Simulation Simulation von Windenergieanlagen

Autor / Redakteur: Michael Probst / Karl-Ullrich Höltkemeier

Der rentable Betrieb von Windenergieanlagen ist nur bei einer wartungsarmen und möglichst langen Betriebsdauer möglich. ISKO engineers berechnet mit der Simulationssoftware ADINA das Strukturverhalten in Strömungen bei Windkraftanlagen.

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Strukturverhalten im Wind: ADINA simuliert Wechselwirkung zwischen Strukturen und Luftströmungen. Bilder: ISKO engineers
Strukturverhalten im Wind: ADINA simuliert Wechselwirkung zwischen Strukturen und Luftströmungen. Bilder: ISKO engineers
( Archiv: Vogel Business Media )

Besonders der Einsatz unter raueren Umgebungsbedingungen wie bei Offshore-Anlagen stellt überdurchschnittliche Anforderungen an die zuverlässige Auslegung aller beteiligten Komponenten einer Windkraftanlage. Umso wichtiger ist es, die Beanspruchungen der Anlagen bereits in der Konstruktionsphase möglichst realistisch vorherbestimmen zu können.

ADINA simuliert Wechselwirkung zwischen Strukturen und Luftströmungen

Die Simulationsexperten der ISKO engineers AG nutzen modernste mathematische Verfahren, um das Verhalten von starren und flexiblen Strukturen in Strömungen vorherzusagen – beispielsweise im Wind. Dabei hilft ihnen die Simulationssoftware ADINA, die seit über 15 Jahren als originär multiphysikalisches Simulationswerkzeug weiterentwickelt wird.

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Dank ihrer komplexen Funktionalität ermöglicht ADINA die kombinierte Berechnung von Fragestellungen aus Strukturmechanik, Strömungsmechanik, Akustik, Thermodynamik und Elektromagnetismus. Die Komplettlösung ADINA integriert dabei unterschiedliche Simulationsdisziplinen in einem Programm und ermöglicht dadurch die Simulation sehr komplexer Anwendungen.

Zum Zweck einer möglichst realitätsnahen Analyse berücksichtigt ADINA auch die sog. Fluid-Struktur-Interaktion (FSI). Das Ergebnis ist eine unmittelbare Kopplung zwischen der Struktur (bspw.einem Rotorblatt) und dem umgebenden Strömungsfeld. Im Fall der Windkraftanlagen ist es damit möglich, sowohl den Einfluss der Windströmung auf die Struktur als auch die Wirkung der Anlage auf das Windfeld aussagekräftig zu berechnen. Die Simulation zeigt also nicht nur bspw. die Verformungen oder Schwingungen der Rotorblätter, sondern auch die globalen und lokalen Wechselwirkungen zwischen Anströmung und der Blatt- und Turmschwingung. (Auf der folgenden Seite lesen Sie: Simulation: Die richtige Weichenstellung in der Konstruktion)

Simulation: Die richtige Weichenstellung in der Konstruktion

Das methodische Instrumentarium umfasst alle wichtigen Verfahren der Modellierung und Analyse in den beiden relevanten Disziplinen Strukturdynamik und Strömungsdynamik. Der Strukturbereich umfasst sämtliche für die gewünschte Aussage erforderlichen mechanischen Bauteile und Verbindungen. Die genaue Abbildung der Strukturen und Materialien erlaubt bereits in der frühen Phase der Entwicklung, Informationen und Grundlagen für die richtigen Weichenstellungen bereit zu stellen. Die Simulation der Struktur mit dem erforderlichen Detaillierungsgrad unter zum Teil extremen Lastbedingungen weist auf mögliche Schwachstellen hin, bevor teure Prototypen gebaut und aufwändige Tests durchgeführt werden.

Für die umfassende Betrachtung der Strömung arbeitet ISKO mit diversen mathematischen Turbulenzmodellen und kann so die interessanten Strömungsbereiche mit hoher Genauigkeit abbilden. Die Bandbreite der Untersuchungen reicht von 2D-Profil-Untersuchungen über Rotoranalysen bis hin zur Untersuchung der Strömungsbedingungen von Windparks.

Optimierte Auslegung von Komponenten und digitales Lifecycle Management

Von besonderem Interesse sind die vielschichtigen mechanischen Belastungen der Rotorblätter auf Grund von Eigengewicht, Rotation, Massenträgheit, Anströmungsbedingungen und Aufbausituation. Mittels der gekoppelten Betrachtung der bewegten, flexibel abgebildeten Struktur im Strömungsfeld wird eine neue Qualität der Vorhersage erreicht. Die Belastungen eines Rotorblattes durch Gravitation und Fliehkraft in Überlagerung mit dem Druckverlauf auf den Rotorblättern und dem zyklischen Druckwechsel (Turmdurchlauf) ergibt für die Auslegung neue, wertvolle Erkenntnisse über die tatsächlichen Belastungen.

Mit solchen komplexen Modellierungs- und Simulationstechniken ist ISKO in der Lage, Phänomene wie die strömungsinduzierte Bauteilschwingung an Windkraftanlagen vorauszuberechnen und die Auslegung der Komponenten in der Entwicklungsphase gezielt zu optimierten. Aber auch die Bearbeitung komplexer Fragestellungen hinsichtlich Struktur- und Thermodynamik bei Lagern, Getrieben, Gehäusen oder Turbinen sind bei ISKO seit Jahren etablierte Themen. Die Lebensdaueranalyse auf Basis gesicherter Lastannahmen schließt sich hieran nahtlos an.

Michael Probst, Vorstand ISKO engineers AG, München

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