Gesamtdynamik von Windenergieanlagen

Lastsimulation

WindForS-Mitglieder verwenden viele verschiedene Software-Tools, um Lasten an Onshore- und Offshore-Windkraftanlagen zu simulieren. Das Spektrum reicht von reduzierten Modellen für längere Simulationszeiten bis hin zu detaillierten Modellen von Antriebssträngen, von Stützstrukturen oder Rotorblättern mit Computational Fluid Dynamics (CFD) für die Aerodynamik.

Zu den verwendeten Simulationssoftware gehören Flex5, Bladed, FAST, Finite Elemente Tools wie ANSYS, ABAQUS und Poseidon, das Multibody Simulation (MBS) Tool SIMPACK und CFD Codes einschließlich FLOWer.

Mode 1 of a wind turbine. Source: MPA
Mode 2 of a wind turbine. Source: MPA

Je nach Zweck können Modelle unterschiedlicher Komplexität zu einer geeigneten Modellkette gekoppelt werden. Simulationen mit Modellreduktionstechniken und teilweise gekoppelten Finite-Elemente-Modellen erzeugen genaue Modelle für die Vorplanung mit sehr kurzer Verarbeitungszeit. Die Modelle sind in der Lage, die kritischen Komponenten vom Fundament bis zu den Rotorblättern exakt darzustellen. Die Modelle können turbulente Windeinträge sowie Wellenbelastung für Offshore-Modelle aufweisen.

Mehrkörpersysteme (MKS)

Die Stuttgarter Windenergie (SWE) nutzt Bladed von DNV-GL/Garrad Hassan und SIMPACK, um Mehrkörpersimulationen (MBS) durchzuführen. Diese Tools ermöglichen High-Level-Simulationen von Windkraftanlagenmodellen. Nahezu jeder flexible Körper kann modelliert werden, wie z.B. Zahnradkontakte, Lagersteifigkeit im Antriebsstrang oder Pitchsystem sowie Verankerungssysteme für schwimmende Windkraftanlagen. SWE arbeitet seit vielen Jahren mit diesen Unternehmen zusammen und beteiligt sich an der Entwicklung der SIMPACK-Windkraftanlagenmodule.

Fluid-Struktur-Kopplungen mit CFD: FLOWer -SIMPACK

Neben den grundlegenden aerodynamischen Theorien, wie der Blade Element Momentum (BEM)-Theorie oder der Free Vortex-Theorie, ist der Flow Solver FLOWer mit dem MBS-Programm SIMPACK gekoppelt, um sehr detaillierte Simulationen aeroelastischer Probleme durchzuführen. Die beteiligten Institute verfügen über ein leistungsfähiges Softwarepaket für die “Aeroelastische Mehrkörpersimulation”, mit dem die Strukturdynamik dank des MBS mit sehr hohem Detaillierungsgrad modelliert werden kann. Die Aerodynamik kann ohne die BEM-Theorie gelöst werden, sondern mit der URANS-Methode, die im FLOWer-Code implementiert ist.

Die mit diesem Tool gekoppelten MBS-Modelle ermöglichen eine Analyse der strukturellen Belastungen, der Aerodynamik (z.B. der Druckverteilung auf der Schaufeloberfläche) und des gesamten Strömungsfeldes.

Systemidentifikation, Zustandsanalyse, Model Updating

Das Materialprüfungsinstitut (MPA) der Universität Stuttgart arbeitet an der Systemidentifikation, Zustandsanalyse und Modellpflege:

  • System-Identifikation:
    • Ermittlung des Zustands mechanischer Strukturen im Anlagen- und Maschinenbau mittels klassischer Modalanalyse und Betriebsmodalanalyse (OMA)
    • Messung der Systemreaktion mit seismischen Sensoren (zyklische Geschwindigkeitsleser) und piezoelektrischen Beschleunigungssensoren
    • Bestimmung der Verformung mittels DMS und optischer Messtechnik
      Spannungsanalyse mit LMS-Test. Laborstrukturen
  • Zustandsanalyse: Berechnung der Eigenfrequenzen und Eigenformen von mechanischen Strukturen im Anlagen- und Maschinenbau mit dem Finite-Elemente-Programm Abaqus FEA.
  • Modellaktualisierung: Anpassung unbekannter Modellsystem-Parameter – z.B. Rand- und Übergangsbedingungen und Rückhalteintensität – an die Ergebnisse der experimentellen Modellanalyse mit dem Finite-Elemente-Programm FEMtools von Dynamic Design Solutions. Damit können Steifigkeitswerte von z.B. nicht erreichbaren Stellen wie Offshore-Anlagen ermittelt werden.

Schwingungsdämpfung

Qualifizierung von Schwingungstilgern in Zusammenarbeit mit dem Hersteller, um unerwünschte hohe strukturdynamische Beanspruchungen von mechanischen Systemen zu mindern, z.B. Turmschwingungen.