Wir sprechen von intelligenter Mechanik, wenn ein mechanisches System die Idee eines Manövers erkennt, sich passiv klug verformt und dann autonom dieses Manöver ausführt. Die Energie der Formänderung der Struktur stammt aus der Umgebung.
Konzepte der Autoadaption in der belebten und unbelebten Natur und in der Technik implizieren Transformation und Gestaltwandel und zielen auf eine Funktionsänderung. Erfolgt der Gestaltwandel nicht durch Wechsel einer Anordnung (z.B. ein Hebel wird ausgetauscht) sondern in der Struktur (z.B. die Verwölbung einer Funktionsfläche), treten Verschiebungen und Verzerrungen des Körpers auf, deren Zustandsbeschreibungen sehr komplex sein können. Differentialkonstruktionen sind gut geeignet, Bauteile oder Baugruppen zu substituieren und dem Gesamtsystem eine Änderung der Funktion aufzu-prägen. Integralkonstruktionen sind einer Substitution (eher) unzugänglich; die geforderte Transformationstauglichkeit muss ihnen inhärent sein. Fragen wir also nach der Beschaffenheit der Inhärenz der Gestaltwandelbarkeit. Adaptionsszenarien setzen eine formale Eignung des Systems zur Transfor-mation, zum Gestaltwandel und zu einer Funktionsänderung voraus. In einem ersten Hub mag man vielleicht von einer „gewissen Flexibilität“ des Systems sprechen und damit die Elastizität einer Struktur meinen. Sicher bieten in bestimmten Fällen elastische Systeme Vorteile. Lösungsprinzip, Konzept, Entwurf, Konstruktion, Prototyping und experimen-telle Erprobung flexibler Tragflügel für Strömungsmaschinen nach dem Vorbild der Mittelhandknochen (Meta-Carpus) der Meeressäger. Die Prinzipielle Lösung schließt numerische Analysen von Strukturkinematik und Strömung ein.
Inhaltsverzeichnis
1. TITEL der Forschungslinie
2. CARPO.POC (Proofe of Concept)
3. PRÄAMBEL
4. ADAPTION
5. GESTALTÄNDERUNGSPARADIGMATA
6. GEGENSTAND DER UNTERSUCHUNG
7. GEBLÄSE
7.1 STAND DER TECHNIK. Gebläse
7.2 Tragflügelprofile für Axialgebläse
7.3 STAND DER TECHNIK. Variable Geometrie von Leitapparat und Laufzeug
7.4 PROBLEMSTELLUNG. Verdichter und Gebläse
7.5 PROBLEMLÖSUNG. Verdichter und Gebläse. (CARPO.FAN)
8. H-ROTOR
8.1 STAND DER TECHNIK. H-Rotoren
8.2 PROBLEMSTELLUNG. H-Rotoren
8.3 PROBLEMLÖSUNG. H-Rotoren (CARPO.H)
9. WELLS TURBINEN
9.1 STAND DER TECHNIK. Wells Turbinen
9.2 PROBLEMSTELLUNG. Wells Turbinen
9.3 PROBLEMLÖSUNG. Wells Turbinen (CARPO.WELLS)
10. BIOLOGIE und TECHNIK
10.1 STAND DER WISSENSCHAFT. BIOLOGIE
10.2 PROBLEMSTELLUNG. Bionik
10.3 PROBLEMLÖSUNG. Bionik
10.4 BIONIK. CARPO.
10.5 PRODUKTENTWICKLUNGSMETHODEN
10.6 VORARBEITEN (BHT, Methoden in der Produktentwicklung)
10.7 METHODEN DER BIOSYSTEMANALYSE
10.8 METHODEN DER INDUSTRIELLEN PRODUKTENTWICKLUNG
Zielsetzung & Themen
Das Hauptziel der Arbeit ist die Untersuchung und Validierung von belastungsadaptiven Tragflügelgeometrien für Rotationssysteme. Die Forschungsfrage konzentriert sich darauf, wie physikalische Einwirkungen (Impact) durch fluidmechanische Wechselwirkungen in eine vorteilhafte Gestaltänderung übersetzt werden können, um die Effizienz von Strömungsmaschinen wie Gebläsen, Windkraftanlagen und Turbinen passiv zu optimieren.
- Übertragung biologischer Gestaltungsprinzipien (z.B. Mittelhandknochen von Wirbeltieren) auf technische Tragflügelsysteme.
- Anwendung des CARPO-Konzepts zur passiven, belastungsadaptiven Formveränderung von Schaufelgeometrien.
- Systematische numerische Analyse mittels Finite-Elemente-Methode (FEM) und Strömungsmechanik (CFD).
- Optimierung des Wirkungsgrades durch Vermeidung von Strömungsabrissen in Off-Design-Betriebszuständen.
- Vergleich verschiedener Profilkonturen (Symmetrisch vs. Asymmetrisch vs. Synthetisch).
Auszug aus dem Buch
GEBLÄSE
STAND DER TECHNIK. Gebläse
Pumpen, Verdichter und Gebläse sind Arbeitsmaschinen. In Strömungsarbeitsmaschinen wird von einem mit Schaufeln besetzten Rotor an ein kontinuierlich strömendes Fluid Arbeit übertragen und ihm dadurch Energie zugeführt. Verdichter und Gebläse sind entscheidende Elemente industrieller verfahrenstechnischer Prozessketten. Sie übernehmen vielfältige Förderaufgaben von Flüssigkeiten und Gasen in fast allen technischen Anlagen. Weltweit fließen etwa 20% der industriell eingesetzten Energie in (fluidische) Förderleistung.
