DE102018218516A1

DE102018218516A1 - Verfahren zur Ermittlung von Designparametern eines Rotorblattes

Info

Publication number: DE102018218516A1
Application number: DE102018218516.6A
Authority: DE
Inventors: Malo Rosemeier
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2018-10-29
Filing date: 2018-10-29
Publication date: 2020-04-30
Also published as: WO2020089175A1; EP3874396A1; US20220004686A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ermittlung von Designparametern (41) eines Rotorblattes (3, 4, 5) für eine mit einem Fluid interagierende Maschine, insbesondere eine Windenergieanlage, bei dem Beschaffenheitsparameter (39) des Rotorblattes zerstörungsfrei, insbesondere durch Messungen, ermittelt werden, bei dem Zielparameter (40) des Rotorblattes ermittelt werden und bei dem in einem Optimierungsprozess (33) die ermittelten Zielparameter vorgegeben werden, wobei die Designparameter in dem Optimierungsprozess so variiert werden, dass unter Berücksichtigung der ermittelten Beschaffenheitsparameter die Zielparameter erreicht werden. Damit lassen sich die grundsätzlich zerstörungsfrei ermittelbaren Parameter bei einem vorliegenden Rotorblatt ermitteln, um die nicht zerstörungsfrei oder nur schwer ermittelbaren Parameter durch ein Rechenmodell zu ermitteln.

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet des Maschinenbaus und insbesondere auf dem Gebiet der Windenergietechnik und ist mit besonderem Vorteil bei der numerischen Abbildung oder Simulation des Verhaltens von Windenergieanlagen einsetzbar.
In vielen Anwendungsfällen, wie beispielsweise bei der Analyse anlässlich von Laufzeitverlängerungen oder Zertifizierungen, ist jeweils für eine bestehende Windenergieanlage ein Modell der Gesamtanlage zu erstellen, das die Simulation von bestimmten Betriebs- und Belastungszuständen erlaubt. Zudem müssen Windparkbetreiber oder Wartungsbeauftragte für Windparks regelmäßig die Ursachen für Ausfälle, Schäden oder totales Versagen von Windenergieanlagen analysieren. Auch für solche Anwendungen ist ein virtuelles Modell einer Gesamtanlage nützlich, um beispielsweise Simulationen oder Lastberechnungen durchzuführen.
Die Qualität von Simulationsmodellen hängt von dem Detailgrad der zur Verfügung stehenden Informationen über die Komponenten ab. Bei bestehenden und oft viele Jahre alten Windenergieanlagen stehen oft nur lückenhafte Informationen über den Aufbau der Anlage, insbesondere über den Aufbau der Rotorblätter, zur Verfügung. Daher sind bei der Erstellung möglichst detaillierter Simulationsmodelle auch Methoden des Reverse-Engineering zu nutzen, um zerstörungsfrei möglichst viele Details über die Anlage, insbesondere über den Aufbau von Rotorblättern, zu ermitteln.
Die Parameter der Rotorblätter haben dabei einen besonders großen Einfluss auf das Simulationsmodell und sind daher mit besonderer Sorgfalt und Mühe zu ermitteln. Einige der Parameter sind dabei einfach durch äußere Vermessung ermittelbar oder aus den Fertigungs- oder Lieferunterlagen ersichtlich. Andere Parameter, wie beispielsweise die modalen Parameter der Schwingungsmoden, sind durch Messung in verschiedenen Betriebszuständen oder experimentell ermittelbar. Es gibt weitere Parameter, die nur mit großem Aufwand und/oder durch Zerstörung einzelner Rotorblätter ermittelbar sind.
Aus der DE 296 09 242 ist beispielsweise ein Verfahren zur Vermessung einer Windenergieanlage durch optische Abtastung bekannt.
Die DE 11 2008 001 197 T5 offenbart ein spezielles Verfahren zur berührungsfreien Vermessung eines Windturbinenblattes.
Die US 2005/0067568 A1 offenbart ein Verfahren, bei dem ein Rotorblatt von außen vermessen wird, wobei den Punkten der Oberfläche Dickenwerte aus einer Aufstellung zugeordnet werden, wodurch innere Oberflächen des hohlen Rotorblattes rekonstruiert werden können.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, vor dem Hintergrund der bekannten Verfahren zur Analyse von Elementen von Windenergieanlagen ein Verfahren zu schaffen, mittels dessen Parameter von Rotorblättern einer Windenergieanlage oder auch einer anderen Maschine, die mit einem Fluid interagiert, wie beispielsweise einer Gasturbine oder einer Wasserturbine, möglichst zerstörungsfrei, mit möglichst geringem Aufwand und mit großer Detailtreue ermittelt werden können.
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Patentansprüche 2 bis 11 stehen vorteilhafte Ausführungen eines derartigen Verfahrens dar. Der Patentanspruch 12 bezieht sich auf ein Verfahren zur Ermittlung von Parametern einer Maschine, und der Patentanspruch 13 auf die Durchführung einer Simulation mithilfe der ermittelten Parameter.
Demgemäß bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Ermittlung von Designparametern eines Rotorblattes einer mit einem Fluid interagierenden Maschine, insbesondere einer Windenergieanlage, bei dem Beschaffenheitsparameter des Rotorblattes zerstörungsfrei, insbesondere durch Messungen, ermittelt werden, bei dem Zielparameter des Rotorblattes ermittelt werden und bei dem in einem Optimierungsprozess die ermittelten Zielparameter vorgegeben werden, wobei die Designparameter in dem Optimierungsprozess so variiert werden, dass unter Berücksichtigung der ermittelten Beschaffenheitsparameter die Zielparameter erreicht werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren geht im Falle einer zur Verfügung stehenden Windenergieanlage oder zumindest eines vorliegenden, zugänglichen und zur Verfügung stehenden Rotorblattes somit den Weg, die relativ einfach durch Vermessung oder Inaugenscheinnahme der Windenergieanlage oder Überprüfung der Fertigungsunterlagen ermittelbaren Parameter in Erfahrung zu bringen und einem Optimierungsverfahren zugrunde zu legen. Als bekannte Optimierungsverfahren kommen dafür die etablierten linearen oder nichtlinearen Optimierungsverfahren unter Verwendung von Computerprogrammen in Frage. Bekannte Optimierungsalgorithmen für derartige Zwecke sind beispielsweise Sequentielle quadratische Programmierung (SQP) oder Genetische Algorithmen (GA). Für derartige Modellierungen stehen Software-Programmpakete wie beispielsweise OpenMDAO oder PyOpt, ein auf der Programmiersprache Python basiertes Programmpaket, zur Verfügung.
