Vorwort Das Projekt Smart Blades

SB
Nr. 6
April – August 2015
www.smartblades.info/News
Vorwort
Liebe Leser, liebe Mitwirkende,
Prof. Martin Kühn
Mitglied des Smart Blades
Steering Committee
Inhalt
Vorwort……………………………1
Passive Technologie…………2
unser Forschungsprojekt Smart Blades nähert sich dem Ende seiner Laufzeit. Wir
können schon jetzt anerkennend feststellen, dass wir die untersuchten SmartBlades Konzepte in Ihrem Technologiereifegrad deutlich vorangetrieben haben.
Hierzu ein paar aktuelle Beispiele. Für passive Biege-Torsions-Blätter wurden Methoden zur winkelgenauen Ausrichtung der Faserorientierung in Formvorrichtungen experimentell untersucht und bewertet. Für aktive SmartBlades ist ein detailliertes Konzept für eine flexible Profilhinterkante erarbeitet worden. Weiterhin
wurden im Windkanal Profile mit und ohne Vorflügel vermessen und die Umströmung mit einem PIV System weiter untersucht. Es zeigt sich an den konkreten
Projektergebnissen wie durch die Bündelung der Kompetenzen von DLR, Fraunhofer IWES und ForWind die Technologien in einer großen Breite bewertet und
weiterentwickelt werden können.
Viel Freude beim Lesen wünscht Ihnen
Martin Kühn
Aktive Technologien………...4
Querschnittsthemen………..5
Konferenzen/ Publikationen…………………………………..6
Weiterführende Links……….6
Kontakt…………………………….6
Projektsteckbrief………….…..7
Das Projekt Smart Blades
Im Verbundprojekt SmartBlades arbeiten rund 50 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler an der Untersuchung von aktiven und passiven Konzepten, die über die
Regulierung aerodynamischer Lasten die strukturellen Belastungen reduzieren sollen. Innerhalb der passiven Technologie (1) werden zur Kopplung der Biegung und
der Torsion (BTK) zwei verschiedene Ansätze verfolgt: die Implementierung von
gegenüber der Längsachse angestellten Laminaten im Lagenaufbau des Rotorblattes
(strukturelle BTK) und die Krümmung des Rotorblattes aus der Rotorebene heraus
(geometrische BTK). In den aktiven Technologien, werden die aerodynamischen
Verhältnisse am Rotorblatt durch eine aktive Veränderung der Hinter ‐ oder Vorderkantengeometrie beeinflusst. Zur Änderung der Hinterkantengeometrie gibt es
neben dem Konzept der konventionellen starren Klappe, das Konzept der sogenannten formvariablen Moveables (Technologie 2). Die Formänderung der Vorderkante
wird durch ein in das Profil integrierten und ein darauf aufgesetzten Vorflügel untersucht (Technologie 3).
PROJEKT SMART BLADES NEWS
Passive Smart Blades
Prozessierbarkeit winkelgenau gerichteter
Fixierung großer textiler Halbzeuge
Hinsichtlich der erforderlichen Biege-TorsionsKopplung (BTK) im zu entwickelnden „smarten“ Rotorblatt für eine Windenergieanlage
(WEA) soll gewährleistet werden, dass die
Faserorientierung bei der Ablage der Fasern
im Form- bzw. Preformwerkzeug gerichtet
erfolgt. Die einzelnen Gewebelagen müssen
winkelgenau, wie in der Simulation errechnet,
abgelegt und zueinander fixiert werden. Das
Ziel dabei ist die Faserorientierung beim Preformen, durch das Aufbringen von Bindern, so
zu fixieren, dass Sie weder verrutschen noch
anderweitig beschädigt werden können.
Abbildung 1: Fixierung in gekrümmter Form
Faserlagen gewonnen werden. Um weitere
