EP3874396A1 - Verfahren zur ermittlung von designparametern eines rotorblattes - Google Patents

Verfahren zur ermittlung von designparametern eines rotorblattes

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EP3874396A1
EP3874396A1 EP19797222.7A EP19797222A EP3874396A1 EP 3874396 A1 EP3874396 A1 EP 3874396A1 EP 19797222 A EP19797222 A EP 19797222A EP 3874396 A1 EP3874396 A1 EP 3874396A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
parameters
rotor blade
determined
target
optimization process
Prior art date
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Pending
Application number
EP19797222.7A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Malo Rosemeier
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP3874396A1 publication Critical patent/EP3874396A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • G06F30/23—Design optimisation, verification or simulation using finite element methods [FEM] or finite difference methods [FDM]
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    • G06F30/17—Mechanical parametric or variational design
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D1/00—Wind motors with rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor 
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
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    • F05B2240/20—Rotors
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    • G06F2113/00—Details relating to the application field
    • G06F2113/06—Wind turbines or wind farms
    • G—PHYSICS
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    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
    • G06F2119/04—Ageing analysis or optimisation against ageing
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the invention is in the field of mechanical engineering and in particular in the field of wind energy technology and can be used with particular advantage in the numerical mapping or simulation of the behavior of wind energy plants.
  • a model of the overall system In many applications, such as in the analysis of runtime extensions or certifications, a model of the overall system must be created for an existing wind turbine that allows the simulation of certain operating and load conditions. In addition, wind farm operators or maintenance officers for wind farms must regularly analyze the causes of breakdowns, damage or total failure of wind turbines. A virtual model of an overall system is also useful for such applications, for example for simulations or
  • the parameters of the rotor blades have a particularly large influence on the simulation model and are therefore to be determined with particular care and effort. Some of the parameters can easily be determined by external measurement or can be seen in the manufacturing or delivery documents. Other parameters, such as the modal parameters of the vibration modes, can be determined by measurement in different operating states or experimentally. There are other parameters that can only be determined with great effort and / or by destroying individual rotor blades.
  • DE 296 09 242 discloses a method for measuring a wind turbine by optical scanning.
  • US 2005/0067568 A1 discloses a method in which a rotor blade is measured from the outside, the thickness of a surface being assigned to the points on the surface, as a result of which inner surfaces of the hollow rotor blade can be reconstructed.
  • the present invention has for its object to provide a method against the background of the known methods for analyzing elements of Windenergyanla gene, by means of which not easily measurable parameters ter of rotor blades of a wind turbine or other machine that interacts with a fluid, such as for example a gas turbine or a water turbine, as non-destructively as possible, with the least possible effort and with great attention to detail.
  • Claim 12 relates to a method for determining parameters of a machine
  • Claim 13 relates to carrying out a simulation using the determined parameters.
  • the invention relates to a method for determining design parameters of a rotor blade of a machine interacting with a fluid, in particular a wind energy installation, in which properties parameters of the rotor blade are determined non-destructively, in particular by measurements, in the case of the target parameters of the rotor blade, in particular by measurements, are determined and in which the determined target parameters are specified in an optimization process, the design parameters in the optimization process being varied such that the target parameters are achieved taking into account the determined quality parameters.
  • the method according to the invention thus takes the path of finding out the parameters which can be determined relatively easily by measuring or inspecting the wind energy installation or checking the production documents, and is based on an optimization method to lay.
  • the known linear or nonlinear optimization methods using computer programs come into question as known optimization methods.
  • Known optimization algorithms for such purposes are, for example, sequential quadratic programming (SQP) or genetic algorithms (GA).
  • Software program packages such as OpenMDAO or PyOpt, a program package based on the Python programming language, are available for this type of modeling. Modal parameters that can be determined or ascertained, for example, by measurement in operation or in test constellations, can be used as target parameters for the optimization.
  • Such modal parameters can be understood to mean the dynamic properties, in particular the vibration properties, of a rotor blade in the case of various vibration modes, such as, for example, bending vibration modes or torsional vibration modes or also coupled vibration modes. Both the natural frequencies and the respective mode shapes can be considered, which can be defined by the position of the vibration nodes. In many cases, the target parameters can also be determined completely by measurements.
  • design parameters of the rotor blade which are unknown before the optimization process and which cannot be determined simply by inspection or measurement, in particular non-destructive measurement, are changed in such a way that the target parameters are achieved as completely as possible.
  • the quality parameters can be kept constant or can be varied much less than the design parameters.
  • the texture parameters can be varied at most to an extent that corresponds to the respective measurement accuracy.
  • the initially unknown design parameters can be determined.
  • one or more design parameters are selected from a number of design parameters that can be considered and are changed in this way. This is described in detail below.
  • the design parameters are the typical parameters of a rotor blade, which are difficult to determine from the outside without being destroyed and which have a significant influence on the target parameters.