Als Zielparameter für die Optimierung können beispielsweise durch Messung ermittelbare modale Parameter eingesetzt werden. Unter solchen modalen Parametern können die Schwingungseigenschaften eines Rotorblattes bei verschiedenen Schwingungsmoden, wie beispielsweise Biegeschwingungsmoden oder Torsionsschwingungsmoden oder auch gekoppelten Schwingungsmoden, verstanden werden. Es kommen dabei sowohl die Eigenfrequenzen als auch die jeweiligen Eigenformen in Frage, die durch die Position der Schwingungsknoten definiert werden können. Auch die Zielparameter können somit in vielen Fällen vollständig durch Messungen ermittelt werden.
Im Zuge des Optimierungsverfahrens werden dann Designparameter des Rotorblattes, die vor dem Optimierungsverfahren unbekannt sind und die nicht einfach durch Inaugenscheinnahme oder Messung ermittelt werden können, derart verändert, dass die Zielparameter möglichst vollständig erreicht werden. Mit dem genannten Verfahren lassen sich somit die Designparameter ermitteln. Üblicherweise werden einer oder mehrere Designparameter aus einer Anzahl in Frage kommender Designparameter ausgewählt und auf diese Weise verändert. Dies wird weiter unten noch ausführlich beschrieben. Als Designparameter kommen die typischen, schwierig von außen zerstörungsfrei ermittelbaren Parameter eines Rotorblatts in Frage, die einen signifikanten Einfluss auf die Zielparameter haben.
Eine Ausgestaltung des Verfahrens kann vorsehen, dass die in dem Optimierungsprozess verwendeten Beschaffenheitsparameter einen oder mehrere der folgenden Parameter enthalten: verwendetes Infusionsmaterial, verwendetes Kernmaterial, verwendetes Fasermaterial, Faservolumengehalt, Außenmaße des Rotorblatts, insbesondere Länge, Breite des Rotorblatts, Winkel der äußeren Oberflächen des Rotorblattes, Querschnittsformen für eine oder mehrere Positionen entlang des Rotorblattes, Lage der Profilmittelachse im Koordinatensystem des Rotorblattes für einen oder mehrere Querschnitte.
Rotorblätter können zum Beispiel im Vacuum Assisted Resin Transfer Molding (VARTM) Infusionsverfahren hergestellt werden, bei dem Verstärkungstextilien und Kernmaterialien mit einem Infusionsmaterial, wie z.B. Epoxidharz, unter Vakuum getränkt (infundiert) werden.
Das verwendete Infusionsmaterial und Kernmaterial und seine Parameter lassen sich beispielsweise durch Inaugenscheinnahme oder durch Einsichtnahme in die Herstellungsunterlagen feststellen. Damit lassen sich auch die mechanischen Eigenschaften des Infusionsmaterials oder des Verbundmaterials und des Kernmaterials und der Faserverstärkung, wie beispielsweise der Elastizitätsmodul und die Bruch- und Dehnfestigkeit sowie Dichte, ermitteln und als Beschaffenheitsparameter verwenden. Ebenso verhält es sich mit dem verwendeten Fasermaterial. Der Faservolumengehalt kann beispielsweise aus den Fertigungsunterlagen ersehen oder aus Erfahrungsgrößen entnommen werden. Der Faservolumengehalt kann beispielsweise von den verwendeten Verstärkungstextilien, Kernmaterialien und dem Infusionsmaterial sowie von dem angewendeten Infusionsverfahren abhängen, welches ebenfalls berücksichtigt werden kann. Die Materialsicherheitsfaktoren und die Reservefaktoren, die beim Bau zugrunde gelegt wurden, sind beispielsweise entweder den Herstellungsunterlagen entnehmbar, oder den Designrichtlinien des Herstellers oder auch den Vorgaben, die beispielsweise von Genehmigungsbehörden und/oder akkreditierten Zertifizierungsstellen zur Zeit der Erstellung der Windenergieanlage gemacht worden sind.
Die Außenmaße des Rotorblatts sind durch an sich bekannte Verfahren wie beispielsweise Laserscannen oder mechanische Vermessung ermittelbar. Unter diese Außenmaße fallen die Länge des Rotorblattes, Tiefe und Dicke, also insbesondere auch sein Tiefen- und Dicken-Verlauf entlang der Länge, sowie die Winkel der Außenflächen oder beispielsweise der Winkel der Sehne des Rotorblattprofils im Verhältnis zur Bewegungsrichtung des Rotorblattes in der Rotationsebene (t-Richtung). Grundsätzlich können auch die Querschnittsform und die Lage des Querschnitts eines Rotorblattes an jedem Punkt entlang der Rotorblattlängsachse als Beschaffenheitsparameter verwendet werden.
Eine sinnvolle Auswahl der Beschaffenheitsparameter kann beispielsweise in dem verwendeten Infusionsmaterial, dem verwendeten Faser- und Kernmaterial, dem Faservolumengehalt und der Länge und Breite oder Tiefe und Dicke, also insbesondere Tiefenverlauf und Dickenverlauf, des Rotorblattes bestehen. Es ist jedoch auch eine Untermenge dieser Parameter als Auswahl denkbar, oder es können einer oder mehrere der weiter oben genannten Parameter hinzugefügt werden.
