.
1. Angaben und Vorberechnungen
Trägheitsmoment für 3 Black-600 Blätter als Rotor vereint mit Außen-D 1,68 m: J=0,545 Kgm² (Aus CAD)
Erwartbare Betriebswerte:
11 m/s; TSR 5,75; 750 u/min; Schub 100N;
15 m/s ; TSR 5,5; 1000 u/min; Schub 190N; (Ist die Bö von 11 m/s)
Seitliches Wegschwenken (Furl-System) 90° in 1/2 s (Annahme)
Kreiselmoment durch seitliches Wegschwenken:
Gleichung (4) im Anhang umgestellt nach M: M = J*Omega*Omega_p
Omega = 2*Pi*fn; fn=750u/min/60=12,5 s
-2
f_p: 360°in 2 s, also f_p=0,5s
-1
Omega_p=2*pi*0,5s
-1
M=134 Nm
Selbst wenn das auf die senkrechte Azimutachse bezogen ist und sich konstruktionsbedingt bei mir noch um den Faktor 140mm/220mm abmildert, dann
85Nm, das ist viel! Entspricht dem Drehmoment, mit der meine Radschrauben am Auto angezogen werden.
Für die Simulation habe ich daher zunächst
42,5 Nm angenommen, entspricht Seitdrehung 90° in 1 s.
Generatormoment: Nach Vergleichsangaben 30 Nm
2. FEM-Simulation
Das ist das geometrische Ersatzmodell für die Achsverschraubung, schon mit den Randbedingungen für die Simulation.
A: In 140 mm Abstand von der Verschraubung befindet sich die Rotorebene. Dort Rotorgewicht 42 N.
B: 60 mm vor der Verschraubung Generatorgewicht 63 N.
C: Das Kreiselmoment, nach oben gerichtet, da Rotordrehung im Uhrzeigersinn
D:Rotorschub
H: Das Generatormoment
Ansich lässt sich bei ANSYS die Schraubenvorspannung mit vor sehen, ohne die die Simulation für die Katz wäre.
Funktioniert aber nicht bei hohlgebohrten Schrauben und schon garnicht bei abgeflachten.
Also der alte Kunstgriff, einen Körper durch zumessen einer Temperatur thermisch dehnen/schrumpfen zu lassen und damit die nötige mechanische Verspannung zu erreichen. Zu sehen im nächsten Bild.
Hier zunächst noch: E; F; G als weitere Tricks infolge Temp.-Erhöhung. Ohne die würde fixiert an E.
Ansich hätte ich auf 1000°C erwärmen müssen, um Schraubenmaterial mit 1/3 der Zugfestigkeit vor zu spannen. Hat aber sonderbarer Weise zu unangenehm hohen Gesamtspannungen geführt. Daher nur 300°C.
Hier als Ergebnis die Vergleichsspannungen, nur mal von der Achse.
Der MAX-Wert ist unten, da das Kreiselmoment gegen die Gewichtskräfte arbeitet.
3. Material und Si.-Faktoren
Für die Achse waren keine Angaben zu finden.
Mit der Feile über eine Kante gegangen, hat sich ergeben, dass das Material recht fest ist, aber nicht einsatzgehärtet.
Nehme daher an, dass es aus einem vorvergüteten Stahl besteht.
Der letzte mit noch 12% Bruchdehnung (also noch duktil, wenn weniger:spröde)) ist 34 CrMo 4,
mit Zugfestigkeit Rm=Ca. 1000N/mm
2
Da wäre die Forderung der EN 61400-2, wie ich sie verstanden habe, "Si-Faktor mindestens 3 bezogen auf die Zugfestigkeit", sogar mit
3,14 leicht übererfüllt, aber:
Solche Kleinanlagen schwenken eher in 1/2 s um 90° und nicht in 1 s. Das Kreiselmoment wird dabei doppelt so groß.
Auch ist zu vermuten, dass das Kurzschlussmoment dieses Generators höher ist als 30Nm. Selbst wenn ich mittels niederohmiger Ersatzlast mich mit einem "Softkurzschluss" begnüge,
ne "sichere Kiste" ist das nicht.
Mache trotzdem erst mal weiter. Mal sehen, wie er überhaupt anläuft.