  • An embodiment of the method can provide that the quality parameters used in the optimization process contain one or more of the following parameters: infusion material used, core material used, fiber material used, fiber volume content, outer dimensions of the rotor blade, in particular length, width of the rotor blade, angle of the outer Surfaces of the rotor blade, cross-sectional shapes for one or several positions along the rotor blade, position of the central profile axis in the coordinate system of the rotor blade for one or more cross sections.
  • rotor blades can be manufactured using the Vacuum Assisted Resin Transfer Molding (VARTM) infusion process, in which reinforcement textiles and core materials with an infusion material, e.g. Epoxy resin, soaked under vacuum (infused).
  • VARTM Vacuum Assisted Resin Transfer Molding
  • the infusion material and core material used and their parameters can be determined, for example, by inspection or by inspecting the manufacturing documents.
  • the mechanical properties of the infusion material or of the composite material and of the core material and of the fiber reinforcement such as, for example, the modulus of elasticity and the breaking strength, tensile strength and density, can also be determined and used as a quality parameter.
  • the fiber volume content can be seen, for example, from the manufacturing documents or taken from experience.
  • the fiber volume content can depend, for example, on the reinforcement textiles, core materials and the infusion material used, as well as on the infusion process used, which can also be taken into account.
  • the material safety factors and the reserve factors that were used as the basis for construction can be found, for example, either in the manufacturing documents, in the design guidelines of the manufacturer or in the specifications that were made, for example, by licensing authorities and / or accredited certification bodies at the time the wind turbine was built .
  • the external dimensions of the rotor blade can be determined by methods known per se, such as laser scanning or mechanical measurement. These external dimensions include the length of the rotor blade, depth and thickness, in particular also its depth and die course along the length, and the angles of the outer surfaces or, for example, the angle of the chord of the rotor blade profile in relation to the direction of movement of the rotor blade in the plane of rotation ( t direction). Basically, you can
  • Cross-sectional shape and location of the cross-section of a rotor blade on each Point along the longitudinal axis of the rotor blade can be used as a texture parameter.
  • a sensible selection of the texture parameters can, for example, hen in the infusion material, the fiber and core material used, the fiber volume content and the length and width or depth and thickness, in particular depth profile and thickness profile, of the rotor blade.
  • these parameters can, for example, hen in the infusion material, the fiber and core material used, the fiber volume content and the length and width or depth and thickness, in particular depth profile and thickness profile, of the rotor blade.
  • a subset of these parameters is also conceivable as a selection, or one or more of the parameters mentioned above can be added.
  • the material safety factors that were used in the construction and reserve factors that were used in the construction can also be used as additional assumptions under certain conditions.
  • Material safety and reserve factors are useful as additional parameters to be assumed in connection with an additional strength, stability and / or fatigue analysis.
  • additional analyzes can be integrated into the optimization calculation or can be carried out in parallel with it in order to determine additional parameters which are introduced into the optimization calculation as assumptions.
  • load assumptions are necessary, which are to be determined with aero-servo-elastic simulations with wind field and controller and further assumptions and tests.
  • simplified load assumptions can be calculated relatively easily based on the mapping of quasi-static aerodynamic and / or gravity-related load conditions.
  • aerodynamic loads can be generated with the help of polar elements, which are calculated from a certain number of 2D cross-sections and their coordinates using a panel method (e.g. Xfoil).
  • polar elements which are calculated from a certain number of 2D cross-sections and their coordinates using a panel method (e.g. Xfoil).
  • Gravitational loads or dynamic loads can be determined with the assumption of structural parameters. If a strength, bulge and / or fatigue calculation is carried out during the optimization, it must the load assumption is updated beforehand based on the varied structure.
  • Reserve factors can be specified as additional parameters in the range from about 1 to 10 as boundary conditions in the optimization process.
  • a further embodiment of the method can provide, for example, that the design parameters determined in the optimization process contain one or more of the following parameters: type and thickness of the material layers of the shell, in particular in the load-bearing areas, reinforcing textiles used, the position and width of webs and belts , their spacing or distances from one another in the case of a plurality of webs and their angle to one another in the case of a plurality of webs.
  • the design parameters are those parameters that are to be determined in the course of the described optimization process.
  • the design parameters thus primarily relate to sizes and parameters that cannot be determined by inspecting a rotor blade from the outside or by simple analysis methods, or for which there is greater uncertainty in knowledge or greater error tolerances with corresponding assumptions than with the quality parameters. Examples of this are the positions, width and thickness of the belts and the webs.
  • the thickness and nature of the material layers in the load-bearing areas cannot be determined easily.
  • reinforcement textiles This relates to the combination of the orientations and angular deviations of the fiber longitudinal directions of successive fiber reinforcement layers and / or the configuration of pultrudates.
  • certain basic textile types are customary, for example with an offset of successive reinforcing fiber layers by 90 °, 45 ° or 30 ° with respect to the longitudinal axes of the fibers.
  • Pultrudate without cross fibers are used. Accordingly, with the variation of the reinforcement textiles in the course of the optimization process, some standard textile types are often adopted on a trial basis.