Zu den Beschaffenheitsparametern können als zusätzliche Annahmen unter bestimmten Bedingungen auch die Materialsicherheitsfaktoren hinzutreten, die beim Bau zugrunde gelegt wurden, sowie Reservefaktoren, die beim Bau zugrunde gelegt wurden.
Materialsicherheits- und Reservefaktoren sind als zusätzlich anzunehmende Parameter im Zusammenhang mit einer zusätzlich durchgeführten Festigkeits-, Stabilitäts- und/oder Ermüdungsanalyse sinnvoll. Diese zusätzlichen Analysen können in die Optimierungsrechnung mit integriert sein oder parallel zu dieser durchgeführt werden, um zusätzliche Parameter zu bestimmen, die in die Optimierungsrechnung als Annahmen eingebracht werden. Für diesen Fall werden Lastannahmen notwendig, die mit aero-servoelastischen Simulationen mit Windfeld und Controller und weiteren Annahmen und Prüfungen zu ermitteln sind. Alternativ kann relativ einfach mit vereinfachten Lastannahmen basierend auf der Abbildung quasi-statischer aerodynamischer und/oder gravitationsbedingter Lastzustände gerechnet werden.
Aerodynamische Lasten können zu dem genannten Zweck mit Hilfe von Polaren erzeugt werden, die aus einer bestimmten Anzahl von 2D-Querschnitten und deren Koordinaten mit einer Panel-Methode (z. B. Xfoil) errechnet werden.
Gravitationsbedingte Lasten oder dynamische Lasten sind mit Hilfe der Annahme von Strukturkennwerten ermittelbar. Wird eine Festigkeits-, Beul- und/oder Ermüdungsberechnung bei der Optimierung durchgeführt, so muss die Lastannahme zuvor auf der Grundlage der variierten Struktur aktualisiert werden.
Reservefaktoren können als zusätzliche Parameter im Bereich etwa von 1 bis 10 als Randbedingungen im Optimierungsprozess vorgegeben werden.
Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens kann beispielsweise vorsehen, dass die in dem Optimierungsprozess ermittelten Designparameter einen oder mehrere der folgenden Parameter enthalten: Art und Dicke der Materialschichten der Schale insbesondere in den lasttragenden Bereichen, verwendete Verstärkungstextilien, die Position und Breite von Stegen und Gurten, bei mehreren Stegen deren Abstand oder Abstände zueinander und bei mehreren Stegen deren Winkel zueinander.
Die Designparameter sind diejenigen Parameter, die im Zuge des beschriebenen Optimierungsverfahrens ermittelt werden sollen.
Die Designparameter beziehen sich somit vorwiegend auf solche Größen und Parameter, die nicht durch Inaugenscheinnahme eines Rotorblattes von außen oder durch einfache Analysemethoden feststellbar sind. Beispiele hierfür sind die Positionen, Breite und Dicke der Gurte und der Stege.
Auch die Dicke und Beschaffenheit der Materialschichten in den lasttragenden Bereichen sind nicht ohne weiteres feststellbar. Das Gleiche gilt für Verstärkungstextilien. Das betrifft die Kombination der Orientierungen und Winkelabweichungen der Faserlängsrichtungen von aufeinanderfolgenden Faserverstärkungsschichten und/oder die Ausgestaltung von Pultrudaten. Üblich sind hier einerseits bestimmte Grundtextiltypen wie beispielsweise mit einem Versatz von aufeinanderfolgenden Verstärkungsfaserschichten um jeweils 90°, 45° oder 30° bezüglich der Längsachsen der Fasern. Andererseits kommen Pultrudate ohne Querfasern zum Einsatz. Demgemäß werden bei der Variation der Verstärkungstextilien im Zuge des Optimierungsverfahrens oft einige Standard-Textiltypen versuchsweise angenommen. Die übrigen genannten Designparameter werden im Rahmen des Optimierungsverfahrens üblicherweise stetig so lange verändert, bis die Zielparameter erreicht sind. Unter einem Erreichen der Zielparameter ist dabei im numerischen Sinne ein Erreichen innerhalb definierter Grenzen zu verstehen. Die Grenzen können beispielsweise vorab festgelegt sein.
Eine Minimalauswahl von Designparametern kann beispielsweise die Zahl und Position von Gurten und Stegen und die Steifigkeits- und Massenverteilung der Stege sowie der Gurte umfassen. Zu dieser Minimalauswahl können beispielsweise noch die Steifigkeits- und Massenverteilung der nichtlasttragendenen Bereiche der beiden Halbschalen eines Rotorblattes hinzukommen.
Anstelle der Steifigkeiten und Massen von lasttragenden und nicht-lasttragenden Bereichen, können auch die Verstärkungstextilien zusammen mit dem Faservolumengehalt und die Dicke des Verbunds aus Textil und Infusionsmatrix als Designparameter gewählt werden.
Zu den Designparametern können noch die Festigkeit, Steifigkeit und Masse eines oder mehrerer Gurte, die Position, Breite in s-Richtung und Höhe in t-Richtung eines oder mehrerer Stege, Steifigkeit und Masse eines oder mehrerer Stege in t-Richtung und/oder die Steifigkeit und Masse eines oder mehrerer Stege in s-Richtung hinzutreten, wenn zusätzlich oder in Kombination mit der Optimierungsrechnung eine Festigkeits- und/oder Ermüdungsberechnung durchgeführt wird und hierdurch noch zusätzliche unbekannte Parameter ermittelt werden. Üblicherweise werden aber bei der Optimierungsrechnung Grundannahmen über die Textiltypen und -dicken, Matrix und Faservolumengehalt sowie Kernmaterialdicken des Leichtbauwerkstoffs des gesamten Querschnitts des Rotorblatts einschließlich der Stege und insbesondere auch die Stärke der Gurte gemacht und somit entsprechende Parameter vorausgesetzt.
