Smart Blades Meetings 2014

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1 SB Nr. 4 Juni Dezember Vorwort Liebe LeserInnen, Inhalt Andreas Reuter Fraunhofer IWES Mitglied des Smart Blades Steering Committee Vorwort 1 Meetings....1 Passive Technologien 2 Aktive Technologien...3 das Projekt Smart Blades kommt in eine entscheidende Phase: nach einer Zeit der Abstimmung und Modellentwicklung können nun in den einzelnen Gruppen Ergebnisse produziert werden. In einem nächsten Schritt werden diese dann auf WEA Systemebene vergleichbar gemacht und bewertet. Einen ersten Überblick über den in den in den letzten Monaten erreichten Stand liefert Ihnen dieser Newsletter gerne stehen die Akteure für Rückfragen und Anregungen zur Verfügung. Viel Freude beim Lesen und Entdecken weiterer Neuigkeiten wünscht Ihnen Andreas Reuter Smart Blades Meetings 2014 In der zweiten Jahreshälfte von 2014 gab es diverse Möglichkeiten, die das Smart Blades Konsortium nutzte, um Ergebnisse zu präsentieren und Erfahrungen auszutauschen. Neben einem Messestand auf der Wind Energy in Hamburg, veranstaltete der Forschungsverbund Windenergie (FVWE) ein Kolloquium in Braunschweig, das von den Projektmitgliedern zahlreich besucht wurde. Konferenzen/ Publikationen..6 Weiterführende Links...6 Kontakt.6 Projektsteckbrief Neben einem großen Gesamtarbeitstreffen Anfang 2014, fanden aufgrund der enormen Größe des Projektes auch Arbeitstreffen auf Technologieebene am Ende des Jahres statt. Hier wurden in Bremerhaven (li.) und Oldenburg (im Windkanal, re.) Ergebnisse diskutiert und Lösungen erarbeitet.

2 Passive Smart Blades Materialcharakterisierung Im Projekt Smart Blades sollen die Potentiale aktiver und passiver Technologien aufgezeigt werden (siehe Projektsteckbrief). Die aktiven Technologien, beeinflussen die aerodynamischen Verhältnisse am Rotorblatt durch eine aktive Veränderung der Hinter oder Vorderkantengeometrie. Die passiven Rotorblätter erzielen einen ähnlichen Effekt mittels einer geometrisch oder strukturell induzierten Biege Torsions Kopplung (BTK). Für Letztere wird ein anisotroper Lagenaufbau des Faser Kunststoff Laminats benötigt, der zur Fixierung bei einer automatisierten Fertigung mittels vakuumunterstützter Harzinfusion einen Binder benötigt. Da dieser Binder als zusätzliche Phase im Verbund die Eigenschaften des Laminats beeinflusst, wurde am DLR Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik der Einfluss verschiedener Bindertypen und anteile auf die mechanische Performance des Werkstoffs überprüft und verglichen. Zur Materialcharakterisierung wurde zunächst die Löslichkeit der verschiedenen Binder im Epoxid Matrixharz mittels Mikroskopie, Viskosimetrie und DSC (dynamische Differenzkalorimetrie) untersucht und mit einer Auswahl an Harz Binder Platten Zugversuche und DMTA Messungen (dynamisch mechanische thermische Analyse) durchgeführt. Abbildung 1: Schliffbild einer GFK Platte mit thermoplastischem Bindersystem Mittels T Schälprüfungen an bebinderten Faserpreforms wurden, in Abhängigkeit des Binderanteils, die Hafteigenschaften der Binder verglichen. Nach einer erneuten Binderselektion wurden mit Binder versehene Glasfaserverbundplatten gefertigt und in statischen Zug und Druckversuchen geprüft. Hier zeigten sich beim Zugversuch in 90 und bei den Druckversuchen in 0 und 90 starke Unterschiede zwischen den Bindern in Festigkeit und Steifigkeit, besonders bei einem hohen Binderanteil. Der Binder, der bereits in den Harz Binder Mischungen die beste mechanische Performance zeigte, führt auch im Faserverbundwerkstoff zu den positivsten Eigenschaften. Der durchgeführte Vergleich der Bindersysteme ermöglicht in Abhängigkeit der Anforderungen aus dem Fertigungsverfahren die Auswahl eines optimalen Bindersystems. Strömungs Struktur Kopplung in CFD An der Carl von Ossietzky Universität in Oldenburg wurde ein neuer Strukturlöser für Rotorblätter entwickelt und in den Open Source CFD Code OpenFOAM integriert. Ein Problem bei bisherigen CFD Simulationen sind die als steif angenommenen Rotorblattgeometrien. Besonders bei großen und flexiblen Rotorblättern führt diese Annahme zu Ungenauigkeiten, da die genauen Lasten und somit die Verformung des Blattes vor der Simulation nicht bekannt sind. Um dieses Problem zu umgehen, wurde in OpenFOAM das Prinzip der Strömungs Struktur Kopplung implementiert. Durch die Ankopplung eines Strukturlösers an den CFD Löser kann die Verformung der Rotorblätter während der CFD Simulationen an die jeweilig wirkenden Lasten angepasst werden. Dies ermöglicht genauere Berechnungen der aerodynamischen Kräfte und die Berechnung der Rotorblattdeformationen. Der implementierte Strukturlöser nutzt nichtlineare, finite Balkenelemente basierend auf der GEBT (Geometrisch Exakten Balken Theorie) und ist somit auch für lange, flexible Rotorblätter, sowie einen anisotropen Materialaufbau geeignet. 2