Rückschlüsse auf das Verhalten der Faserlagen
beim fixierten Umformen erhalten zu können,
wurde in einem zweiten Schritt eine formvariable Preformvorrichtung entwickelt.
Abbildung 3: Preformvorrichtung
An einem WEA Rotorblatt treten bezüglich der
strömungstechnisch angepassten Auslegung
des Blattes unterschiedliche Radien im Blattquerschnitt sowie in Blattlängsrichtung auf.
Die Faserablage erfolgt daher auf doppelt
gekrümmten Flächen. Das Ablegen der erforderlichen Glasgewebematten wird weiterhin
zumeist direkt im Formwerkzeug durchgeführt, was auf Grund des enormen Legeaufwandes zu hohen Werkzeugbelegungszeiten
und damit hohen Kosten führt. Um dies zukünftig vermeiden zu können soll am DLR eine
Preformvorrichtung entwickelt werden. Auf
dieser sollen die einzelnen Glasgewebematten
vorpositioniert, kompaktiert und anschließend
als Mehrlagenpaket direkt ins Formwerkzeug
übertragen werden. Die Vorrichtung soll dabei
an verschiedene Querschnitte im Rotorblatt
angepasst werden können.
Untersuchung und Vergleich von Regelungsstrategien an intelligenten Rotorblättern
Abbildung 2: Prototyp Preformvorrichtung
Hierzu wurden am DLR Institut für Faservebundleichtbau und Adaptronik Vorversuche
zur Lagenfixierung in gekrümmten Formen mit
Glasgeweben experimentell durchgeführt und
Vor- sowie Nachteile aufgezeigt. Es konnten
erste Erkenntnisse für die Anwendung einer
geeigneten Binderart sowie für den erforderlichen Binderauftrag zur Fixierung der einzelnen
2
Zur Entwicklung und Untersuchung verschiedener Regelungsstrategien für biegetorsionsgekoppelte Rotorblätter (BTK) wurde bei ForWind Oldenburg ein Basis-Regelungssystem
(z.B. Collective Pitch Controller = CPC) für die
SmartBlades-Referenzturbine entwickelt. Anschließend wurden weitere aktive (z.B. Individual Pitch Control = IPC) und passive Regelungskonzepte (Regelung über eine geometri-
PROJEKT SMART BLADES NEWS
sche BTK) zur Reduzierung von Lasten ergänzt
und das Potential der verschiedenen Methoden hinsichtlich des Lastreduktionspotentials
im Einzelnen und in Kombination analysiert.
Die Simulationen ergeben, dass durch die passive Regelung der geometrische BTK, Lasten
im Vergleich zum Referenzblatt mit der aktiven Regelung (hier IPC) reduziert werden können.
Abbildung 4: Leistungsdichtespektrum
Die Simulationen ergaben allerdings auch,
dass das Swept Blade (geometrische BTK) aufgrund der Exzentrizität der Profile erhöhte
Torsionsmomente aufweist. Es ist wahrscheinlich, dass eine noch größere Lastreduktion
ermöglicht wird, wenn diese Technologien
miteinander kombiniert werden.
Im Weiteren wird die Interaktion der beiden
Regelungstechnologien durch den Pitch– und
induzierten-Twist-Winkel im Detail analysiert
um ein Regelungskonzept für eine optimale
Lastreduktion der Anlagenkomponenten zu
gewährleisten.
Vorstudie zur Auslegung eines strukturell
biegetorsions-gekoppelten Rotorblattes
Ein Windenergie–Rotorblatt hat unregelmäßige strukturelle Eigenschaften über die Länge
3
und gekrümmte und „getwistete“ Geometrie.
Dies liegt an den strukturellen, aerodynamischen
und
aeroelastischen
DesignAnforderungen. Verglichen mit einer homogenen Struktur, wie beispielsweise ein symmetrischer I–Balken-Querschnitt, zeigen die unregelmäßigen Strukturen eines RotorblattQuerschnitts eine Kopplung in der Steifigkeitsmatrix. Am Fraunhofer IWES wurden zur