Es kann zudem beispielsweise vorgesehen sein, dass die in dem Optimierungsprozess verwendeten Zielparameter einen oder mehrere der folgenden Parametern enthalten: modale Eigenschaften, insbesondere die erste und/oder zweite Eigenfrequenz des Rotorblattes und/oder die Eigenform des Rotorblattes bezüglich der ersten und/oder zweiten Eigenfrequenz, die Gesamtmasse, die Lage des Massenschwerpunktes des Rotorblattes in dessen Längsrichtung.
Die genannten modalen Eigenschaften können sich dabei auf Biegeschwingungen und/oder Torsionsschwingungen und/oder sonstige Schwingungsmoden und/oder gekoppelte Schwingungsmoden mit mehreren Schwingungsmoden verschiedener Schwingungsformen beziehen.
Die modalen Eigenschaften, insbesondere die Eigenfrequenzen eines Rotorblattes, lassen sich durch Messungen besonders einfach ermitteln. Dabei können die Eigenfrequenzen vieler verschiedener Eigenschwingungen, insbesondere der untersten zehn Harmonischen, für verschiedene Schwingungsmoden, wie beispielsweise Biegeschwingungen und/oder Torsionsschwingungen, ermittelt werden. Ebenso können die sogenannten Eigenformen dieser Eigenschwingungen ermittelt werden, die durch die jeweilige Position der Knoten der jeweiligen Eigenschwingung definiert werden können.
Es erscheint sinnvoll, als Zielparameter zumindest die untersten zwei Eigenfrequenzen sowie deren Eigenformen der Biegeschwingungen und/oder der Torsionsschwingungen oder jeweils die Eigenfrequenz und Eigenform der Grund-Biegeschwingung und der Grund-Torsionsschwingung vorzugeben. Zudem kann die Lage des Massenschwerpunktes entlang der Längsachse des Rotorblattes vorgegeben werden. Ist dies nicht ausreichend, so kann zudem die Gesamtmasse des Rotorblattes vorgegeben werden.
Es kann zudem vorgesehen sein, dass den Zielgrößen noch die dritte und/oder vierte Eigenfrequenz und/oder die Eigenform bezüglich der dritten und/oder vierten Eigenfrequenz hinzugefügt wird. Dabei kann sich dies auf die Eigenfrequenzen bezüglich der Biege- wie auch Torsionsschwingungen oder anderer Schwingungsmoden oder gekoppelter Schwingungsmoden beziehen.
Es kann auch vorgesehen sein, dass den Zielgrößen noch eine oder mehrere der ersten zehn Eigenfrequenzen des Rotorblattes hinzugefügt werden. Auch dies kann sich auf die Eigenfrequenzen bezüglich der Biege- wie auch Torsionsschwingungen oder anderer Schwingungsmoden oder gekoppelter Schwingungsmoden beziehen.
Das Verfahren kann auch dadurch ausgestaltet werden, dass den Zielgrößen noch eine oder mehrere der Eigenformen bezüglich einer oder mehrerer der ersten zehn Eigenfrequenzen des Rotorblattes hinzugefügt werden. Dies kann sich ebenfalls sowohl auf die Eigenfrequenzen bezüglich der Biege- wie auch Torsionsschwingungen oder anderer Schwingungsmoden oder gekoppelter Schwingungsmoden beziehen.
Im Zuge des vorgeschlagenen Optimierungsprozesses können in einem Schritt die zerstörungsfrei ermittelten Beschaffenheitsparameter an ein Computerprogramm übergeben werden. Beispielsweise kann es sich bei dem Computerprogramm um ein Finite-Elemente Programm handeln. Das Computerprogramm kann beispielsweise ein Schalenmodell und/oder Balkenmodell enthalten. Mit Hilfe eines derartigen Computerprogramms kann eine Modalanalyse durchgeführt werden, in der diejenigen Größen ermittelt werden, die im Optimierungsprozess als Zielparameter vorliegen. Neben den Beschaffenheitsparametern werden für das Computerprogramm auch die Designparameter vorgegeben. Bei dem Optimierungsverfahren werden üblicherweise mehrere Durchläufe durchgeführt, bei denen einer oder mehrere der Designparameter von Durchlauf zu Durchlauf variiert werden. Die auf diese Weise numerisch ermittelten, sich üblicherweise von Durchlauf zu Durchlauf voneinander unterscheidenden Größen werden mit den Zielparametern verglichen. In einem iterativen Prozess werden die Designparameter üblicherweise so lange verändert, bis die in der Modalanalyse ermittelten Größen alle Zielgrößen mit einer beispielsweise vorab festgelegten Genauigkeit erreichen. Die Veränderung der Designparameter kann dabei zielgerichtet basierend auf in dem iterativen Prozess festgestellten Tendenzen vorgenommen und angepasst werden.
Es kann weiter vorgesehen sein, dass die Beschaffenheitsparameter, insbesondere der Faservolumengehalt und/oder die Harzaufnahme, anhand eines Modells zur herstellungsbedingten Veränderung von Materialparametern korrigiert werden. Dabei wird beispielsweise der wirkliche Faservolumengehalt ermittelt, der sich praktisch bei Anwendung einer bestimmten Verarbeitungsmethode ergibt.
Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens kann vorsehen, dass zur Durchführung einer Optimierung eine Festigkeitsberechnung und/oder eine Ermüdungsberechnung und/oder eine Stabilitätsberechnung durchgeführt wird. Die genannten Berechnungen können die Optimierungsberechnung ergänzen oder einen Teil der Optimierungsberechnung darstellen. Sie können jeweils beispielsweise durch die Methode der finiten Elemente verwirklicht werden. Durch diese Berechnungen können auch etwa nur bestimmte Parameter festgelegt oder Ober- oder Untergrenzen dieser Parameter für den Optimierungsprozess festgelegt werden.