  • the other mentioned Design parameters are usually continuously changed as part of the optimization process until the target parameters are reached. In the numerical sense, reaching the target parameters means reaching within defined limits. The limits can be set in advance, for example.
  • a minimal selection of design parameters can include, for example, the number and position of belts and webs and the stiffness and mass distribution of the webs and the belts.
  • the stiffness and mass distribution of the non-load-bearing areas of the two half-shells of a rotor blade can also be added.
  • the reinforcement textiles together with the fiber volume content and the thickness of the composite of textile and infusion matrix can also be selected as design parameters.
  • the strength, rigidity and mass of one or more belts, the position, width in the s direction and height in the t direction of one or more webs, rigidity and mass of one or more webs in the t direction and / or the stiffness and mass of one or more webs are added in the s direction if, in addition or in combination with the optimization calculation, a strength and / or fatigue calculation is carried out and additional unknown parameters are thereby determined.
  • a strength and / or fatigue calculation is carried out and additional unknown parameters are thereby determined.
  • basic assumptions about the textile types and thicknesses, matrix and fiber volume as well as core material thicknesses of the lightweight material of the entire cross-section of the rotor blade including the webs and in particular also the thickness of the belts are made in the optimization calculation and thus corresponding parameters are required.
  • the target parameters used in the optimization process contain one or more of the following parameters: dynamic properties, modal properties, in particular the first and / or second natural frequency of the rotor blade and / or the natural shape of the rotor blade with respect to the first and / or second natural frequency, the total mass, the position of the center of gravity of the rotor blade in its longitudinal direction.
  • the modal properties mentioned can relate to bending vibrations and / or torsional vibrations and / or other vibration modes and / or coupled vibration modes with a plurality of vibration modes of different types of vibration.
  • the modal properties in particular the natural frequencies of a rotor blade, can be determined particularly easily by measurements.
  • the natural frequencies of many different natural vibrations, especially the lowest ten harmonics, can be determined for different vibration modes, such as bending vibrations and / or torsional vibrations.
  • the so-called eigenforms of these natural vibrations can be determined, which can be defined by the respective position of the nodes of the respective natural vibration.
  • the third and / or fourth natural frequency and / or the natural shape with respect to the third and / or fourth natural frequency are added to the target variables. This can refer to the eigenfrequencies with respect to the bending and torsional vibrations or other vibration modes or coupled vibration modes.
  • one or more of the first ten natural frequencies of the rotor blade are added to the target values.
  • the method can also be designed by adding one or more of the eigenmodes with respect to one or more of the first ten natural frequencies of the rotor blade to the target variables. This can also relate to the natural frequencies with respect to the bending as well as torsional vibrations or other vibration modes or coupled vibration modes.
  • the non-destructive nature parameters determined can be transferred to a computer program in one step.
  • the computer program can be a finite element program.
  • the computer program can contain, for example, a shell model and / or a bar model.
  • a modal analysis can be carried out, in which those variables are determined which are present as target parameters in the optimization process.
  • the design parameters are also specified for the computer program.
  • several runs are usually carried out, in which one or more of the design parameters are varied from run to run. The quantities determined in this way, which usually differ from one run to the next, are compared with the target parameters.
  • the design parameters are usually changed until the variables determined in the modal analysis reach all target variables with, for example, a predetermined accuracy.
  • the design parameters can be changed and adjusted based on the trends identified in the iterative process.
  • the texture parameters in particular the fiber volume content and / or the resin absorption, are corrected using a model for the production-related change in material parameters.
  • the actual fiber volume content determined which is practical when using a certain
  • a further embodiment of the method can provide that a strength calculation and / or a
  • Fatigue calculation and / or a stability calculation is carried out.
  • the calculations mentioned can supplement the optimization calculation or represent part of the optimization calculation. They can be implemented using the finite element method, for example. These calculations can also be used to set only certain parameters or to set upper or lower limits for these parameters for the optimization process.
  • a numerical model e.g. Finite element model or analytical model in the form of a volume, shell, plate or bar model is used. With this process design, strengths, safety factors, reserve factors and loads are considered.
  • the method can provide that after the design parameters have been determined, taking into account the quality parameters and the design parameters, an expected service life or maximum remaining service life or a maximum possible mechanical, static or dynamic load capacity of the rotor blade or of the machine is determined.
  • the invention also relates to a method for determining parameters for the simulation of a fluid-interacting machine, in particular a wind turbine, in which the texture parameters and target parameters of the rotor blades are determined in particular by non-destructive measurement and in the design parameters of the rotor blades according to a method one of claims 1 to 11 are determined.
  • Other parameters for example of the tower or the foundation, can be measured or determined by inspecting construction documents or by assumptions and added to an overall model of the wind turbine.
  • the invention also relates to a method for simulating a fluid-interacting machine, in particular a wind turbine, in which parameters for the simulation are first determined and then the behavior of the machine under load, in particular for specific load cases, is simulated.