Untersuchung dieser Kopplung konventionelle
Blätter analysiert, um Rückschlüsse auf die
Quantität und Effekte der Kopplungsterme der
unkonventionellen Blätter zu schließen. Die
Analyse der Blätter auf einen ultimativen PTS
load Fall ergab, dass eine der Rotation entgegengesetzte Strömungsablösung im inneren
Bereich (30m) der Rotorblätter auftritt, bevor
die Strömung wieder abdreht/ sich anlegt.
Dieses Verhalten kann durch die Einführung
eines dritten Stegs innerhalb des ersten Drittels des Rotorblattes begründet werden. Dieser verursacht, dass sich der Schubmittelpunkt
zur Hinterkante verschiebt und somit zu einer
Querschnittsverdrehung "Nase aus dem
Wind" verursacht, die zu der beobachteten
lokalen Strömungsablösung führt.
Ergebnisse der aeroelastischen Analyse der
Swept Blades
Innerhalb eines Arbeitspakets wurde bei ForWind Hannover das aeroelastische Verhalten
des Referenzblattes sowie des geometrischgekoppelten Rotorblattes (Swept Blade) an
der Referenzanlage IWT-7.5-164 mit der Software HAWCStab2, die an der DTU entwickelt
wurde, analysiert. Dabei wurden beide Blattkonfigurationen sowohl im Normalbetrieb bei
Anströmgeschwindigkeiten von u∞ = 3…25 m/s
als auch in einem RunAway-Szenario unter
Netz- und Pitchausfall für u∞ = 8…12 m/s untersucht.
Die Untersuchungen ergaben, dass beide Blätter im Normalbetrieb sowohl für sich isoliert
betrachtet als auch im Zusammenwirken mit
der restlichen Windenergieanlage (WEA) kein
PROJEKT SMART BLADES NEWS
instabiles Verhalten zeigen. Isoliert betrachtet
treten im RunAway-Szenario am Referenzblatt
und am gekrümmten Blatt bei Umdrehungen
von 14,1...15,71 rpm bzw. 16,84...25,28 rpm
negative Dämpfungsgrade und damit Instabilitäten auf, die allerdings an einer reale WEA
durch deren Anlagensteuerung ausgeschlossen werden können.
stellt, der sich auf ein 80m Rotorblatt im Originalmaßstab mit abgeschätzten Lasten bei
einer Anströmgeschwindigkeit im Auslegungspunkt bezieht. Das Ziel des Konzeptdemonstrators besteht darin, praktische Erfahrungen
mit dem gewählten Konzept zu sammeln und
daraus Schlüsse für den weiteren Fortgang,
insbesondere für die Auslegung eines Segmentdemonstrators (Spannweite 2m, Profiltiefe 1m), ziehen zu können. Aus Gründen der
einfacheren Herstellbarkeit ist die Spannweite
auf lediglich 20cm bei konstantem Profilquerschnitt reduziert.
Abbildung 6: Konzeptdemonstrator
Abbildung 5: Aeroelastische Frequenz (o.) und
Dämpfungsgrad (u.) der WEA mit Swept Blade im
RunAway – Szenario, berechnet mit HAWCStab2
Aktive Smart Blades
Detailliertes Konzept für Moveables
Am DLR Institut für Faserverbundleichtbau
und Adaptronik wurde in den vergangenen
Monaten die Eignung einer flexiblen, verformbaren Profilhinterkante im Außenbereich eines Windenergierotorblattes für die aktive
Strömungsbeeinflussung untersucht. Ein Teilaspekt ist dabei die strukturelle Auslegung
einer solchen Hinterkante. Dazu wurden verschiedene Konzepte eruiert, nach denen ein
derartiges System aufgebaut werden kann.
Das grundlegende Konzept der aktiven Hinterkante basiert auf einer flexiblen Glasfaserverbundstruktur. Zur Validierung dieses Konzeptes wurde ein Demonstrator–„Streifen“ er4