Es kann zudem vorgesehen sein, dass zur Evaluierung von Grenzzuständen ein numerisches Modell, z.B. Finite-Elemente-Modell oder analytisches Modell in Form eines Volumen-, Schalen-, Platten- oder Balken-Modells eingesetzt wird. Mit dieser Verfahrensgestaltung werden Festigkeiten, Sicherheitsfaktoren, Reservefaktoren und Lasten betrachtet.
Die Erfindung bezieht sich zudem auf ein Verfahren zur Ermittlung von Parametern für die Simulation einer mit einem Fluid interagierenden Maschine, insbesondere einer Windenergieanlage, bei dem Beschaffenheitsparameter und Zielparameter der Rotorblätter insbesondere durch zerstörungsfreie Messung ermittelt werden und bei dem Designparameter der Rotorblätter gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 ermittelt werden. Andere Parameter, beispielsweise des Turms oder der Gründung, können gemessen oder durch Einsicht in Bauunterlagen oder durch Annahmen ermittelt werden und zu einem Gesamtmodell der Windenergieanlage hinzugefügt werden.
Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Simulation einer mit einem Fluid interagierenden Maschine, insbesondere einer Windenergieanlage, bei dem zunächst Parameter für die Simulation ermittelt werden und darauf das Verhalten der Maschine bei Belastung, insbesondere für konkrete Belastungsfälle, simuliert wird.
Hierdurch können Grenzbelastungen und -belastbarkeiten ermittelt werden, und es können Folgerungen für die Einsetzbarkeit oder Verwendbarkeit oder Ausfallwahrscheinlichkeit der Windenergieanlage abgeleitet werden.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Beispielen in Figuren einer Zeichnung gezeigt und nachfolgend erläutert werden. Dabei zeigt

1 eine schematische dreidimensionale Ansicht einer Windenergieanalage,
2 schematisch einen Querschnitt durch ein Rotorblatt einer Windenergieanlage senkrecht zur Längsachse des Rotorblatts,
3 den Schichtaufbau eines Rotorblatts im Querschnitt sowie
4 eine schematische Darstellung der Struktur des erfindungsgemäßen Verfahrens.
1 zeigt in einer schematischen Ansicht eine Windenergieanlage mit einem Turm 1 sowie einer Gondel 2 und Rotorblättern 3, 4, 5. Der Turm 1 ist in einer Gründung 6 verankert.

Um die Belastungsfähigkeit einer solchen Windenergieanlage berechnen zu können, wird üblicherweise ein Simulationsmodell erstellt, in das alle Parameter der Windenergieanlage einfließen. Das Simulationsmodell erlaubt es, festzustellen, wie sich die Windenergieanlage unter bestimmten Lastannahmen verhält. Hieraus können Schlüsse darüber gezogen werden, ob die Anlage für die zu erwartenden Bedingungen betriebssicher ist.
Da in vielen Fällen nicht alle Parameter der Windenergieanlage vorliegen oder ermittelt werden können, kann das Simulationsmodell in manchen Fällen schwierig zu erstellen sein. Dabei hat üblicherweise der Rotor bzw. haben die Rotorblätter der Windenergieanlage einen wesentlichen Einfluss auf das Verhalten der Anlage. Die Simulation des Turms und der Gründung und anderer Teile gelingt oft mit vereinfachten Annahmen, wobei für die Simulation des Rotors mehr investiert werden sollte, um möglichst viele einflussreiche Parameter möglichst genau zu ermitteln.
Mittels der Erfindung ist es möglich, einige Parameter (Beschaffenheitsparameter) durch Messung oder Ermittlung aus Herstellerunterlagen oder auf sonstige Weise relativ genau zu ermitteln. Andere Parameter (Zielparameter) können durch Messungen und/oder Experimente an der Windenergieanlage ermittelt werden, wie beispielsweise viele modale Parameter, d. h. Parameter, die Schwingungszustände eines Rotorblatts charakterisieren.
Üblicherweise wird bei Konzeption eines Rotorblatts eine Anzahl von Beschaffenheitsparametern vorausgesetzt, und andere Parameter werden variiert, um vorgegebene Zielparameter zu erreichen. Dieses Verfahren macht sich die Erfindung zunutze, indem die Zielparameter bei dem bereits vorliegenden Rotorblatt durch Messung ermittelt werden. In einem nachfolgenden Optimierungsprozess werden die unbekannten Parameter (Designparameter) so variiert, dass die Zielparameter erreicht werden. Die so ermittelten Designparameter werden dann für eine nachfolgende Simulation verwendet.
Für die weitere Diskussion soll anhand der 2 das grundlegende Koordinatensystem für die Beschreibung eines Rotorblatts eingeführt werden. In 2 ist im Querschnitt die Außenfläche eines Rotorblattes 3 dargestellt, wobei das Rotorblatt ein Tragflächenprofil mit der Saugseite 7 und der Druckseite 8 aufweist. Die Fortbewegungsrichtung (Schwenkrichtung) des Rotorblatts bei Rotation des Rotors ist durch den Pfeil 9 bezeichnet und verläuft parallel zur Achse t des eingezeichneten Koordinatensystems. Die Achse s des Koordinatensystems bezeichnet die Schlagrichtung und steht senkrecht auf der Achse t, und senkrecht zu den beiden genannten Achsen steht die Achse z, die parallel zur Längsachse des Rotorblatts senkrecht zur Zeichenebene verläuft. Die Profilsehne des Tragflächenprofils ist mit 10 bezeichnet. Der Pfeil 11 bezeichnet die Anströmrichtung des Profils, und der Pfeil 12 die Auftriebskraft F_A . Mit α ist der Winkel zwischen der Profilsehne 9 und der Anströmrichtung 11 bezeichnet. Mit γ ist der Winkel zwischen der Profilsehne 9 und der Auftriebskraft 12 bezeichnet.