  • FIG. 1 shows a schematic three-dimensional view of a wind energy installation
  • Fig. 2 shows schematically a cross section through a rotor blade
  • Wind turbine perpendicular to the longitudinal axis of the rotor blade
  • Fig. 3 shows the layer structure of a rotor blade in cross section
  • Fig. 4 is a schematic representation of the structure of the inventive method.
  • Figure 1 shows a schematic view of a wind turbine with a tower 1 and a nacelle 2 and rotor blades 3, 4, 5.
  • the tower 1 is anchored in a foundation 6.
  • a simulation model is usually created, in which all parameters of the wind turbine are incorporated.
  • the simulation model makes it possible to determine how the wind turbine behaves under certain load assumptions. Conclusions can be drawn from this as to whether the system is operationally safe for the conditions to be expected. Since in many cases not all parameters of the wind turbine are available or cannot be determined, the simulation model can be difficult to create in some cases.
  • the rotor or the rotor blades of the wind energy installation usually have a significant influence on the behavior of the installation.
  • the simulation of the tower and the foundation and other parts often succeed with simplified assumptions, whereby more should be invested in the simulation of the rotor in order to determine as many influential parameters as precisely as possible.
  • parameters texture parameters
  • target parameters can be determined by measurements and / or experiments on the wind turbine, such as many modal parameters, i.e. H. Parameters that characterize the vibration states of a rotor blade.
  • Design parameters varied so that the target parameters are achieved.
  • the design parameters determined in this way are then used for a subsequent simulation.
  • FIG. 2 shows a cross section of the outer surface of a rotor blade 3, the rotor blade having an airfoil profile with the suction side 7 and the pressure side 8.
  • the direction of travel (swivel direction) of the rotor blade when the rotor rotates is indicated by arrow 9 and runs parallel to the axis t of the coordinate system shown.
  • the axis s of the coordinate system denotes the direction of impact and is perpendicular to the axis t, and perpendicular to the two axes mentioned is the axis z, which is parallel to the longitudinal axis of the rotor blade perpendicular to Drawing plane runs.
  • the chord of the wing profile is designated 10.
  • the arrow 11 denotes the inflow direction of the profile, and the arrow 12 the buoyancy force F A. With a the angle between the chord 9 and the inflow direction 11 is designated. With g the angle between the chord 9 and the buoyancy 12 is designated.
  • FIG. 3 shows a detailed representation of the layer structure of an exemplary rotor blade in cross section.
  • rotor blades of wind turbines are largely hollow and comprise two half-shells 13, 14 which are glued to one another and are each on the pressure or suction side.
  • the space between the inner and outer cover laminate of the half-shells 13, 14 is often filled with a light core material, such as a foam material or balsa wood.
  • non-load-bearing structures for example the panels, consist wholly or partly of a multi-layer, sandwich-like structure which comprises solid cover laminates and a layer of a light core material arranged between them.
  • one or more webs 15, 16 are usually introduced between the half-shells 13, 14, which stabilize the rotor blade, in particular, against bends around the t-axis.
  • the webs 15, 16 are each connected to the two half-shells 13, 14, for example by means of an adhesive connection.
  • Belts are often provided between the webs 15, 16 in the area of the skins of the half-shells 13, 14, which straps usually consist of a very tensile material.
  • the strap or straps can be fastened to the inside of the half-shells and glued to them or can also be integrated into the layer structure of the half-shells.
  • the area of the upper half-shell 14 between the webs 15, 16 is shown enlarged.
  • a fiber-reinforced composite material is provided on the outer skin of the half-shell, which forms an outer layer 17, wherein a multidirectional fiber reinforcement can be provided in the outer layer.
  • This can either which can be realized by a combination of textiles with fiber layers, the angles of which are offset from one another, or by a single layer with many non-oriented fibers.
  • a second layer 18 which in this case forms a belt and is reinforced with mainly unidirectional fibers.
  • This layer 18 is designed to be extremely stiff and has a high modulus of elasticity in the longitudinal direction of the sheet.
  • a core layer 19 made of foam or balsa wood can be provided, which primarily does not have a supporting function, but mainly a filling function.
  • a further stabilization layer 20 is provided which, like the first layer 17, has a multidirectional fiber reinforcement within a resin matrix.
  • narrow angles are provided in the end region of the webs 15, 16, which have multidirectional fiber reinforcement and the function of a receiving surface for gluing the webs to the Have straps. These areas are designated 21, 22.
  • the two webs 15, 16 each have a core made of foam or balsa wood, which is covered on both sides with a multidirectional fiber-reinforced matrix. Due to this sandwich construction, the webs 15, 16 are designed to be bulky.
  • the area of the rotor blade cross section, which is bordered by the webs 15, 16 and the belt areas 18, is usually referred to as a spar.
  • the regions of the cross section of the rotor blade which are essentially load-bearing in the direction of impact are usually arranged in the region of this spar.