Aufgrund der Größe und der vereinfachten
Ausführung ist eine experimentelle Untersuchung dieses Systems (Abbildung 6) in relevanter Umgebung, d.h. in Rotation nicht möglich. Für einen Test unter realistischen Bedingungen wird aber an einem Demonstrator
gearbeitet, der sowohl im Labor, als auch an
einem geeigneten Rotationsprüfstand getestet
werden soll (Abbildung 7).
Abbildung 7: CAD - Model des Blattsegmentdemonstrators
Für diesen sog. Blattsegmentdemonstrator
wurden bereits eine Reihe von Untersuchungen durchgeführt, die u.a. ergaben, dass mit
PROJEKT SMART BLADES NEWS
den gewählten Dimensionen der Kinematik,
eine Verschiebung des Aktors um 11mm einen
Ausschlagwinkel der Hinterkante von 10° in
beide Richtungen erlaubt. Durch Messung der
statischen Verformungskennlinie und der Bestimmung der dynamischen Verfahrenskennlinie im Labor sollen diese Simulationsergebnisse demnächst validiert werden.
durch den blauen Bereich. Durch den Vorflügel verzögert sich die Ablösung und der Auftriebsbeiwert erhöht sich. Die PIV Messungen
erlauben zusätzlich die Umströmung und die
Ablösung der Strömung an den Profilen zeitaufgelöst zu verfolgen und deren Dynamiken
aufzulösen.
Blau unverformt, grün aktuiert, rot Aerolasten
Profilhöhe [m]
0.1
0.05
0
-0.05
-0.1
0.7
0.75
0.8
0.85
0.9
Profiltiefe [m]
0.95
1
Abbildung 8: Verschiebung der Hinterkante
Windkanalversuche mit Vorflügel
Als Zwischenschritt zum aktiven integrierten
Vorflügelmodell wurde das Modell mit aufgesetztem starren Vorflügel bei ForWind Oldenburg im Windkanal untersucht. Die aerodynamisch wirkenden Kräfte wurden mit Kraftund Drehmomentsensoren sowie Druckmessungen in definierten turbulenten Strömungen
erfasst. Diese entsprechen realitätsnahen
Geschwindigkeits- und Anstellwinkelfluktuationen, welche mit einem Aktiven Gitter erzeugt
wurden. Im Vergleich zum Grundprofil ohne
Vorflügel (Clean-Profil) zeigen die Polaren ein
verzögertes Eintreten des Stalls bei hohen
Anstellwinkeln. Dies wurde durch optische
High-Speed-Stereo-PIV Messungen der Umströmung bestätigt. Abbildung 9 zeigt Snapshots der Geschwindigkeiten am Clean-Profil
und am Vorflügelmodell bei turbulenter Anströmung und identischem mittleren Einströmwinkel. Es ist deutlich sichtbar, dass sich
die Strömung am Clean-Profil bereits auf der
Hälfte des Profils ablöst; hier zu erkennen
5
Abbildung 9: PIV Messungen am Clean-Profil und
am Vorflügelmodell
Querschnittsthemen
Zuverlässigkeitsanalyse von SmartBlades
Für das vorliegende Design eines Smart Blades
mit geometrischer Biege-Torsions-Kopplung
wurden bei ForWind Oldenburg mittels Verfahren des Systems Engineering relevante
Fehler ermittelt. Die Systembelastung wurde
mit der Referenzanlage verglichen. Die Sensitivität der Zuverlässigkeit des Smart Blade auf
spezifische Fehler wie z.B. Bau- und Materialabweichungen wurden mittels Fehlermodellen
und aeroelastischen Simulationen näher betrachtet. Auf Basis dieser Ergebnisse und der
Kennzahlen der Referenzanlage wurde ein
Zuverlässigkeitsmodell für die Anlage mit passiven Smart Blade erstellt. Der Vergleich mit
der Referenzanlage zeigt, dass das Pitchsystem bei der geometrischen BTK höhere Torsionsmomente aufbringen muss, jedoch ein