3 zeigt in einer detaillierten Darstellung den Schichtaufbau eines beispielhaften Rotorblatts im Querschnitt. In vielen Fällen sind Rotorblätter von Windenergieanlagen weitgehend hohl und umfassen zwei miteinander verklebte Halbschalen 13, 14, die jeweils auf der Druck- bzw. Saugseite liegen. Oft ist der Zwischenraum zwischen dem inneren und äußeren Decklaminat der Halbschalen 13, 14 mit einem leichten Kernwerkstoff, wie einem Schaumstoff oder Balsaholz, gefüllt.
Es kann auch vorgesehen sein, dass die nicht-lasttragenden Strukturen, also beispielsweise die Paneele, ganz oder teilweise aus einem mehrschichtigen, sandwichartigen Aufbau bestehen, der feste Decklaminate und eine zwischen diesen angeordnete Schicht aus einem leichten Kernwerkstoff umfasst.
Um dem Rotorblatt die notwendige Steifigkeit zu verleihen, sind üblicherweise ein oder mehrere Stege 15, 16 zwischen den Halbschalen 13, 14 angebracht, die das Rotorblatt insbesondere gegenüber Biegungen um die t-Achse stabilisieren. Die Stege 15, 16 sind jeweils mit beiden Halbschalen 13, 14 verbunden, beispielsweise mittels einer Klebeverbindung.
Zwischen den Stegen 15, 16 sind im Bereich der Häute der Halbschalen 13, 14 oft Gurte vorgesehen, die üblicherweise aus einem sehr zugfesten Material bestehen. Der oder die Gurte können an der Innenseite der Halbschalen befestigt und mit diesen verklebt sein oder auch in den Schichtaufbau der Halbschalen integriert sein.
Im oberen Bereich der 3 ist der Bereich der oberen Halbschale 14 zwischen den Stegen 15, 16 vergrößert dargestellt. In diesem Bereich ist an der Außenhaut der Halbschale ein faserverstärkter Verbundwerkstoff vorgesehen, der eine Außenschicht 17 bildet, wobei in der Außenschicht eine multidirektionale Faserverstärkung vorgesehen sein kann. Diese kann entweder durch eine Kombination von Textilien mit Faserschichten realisiert sein, deren Winkel gegeneinander versetzt sind, oder durch eine einzige Schicht mit vielen nichtorientierten Fasern.
Unterhalb der ersten Schicht 17 ist eine zweite Schicht 18 vorgesehen, die in diesem Fall einen Gurt bildet und mit hauptsächlich unidirektionalen Fasern verstärkt ist. Diese Schicht 18 ist extrem steif ausgestaltet und weist einen hohen Elastizitätsmodul in Blattlängsrichtung auf.
Unterhalb der zweiten Schicht 18 kann eine Kernschicht 19 aus Schaumstoff oder Balsaholz vorgesehen sein, die in erster Linie keine tragende Funktion, sondern hauptsächlich eine Füllfunktion aufweist. In der Zeichnung unterhalb der Kernschicht 19 ist eine weitere Stabilisierungsschicht 20 vorgesehen, die ebenso wie die erste Schicht 17 eine multidirektionale Faserverstärkung innerhalb einer Harzmatrix aufweist.
Auf der Innenseite der Schicht 20 bezüglich des Rotorblattprofils, und somit in der Zeichnung unterhalb der Schicht 20 dargestellt, sind jeweils im Endbereich der Stege 15, 16 schmale Winkel vorgesehen, die eine multidirektionale Faserverstärkung aufweisen und die Funktion einer Aufnahmefläche zur Verklebung der Stege mit den Gurten haben. Diese Bereiche sind mit 21, 22 bezeichnet.
Die beiden Stege 15, 16 weisen, wie aus der 3 hervorgeht, jeweils einen Kern aus Schaumstoff oder Balsaholz auf, der auf beiden Seiten mit einer multidirektional faserverstärkten Matrix bedeckt ist. Durch diese Sandwichbauweise werden die Stege 15, 16 beulsteif ausgeführt.
Der Bereich des Rotorblattquerschnitts, der durch die Stege 15, 16 und die Gurtbereiche 18 eingefasst ist, wird üblicherweise als Holm bezeichnet. Im Bereich dieses Holms sind üblicherweise die im Wesentlichen in Schlagrichtung lasttragenden Bereiche des Querschnitts des Rotorblatts angeordnet. Zusätzlich können in der Vorderkante A und/oder der Hinterkante B unidirektionale Faserverstärkungen in Form von Gurten 18A, 18B eingebracht werden, um die Last im Wesentlichen in Schwenkrichtung aufzunehmen. Die übrigen Bereiche des Rotorblatts tragen bis auf die Funktion der Torsionssteifigkeit eher weniger zur mechanischen Stabilisierung bei und haben vorwiegend querschnittsformgebende Funktion, müssen aber beulsteif ausgeführt sein und können daher als Sandwich mit Kernmaterial aus Schaumstoff oder Balsaholz ausgeführt sein.
Da an einem Rotorblatt von außen weder die Lage der Stege 15, 16 noch die Lage und Breite der Gurte 18, 18A, 18B ersichtlich ist, bilden die Position, Dicke, und der sich daraus ergebenden Steifigkeit und Masse dieser Elemente im Rahmen des vorgestellten Verfahrens variable Designparameter, die so weit variiert werden, dass die Zielparameter erreicht werden. Das Verfahren kann durch ergänzende Restriktionen der Optimierung, wie Festigkeitsberechnungen, Ermüdungsberechnungen oder Stabilitätsberechnungen, ergänzt werden.
In 4 ist schematisch die Struktur des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. In dem Bereich 39 sind die Beschaffenheitsparameter dargestellt, die ermittelt und bei dem Optimierungsprozess 33 verwendet werden. Entsprechende Beschaffenheitsparameter können beispielsweise Daten der Außengeometrie 23 des Rotorblatts und/oder topologische Daten 24 und/ oder Daten über den Laminataufbau 25 der Außenhaut sein. Zudem können als Beschaffenheitsparameter noch allgemeine Anlagenparameter hinzukommen, die sich auch auf andere Teile einer Windenergieanlage, wie beispielsweise den Turm und die Gründung oder die Kopplung des Rotors an den Turm, beziehen können.