  • unidirectional fiber reinforcements in the form of belts 18A, 18B can be introduced in the front edge A and / or the rear edge B in order to take up the load essentially in the pivoting direction.
  • the remaining areas of the rotor blade bear the function of the torsional rigidity rather less for mechanical stabilization and have a predominantly cross-sectional shaping function, but must be designed to be bulge-resistant and can therefore be designed as a sandwich with core material made of foam or balsa wood.
  • variable design parameters that are varied so far that the target parameters are achieved.
  • the process can be supplemented by additional optimization restrictions, such as strength calculations, fatigue calculations or stability calculations.
  • FIG. Area 39 shows the quality parameters that are determined and used in the optimization process 33.
  • Corresponding quality parameters can be, for example, data of the outer geometry 23 of the rotor blade and / or topological data 24 and / or data about the laminate structure 25 of the outer skin.
  • general system parameters can also be added as quality parameters, which can also relate to other parts of a wind turbine, such as the tower and the foundation or coupling of the rotor to the tower.
  • the quality parameters are passed to the optimization process 33, that is to say the parameters are practically passed on to a data processing Pass the program that is used in a data processing system that carries out the optimization process.
  • the infusion material used, the fiber material used, the fiber volume content as well as material safety factors and reserve factors also come into consideration as properties parameters.
  • the outer shape of the rotor blade for example the position of the chord, for example.
  • the cross-sectional contour of the rotor blade at various points along the longitudinal axis of the rotor blade can also be used as the quality parameters.
  • the position of the chord of the rotor blade cross-sections can be measured in different lengths of the rotor blade and can be introduced as a texture parameter.
  • the total mass 35 of the rotor blade, the position of the center of mass 36 and modal properties 37 come into consideration as target parameters, which are shown in the area 40 of FIG.
  • the modal properties can be understood to mean the natural frequencies for different vibration modes as well as the mode shapes for specific vibration modes. As vibration modes come here u. a. the bending vibrations, torsional vibrations and longitudinal vibrations and their combinations or couplings in question.
  • the harmonics for which the modal properties are determined and are incorporated into the method it may apply that the first harmonic and / or the first and second harmonic oscillations are considered. At least one further of the first ten vibration modes can then be included as a target parameter for the inclusion of the natural frequency and / or the natural shape.
  • the determination of the modal properties can mean a not inconsiderable effort, but the result becomes more precise with the number of properties included and with the number of harmonics involved.
  • the target parameters 40 are also transferred to the module that carries out the optimization process or the optimization method.
  • the design variables 41 are included in the optimization process. These are varied so far that the target parameters 40 are realized in the calculation model under the specification of the selected quality parameters 39.
  • the design parameters 41 can include the layer thicknesses 30, in particular of elements in the load-bearing areas of the rotor blade and / or the layer angles, which are defined by the position of reinforcing fibers within the individual layers, and / or the information about the belts and webs of the rotor blade, for example the position of the belts and webs and their dimensions in the s, t and z directions within the coordinate system used for the rotor blade.
  • the thickness of the filling areas between the cover layers is also conceivable as a design parameter.
  • cover layers are understood to mean the fiber-reinforced resin areas, while the filling areas usually consist of balsa wood, a foamed material or another light material which is not very resistant to tensile and compressive forces relative to the fiber-reinforced resin areas.
  • the design parameters 41 are varied until a model is created in which the calculation results correspond to the target parameters.
  • the texture parameters 39 are transferred to a computer program together with an initial model which contains the design parameters 41.
  • the computer program performs a modal analysis using a finite element method using a shell or bar model.
  • the variables determined in the modal analysis are compared with the target parameters. Based on the deviations found in the comparison, the design parameters 41 can be changed in a targeted manner. Then a modified model with the changed design parameters 41 is again passed to the computer program. This is repeated until the determined quantities have reached the target parameters with a specified accuracy.
  • the design parameters 41 used for this purpose are also fixed.
  • the bar properties 34 and, depending on the analysis carried out, the laminate plan, if applicable can also be derived from the model present.
  • the laminate plan is determined as a further result of the optimization, then if a strength / fatigue / stability analysis has been carried out, statements about critical structural areas, e.g. B. in the form of the reserve factor. This can help the maintenance officer or operator correlate with existing damage and predict future damage.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ermittlung von Designparametern eines Rotorblattes (3, 4, 5) für eine mit einem Fluid interagierende Maschine, insbesondere eine 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. 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

Verfahren zur Ermittlung von Designparametern eines Rotorblattes
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 Windenergiean lagen 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 Simula tion von bestimmten Betriebs- und Belastungszuständen erlaubt. Zudem müssen Windparkbetreiber oder Wartungsbeauftragte für Windparks regel mäßig die Ursachen für Ausfälle, Schäden oder totales Versagen von Wind energieanlagen 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 be stehenden 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 Ver messung ermittelbar oder aus den Fertigungs- oder Lieferunterlagen ersicht lich. 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 berührungs freien Vermessung eines Windturbinenblattes.
