Vorwort Smart Blades Meetings 2015

SB
Nr. 5
Januar – März 2015
www.smartblades.info/News
Vorwort
Liebe Leser, liebe Mitwirkende,
Joachim Peinke
ForWind Oldenburg
Mitglied des Smart Blades
Steering Committee
unser Forschungsprojekt läuft nun schon mehr als 2 Jahre. Die Zeiten der ersten Aufbauarbeiten und Voruntersuchungen liegen hinter uns und wir sind im
letzten Teilschritt unserer ersten Antragsphase. Dem folgenden Bericht ist zu
entnehmen, dass nun die Forschungsarbeiten in ihrer produktiven Phase sind
und unsere anfänglichen Mühen Früchte tragen. Nicht nur in dem Bericht
sondern auch auf unseren Treffen und Tagungen werden immer mehr konkrete Ergebnisse vorgestellt und es wird immer deutlicher herausgearbeitet,
welche Vorteile die Konzepte haben und wie diese zu realisieren sind. Viel
Freude beim Lesen und Entdecken weiterer Neuigkeiten wünscht Ihnen
Joachim Peinke
Inhalt
Smart Blades Meetings 2015
Vorwort…………………………………1
Am 28. und 29. Januar hat sich das Smart Blades Konsortium erneut am DLR
Standort Brauschweig für das Smart Blades Gesamtarbeitstreffen 2015 getroffen. Das Projekt geht in diesem Jahr in den Endspurt.
Meetings.…………………….…….…1
Passive Technologie….……………2
Aktive Technologien……………...3
Querschnittsthemen……………..5
Konferenzen/ Publikationen………………………………………..6
Weiterführende Links…………….6
Kontakt………………………………….6
Projektsteckbrief…………….……..7
Außerdem veranstaltete die Universität Oldenburg am 11. und 12. Februar
2015 eine Tagung zur Diskussion der Ergebnisse des BMWiVerbundforschungsprojekt „Smart Blades" (DLR, ForWind, Fraunhofer IWES)
und des DFG-Forschungsschwerpunktes „Lastenkontrolle von Windturbinen
unter realistischen turbulenten Anströmbedingungen“ (RWTH Aachen, TU
Berlin, TU Darmstadt, Universität Oldenburg, Universität Stuttgart). Neben
interessanten Vorträgen aus beiden Forscherkreisen gab es dort bekannte
internationale Keynotes mit Beiträgen zu Forschungsarbeiten aus Dänemark
und den Niederlanden.
PROJEKT SMART BLADES NEWS
Passive Smart Blades
Auslegung des Swept Blades
Im Verbundprojekt SmartBlades werden unterschiedliche aktive und passive Konzepte
untersucht, 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).
Abbildung 1: Vergleich des Referenzblatts mit dem
Blatt mit geometrischer Biege-Torsionskopplung
Bei ForWind Hannover wurde in den letzten
Monaten das Konzept mit der geometrischen
BTK untersucht und ein sogenanntes „Swept
Blades“, bei dem eine Krümmung in der Rotorebene eingeführt wird, aerodynamisch
ausgelegt. Die durch die Krümmung resultierende Exzentrizität in Schwenkrichtung, wird
über eine Polynomfunktion 3. Grades definiert
und mit der Vorkrümmung in Schlagrichtung
überlagert. Sie ist zur Hinterkante hin positiv,
was eine Pfeilung der Rotorblätter nach hinten
bedeutet. Bis auf die Krümmung hat das
Swept Blade die gleichen geometrischen und
strukturellen Parameter wie das Referenzblatt
2
(siehe Newsletter 02/2013) und ist damit auch
kürzer. Dies soll gewährleisten, dass die erzielten Effekte auch direkt der realisierten Krümmung zugeordnet werden können.