Zudem können die Beschaffenheitsparameter des Bereichs 39 Materialeigenschaften 27 der verwendeten Materialien und/oder herstellungsbedingte Einflussgrößen 28 und/oder Sicherheits- und Reservefaktoren 29, die bei der ursprünglichen Entwurfsplanung zugrunde gelegt worden sind und die in vielen Fällen den Herstellerangaben entnehmbar sind, umfassen. Liegen solche Informationen nicht vor, so werden versuchsweise hierüber Annahmen getroffen, die durch Inaugenscheinnahme untermauert werden können.
Die Beschaffenheitsparameter werden dem Optimierungsprozess 33 zugeleitet, d. h., praktisch werden die Parameter an ein Datenverarbeitungsprogramm übergeben, das in einer Datenverarbeitungsanlage verwendet wird, die den Optimierungsprozess durchführt.
Als Beschaffenheitsparameter kommen im Einzelnen auch das verwendete Infusionsmaterial, das verwendete Fasermaterial, der Faservolumengehalt sowie Materialsicherheitsfaktoren und Reservefaktoren in Frage. Zudem kommen die Außenmaße des Rotorblatts, wie seine Länge und Tiefe sowie die Dicke, und die äußere Form des Rotorblatts, beispielsweise auch die Lage der Profilsehne, in Frage. Als Beschaffenheitsparameter können auch die Querschnittskontur des Rotorblatts an verschiedenen Punkten entlang der Längsachse des Rotorblatts verwendet werden. Zudem kann die Lage der Profilsehne der Rotorblattquerschnitte in verschiedenen Längenabschnitten des Rotorblatts gemessen und als Beschaffenheitsparameter eingebracht werden.
Als Zielparameter, die im Bereich 40 der 4 dargestellt sind, kommen die Gesamtmasse 35 des Rotorblatts, die Lage des Massenschwerpunktes 36 sowie modale Eigenschaften 37 in Betracht. Unter den modalen Eigenschaften können die Eigenfrequenzen für verschiedene Schwingungsmoden sowie die Eigenformen für bestimmte Schwingungsmoden verstanden werden. Als Schwingungsmoden kommen hier u. a. die Biegeschwingungen, Torsionsschwingungen und Longitudinalschwingungen und deren Kombinationen bzw. Kopplungen in Frage. Bei der Auswahl der Harmonischen, für die die modalen Eigenschaften ermittelt werden und in das Verfahren Eingang finden, kann gelten, dass jeweils die erste harmonische und/oder die erste und zweite harmonische Schwingung betrachtet werden. Es kann dann wenigstens eine weitere der ersten zehn Schwingungsmoden für die Einbeziehung der Eigenfrequenz und/oder der Eigenform als Zielparameter mit hinzugenommen werden. Die Ermittlung der modalen Eigenschaften kann einen nicht unbeträchtlichen Aufwand bedeuten, jedoch wird mit der Zahl der einbezogenen Eigenschaften und mit der Zahl der einbezogenen Harmonischen das Ergebnis genauer. Auch die Zielparameter 40 werden an das Modul übergeben, das den Optimierungsprozess bzw. das Optimierungsverfahren durchführt.
Im Verlauf des Optimierungsverfahrens 33 werden in den Optimierungsprozess die Designvariablen 41 mit einbezogen. Diese werden so weit variiert, dass unter der Vorgabe der ausgewählten Beschaffenheitsparameter 39 die Zielparameter 40 in dem Berechnungsmodell realisiert werden.
Dabei können die Designparameter 41 die Schichtdicken 30 insbesondere von Elementen in den lasttragenden Bereichen des Rotorblatts und/oder die Schichtwinkel, die durch die Lage von Verstärkungsfasern innerhalb der einzelnen Schichten definiert sind, und/oder die Informationen über die Gurte und Stege des Rotorblatts, beispielsweise die Position der Gurte und Stege sowie deren Maße in s-, t- und z-Richtung innerhalb des für das Rotorblatt verwendeten Koordinatensystems, umfassen. Bei einem sandwichartigen Aufbau von Gurten und/oder Stegen und/oder Panelbereichen ist zudem die Dicke der Füllbereiche zwischen den Decklagen als Designparameter denkbar. Unter den Decklagen werden in diesem Zusammenhang die faserverstärkten Harzbereiche verstanden, während die Füllbereiche üblicherweise aus Balsaholz, einem geschäumten Werkstoff oder einem anderen leichten und relativ zu den faserverstärkten Harzbereichen wenig zug- und druckfesten Werkstoff bestehen.
Nachdem die Beschaffenheitsparameter 39 und die Zielparameter 40 an die Optimierungseinrichtung oder den Optimierungsprozess 33 übergeben worden sind, werden die Designparameter 41 variiert, bis ein Modell geschaffen ist, bei dem Berechnungsergebnisse den Zielparametern entsprechen.
Dafür werden die Beschaffenheitsparameter 39 zusammen mit einem Ausgangsmodell, welches die Designparameter 41 beinhaltet, an ein Computerprogramm übergeben. Das Computerprogramm führt eine Modalanalyse mit Hilfe einer Finite Elemente-Methode unter Verwendung eines Schalen- oder Balkenmodells durch. Die in der Modalanalyse ermittelten Größen werden mit den Zielparametern verglichen. Basierend auf in dem Vergleich festgestellten Abweichungen können die Designparameter 41 zielgerichtet verändert werden. Dann wird ein modifiziertes Modell mit den veränderten Designparametern 41 erneut an das Computerprogramm übergeben. Dies wird solange wiederholt, bis die ermittelten Größen die Zielparameter mit einer festgelegten Genauigkeit erreicht haben.
