ViVonBlades: Wirbelinduzierte Vibrationen an Rotorblättern von Windenergieanlagen

Auf einen Blick

• Wirbelinduzierte Schwingungen (ViV), die an Rotorblättern auftreten, können die gesamte Windenergieanlage vibrieren lassen, wodurch Schäden und Unfälle drohen. 
• Bislang reichen die im Rotorblattdesign angewendeten vereinfachten Methoden nicht aus, um ViV zuverlässig zu berechnen. Erkenntnisse zu ViV treten daher spät im Design- oder Produktionsprozess zu Tage und erfordern gegebenenfalls ein Neuaufrollen des Rotorblattdesigns.
• Im Forschungsprojekt ViVonBlades untersuchen die Projektpartner das Potenzial von vollständig aufgelösten Fluid-Struktur-gekoppelten Simulationen (FSI) mit dem Ziel, zuverlässige Ergebnisse bei der Berechnung von ViV zu erreichen.
• Das Fraunhofer IWES ist unter anderem für die Konzipierung und Durchführung der dafür nötigen FSI-Simulationen verantwortlich.

Herausforderung

Wirbelinduzierte Schwingungen (vortex-induced vibrations / ViV) werden durch die Wirbelablösung an den Rotorblättern von Windenergieanlagen ausgelöst und bringen nicht nur die Blätter, sondern die gesamte Windenergieanlage zum Vibrieren. Die Folgen sind massiv: Das Vibrieren gefährdet die Stabilität, die strukturelle Integrität und damit die Standfestigkeit der Windenergieanlage. Mit zunehmendem Wachstum der Blätter verschärft sich das Problem.

In frühen Phasen der Rotorblattkonstruktion können ViV bislang kaum berücksichtigt werden. Die verwendeten BEM-Methoden (Blade Elementum Momentum Theorie) nutzen polare Nachschlagetabellen und dynamische Strömungsabrissmodelle zur Abschätzung der Aerodynamik, die nicht in der Lage sind, die mit ViV verbundene instationäre Aerodynamik vollständig zu erfassen. Die Effekte der wirbelinduzierten Schwingungen werden daher erst spät im Entwicklungsprozess der Rotorblätter bemerkt. In der Folge muss ggf. das komplette Design neu aufgerollt werden, was zu Verzögerungen und hohen Kosten führt.

Lösung

Hier setzt das Forschungsprojekt ViVonBlades an. Ziel ist, die Kraftverteilung der Wirbelablösung mit vollständig aufgelösten CFD-Simulationen (Computational Fluid Dynamics) zuverlässig berechnen zu können. Dazu werden die Projektpartner verfügbare Methoden zur Turbinenauslegung bewerten: Eine Reihe FSI-Simulationen, die am Fraunhofer IWES konzipiert und durchgeführt wird, wird mit einseitig gekoppelten Simulationen mit aufgezwungenen Blattverformungen und mit einem technischen Modell verglichen.

Das Fraunhofer IWES wird darüber hinaus für die Untersuchung von Turbulenzmodellen, die bei der Strömungssimulation zum Einsatz kommen, verantwortlich sein sowie die Validierung und Bewertung der verschiedenen Methoden, die häufig in den ersten Entwurfsphasen für die Berechnung der Blattstruktur verwendet werden, übernehmen.

Mehrwert

ViVonBlades wird dazu beitragen, die Modelle zur Berechnung von wirbelinduzierten Schwingungen und die Zuverlässigkeit ihrer Ergebnisse zu bewerten und zu verbessern. Mit größerem Vertrauen in die Berechnungen und Vorhersagen von ViV-Phänomenen, in den vorläufigen Entwurfsstadien von Rotorblättern, können hohe Kosten für die Umgestaltung in den endgültigen Entwurfsstadien und in der Produktionsphase eingespart werden.