Pendelendanschläge bei Zweiblatt-Windenergieanlagen
Zusammenfassung
Die vorliegende Arbeit wendet sich an Ingenieurinnen und Ingenieure aus dem Bereich der Windenergie. Sie befasst sich mit Zweiblattanlagen mit Pendelnabe. Pendelnaben gelten in der Windenergie trotz ihrer positiven Auswirkungen auf die Betriebsfestigkeitslasten als weniger zu favorisierende Anlagenkonzepte, weil in Extremsituationen große Kräfte entstehen können. Diese entstehen durch das Treffen des Pendelendanschlags. Die Arbeit befasst im Detail mit dem Konzeptdesign von Zweiblattanlagen mit dem Ziel, die Extremlasten durch Pendelendanschläge zu reduzieren und zeigt auf, wie Pendelnaben lastoptimiert ausgelegt werden können.
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Schlagworte
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- I–XIV
- 1–5 1 Einleitung 1–5
- 1.1 Motivation und Hintergrund
- 1.2 Ziel der Arbeit
- 1.3 Aufbau der Arbeit
- 6–11 2 Einführung in Zweiblatt-Windenergieanlagen 6–11
- 2.1 Zweiblattanlagen: Motivation und Herausforderungen
- 2.1.1 Motivation zum Einsatz Zweiblattanlagen
- 2.1.2 Dynamische Herausforderungen von Zweiblattanlagen
- 2.2 Lastreduzierungskonzepte von Zweiblattanlagen
- 2.2.1 Möglichkeiten zur Lastreduzierung von Zweiblattanlagen
- 2.2.2 Lastreduzierungskonzepte am Beispiel bestehender Zweiblattanlagen
- 12–19 3 Literaturrecherche zu Zweiblatt-Pendelanlagen 12–19
- 3.1 Narrativer Teil der Recherche
- 3.2 Vorgehen bei der systematischen Literaturrecherche
- 3.3 Ergebnisse der systematischen Literaturrecherche
- 3.4 Fazit der Literaturrecherche zu Pendelendanschlägen
- 20–27 4 Grundlagen der Lastsimulation von Windenergieanlagen 20–27
- 4.1 Allgemeine Modellbildung von Windenergieanlagen
- 4.2 Möglichkeiten zur Modellierung der Aerodynamik
- 4.2.1 Die Blattelementmethode und ihre empirischen Erweiterungen
- 4.2.2 CFD
- 4.2.3 Free Wake Vortex Modelle (FVM)
- 4.3 Strukturdynamische Modellierung von Windenergieanlagen
- 4.3.1 Modaler Ansatz
- 4.3.2 FEM
- 4.4 Modellierung von turbulentem Wind
- 28–48 5 Mechanische Grundlagen von Pendelnaben 28–48
- 5.1 Kreiselwirkung der Pendelnabe
- 5.2 Bewegungsgleichung des Pendelrotors
- 5.2.1 Vereinfachte Betrachtung ohne Dämpfung und äußere Anregung
- 5.2.2 Möglichkeiten zur Blattwinkelrücksteuerung
- 5.2.3 Vollständige Bewegungsgleichung des Pendelrotors
- 5.2.4 Berechnung der Größenverhältnisse am Beispiel der CART2
- 5.2.5 Energie des Pendelrotors
- 5.2.6 Pendelwinkelbetrachtung
- 49–51 6 Methodisches Vorgehen 49–51
- 52–74 7 Beschreibung der Windenergieanlagen und Ermittlung kritischer Lastfälle 52–74
- 7.1 Beschreibung der Windenergieanlagen
- 7.1.1 CART2
- 7.1.2 SCD3MW
- 7.1.3 Gegenüberstellung CART2 - SCD3MW
- 7.2 Numerische Ermittlung kritischer Lastfälle für Pendelendanschläge
- 7.2.1 Auswahl der Lastannahmen für die Ermittlung von Pendelendanschlägen
- 7.2.2 Auswahl Simulationsprogramm
- 7.2.3 Modellbildung der CART2 und SCD3MW
- 7.2.4 Validierung der Simulationsmodelle
- 7.2.5 Lastfallsimulation der CART2 und SCD3MW
- 7.2.6 Ergebnisse der Lastfallsimulation der CART2
- 7.2.7 Ergebnisse der Lastfallsimulation der SCD3MW
- 7.2.8 Gegenüberstellung der Ergebnisse der CART2 und SCD3MW
- 7.2.9 Fazit der Lastfallsimulationen von CART2 und SCD3MW
- 75–84 8 Analyse von Endanschlägen anhand der Simulationsergebnisse der CART2 75–84