Analyse und Optimierung mittels Aeroelastic
Tailoring
Am DLR Institut für Aeroelastik wurde währenddessen an dem strukturell biegetorsionsgekoppelten Rotorblatt gearbeitet. Hierbei
wurde eine am Institut eigens entwickelte
Optimierungskette dazu genutzt, die Struktur
des Referenzrotorblattes hin zu einem BiegeTorsions-gekoppelten Rotorblatt zu optimieren, wobei der aeroelastische Steifigkeitsoptimierungsprozess aus dem Bereich der Luftfahrt auf die Anwendung in der Wind-energie
transferiert wurde. Dabei wurden der Reihe
nach ein geometrisches, ein Finite Elemente-,
ein aerodynamisches, ein Kopplungs- und ein
Massen-Modell des Referenzrotorblattes generiert. Anschließend wurde ein Startpunkt
für die Steifigkeits- und Dickenverteilung ausgewählt und in Hinblick auf eine ausgewählte
Größe optimiert. Die Zielfunktion der Optimierung ist nach gegenwärtigem Stand die Minimierung der Rotorblattmasse. Im Weiteren
muss überprüft werden, ob die optimale
Struktur auch bezüglich fertigungstechnischer
Randbedingungen in dieser Form realisierbar
ist.
Abbildung 2: : Aeroelastischer Optimierungsprozess
PROJEKT SMART BLADES NEWS
Methodenentwicklung zur Untersuchung der
aeroelastischen Stabilität
Für die passiven Smart Blades wurden bei
ForWind Hannover zudem analytische Modelle zur Bestimmung der Flattergeschwindigkeit
und zur Identifikation der kritischen Betriebszustände für ein quasi-stationäres und ein
instationäres Verfahren in Matlab implementiert. Im Fokus der Modelle liegt die Abschätzbarkeit der Flatterstabilität von langen,
schlanken Blättern in der frühen Entwicklungsphase. Um den Einfluss der bisher nicht
berücksichtigten Strukturkoppelung auf die
Flatterstabilität beurteilen zu können, sollen
im weiteren Verlauf des Projektes aeroelastische Berechnungen mit höherwertiger, numerischer Simulationssoftware (HAWC2 und
HAWCStab2) durchgeführt werden.
Fertigung von Rotorblättern
Am DLR Institut für Faserverbundleichtbau
und Adaptronik wurde eine Methode für die
Simulation des Preform-Prozesses entwickelt.
Mit der Methode ist es möglich, den Drapierursprung, bei dem das Fasermaterial am geringsten verschert wird, für beliebige 2DGeometrien zu berechnen. Bei dem händischen Drapierprozess von trockenen Faserhalbzeugen, muss dieser im Allgemeinen
durch einen iterativen, manuellen Prozess
erarbeitet werden. Durch diese rechnergestützte Methode soll in Zukunft Zeit und Geld
gespart werden.
Abbildung 3: Links: Beispielfläche, Mitte: FE-Netz,
Rechts: Ergebnis der Simulation
Der entwickelte Algorithmus nutzt als Geometrie - Erstellungssoftware Ansys Classic. Es
ist möglich, einen planaren Graphen zu konstruieren, welcher die essentiellen Krümmungseigenschaften der Fläche beinhaltet. In
diesem Graphen kann mithilfe des Dijkstra3
Algorithmus die durchlaufene doppelte
Krümmung zwischen zwei Punkten auf der
Geometrieoberfläche berechnet werden. Dies
kann als Maß für eine auftretende Verscherung benutzt werden. Mithilfe einer BruteForce Methode, bei welcher diese Berechnung
für jeden Knoten ausgeführt wird, kann ein
optimaler Punkt für den Drapierursprung berechnet werden. Aufbauend auf diesem Punkt
wird eine Routine für die grafische Aus-gabe
gestartet.
Aktive Smart Blades
Reduzierung des Blattwurzelschlagmoments
in Abhängigkeit von Parametern der Klappen
Der Einsatz von aktiven Hinterkantenklappen
an Rotorblättern soll zur Reduzierung verschiedener Lasten an der Anlage genutzt werden (siehe Projektsteckbrief). ForWind Oldenburg hat zunächst den Standard-Regler der
Referenzanlage (Newsletter 02/2013) erweitert um gezielt zusätzlich die Blattwurzelschlagmomente zu reduzieren. Hierfür wurden
zusätzliche Regelkreise implementiert welche
die gemessenen Blattwurzelbiegemomente in
die Regelung einbeziehen.
