Dynamik von Windenergieanlagen Herausforderungen der großen Rotoren von Schwachwindanlagen
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- Nora Hartmann
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1 Dynamik von Windenergieanlagen Herausforderungen der großen Rotoren von Schwachwindanlagen Dipl. Ing. Stefan Kleinhansl Neuhausen a.d.f. Dipl. Ing. Stefan Kleinhansl Dynamik von Windenergieanlagen Rostock Wind
2 ( ) Ingenieur-Dienstleister Aerodynamische Auslegung von Rotorblättern Rotorblatt Strukturdesign Aeroelastische Berechungen Lastberechnungen Design mechanischer Komponenten Betriebsfestigkeitsanalysen Finite Elemente Berechnungen Composite Bauteile für die Luftfahrtindustrie JEC Paris 2015, Dipl. Ing. Stefan Kleinhansl Dynamik von Windenergieanlagen Rostock Wind
3 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, Dipl. Ing. Stefan Kleinhansl Dynamik von Windenergieanlagen Rostock Wind
4 I. Motivation Dynamik des Rotors φ Hub + +1 u Nacelle Mode I Mode II Mode III Mode IV +1, Dipl. Ing. Stefan Kleinhansl Dynamik von Windenergieanlagen Rostock Wind
5 I. Motivation Campbell-Diagramm (i) ω 1Ω Turmamplitude Längsschwingung Eigenfrequenz Querschwingung Rotordrehzahl [rpm], Dipl. Ing. Stefan Kleinhansl Dynamik von Windenergieanlagen Rostock Wind
6 I. Motivation Campbell-Diagramm (ii) [Hz] 4 Turm Torsion Operating zone 9Ω 3 2. Blatt Schlagen 2. Turm 8Ω 7Ω 6Ω 2 1. Blatt Schwenken 5Ω 4Ω 1 1. Blatt Schlagen 1. Turm 3Ω 2Ω 1Ω [rpm] 0 0,1 0,2 0,3 0,4 [Hz], Dipl. Ing. Stefan Kleinhansl Dynamik von Windenergieanlagen Rostock Wind
7 Massenlasten II. Lasten F r s Ωt Δ m F Δ F Ωt ΔF = Δm r s Ω 2 F hori = ΔF sin Ωt 1 2 D r s m m F = m r s Ω 2 r s m m ,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4η = Ω/ω 0 Unterkritisch Überkritisch, Dipl. Ing. Stefan Kleinhansl Dynamik von Windenergieanlagen Rostock Wind
8 II. Lasten Windlasten Turbulenz Kurzzeitige lokale Änderungen der Windgeschwindikeit und - richtung Thermische and mechanische (Bodenrauhigkeit) Einflüsse => Zeitlich und Räumlich, Dipl. Ing. Stefan Kleinhansl Dynamik von Windenergieanlagen Rostock Wind
9 v(t) Windgewschwindigketi Rotational Sampling II. Lasten Punkt 3 Punkt Punkt 2 3 Ω t Punkt 1 Punkt 2 v T T Punkt 1 V 2π 4π 6π 8π Rot Winkel [Ω t], Dipl. Ing. Stefan Kleinhansl Dynamik von Windenergieanlagen Rostock Wind
10 III. Dynamik des Rotorblattes Aeroelastik Aero-Elastik = Aerodynamik hängt von der Strukturbewegung ab Änderung des Auftriebs am Blattschnitt auf Grund der Strukturbewegung Anliegende Strömung = Aerodynamische Dämpfung c u L v 2 Δv flap v 2 Änderung des Auftriebs ΔL reduziert Δv flap ΔL > 0 Δv flap v 2, Dipl. Ing. Stefan Kleinhansl Dynamik von Windenergieanlagen Rostock Wind
11 III. Dynamik des Rotorblattes Rotorblatt Eigenformen, Dipl. Ing. Stefan Kleinhansl Dynamik von Windenergieanlagen Rostock Wind
12 III. Nicht-lineare Pitch-Torsions-Dynamik des Rotorblattes Dynamik des Rotorblattes dx i Blatt 1 Blattposition 180 cg i Blade 1 Flap Deformation cg i dx i ROTOR- Achse M i Nicht lineare Pitch Torsions- Momente durch Flap Deformation M i M i = m * g * dx i, Dipl. Ing. Stefan Kleinhansl Dynamik von Windenergieanlagen Rostock Wind
