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Aero Dynamik Consult GmbH, Dipl. Ing. Stefan Kleinhansl | Dynamik von Windenergieanlagen | Rostock Wind 2016 | 1 | 12.08.2016

Aero Dynamik Consult GmbH

Dynamik von Windenergieanlagen Herausforderungen der großen Rotoren von

Schwachwindanlagen

Dipl. Ing. Stefan Kleinhansl


73765 Neuhausen a.d.F. www.aero-dynamik.de

[email protected]



• Aerodynamische Auslegung von Rotorblättern

• Rotorblatt Strukturdesign

• Aeroelastische Berechungen

• Lastberechnungen

• Design mechanischer Komponenten

• Betriebsfestigkeitsanalysen

• Finite Elemente Berechnungen

Aero Dynamik Consult GmbH (1987 – 2016)

Ingenieur-Dienstleister

• Composite Bauteile für die Luftfahrtindustrie

JEC Paris 2015



Inhaltsverzeichnis

I. Motivation

• Dynamik des Rotors

• Campbell Diagramm

II. Lasten • Massenlasten • Windlasten • Rotational sampling

III. Dynamik des Rotorblattes

• Aeroelastik • Rotorblatt Eigenformen • Nicht-linearer Pitch Mode • Torsionsdivergenz

IV. Aktuelle Auslegungskriterien und -philosophien

V. Beispiel



Dynamik des Rotors

I. Motivation

0

φHub +1

+1

+

1

+

+1

+1

-2

+ +

1

-1

0

0

+1 +1

- +

1

uNacelle

Mode II Mode III Mode IV

Mode I

0 0 +



Campbell-Diagramm (i) I. Motivation

1Ω Eigen-

frequenz

ω

Turm- amplitude

Längsschwingung Quer-

schwingung

Rotordrehzahl [rpm]



Campbell-Diagramm (ii)

I. Motivation

Operating zone

5 10 15 20 25 [rpm]

1. Turm

1. Blatt Schlagen

1. Blatt Schwenken

Turm Torsion

2. Blatt Schlagen

2. Turm

1

2

3

4

[Hz]

1Ω

2Ω

3Ω

4Ω

5Ω

6Ω

7Ω

8Ω

9Ω

0

0,1 0,2 0,3 0,4 0 [Hz]



Massenlasten

II. Lasten

F

F

F

rs F

Fhori = ΔF sin Ωt

ΔF = Δm rs Ω2

Ωt Ωt

Δ

F

F = m rs

Ω2

Δ

m

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4η = Ω/ω0 1 Unterkritisch Überkritisch

m

mrs

m

mr

Ds

2

1



Windlasten

II. Lasten

Turbulenz

• Kurzzeitige lokale Änderungen

der Windgeschwindikeit und -

richtung

• Thermische and mechanische

(Bodenrauhigkeit) Einflüsse

=> Zeitlich und Räumlich



Rotational Sampling

II. Lasten

Rot Winkel [Ω t]

v(t

) W

ind

gew

sch

win

dig

ket

i

6π 2π 8π 4π

Ω t

Punkt

1

Punkt

3

Punkt

2

Punkt 1

Punkt 2

Punkt 3

v·T

T V



Aeroelastik


L

c

u

v2

Δvflap

v2

Δvflap

ΔL > 0

v2 Änderung des Auftriebs

ΔL reduziert Δvflap

Aero-Elastik = Aerodynamik hängt von der Strukturbewegung ab

Änderung des Auftriebs am Blattschnitt auf Grund der Strukturbewegung

Anliegende Strömung = Aerodynamische Dämpfung



Rotorblatt Eigenformen




Nicht-lineare Pitch-Torsions-Dynamik des Rotorblattes


Blade 1

Flap Deformation

Blatt 1

Blattposition 180°

dx i

cg i

ROTOR-

Achse

dx i

cg i

M i

M i Nicht lineare Pitch Torsions-

Momente durch Flap

Deformation

M i = m * g * dx i



Torsionsdivergenz


Es cg

Es

cg

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

30.0

0.0 5.0 10.0 15.0 20.0

Time [s]

roto

r sp

eed

[rp

m]