Abbildung 4: Leistungsdichtespektrum des Blattwurzelschlagmomentes bei 13 m/s mittlerer Windgeschwindigkeit und 0° Schräganströmung für unterschiedliche
Klappenlängen
Mit dem so entwickelten Regler sollen vor
allem 1P Lasten geregelt werden, die durch
Schräganströmung, Windscherung und die
PROJEKT SMART BLADES NEWS
Inhomogenität von Turbulenzen entstehen.
Ziel der Untersuchungen war es zunächst, die
Reduktion der Ermüdungslasten in Abhängigkeit von der Klappenposition, der Klappenspannweite und der Klappenverstellgeschwindigkeit zu analysieren.
Es wurde festgestellt, dass
-
durch eine Klappenpositionierung nahe
der Blattspitze die höchste Lastreduktion
bewirkt wird,
-
sich die Vergrößerung der Klappenposition
nicht proportional zur Reduktion des
Blattwurzelschlagmoments verhält (Abbildung 5),
-
sich eine Klappenspannweite von 1/8 der
Rotorblattlänge bei der gegebenen Anlagenkonfiguration als wirksam erweist.
Blätter ständig in der Blattlängsachsen nachgestellt („gepitcht“) werden müssen. Außerdem ist eine zuverlässige Messung der Blattwurzelbiegemomente für jedes Blatt erforderlich. Die Wirksamkeit der individuellen Klappenregelung (IFC) des Smart Blade wurde mit
der individuellen Pitchregelung und der Standardregelung der Referenzanlage mit kollektiver Blattverstellung verglichen, siehe Abbildung 6. Deutlich ist die Reduktion des Blattwurzelschlagmomentes für 1P Lasten zu sehen. Hierbei ist es unerheblich, ob das gesamte Blatt mit IPC oder nur die erheblich kleineren Klappen mit der IFC geregelt werden.
Interessant war nun die Untersuchung, ob sich
die Vergleichbarkeit der Klappenregelung mit
der individuellen Blattregelung nur auf das
Blattwurzelschlagmoment bezieht oder ob
dies auch für andere Lasten an der Windenergie Anlage gilt. Weiterhin war zu untersuchen,
ob dies für den gesamten Betriebsbereich der
Windenergieanlagen von Einschalt- bis zur
Abschaltwindgeschwindigkeit gilt. Abbildung
7 zeigt die Reduktion den schadensäquivalenten Lasten im Vergleich zur Referenzanlage für
IPC und IFC für die Blattwurzelmomente sowie
für Turmkopf- und Turmfußmomente. Nachteile durch die Klappenregelung sind nicht
erkennbar, teilweise ist die Lastreduktion sogar günstiger.
Abbildung 5: Reduktion der schadensäquivalenten Last
(DEL) des Blattwurzelschlagmoments bei 13 m/s mittlerer Windgeschwindigkeit und 0° Schräganströmung
Außerdem wurde festgestellt, dass die Verstellgeschwindigkeit, mit welcher die Klappe
bewegt wird, maßgeblich für die Lastminderung ist.
Vergleich von individueller Blattregelung und
Klappenregelung
Derzeit nutzen nur wenige Serienanlagen eine
“Individuellen Pitchregelung“ (IPC) um Lasten
zu reduzieren. Der Aufwand für die Pitchaktuatorik ist hier relativ hoch, da die kompletten
4
Abbildung 6: Leistungsdichtespektrum des Blattwurzelschlagmomentes bei 14 m/s mittlerer Windgeschwindigkeit
PROJEKT SMART BLADES NEWS
Das nächste Ziel besteht nun in der Untersuchung der höher-frequenten Lasten (2P, 3P)
und der Kombination von Klappenregelung
und individueller Pitchregelung.
ware sowie Feldversuche an Prototypanlagen
erforderlich.