Die US 2005/0067568 Al 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 Windenergieanla gen ein Verfahren zu schaffen, mittels dessen nicht einfach messbare Parame ter 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 Patentan spruchs 1 gelöst. Die Patentansprüche 2 bis 11 stellen vorteilhafte Aus führungen 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 Beschaffenheits parameter des Rotorblattes zerstörungsfrei, insbesondere durch Messungen, ermittelt werden, bei dem Zielparameter des Rotorblattes, insbesondere durch Messungen, ermittelt werden und bei dem in einem Optimierungspro zess die ermittelten Zielparameter vorgegeben werden, wobei die Designpa rameter in dem Optimierungsprozess so variiert werden, dass unter Berück sichtigung der ermittelten Beschaffenheitsparameter die Zielparameter erreicht werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren geht im Falle einer zur Verfügung stehen den 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 bekann te Optimierungsverfahren kommen dafür die etablierten linearen oder nichtlinearen Optimierungsverfahren unter Verwendung von Computer programmen in Frage. Bekannte Optimierungsalgorithmen für derartige Zwecke sind beispielsweise Sequentielle quadratische Programmierung (SQP) oder Genetische Algorithmen (GA). Für derartige Modellierungen stehen Software-Programm pakete wie beispielsweise OpenMDAO oder PyOpt, ein auf der Programmiersprache Python basiertes Programmpaket, zur Verfü gung. Als Zielparameter für die Optimierung können beispielsweise durch Messung im Betrieb oder in Versuchskonstellationen ermittelbare oder ermittelte modale Parameter eingesetzt werden. Unter solchen modalen Parametern können die dynamischen Eigenschaften, insbesondere die Schwingungseigen schaften, 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 kön nen. 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, insbesondere zerstörungsfreie Messung, ermittelt werden können, derart verändert, dass die Zielparameter möglichst vollständig erreicht werden. Bei der Durchfüh rung des Optimierungsverfahrens können beispielsweise die Beschaffenheits parameter konstant gehalten oder wesentlich weniger stark variiert werden als die Designparameter. Beispielsweise können die Beschaffenheitsparame ter höchstens in einem Maß variiert werden, das der jeweiligen Messunge nauigkeit entspricht. Mit dem genannten Verfahren lassen sich somit die anfangs unbekannten 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 Optimie rungsprozess verwendeten Beschaffenheitsparameter einen oder mehrere der folgenden Parameter enthalten: verwendetes Infusionsmaterial, verwen detes Kernmaterial, verwendetes Fasermaterial, Faservolumengehalt, Au ßenmaße 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 Verstärkungstextili en 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 Einsicht nahme in die Herstellungsunterlagen feststellen. Damit lassen sich auch die mechanischen Eigenschaften des Infusionsmaterials oder des Verbundmateri als 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 berück sichtigt werden kann. Die Materialsicherheitsfaktoren und die Reservefakto ren, die beim Bau zugrunde gelegt wurden, sind beispielsweise entweder den Herstellungsunterlagen entnehmbar, oder den Designrichtlinien des Herstel lers 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 Dieken-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 ver wendet werden.
Eine sinnvolle Auswahl der Beschaffenheitsparameter kann beispielsweise in dem verwendeten Infusionsmaterial, dem verwendeten Faser- und Kernmate rial, dem Faservolumengehalt und der Länge und Breite oder Tiefe und Dicke, also insbesondere Tiefenverlauf und Dickenverlauf, des Rotorblattes beste hen. 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 Festig- keits-, 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 bestim men, 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 Material schichten der Schale insbesondere in den lasttragenden Bereichen, verwende te 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 beschriebe nen 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 oder bei denen eine größere Unsicherheit der Kenntnis oder größere Fehlertoleranzen bei entsprechenden Annahmen bestehen als bei den Beschaffenheitsparametern. 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 Verstär kungstextilien. Das betrifft die Kombination der Orientierungen und Winkel abweichungen der Faserlängsrichtungen von aufeinanderfolgenden Faserver stärkungsschichten 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 Variati on der Verstärkungstextilien im Zuge des Optimierungsverfahrens oft einige Standard-Textiltypen versuchsweise angenommen. Die übrigen genannten Designparameter werden im Rahmen des Optimierungsverfahrens üblicher weise 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 nicht- lasttragendenen Bereiche der beiden Halbschalen eines Rotorblattes hinzu kommen.
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 mehre rer Stege in t-Richtung und/oder die Steifigkeit und Masse eines oder mehre rer 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 Faservolumen gehalt sowie Kernmaterialdicken des Leichtbauwerkstoffs des gesamten Querschnitts des Rotorblatts einschließlich der Stege und insbesondere auch die Stärke der Gurte gemacht und somit entsprechende Parameter vorausge setzt.
Es kann zudem beispielsweise vorgesehen sein, dass die in dem Optimie rungsprozess verwendeten Zielparameter einen oder mehrere der folgenden Parametern enthalten: dynamische Eigenschaften, 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 Biegeschwin gungen und/oder Torsionsschwingungen und/oder sonstige Schwingungs moden und/oder gekoppelte Schwingungsmoden mit mehreren Schwingungs moden verschiedener Schwingungsformen beziehen.