3 Weiterhin ist durch die gemeinsame Programmiersprache von Strömungs und Strukturlöser ein effizienter Informationstransfer gewährleistet. Die Kopplung der Löser wurde für stationäre Simulationen durchgeführt, wobei die notwendige Gitterverformung mittels eines neu implementierten Verfahrens durchgeführt wird. Für die Verwendung auf dem FLOW Rechencluster an der Carl von Ossietzky Universität Oldenburg wurde außerdem der gekoppelte Löser parallelisiert. Aktive Smart Blades Parametrische Untersuchungen zur Wirksamkeit von aktiven Rotorblättern Zur Änderung der Hinterkantengeometrie gibt es neben dem Konzept der konventionellen starren Klappe, das Konzept der sogenannten formvariablen Moveables. Im Verbundprojekt Smart Blades wurden in den vergangenen Monaten verschiedene Ansätze und Potentiale dieser Konzepte untersucht. Abbildung 2: Implementierte Kopplungs Prozedur Quelle: CvO OL Gegebenheiten des Rotorblattes berücksichtigen. Grundsätzlich zeigten die Untersuchungen wie erwartet, dass mit größer werdender Klappe auch die Beeinflussbarkeit ansteigt. Dabei wurde angenommen, dass durch die Implementierung einer größeren Hinterkantenklappe zusätzliche Massen und Kosten entstehen, die insbesondere durch die zusätzlichen bzw. leistungsstärkeren Aktuatoren begründet sind. Somit musste ein Kompromiss zwischen der maximal erreichbaren Wirksamkeit und der bestmöglichen Implementierung eines Subsystems getroffen werden. Zunächst wurde gezeigt, dass mit der Konfiguration auch die 1P Lasten reduziert werden können (siehe Abb3). Dies stellt einen guten Startpunkt für weiterführende Simulationen dar. Am DLR Institut für Flugsystemtechnik in Braunschweig wurde auf Basis der Referenzanlage (siehe Newsletter Nr. 2) eine Klappen Konfiguration, die die Effektivität hinsichtlich der Lastreduktion maximiert, simulativ erprobt. Hierzu wurden die Einflüsse der Spannweite, Klappentiefe und Klappenposition mittels des DLR Rotor Simulationscode S4 untersucht. Schließlich wurde ein Klappendesign zur Verfügung gestellt, das die Ergebnisse der Parameterstudie und die geometrischen 3 Abbildung 3. Blattwurzelmoment (flap wise) Am Institut für Turbomaschinen und Fluid Dynamik der Leibniz Universität Hannover wurden Untersuchungen durchgeführt, um Vorgaben für die Regelung einer aktiv bewegten, flexiblen Hinterkante zu machen. Diese Vorgaben wurden anhand zweidimensionaler,