Abbildung 8: Sensorkonzepte
Querschnittsthemen
Zuverlässigkeitsanalyse der Referenzanlage
Abbildung 7: Reduktion der schadensäquivalenten
Lasten, gewichtet mit der Windgeschwindigkeitsverteilung über den gesamten Betriebsbereich
Sensorsysteme
Zur Identifikation von geeigneten Sensorsystemen für die Feedbackregelung der aktiven Hinterkanten von Smart Blades wurden
von ForWind Oldenburg die Anforderungen
gesammelt und entsprechende Messsysteme
bewertet. Auf Basis der Analyse wurden zwei
Feedback-Regelungskonzepte vorgeschlagen.
Im ersten Konzept werden die Dehnungen im
Rotorblatt mit optischen Verfahren ermittelt.
Eingesetzt werden Fibre Bragg Systeme, weil
diese Technologie einen relativ stabilen Einsatz unter den rauen Umgebungsbedingungen
einer Windenergieanlage verspricht. Das zweite Konzept benutzt zwei lokale LiDAREinheiten zur Messung der lokalen Anströmgeschwindigkeit und –winkel an dem Radius,
an dem sich die Klappen befinden, zusammen
mit elektrischen Dehnungsmessstreifen an der
Blattwurzel. Die Sensorkonzepte werden derzeit in die Simulationsumgebung integriert um
ihre Praxistauglichkeit zunächst virtuell nachzuweisen. In einem Folgeprojekt sind die
Durchführung von Laborversuchen zur Validierung der Eigenschaften ausgewählter Hard5
Im Projekt Smart Blades bestehen die Ziele
nicht nur darin die Machbarkeit intelligenter
Rotorblätter unter Beweis zu stellen, sondern
auch darin, den Nutzen im Vergleich zu einer
Referenz zu demonstrieren. Dabei sollen die
Smart Blades bezüglich technischer und wirtschaftlicher Kriterien bewertet werden, wozu
auch die Zuverlässigkeit des Systems gehört.
Für eine rationale Bewertung der Zuverlässigkeit von passiven und aktiven Smart Blades
wurde eine Basis geschaffen, die als Referenz
zur Gegenüberstellung der verschiedenen
Technologien dient. ForWind Oldenburg hat
hierzu ein mehrschichtiges Modell entwickelt
mit dem zunächst die Zuverlässigkeit der 7,5
MW Referenzanlage ohne Smart Blades bestimmt wurde. Basis ist die Funktionsanalyse
der relevanten Baugruppen und Komponenten. Die anschließende Fehleranalyse berücksichtigt Fehlerkataloge, Expertenmeinungen
sowie weitere Verfahren des System Engineerings. Einbezogen wurden hierbei auch Datensammlungen von Fehlern bei Windenergieanlagen wie das von der Bundesregierung geförderte „Wissenschaftliche Mess- und Evaluationsprogramm (1989-2006)“ sowie die Ergebnisse des EU geförderten Projekts RELIAWIND
(2008-2011, FP7 212966). Die Datenbasen
PROJEKT SMART BLADES NEWS
unterscheiden sich hinsichtlich der untersuchten Anlagentypen, der Anzahl der erfassten
Anlagen und Betriebsdauer. Ein Vergleich mit
der Struktur und den spezifischen Besonderheiten der Referenzanlage im Smart Blades
Projekt ermöglichte die Ableitung charakteristischer Kenngrößen für die Fehlerraten der
Hauptbaugruppen und Subkomponenten.
Die Ergebnisse dienen der Unterscheidung
und qualitativen Bewertung verschiedener
Fehlerursachen. Detaillierungen werden sich
im Rahmen der weiteren Untersuchung insbesondere in Bezug zu speziellen Fragestellungen für passive und / oder aktive Smart
Blades ergeben. Die Fehlermodelle werden
hierfür erweitert und die Fehlersensivitäten
der passiven und aktiven Smart Blade mit dem
Referenzmodell verglichen.
