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
Aero Dynamik Consult GmbH
73765 Neuhausen a.d.F. www.aero-dynamik.de
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• 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
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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
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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 +
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Campbell-Diagramm (i) I. Motivation
1Ω Eigen-
frequenz
ω
Turm- amplitude
Längsschwingung Quer-
schwingung
Rotordrehzahl [rpm]
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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]
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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
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Windlasten
II. Lasten
Turbulenz
• Kurzzeitige lokale Änderungen
der Windgeschwindikeit und -
richtung
• Thermische and mechanische
(Bodenrauhigkeit) Einflüsse
=> Zeitlich und Räumlich
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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
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Aeroelastik
III. Dynamik des Rotorblattes
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
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Rotorblatt Eigenformen
III. Dynamik des Rotorblattes
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Nicht-lineare Pitch-Torsions-Dynamik des Rotorblattes
III. 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
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Torsionsdivergenz
III. Dynamik des Rotorblattes
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
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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
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Schwachwindanlagen
IV. Aktuelle Auslegungskriterien
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)
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-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
IV. Aktuelle Auslegungskriterien
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
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Schwachwindanlagen
IV. Aktuelle Auslegungskriterien
Ausgelegt auf ein (!) Optimum: Max. Leistungsbeiwert
d.h. hohe Schnelllaufzahlen
zTip
84,1
Dies führt zu sehr schlanken Rotorblättern
=> Aerodynamisches Optimum gegenläufig zu Strukturanforderungen
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Torsionsdivergenz
V. Beispiel
WEA 2.X MW
Blatteigenfrequenzen
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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
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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
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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)
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Bleiben Sie neugierig!
Für Fragen und Anregungen kontaktieren Sie gerne
Dipl. Ing. Stefan Kleinhansl
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