Die modalen Eigenschaften, insbesondere die Eigenfrequenzen eines Rotor blattes, lassen sich durch Messungen besonders einfach ermitteln. Dabei können die Eigenfrequenzen vieler verschiedener Eigenschwingungen, ins besondere der untersten zehn Harmonischen, für verschiedene Schwin gungsmoden, wie beispielsweise Biegeschwingungen und/oder Torsions schwingungen, ermittelt werden. Ebenso können die sogenannten Eigenfor men 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 Eigen frequenzen 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 Eigenfre quenzen 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 Computer programm übergeben werden. Beispielsweise kann es sich bei dem Compu terprogramm um ein Finite-Elemente Programm handeln. Das Computerpro gramm kann beispielsweise ein Schalenmodell und/oder Balkenmodell enthalten. Mit Hilfe eines derartigen Computerprogramms kann eine Modal analyse durchgeführt werden, in der diejenigen Größen ermittelt werden, die im Optimierungsprozess als Zielparameter vorliegen. Neben den Beschaffen heitsparametern werden für das Computerprogramm auch die Designparame ter vorgegeben. Bei dem Optimierungsverfahren werden üblicherweise mehrere Durchläufe durchgeführt, bei denen einer oder mehrere der Design parameter von Durchlauf zu Durchlauf variiert werden. Die auf diese Weise numerisch ermittelten, sich üblicherweise von Durchlauf zu Durchlauf vonei nander 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 Zielgrö ßen mit einer beispielsweise vorab festgelegten Genauigkeit erreichen. Die Veränderung der Designparameter kann dabei zielgerichtet basierend auf in dem iterativen Prozess festgestellten Tendenzen vorgenommen und ange passt werden.
Es kann weiter vorgesehen sein, dass die Beschaffenheitsparameter, insbe sondere der Faservolumengehalt und/oder die Harzaufnahme, anhand eines Modells zur herstellungsbedingten Veränderung von Materialparametern korrigiert werden. Dabei wird beispielsweise der wirkliche Faservolumen- gehalt ermittelt, der sich praktisch bei Anwendung einer bestimmten
Verarbeitungsmethode ergibt.
Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens kann vorsehen, dass zur Durch führung 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 Para meter 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.
Das Verfahren kann vorsehen, dass nach der Ermittlung der Designparameter unter Berücksichtigung der Beschaffenheitsparameter und der Designpara meter eine voraussichtliche Lebensdauer oder maximale verbleibende Ver wendungsdauer oder eine maximal mögliche mechanische, statische oder dynamische Belastbarkeit des Rotorblatts oder der Maschine ermittelt wird.
Die Erfindung bezieht sich zudem auf ein Verfahren zur Ermittlung von Para metern 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 hinzu gefügt werden. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Simulation einer mit einem Fluid interagierenden Maschine, insbesondere einer Windenergieanla ge, 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
Fig. 1 eine schematische dreidimensionale Ansicht einer Wind- energieanalage,
Fig. 2 schematisch einen Querschnitt durch ein Rotorblatt einer
Windenergieanlage senkrecht zur Längsachse des Rotorblatts,
Fig. 3 den Schichtaufbau eines Rotorblatts im Querschnitt sowie
Fig. 4 eine schematische Darstellung der Struktur des erfindungs gemäßen Verfahrens.
Figur 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 Para meter der Windenergieanlage einfließen. Das Simulationsmodell erlaubt es, festzustellen, wie sich die Windenergieanlage unter bestimmten Lastannah men 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 Simula tion des Rotors mehr investiert werden sollte, um möglichst viele einfluss reiche Parameter möglichst genau zu ermitteln.
Mittels der Erfindung ist es möglich, einige Parameter (Beschaffenheitspara meter) 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 Be schaffenheitsparametern vorausgesetzt, und andere Parameter werden variiert, um vorgegebene Zielparameter zu erreichen. Dieses Verfahren macht sich die Erfindung zunutze, indem die Zielparameter bei dem bereits vor liegenden Rotorblatt durch Messung ermittelt werden. In einem nach folgenden 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 Figur 2 das grundlegende Koor dinatensystem für die Beschreibung eines Rotorblatts eingeführt werden. In Figur 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 FA. Mit a ist der Winkel zwischen der Profilsehne 9 und der Anströmrichtung 11 bezeichnet. Mit g ist der Winkel zwischen der Profilsehne 9 und der Auftriebskraft 12 bezeichnet.