4 numerischer Simulationen erarbeitet. Sie beinhalten die Wirksamkeiten der beweglichen Hinterkante (Abb.4) bei stationärer Auslenkung. Abbildung 5: Integrierter Vorflügel Quelle: LUH Abbildung 4: Wirksamkeit der flex. Hinterkante Außerdem wurden Vorgaben für die instationäre Bewegung der Hinterkante gegeben, womit die Wirksamkeiten der beweglichen Hinterkante sowie Phasenversatz zwischen Hinterkantenbewegung und dynamischen Auftriebsbeiwert bei periodischer Auslenkung näher betrachtet wurde. Im Weitern wird nun ein Modell für die Gesamtanlagensimulation entwickelt, das die instationären aerodynamischen Effekte bei schnellen Regelungsvorgängen der Hinterkante berücksichtigt. Um die oben aufgeführte Geometrie geometrisch zu bestimmen, wurden Parameter, wie die Profiltiefe des Vorflügels, der Spalt zwischen Vorflügel und Hauptprofil oder der Winkel der Hinterkante des Vorflügels definiert. Diese Parameter wurden systematisch vom Optimierungsverfahren in der DLR Optimierungsumgebung CHAeOPS geändert und jede Geometrie wurde mittels Strömungsberechnungen (CFD Simulationen am 2D Profilschnitt mit dem DLR Verfahren FLOWer) analysiert. Die aerodynamischen Beiwerte wurden durch die gewählte Zielfunktion der Optimierung, die minimiert werden soll, ausgewertet. Vergleich eines Vorflügels in integrierter sowie aufgesetzter Bauweise Für die Auslegung und den Bau eines Windkanalmodells mit einem Vorflügel, wurden am DLR Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik zwei verschiedene Bauweisen für den Entwurf untersucht: Ein in das Cleanshape integrierter (Abb. 5) und ein darauf aufgesetzter Vorflügel (Abb. 6). Für beide Konzepte wurden initiale Konfigurationen festgelegt und optimiert. Die Zielfunktion wurde aus zwei Anteilen definiert: Um eine verspätete Wirkung des Vorflügels zu vermeiden soll der Auftriebsbeiwert C L kurz vor dem sog. Stall (Strömungsabriss) maximiert werden. Zur Berücksichtigung des Widerstandsbeiwert C D bzw. der gesamten Leistung soll außerdem die maximale Steigzahl (C L 3 /C D 2 ) erhöht werden. Abbildung 6: Aufgesetzter Vorflügel Im Vergleich zu dem originalen Profil, erscheint durch den Einsatz des integrierten Vorflügels eine Erhöhung des max. Auftriebsbeiwerts um 64.8% erreichbar und der Anstellwinkelbereich des Profils um 9 vergrößerbar. Der Widerstand ist jedoch im Bereich kleiner Anstellwinkel erhöht. Bei der optimalen Konfiguration des aufgesetzten Vorflügels wird der max. Auftriebsbeiwert im Vergleich mit dem originalen Profil fast verdoppelt, der Widerstandsbeiwert aber bei kleinen Anstellwinkeln auf die gleiche Weise erhöht. Der Anstellwinkelbereich wird um 8 vergrößert. 4

