Quantification of aeroelastic response of blade-tower interaction in multimegawatt wind turbines

• Quantifizierung des aeroelastischen Verhaltens der Blatt-Turm Interaktion in Multimegawatt Windenergieanlagen

Shkara, Yasir; Schelenz, Ralf (Thesis advisor); Behr, Marek (Thesis advisor)

1. Auflage. - Aachen : Verlag Mainz (2020)
Buch, Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020

Kurzfassung

Der Trend der gegenwärtigen Entwicklung moderner horizontalachsiger Wind-energieanlagen (WEA) geht zu leichteren, größeren Rotordurchmessern und längeren Türmen. Die größere, leichtere und flexiblere Struktur ist dynamischer und empfindlicher gegenüber kleineren Anregungen. Darüber hinaus wird mit zunehmender Turmlänge die Turmbasis größer und der Transport wird zu einer Herausforderung. Heutzutage sind die Abmessungen der Türme an die Straßengrenzen gestoßen. Andererseits wird der Einfluss externer Faktoren wie Wind-scherung und Rotor-Turm-Interaktion immer wichtiger. Um sicherzustellen, dass das dynamische Verhalten der Windenergieanlagenstruktur keinen Einfluss auf die Stabilität des Systems hat und um die Strukturabmessungen weiter zu optimieren, ist eine umfassende Analyse der gesamten Windenergieanlagenstruktur unerlässlich. Ziel dieser Arbeit ist es daher, die bidirektionale Blatt-Turm-Interaktion einer multi-megawatt WEA zu untersuchen. Ein aeroelastisches Modell auf der Basis von Fluid-Struktur Interaktion wird vorgestellt. Die Blattaerodynamik wurde durch das Lösen der instationären inkompressiblen Navier-Stokes-Gleichungen mittels Computational Fluid Dynamics (CFD) berechnet, während die Strukturdeformation unter Verwendung von Finiten Elementen (FE) berechnet wurde. Berücksichtigt werden sowohl die elastische Rotorblätter als auch der Turm, wobei die Rotorblätter als Biegebalken modelliert werden, während der Turm in finite Elemente diskretisiert wird. Das numerische Modell gibt einen Einblick in die aerodynamische Leistung und das Strukturverhalten der Windenergieanlagen. Die Studie zeigte, dass das passieren der Rotorblätter vor dem Turm zu einem merklichen Abfall des aerodynamischen Drehmoments des Rotors führt. Darüber hinaus hat der Rotor einen starken Einfluss auf die Frequenz des Wirbelablösens des Turms, was zu unterschiedlichen Nachlaufstrukturen zwischen dem oberen und dem unteren Teil führt. Die Dynamik des Turms ist mit dem Rotordrehwinkel synchronisiert und die Blätter erleiden insbesondere in Schlagrichtung eine oszillierende Verformung. Dadurch entstehen dreimal pro Umdrehung zyklische Ermüdungslasten und Strukturverformungen, die für die Turmauslegung und die Lebensdaueranalyse als wichtig erachtet werden.

Einrichtungen

• Chair for Wind Power Drives [412010]