kleinerer Gesamtstellweg bei gleichzeitig besserer Ausnutzung der Lauffläche des Dreh-
PROJEKT SMART BLADES NEWS
kranzes möglich ist. Die Zuverlässigkeit des
Systems mit passiven Smart Blades ist sowohl
bei kollektiver Pitch Regelung als auch bei der
Kombination mit individueller Pitchregelung
höher als bei der Referenzanlage. Die Zunahme der Fehlerhäufigkeit durch die komplexere
Struktur des passiven Blattes sind im Vergleich
zu den Fehlern im Pitchsystem sehr gering.
Analog zur durchgeführten Zuverlässigkeitsanalyse der passiven SmartBlades, wurden bei
ForWind Oldenburg aktive SmartBlades untersucht. Grundsätzlich kann die Aussage getroffen werden, dass mit aktiven Hinterkantenklappen die mechanische Belastung auf das
System Windenergieanlage reduziert werden
kann. Mit dem Einsatz der hierfür erforderlichen Systeme ist gleichzeitig eine Zunahme
möglicher Fehlerquellen verbunden. Mit der
Verwendung von Klappensystemen welche die
rauen Bedingungen im äußeren Rotorblattbereich berücksichtigen, können die Risiken allerdings minimiert werden. Die Untersuchungen zeigen weiterhin, dass der Ersatz der IPCRegelung durch eine Klappenregelung eine
Reduzierung der Blattwurzel Biegebelastung
mit entsprechenden Vorteilen für die Zuverlässigkeit von Blattlager und Pitchsystem zeigt.
Ein vollständiger Ersatz der IPC-Regelung ist
hiermit allerdings nicht möglich.
Publikationen
Manso Jaume, J. Wild, T. Homeyer, M. Hölling,
J. Peinke: „DESIGN AND WIND TUNNEL TESTING OF A LEADING EDGE SLAT FOR A WIND
TURBINE AIRFOIL“, DEWEK 2015
Alper Sevinc, Oliver Bleich, Claudio Balzani,
Andreas Reuter: “Parameterized analysis of
swept blades regarding bend-twist coupling”;
DEWEK 2015
B. Dose, B. Stoevesandt, J. Peinke: „Studying
the effect of blade deflections on the aerodynamic performance of wind turbine blades
using OpenFOAM“; DEWEK 2015
B.Sc. Lucas Kirsch, Dipl.Ing.(FH) J. Mosch,
Dipl.Ing. Alexandra Kühn, Dipl.Ing. Birgit Wieland: “Optimised Materials for Wind Turbines”; DEWEK 2015
Weiterführende Links
Für weitere Informationen besuchen Sie uns
auf folgenden Seiten.
www.smartblades.info
www.DLR.de
www.ForWind.de
www.iwes.fraunhofer.de
Kontakt
Dr.- Ing. Jan Teßmer
Koordinator
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt
Lilienthalplatz 7 | 38108 Braunschweig
Tel.: +49 531 295 3217
E-Mail: [email protected]
Abbildung 9: Untersuchte Baugruppen der Anlage
mit geom. BTK
6
Dipl. - Ing. Ceyda Icpinar
Projektmanager
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt
Lilienthalplatz 7 | 38108 Braunschweig
Tel.: +49 531 295 3242
E-Mail: [email protected]
PROJEKT SMART BLADES NEWS
SB
Projektsteckbrief
Projekteckdaten

Projektzeitraum: 01.12.2012 - 29.02.2016

Dauer: 39 Monate

Trend geht sowohl für Offshore- als auch für OnshoreSchwachwindbereiche zu größeren und damit trägeren Blättern; daher
wird eine über den Pitch-Antrieb hinausgehende Aktorik sinnvoll.

Inhomogenes Windfeld  aerodynamische Schwingungslasten

Lasten durch Eigengewicht

Minderung
„ausgewählter"
Smart Blades

Knowhow &
Anlagendesign
Motivation
Problematik
Lösungsansatz
7
Methoden
aerodynamischer
für
effizientes
Lasten
und
durch
zuverlässiges

Download Report