5 Die Steigzahl wurde durch den Einsatz von beiden Vorflügelkonfigurationen und im Vergleich mit dem originalen Profil im mittleren und höheren Anstellwinkelbereiche stark erhöht (Abb. 7). Abbildung 7: Steigzahlen im Vergleich Zusammenfassend lässt sich aussagen, dass der aufgesetzte Vorflügel, vermutlich wegen der Verlängerung der gesamten Profiltiefe, höhere maximale Auftriebsbeiwerte erzeugt. Trotzdem ist die Effizienz des integrierten Vorflügels besonders im mittleren Anstellwinkelbereich sowohl hinsichtlich des Drehmoments (CL/CD) als auch der Leistung (CL 3/2 /CD) deutlich besser. Die integrierte Bauweise wird für den weiteren Entwurf und die darauffolgenden experimentellen Untersuchungen favorisiert und bevorzugt. Windkanalmessungen Um die numerischen Ergebnisse bzgl. des Vorflügels experimentell zu überprüfen, wurde neben dem Cleanshape das Konzept mit dem aufgesetzten Vorflügel gefertigt (Abb.8) und wird derzeit im Windkanal der Carl von Ossietzky Universität hinsichtlich ihrer Auftriebs, Widerstands und Momentbeiwerte untersucht. Dazu wurden eine zeitlich hochauflösende Kraftwaage sowie Druckbohrungen im Profil verwendet. Abbildung 10 zeigt mit den Kraftsensoren gemessenen Polaren bei laminarer Anströmung und einer Reynolds Zahl von 1 Million. In ersten Messungen konnte die Wirkung des Vorflügels hinsichtlich der Erhöhung des Auftriebsbeiwerts und der Vergrößerung des Anstellwinkelbereichs experimentell bestätigt werden (Abb. 9). Abbildung 9: Vergleich von CFD Ergebnissen und Daten der Windkanaluntersuchung Quelle: CVO OL Abbildung 8: Windkanalmodell mit aufgesetztem Vorflügel Quelle: CVO OL Abbildung 10: Gemessene Polaren für das Cleanshape und für das Modell mit aufgesetztem Vorflügel 5

6 Konferenzen/ Publikationen E. Daniele, B. Stoevesandt, M. Rosermeier, O. Bleich (2014): 3D steady simulation of a 7.5 MW wind turbine with OpenFOAM, European Fluid Mechanics Conference 10, TUD, Copenhagen, Denmark L. Vorspel, M. Schramm, B. Stoevesandt and J. Peinke (2014): Towards Implementation of an Optimization Tool for Rotor Bladesbased on the Adjoint Method in OpenFOAM, 10th PhD Seminar on Wind Energy in Europe, Orléans, France B.Dose, B. Stoevesandt, J.Peinke (2014): Towards FSI on wind turbine blades using Open FOAM, 10th PhD Seminar on Wind Energy in Europe, Orléans, France Carl Robert Brand, J.R. Seume (2014): FLAPS FOR WIND TURBINE APPLICATION:NOISE SOURCE LOCALIZATION ON A TEST AEROFOIL, 10th PhD Seminar on Wind Energy in Europe, Orléans, France T. Wolff, J.R. Seume (2014): NUMERICAL INVESTIGATION OF AN AIRFOIL WITH MORPH ING TRAILING EDGE FOR LOAD REDUCTION, 10th PhD Seminar on Wind Energy in Europe, Orléans, France Unguran, R. et Kühn, M. (2014): Feedback Control of Blades Trailing Edge Flap for Blade Root Load Mitigation,0th PhD Seminar on Wind Energy in Europe, Orléans, France Kraft, M. und Kühn, M. (2014): Zuverlässige Sensorik für intelligente Rotorblätter, 10. Aachener Kolloquium für Instandhaltung, Diagnose und Anlagenüberwachung, Aachen N.C. Oltmann (2014): Active Trailing Edge Flap Configurations for Load Reduction of Wind Turbines, FVWE Kolloquium, Braunschweig C. R. Brand, J. R. Seume (2014): Flaps for Wind Turbine Applications: First Results of the Experimental Investigations, Wind Turbine Sound 2014 EWEA Technology Workshop, Malmö Weiterführende Links Für weitere Informationen besuchen Sie uns auf folgenden Seiten Kontakt Dr. Ing. Jan Teßmer Koordinator Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt Lilienthalplatz Braunschweig Tel.: E Mail: Jan.Tessmer@dlr.de Dipl. Ing. Ceyda Icpinar Projektmanager Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt Lilienthalplatz Braunschweig Tel.: E Mail: Ceyda.Icpinar@dlr.de Ana Manso Jaume, Jochen Wild (2014): Aerodynamic Design and Optimization of a High Lift Device for a Wind Turbine Airfoil, Deutschen Strömungsmechanischen Arbeitsgemeinschaft Symposium (STAB), München 6

7 Projektsteckbrief SB Projekteckdaten Projektzeitraum: Dauer: 39 Monate Motivation Problematik Lösungsansatz Trend geht sowohl für Offshore- als auch für Onshore- Schwachwindbereiche 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" aerodynamischer Lasten durch Smart Blades Knowhow & Methoden für effizientes und zuverlässiges Anlagendesign 7