13 rotor speed [rpm] TIP rotation [rad] III. Dynamik des Rotorblattes Torsionsdivergenz c g speed RX E s c g E s Time [s] Torsionsdivergenz abhängig von: Position des Schwerpunkts in Tiefenrichtung Position des aerodynamischen Zentrums in Tiefenrichtung Position des Schubmittelpunktes in Tiefenrichtung, Dipl. Ing. Stefan Kleinhansl Dynamik von Windenergieanlagen Rostock Wind
14 C P [-] Schwachwindanlagen IV. Aktuelle Auslegungskriterien Definition der Schnelllauf R v TSR = Tip Speed Ratio Drehzahl * Radius / Windgeschwindigkeit Übliche Schnelllaufzahlen: 6,5 10,5 (= Schnellläufer) 0.60 Rotorkennfeld Tip (Blattspitzen)-Verluste Pitch Angle [ ] Tip 1,84 z Tipverluste sinken mit Blattzahl und Schnelllaufzahl TSR [-], Dipl. Ing. Stefan Kleinhansl Dynamik von Windenergieanlagen Rostock Wind
15 IV. Aktuelle Auslegungskriterien 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/m 2 - Senvion 3,2M W/m 2 - Nordex N117 / 2,4 MW 223 W/m 2 ca. 9 m/s (32 km/h) - Gegensatz: ENERCON E 126 / 7,5 MW 600 W/m 2 ca. 13 m/s (47 km/h) - Neu: ENERCON E126 EP4 4,2 MW 332 W/m 2, Dipl. Ing. Stefan Kleinhansl Dynamik von Windenergieanlagen Rostock Wind
16 P [kw] C P [-] IV. Aktuelle Auslegungskriterien Schwachwindanlagen Leistungskurve C P - PV-Kurve Pitch Angle [ ] Schwachwind-WEA V [m/s] TSR [-] opt Optimales C P = 0,49 bis ca. 9 m/s C P bei Nennwind 0,35, Dipl. Ing. Stefan Kleinhansl Dynamik von Windenergieanlagen Rostock Wind
17 Schwachwindanlagen IV. Aktuelle Auslegungskriterien Ausgelegt auf ein (!) Optimum: Max. Leistungsbeiwert d.h. hohe Schnelllaufzahlen Dies führt zu sehr schlanken Rotorblättern Tip 1,84 z => Aerodynamisches Optimum gegenläufig zu Strukturanforderungen, Dipl. Ing. Stefan Kleinhansl Dynamik von Windenergieanlagen Rostock Wind
18 V. Beispiel Torsionsdivergenz Blatteigenfrequenzen WEA 2.X MW, Dipl. Ing. Stefan Kleinhansl Dynamik von Windenergieanlagen Rostock Wind
19 V. Beispiel Torsionsdivergenz WEA 2.X MW Berechnungen durchgeführt mit ADCoS Aeroelastiktool auf Finite-Elemente-Basis Nichtlinear x z 6 Freiheitsgrade pro Knoten Kubischer Verschiebungsansatz M u C G u K Z H u R t Siehe auch Dipl. Ing. Stefan Kleinhansl Dynamik von Windenergieanlagen Rostock Wind
20 (A m plitude)^2 / Frequency V. Beispiel Torsionsdivergenz WEA 2.X MW F F T -A nalysis D isplacem ents (D E M O ) OUT:LC1_dynm1 ND: 33 CS:(3) Blade RX Frequency [ Hz] Ergebnisse bestätigt durch Messungen an realer WEA ADCoS V01.79 (ADC_2015) :07:14, Dipl. Ing. Stefan Kleinhansl Dynamik von Windenergieanlagen Rostock Wind
21 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), Dipl. Ing. Stefan Kleinhansl Dynamik von Windenergieanlagen Rostock Wind
22 Bleiben Sie neugierig! Für Fragen und Anregungen kontaktieren Sie gerne Dipl. Ing. Stefan Kleinhansl Neuhausen a.d.f. Dipl. Ing. Stefan Kleinhansl Dynamik von Windenergieanlagen Rostock Wind
Mein besonderer Dank gilt meinem Betreuer, Herrn Prof. Dr. -Ing. P. Tenberge, da durch seine Anregung und Unterstützung diese Arbeit möglich wurde.
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