Numerische Untersuchung eines neuen Konzepts zur Lastenkontrolle von Windenergieanlagen in atmosphärischer turbulenter Zuströmung

• Antragsteller: Dr.-Ing. Thorsten Lutz
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 218741182

Das gemeinsame Ziel des Forschungsschwerpunktes ist die Verbesserung von Berechnungsmethoden für Windkraftanlagen in turbulenter atmosphärischer Zuströmung, die Untersuchung der auftretenden komplexen Wechselwirkungen und Lastzyklen, sowie die experimentelle und numerische Untersuchung eines neuartigen Lastenreduktionskonzeptes und dessen Einfluss auf die Aerodynamik, die Lasten und den Nachlauf.Das erste Ziel in der beantragten Verlängerung (36 Monate) für das vorliegende Teilprojekt ist die Erweiterung des numerischen Setups und der Prozesskette für die CFD-Simulationen von Windkraftanlagen mit kinematisch gekoppelten Vorder- und Hinterkantenklappen unter turbulenter Zuströmung durch die Implementierung einer Fluid-Struktur-Kopplung. Dadurch soll die instationäre Klappenbewegung unter Berücksichtigung aller wirkenden Kräfte direkt in der Simulation berechnet, anstatt wie bisher, vorgegeben werden. Der CFD-Code (FLOWer) bestimmt die instationären aerodynamischen Kräfte und Momente auf die Klappen und gibt sie an den CSD-Code (SIMPACK) weiter. Dort werden die Trägheitsmomente und die Gewichtskräfte berechnet und der Klappenausschlag ermittelt. Dieser Vorgang wird für jeden physikalischen Zeitschritt der instationären CFD-Simulation wiederholt. Zur Bewertung des betrachteten Lastenkontrollkonzeptes und zur Studie der auftretenden aerodynamischen Effekte wird die Komplexität des Systems schrittweise erhöht (von einem 2D Profil unter stationärer Zuströmung bis zu einer Windkraftanlage unter turbulenter, atmosphärischer Zuströmung). Die instationären Klappenausschläge werden in allen Simulationen direkt berechnet. Die erweiterte Berechnungskette wird durch Vergleich mit experimentellen Daten aus zwei Windkanalkampagnen an Profilen sowie Windkanaldaten an einem Modellrotor, jeweils mit Lastenkontrolle, validiert und anschließend für die Simulation der generischen NREL 5MW Windkraftanlage verwendet.Das zweite Ziel ist die Untersuchung des Einflusses von Klappen auf eine sich nicht im Nennbetrieb befindlichen Windenergeianlage. Die resultierenden deterministischen Lastschwankungen in Verbindung mit instationären aerodynamischen Effekten wurden in den ersten beiden Projektphasen nicht untersucht, haben jedoch einen erheblichen Einfluss auf die Lebensdauer einer Windkraftanlage. Daher sind sie von großer Bedeutung bei der Bewertung der Wirksamkeit des Lastenreduktionskonzeptes und ihre Untersuchung führt somit zu einem noch realistischeren Überblick über die Gesamtbelastungen einer Windkraftanlage.Die neuen Ziele können nur durch die Untersuchungen und Code-Erweiterungen, die in den ersten beiden Projektphasen durchgeführt wurden und werden, erreicht werden. Darüber hinaus können die in diesen Phasen durchgeführten Simulationen nun für Vergleichszwecke herangezogen werden. Für die Validierung der neuen Erweiterungen sind erneut Windkanalmessungen erforderlich, wodurch die enge Verbindung zwischen Experiment und Simulation weiterhin bestehen wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Ewald Krämer