Bei Axialgebläsen ist die parallel zur Rotorachse gelegene Geschwindigkeitskomponente maßgebend. Verdichter und Gebläse sind auf eine bestimmte Volumenförderleistung (bei definierter Druckhöhe) ausgelegt. In diesem Design-Betriebspunkt arbeitet das Gebläse optimal und mit hohem Wirkungsgrad. Der reale Fall stellt sich häufig anders dar: in der industriellen Praxis arbeiten Gebläse meist nicht im Design-Betriebspunkt. Ist die tatsächliche Kennlinie der zu versorgenden Anlage vom Auslegungsfall abweichend oder der Förderbedarf schwankend, spricht man vom Off-Design-Betrieb. Fast alle Gebläse arbeiten mehr oder weniger im Off-Design. Verluste durch schlechtere Wirkungsgrade sind die Folge und summieren sich durch den stark verbreiteten Einsatz von Gebläsen zu beträchtlichen Summen.
Zusammenfassung der Kapitel
GEBLÄSE: In diesem Kapitel werden Pumpen, Verdichter und Axialgebläse als industrielle Arbeitsmaschinen eingeführt, wobei die Problematik des ineffizienten Off-Design-Betriebs bei Abweichungen vom Auslegungspunkt thematisiert wird.
H-ROTOR: Das Kapitel analysiert die Bedeutung der Windkraft für die Energiewende und bewertet die Vor- und Nachteile von H-Rotoren im Vergleich zu klassischen Horizontal-Windturbinen hinsichtlich ihrer Betriebseigenschaften und Wirtschaftlichkeit.
WELLS TURBINEN: Hier wird der Fokus auf die Nutzung der Wellenenergie mittels Wells-Turbinen gelegt, wobei das Problem starrer, symmetrischer Schaufelprofile bei oszillierenden Luftströmen in Wellenkraftwerken aufgezeigt wird.
BIOLOGIE und TECHNIK: Dieses zentrale Kapitel schlägt die Brücke zwischen biologischen Vorbildern, wie der Kinematik von Fischflossen, und der Entwicklung von technischer „intelligenter Mechanik“ zur belastungsadaptiven Formoptimierung.
Schlüsselwörter
Belastungsadaptive Tragflügel, Fluid-Struktur-Wechselwirkung, CARPO-Prinzip, Axialgebläse, H-Rotor, Wells-Turbine, Bionik, Mittelhandknochen, Strömungsmechanik, FEM, CFD, Off-Design-Betrieb, Profiloptimierung, Passive Adaption, Produktentwicklung.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit untersucht, wie biologische Gestaltungsprinzipien genutzt werden können, um technische Bauteile in Strömungsmaschinen durch passive Verformung an wechselnde Lastbedingungen anzupassen.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Themen sind Bionik, Strömungsmechanik (CFD), Strukturmechanik (FEM), die Entwicklung von belastungsadaptiven Tragflügeln und die Optimierung von Rotationssystemen.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Das Ziel ist die Reduktion von Verlusten in Strömungsmaschinen, indem Tragflügelprofile so gestaltet werden, dass sie ihre Form unter Last autonom und ohne externe Steuerung vorteilhaft anpassen.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es wird eine Kombination aus Bionik (Übertragung von Knochenstrukturen auf Technik), numerischer Simulation (FEM für Strukturverformung und CFD für Strömungsphänomene) sowie experimentellen Probenkörperuntersuchungen angewandt.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil behandelt die theoretischen Grundlagen der Fluid-Struktur-Wechselwirkung, die Analyse von Gebläsen, H-Rotoren und Wellsturbinen sowie die methodische Entwicklung von adaptiven Profilen.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind Belastungsadaptive Tragflügel, Fluid-Struktur-Wechselwirkung (FSI), CARPO-Prinzip, passive Adaption und strömungstechnische Wirkungsgradoptimierung.
Was unterscheidet das CARPO-Prinzip von herkömmlichen Konstruktionen?
Herkömmliche Konstruktionen sind oft starr und verlieren bei Off-Design-Betrieb an Effizienz; das CARPO-Prinzip nutzt eine gezielte strukturelle Elastizität, um eine automatische, belastungsabhängige Formkorrektur zu erreichen.
Warum sind Fischflossen ein Vorbild für die technische Entwicklung?
Fischflossen verfügen über eine „inhärent intelligente Mechanik“ durch ihre Gelenkplatten-Strukturen, die es dem Tier ermöglichen, mit minimalem Aufwand auf komplexe Strömungen zu reagieren und diese sogar zur Vortriebsoptimierung zu nutzen.
Welche Rolle spielt die FEM-Analyse in diesem Dossier?
Die FEM-Analyse dient dazu, das Verformungsverhalten der entworfenen Probenkörper unter definierter Last exakt zu bestimmen und die theoretischen Gestaltungsansätze zu validieren.
- Citation du texte
- Dipl.-Ing. Michael Dienst (Auteur), 2016, Dossier über den Stand der Entwicklung der CARPO-Technologie für Rotationssysteme, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/343075