-0.45

-0.30

-0.15

0.00

0.15

0.30

0.45

speed

RX

TIP

ro

tati

on

[ra

d]

Torsionsdivergenz abhängig von:

• Position des Schwerpunkts in Tiefenrichtung

• Position des aerodynamischen Zentrums in Tiefenrichtung

• Position des Schubmittelpunktes in Tiefenrichtung



Schwachwindanlagen

IV. Aktuelle Auslegungskriterien

v

R TSR = Tip Speed Ratio

Drehzahl * Radius /

Windgeschwindigkeit

Übliche Schnelllaufzahlen: 6,5 – 10,5

(= Schnellläufer)

Definition der Schnelllauf

Rotorkennfeld

-0.10

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0

TSR [-]

CP [

-]

-2.0

-1.0

-0.5

-0.25

0.0

0.25

0.5

0.75

Pitch Angle [°]

Tip (Blattspitzen)-Verluste

zTip

84,1

Tipverluste sinken

mit Blattzahl und

Schnelllaufzahl



Schwachwindanlagen


Großer Durchmesser und niedrige Leistung

- Höhere überstrichene Fläche

- Niedrige Nennleistung reduziert Kosten des Getriebes und Generators

- Hoher Capacity factor

- Vestas V112 / 3 MW 305 W/m2

- Senvion 3,2M114 309 W/m2

- Nordex N117 / 2,4 MW 223 W/m2

- Gegensatz: ENERCON E 126 / 7,5 MW 600 W/m2

- Neu: ENERCON E126 EP4 4,2 MW 332 W/m2

ca. 9 m/s (32 km/h)

ca. 13 m/s (47 km/h)



-0.10

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0

TSR [-]

CP [-]

0

1

2

3

4

5

6

8

Pitch Angle [°]

Schwachwindanlagen


Leistungskurve CP - PV-Kurve

0

500

1000

1500

2000

2500

0 2 4 6 8 10 12 14

V [m/s]

P [

kW

]

opt

Optimales CP = 0,49 bis ca. 9 m/s CP bei Nennwind 0,35

Schwachwind-WEA



Schwachwindanlagen


Ausgelegt auf ein (!) Optimum: Max. Leistungsbeiwert

d.h. hohe Schnelllaufzahlen

zTip

84,1

Dies führt zu sehr schlanken Rotorblättern

=> Aerodynamisches Optimum gegenläufig zu Strukturanforderungen



Torsionsdivergenz

V. Beispiel

WEA 2.X MW

Blatteigenfrequenzen



Torsionsdivergenz

V. Beispiel

WEA 2.X MW

Berechnungen durchgeführt mit ADCoS

• Aeroelastiktool auf Finite-Elemente-Basis

• Nichtlinear

• 6 Freiheitsgrade pro Knoten

• Kubischer Verschiebungsansatz

x

z

tRuHZKuGCuM

Siehe auch www.aero-dynamik.de->Lasten->ADCoS



Torsionsdivergenz

V. Beispiel

WEA 2.X MW

FFT -A nalysis D isplacem ents (D E M O )

Frequency [ Hz]

(Am

pli

tud

e)^

2 /

Fre

qu

ency

10-1

100

101

10 -10

10 -9

10 -8

10 -7

10 -6

10 -5

RX

OUT:LC1_dynm1 ND: 33 CS:(3) Blade

17.04.2015 17:07:14

ADCoS V01.79 (ADC_2015)

Ergebnisse bestätigt durch Messungen an realer WEA



Zusammenfassung

I. Motivation

• Dynamik des Rotors, Campbell Diagramm

II. Lasten • Massenlasten, Windlasten, Rotational sampling

III. Dynamik des Rotorblattes • Aeroelastik, Rotorblatt Eigenformen,Torsionsdivergenz

IV. Aktuelle Auslegungskriterien (Schwachwindanlagen)



Bleiben Sie neugierig!

Für Fragen und Anregungen kontaktieren Sie gerne

Dipl. Ing. Stefan Kleinhansl


73765 Neuhausen a.d.F.

www.aero-dynamik.de

[email protected]

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