Wenn die Zielparameter auf diese Weise erreicht sind, liegen auch die hierzu verwendeten Designparameter 41 fest. Insgesamt sind aus dem dann vorliegenden Modell die Balkeneigenschaften 34 sowie in Abhängigkeit von der durchgeführten Analyse gegebenenfalls auch der Laminatplan ableitbar. Wird der Laminatplan als weiteres Ergebnis der Optimierung ermittelt, so können, wenn eine Festigkeits-/Ermüdungs-/Stabilitätsanalyse durchgeführt wurde, Aussagen über kritische Strukturbereiche, z. B. in Form des Reservefaktors, identifiziert werden. Dies kann dem Wartungsbeauftragten oder Betreiber bei der Korrelation mit vorhandenen Schäden und bei der Vorhersage zukünftiger Schäden helfen.
Zusätzlich zu den Optimierungsvorgaben, die in dem Standard-Optimierungsprozess 33 vorgegeben werden, können noch mittels Festigkeitsberechnungen, Ermüdungsberechnungen oder Stabilitätsberechnungen 38 anhand der Beschaffenheitsparameter und gewählten Designparameter durchgeführt werden, so dass damit zusätzliche Restriktionen für den Optimierungsprozess geschaffen werden. Dadurch kann das Ergebnis des Optimierungsprozesses genauer und realistischer erreicht werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 29609242 [0005]
DE 112008001197 T5 [0006]
US 2005/0067568 A1 [0007]

Claims

Verfahren zur Ermittlung von Designparametern (41) eines Rotorblattes (3, 4, 5) für eine mit einem Fluid interagierende Maschine, insbesondere eine Windenergieanlage, bei dem Beschaffenheitsparameter (39) des Rotorblattes zerstörungsfrei, insbesondere durch Messungen, ermittelt werden, bei dem Zielparameter (40) des Rotorblattes ermittelt werden und bei dem in einem Optimierungsprozess (33) die ermittelten Zielparameter vorgegeben werden, wobei die Designparameter in dem Optimierungsprozess so variiert werden, dass unter Berücksichtigung der ermittelten Beschaffenheitsparameter die Zielparameter erreicht werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem Optimierungsprozess verwendeten Beschaffenheitsparameter (39) einen oder mehrere der folgenden Parameter enthalten: verwendetes Infusionsmaterial, verwendetes Kernmaterial, verwendetes Fasermaterial, Faservolumengehalt, Außenmaße des Rotorblatts, insbesondere Länge, Breite des Rotorblatts, Winkel der äußeren Oberflächen des Rotorblatts, Querschnittsformen für eine oder mehrere Positionen entlang des Rotorblattes und Lage der Profilmittelachse im Koordinatensystem des Rotorblattes für einen oder mehrere Querschnitte.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem Optimierungsprozess ermittelten Designparameter (41) einen oder mehrere der folgenden Parameter enthalten: Art und Dicke der Materialschichten der Schale insbesondere in den lasttragenden Bereichen, verwendete Verstärkungstextilien, die Position, Breite von Stegen und Gurten, bei mehreren Stegen deren Abstand oder Abstände zueinander, die Steifigkeits- und Massenverteilung der Stege und Gurte und bei mehreren Stegen oder Gurten deren Winkel zueinander.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem Optimierungsprozess verwendeten Zielparameter (40) einen oder mehrere der folgenden Parametern enthalten: modale Eigenschaften, insbesondere die erste und/oder zweite Eigenfrequenz des Rotorblattes und/oder die Strukturdämpfung des Rotorblattes und/oder die Eigenform des Rotorblattes bezüglich der ersten und/oder zweiten Eigenfrequenz, die Gesamtmasse, die Lage des Massenschwerpunktes des Rotorblattes (3, 4, 5) in dessen Längsrichtung (z).
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass den Zielgrößen (40) noch die dritte und/oder vierte Eigenfrequenz und/oder die Eigenform bezüglich der dritten und/oder vierten Eigenfrequenz hinzugefügt wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass den Zielgrößen (40) noch eine oder mehrere der ersten zehn Eigenfrequenzen des Rotorblattes hinzugefügt werden.
Verfahren nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass den Zielgrößen (40) noch eine oder mehrere der Eigenformen bezüglich einer oder mehrerer der ersten zehn Eigenfrequenzen des Rotorblattes hinzugefügt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, wobei der Optimierungsprozess Modalanalysen umfasst, vorzugsweise unter Verwendung eines Schalenmodells und/oder unter Verwendung eines Balkenmodells, und wobei Ergebnisse der Modalanalysen mit den Zielparametern verglichen werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem die Beschaffenheitsparameter (39), insbesondere der Faservolumengehalt und/oder die Harzaufnahme, aufgrund eines Modells zur herstellungsbedingten Veränderung von Materialparametern korrigiert werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem zur Durchführung einer Optimierung eine Festigkeitsberechnung (38) und/oder eine Ermüdungsberechnung und/oder eine Stabilitätsberechnung durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem zur Evaluierung von Grenzzuständen ein numerisches Modell, z. B. ein Finite-Elemente-Modell oder analytisches Modell in Form eines Volumen-, Schalen-, Platten- oder Balken-Modells eingesetzt wird.
Verfahren zur Ermittlung von Parametern für die Simulation einer mit einem Fluid interagierenden Maschine (1, 2, 3, 4, 5, 6), insbesondere einer Windenergieanlage, bei dem Beschaffenheitsparameter (39) und Zielparameter (40) der Rotorblätter (3, 4, 5) insbesondere durch zerstörungsfreie Messung ermittelt werden und bei dem Designparameter (41) der Rotorblätter gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 ermittelt werden.
Verfahren zur Simulation einer mit einem Fluid interagierenden Maschine (1, 2, 3, 4, 5, 6), insbesondere einer Windenergieanlage, bei dem zunächst Parameter für die Simulation gemäß Patentanspruch 12 ermittelt werden und darauf das Verhalten der Maschine bei Belastung simuliert wird.