Publikationen
Wolff, Seume (2015): “Airfoil with morphing
trailing edge for load reduction in wind turbines“, SciTech 2015, Florida, USA
Brand, Seume (2015): “Einfluss unterschiedlicher Datenverarbeitung bei der Schallquellenlokalisierung an Klappen für Windenergieanlagen”, DAGA 2015 (41. Jahrestagung für Akustik), Nürnberg, Deutschland
Daniele (2015): “CFD-Modelling of Add-Ons
for Wind Energy Applications”, Smart Blades
Conference 2015, Oldenburg, Germany
Rosemeier (2015): “An Aeroelastic Model for
the Design of Bend-Twist Coupled Wind Turbine Rotor Blades”, Smart Blades Conference
2015, Oldenburg, Germany
Dillinger (2015): “Stiffness Optimization of
Wind Turbine Blades including Aeroelastic
Constrains”, Smart Blades Conference 2015,
Oldenburg, Germany
Dose (2015): “Fluid-structure Coupling for CFD
Analysis of Rotor Blades”, Smart Blades Conference 2015, Oldenburg, Germany
6
Gebhardt (2015): “A Geometrically-exact Finite Element for Modeling of Passive Beams in
the Context of the Project Smart”, Smart
Blades Conference 2015, Oldenburg, Germany
Pohl (2015): “Structural Design of a Flexible
Trailing Edge”, Smart Blades Conference 2015,
Oldenburg, Germany
Wolff, Seume (2015): “Investigating the Load
Reduction Potential of a Morphing Trailing
Edge in Wind Turbines”, Smart Blades Conference 2015, Oldenburg, Germany
Oltmann (2015): “Active Trailing Edge Flap
Design for Load Reduction of Wind Turbines”,
Smart Blades Conference 2015, Oldenburg,
Germany
Jansen (2015): “Towards Efficient Tools for
Strength and Vibration Analysis of Large Rotor
Blades”, Smart Blades Conference 2015, Oldenburg, Germany
Brand, Seume (2015): “Initial Acoustic Results
of a Flap for Wind Turbine Applications”,
Smart Blades Conference 2015, Oldenburg,
Germany
Manso Jaume (2015): “Aerodynamic Design
and Optimization of a Leading Edge Slat for
the DU 91-W2-250 Airfoil”, Smart Blades Conference 2015, Oldenburg, Germany
Schramm (2015): “Towards the Optimization
of Airfoils Using the Adjoint Approach”, Smart
Blades Conference 2015, Oldenburg, Germany
Huxdorf (2015): “Conceptual and Structural
Design of Flexible Leading Edge Slat”, Smart
Blades Conference 2015, Oldenburg, Germany
Homeyer (2015): “Wind Tunnel Measurements on an Airfoil with and without Leading
Edge Slat under Laminar and Turbulent Inflow
Conditions”, Smart Blades Conference 2015,
Oldenburg, Germany
PROJEKT SMART BLADES NEWS
Sevinc (2015): “Modelling of a Sophisticated
Wind Turbine for the Comparison of the Aerodynamic Performance of Rotor Blades”, Smart
Blades Conference 2015, Oldenburg, Germany
Bätge (2015): “A Concept Study of a Carbon
Spar Cap Design for an 80m Wind Turbine
Blade”, Smart Blades Conference 2015, Oldenburg, Germany
Meng (2015): “Investigation of the Effect of a
Pre-SweptBblade on the Wind Turbine Loads
Reduction”, Smart Blades Conference 2015,
Oldenburg, Germany
Kraft (2015): “Reliability Analysis of Wind Turbines with Smart Blades”, Smart Blades Conference 2015, Oldenburg, Germany
Horte (2015): “Multi-Criterial Evaluation of
Multi-MW Wind Turbines”, Smart Blades Conference 2015, Oldenburg, Germany
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]
Dipl. - Ing. Ceyda Icpinar
Projektmanager
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt
Lilienthalplatz 7 | 38108 Braunschweig
Tel.: +49 531 295 3242
E-Mail: [email protected]
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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
8
Methoden
aerodynamischer
für
effizientes
Lasten
und
durch
zuverlässiges