Figur 3 zeigt in einer detaillierten Darstellung den Schichtaufbau eines bei spielhaften 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 Kern Werkstoff, wie einem Schaum stoff 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 üblicherwei se ein oder mehrere Stege 15, 16 zwischen den Halbschalen 13, 14 ange bracht, 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 Figur 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 vorge sehen, der eine Außenschicht 17 bildet, wobei in der Außenschicht eine multidirektionale Faserverstärkung vorgesehen sein kann. Diese kann entwe- der 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 Figur 3 hervorgeht, jeweils einen Kern aus Schaumstoff oder Balsaholz auf, der auf beiden Seiten mit einer multidirektional faserverstärkten Matrix bedeckt ist. Durch diese Sandwich bauweise 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 Schlagrich tung lasttragenden Bereiche des Querschnitts des Rotorblatts angeordnet. Zusätzlich können in der Vorderkante A und/oder der Hinterkante B unidirek- tionale 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 Festigkeitsbe rechnungen, Ermüdungsberechnungen oder Stabilitätsberechnungen, ergänzt werden.
In Figur 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 hinzu kommen, die sich auch auf andere Teile einer Windenergieanlage, wie bei spielsweise den Turm und die Gründung oder die Kopplung des Rotors an den Turm, beziehen können.
Zudem können die Beschaffenheitsparameter des Bereichs 39 Materialeigen schaften 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 zu geleitet, d. h., praktisch werden die Parameter an ein Datenverarbeitungs- Programm 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, beispielswei se 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 Beschaffenheitsparame ter eingebracht werden.
Als Zielparameter, die im Bereich 40 der Figur 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, Torsions schwingungen 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 Eigen frequenz und/oder der Eigenform als Zielparameter mit hinzugenommen werden. Die Ermittlung der modalen Eigenschaften kann einen nicht unbe trächtlichen 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 Optimierungspro zess 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 Balsa holz, 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 ge schaffen ist, bei dem Berechnungsergebnisse den Zielparametern entspre chen.
Dafür werden die Beschaffenheitsparameter 39 zusammen mit einem Aus gangsmodell, welches die Designparameter 41 beinhaltet, an ein Computer programm 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 Designpa rametern 41 erneut an das Computerprogramm übergeben. Dies wird solange wiederholt, bis die ermittelten Größen die Zielparameter mit einer festgeleg ten Genauigkeit erreicht haben. Wenn die Zielparameter auf diese Weise erreicht sind, liegen auch die hierzu verwendeten Designparameter 41 fest. Insgesamt sind aus dem dann vorlie genden 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-Optimierungs prozess 33 vorgegeben werden, können noch mittels Festigkeitsberechnun gen, 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.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Ermittlung von Designparametern (41) eines Rotor blattes (3, 4, 5) für eine mit einem Fluid interagierende Maschine, insbesondere eine Windenergieanlage, bei dem Beschaffenheits parameter (39) des Rotorblattes zerstörungsfrei, insbesondere durch Messungen, ermittelt werden, bei dem Zielparameter (40) des Rotor blattes 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.
2. 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 Faserma terial, Faservolumengehalt, Außenmaße des Rotorblatts, insbesondere Länge, Breite des Rotorblatts, Winkel der äußeren Oberflächen des Ro torblatts, Querschnittsformen für eine oder mehrere Positionen ent lang des Rotorblattes und Lage der Profilmittelachse im Koordinaten system des Rotorblattes für einen oder mehrere Querschnitte.
3. 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 Berei chen, verwendete Verstärkungstextilien, die Position, Breite von Ste gen und Gurten, bei mehreren Stegen deren Abstand oder Abstände zueinander, die Steifigkeits- und Massenverteilung der Stege und Gur te und bei mehreren Stegen oder Gurten deren Winkel zueinander.
4. 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).
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass den Ziel größen (40) noch die dritte und/oder vierte Eigenfrequenz und/oder die Eigenform bezüglich der dritten und/oder vierten Eigenfrequenz hinzugefügt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass den Zielgrößen (40) noch eine oder mehrere der ersten zehn Eigenfrequen zen des Rotorblattes hinzugefügt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass den Zielgrößen (40) noch eine oder mehrere der Eigenformen bezüg lich einer oder mehrerer der ersten zehn Eigenfrequenzen des Rotor blattes hinzugefügt werden.
8. 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 Ziel parametern verglichen werden.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem die Beschaffenheitsparameter (39), insbesondere der Faservolumen gehalt und/oder die Harzaufnahme, aufgrund eines Modells zur her stellungsbedingten Veränderung von Materialparametern korrigiert werden.
10. Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem zur Durchführung einer Optimierung eine Festigkeitsberechnung (38) und/oder eine Ermüdungsberechnung und/oder eine Stabilitäts berechnung durchgeführt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem zur Evaluierung von Grenz zuständen ein numerisches Modell, z. B. ein Finite-Elemente-Modell oder analytisches Modell in Form eines Volumen-, Schalen-, Platten oder Balken-Modells eingesetzt wird.
12. 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 zer störungsfreie Messung ermittelt werden und bei dem Designparame ter (41) der Rotorblätter gemäß einem Verfahren nach einem der An sprüche 1 bis 11 ermittelt werden.
13. 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 Belas tung simuliert wird.
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