- 8.1 Energiebetrachtung und Pendelwinkelverlauf verschiedener Endanschlagslastfälle
- 8.2 Fazit der Analyse unterschiedlicher Endanschlagssituationen
- 8.3 Konstruktive Aspekte der Analyse unterschiedlicher Endanschlagssituationen
- 8.4 Auswahlkriterien für die betrachteten Endanschlagssituationen
- 85–94 9 Dimensionsanalyse des Pendelendanschlags 85–94
- 9.1 Analytische Beschreibung des Pendelendanschlags
- 9.2 Verfahren der Dimensionsanalyse
- 9.3 Methode der Differentialgleichung am Beispiel der Bewegungsgleichung ohne Endanschlag
- 9.4 Methode der Differentialgleichung mit der erweiterten Endanschlagsgleichung
- 9.5 Kennzahlenvergleich bestehender Pendelanlagen
- 95–106 10 Einfaktorielle Kennzahlvariation der CART2 und SCD3MW 95–106
- 10.1 Simulationsplanung und -vorbereitung
- 10.1.1 Parameterauswahl für Variation der Kennzahlen
- 10.1.2 Überprüfung der notwendigen Anzahl an Simulationen pro Parametervariation
- 10.1.3 Anpassung der Modelle
- 10.2 Einfaktorielle Kennzahlvariation
- 10.2.1 Kennzahl K1: Lock-Zahl
- 10.2.2 Kennzahl K2
- 10.2.3 Kennzahl K3
- 10.2.4 Kennzahl K4
- 10.2.5 Kennzahl K6
- 10.2.6 Ergebnisse der einfaktoriellen Kennzahlvariationen
- 107–109 11 Prüfung der Kennzahlen bei Kennzahl-Gleichheit beider Anlagen 107–109
- 11.1 Umbau der SCD3MW zu CART2-Kennzahlen
- 11.2 Gegenüberstellung des Kennzahlverhaltens bei Kennzahl-Gleichheit
- 110–118 12 Multifaktorielle Kennzahlvariation der CART2 110–118
- 12.1 Versuchsplan
- 12.2 Ergebnisse der multifaktoriellen Kennzahlvariation
- 12.3 Grafische Darstellung der Ergebnisse
- 12.4 Einfluss des freien und maximalen Pendelwinkels auf die Kennzahl K3
- 12.5 Grenzen der Ergebnisse des multifaktoriellen Versuchsplans
- 119–124 13 Auswirkungen der Kennzahlen auf alle Extremlasten der CART2 und SCD3MW 119–124
- 13.1 Anlagenauslegung
- 13.2 Ergebnisse
- 13.3 Auswirkungen auf den Ertrag und Betrachtung der Toleranzen der Pendelparameter
- 125–136 14 Zusammenfassung der Arbeit und Ausblick 125–136
- 14.1 Pendelendanschläge im Allgemeinen
- 14.1.1 Relevanz der Forschungsfrage
- 14.1.2 Kategorien von Endanschlägen
- 14.1.3 Größenordnung des Endanschlags
- 14.2 Bedeutung der Kennzahlen für die Intensität des Endanschlags
- 14.2.1 Überblick Kennzahlen
- 14.2.2 Auswirkung einzelner Kennzahlen auf die Intensität von Pendelendanschlägen
- 14.2.3 Lastreduzierende Kennzahlkombinationen
- 14.2.4 Ergebnisse im Hinblick auf Auslegungen bestehender und historischer Zweiblattanlagen
- 14.3 Zusammenfassung konstruktiver Erkenntnisse
- 14.3.1 Feder und Dämpfer des Endanschlags
- 14.3.2 Extremlasten - Betriebslasten: Größe des freien und maximalen Pendelwinkels
- 14.3.3 Energie des Rotors
- 14.3.4 Pendelbremse
- 14.3.5 Regelungseinflüsse
- 14.4 Ausblick
- 137–177 A Anhang 137–177
- A.1 Koordinatensysteme
- A.2 Konstruktionsbeispiele für Pendelnaben
- A.3 Konstruktionsbeispiele für Pendelbremsen
- A.4 Ergänzungen zur Aerodynamik
- A.4.1 2D-Aerodynamik
- A.4.2 BEM-Methode
- A.4.3 Turbulenzen
- A.5 Campbell-Diagramm
- A.6 Vergleich der IEC-Simulation von CART2 und SCD3MW
- A.7 Grafiken zur Kategorisierung von Pendelendanschlägen
- A.8 Berechnung der Kennzahlen bestehender und früherer Anlagen
- A.9 Grafiken des Kennzahlverhaltens bei Kennzahl-Gleichheit
- A.10 Ergebnisse der Simulationsplanung und -vorbereitung
- A.11 Multifaktorielle Simulation der CART2
- 178–188 Literatur 178–188
