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Zusammenfassung (Deutsch)

Zweiblatt-Windenergieanlagen gelten als ein möglicher Anlagentyp für den Offshore-Einsatz, weil sie das Potential bieten, Kosten zu reduzieren. Allerdings sind die dynamischen Belastungen einer Zweiblattanlage im Vergleich zu einer Dreiblattanlage durch deren symmetrischen Rotor komplexer. Eine mögliche Lösung für den Umgang mit dieser Dynamik besteht in der Verwendung einer Pendelnabe, die die auf die Anlage wirkenden Kräfte und Momente unter normalen Betriebsbedingungen erheblich reduzieren kann. Pendelnaben werden in der Literatur häufig hinsichtlich ihrer positiven Wirkung auf die Betriebslasten erwähnt, jedoch wird zeitgleich fast immer darauf verwiesen, dass durch die konstruktiv zwingend erforderliche Begrenzung des Pendelns (den Pendelendaschlag) große Lasten entstehen, die die Vorteile von reduzierten Betriebslasten wieder zunichte machen würden. Konkrete Angaben über die Größenordnung der zu erwartenden Lasten durch Pendelendanschläge oder auch Hinweise zu einer geeigneten Auslegung der Pendelparameter bleiben jedoch unbeantwortet. Um diesen Sachverhalt genauer zu untersuchen, werden in der vorliegenden Arbeit folgende Forschungsfragen untersucht: welche Situationen führen zu Pendelendanschlägen, welche Parameter bieten gute Möglichkeiten, deren Intensität zu reduzieren und gibt es Kennzahlen, um anlagenübergreifend die Intensität und damit auch die Auslegung des Pendelendanschlags beschreiben zu können? Die Methodik dieser Arbeit besteht dabei in einer Kombination aus analytischer Betrachtung der mechanischen Grundlagen der Pendelnabe und aeroelastischen Simulationen von Extremlastfällen der beiden Zweiblattanlagen CART2 (600 kW) und SCD3MW (3MW). Fünf dimensionslose Kennzahlen zur Beschreibung des Nabenbiegemoments durch Pendelendanschläge werden im Rahmen dieser Arbeit aufgezeigt. Da sich die Kennzahlen weitestgehend anlagenunabhängig verhalten, werden durch sie Vergleiche zwischen verschiedenen Pendelnaben hinsichtlich der Intensität der zu erwartenden Pendelendanschläge ermöglicht. Anhand verschiedener Kennzahl-Kombinationen wird zudem gezeigt, dass eine Pendelnabe so ausgelegt werden kann, dass ihre Extremlasten weit unter denen einer starren Zweiblattanlage liegen. Allerdings kann die Auslegung auch so erfolgen, dass die Lasten durch Pendelendanschläge die Extremlasten einer starren Nabe bei weitem übersteigen. Zusammenfassend werden mit dieser Arbeit neue und wichtige Erkenntnisse über Zweiblatt-Pendelnaben aufgezeigt. Der Schluss liegt nahe, dass dieser Anlagentyp durchaus für zukünftige Windenergieanlagen in Betracht gezogen werden sollte.

Zusammenfassung (Englisch)

Two bladed wind turbines are generally regarded as a possible alternative for application in the offshore area as they show a potential to save cost of energy. Still, in contrast to three bladed turbines, the dynamic behavior of two bladed turbines is more challenging because of the rotor’s symmetry. A possible solution to handle these larger dynamic loads is the use of a teeter hinge, which can significantly reduce loads in normal operating conditions. Scientific literature underlines the advantages of teeter hinges for fatigue loads. However, it is frequently mentioned, that the necessary restriction of the teeter movement (the teeter restraint) can lead to large loads, which make the load reducing advantage on fatigue loads of the teeter hinge obsolete. Information about the magnitude of those teeter end impacts or instructions about a suitable design of a teeter hinge must remain uncertain. This study examines the following research questions: Which situations lead to teeter end impacts, which parameters of a teeter hinge offer possibilities to reduce the intensity of teeter end impacts, and are there dimensionless numbers to characterize the intensity of teeter end impacts independent of the turbine-size? The methodology of this study combines the use of analytical equations of the mechanics of the teeter movement and aeroelastic simulations of extreme load cases of the two turbines CART2 (600 kW) and SCD3MW (3MW). As a result of this study five dimensionless numbers describing the intensity of the hub bending moment coming from the teeter end impact can be shown. As the behavior of these dimensionless numbers is mostly independent of the turbine, they allow comparisons of different teetered turbines regarding the expectable intensity of teeter end impacts. Based on different combinations of the dimensionless numbers the study is able to show that a teetered turbine can be designed in a way that its extreme loads coming from end impacts are far below the extreme loads of a rigid hub. However, it has also been shown that a teeter hinge can be designed in such a way that extreme loads of teeter end impacts become much more severe than the ones of a rigid hub. In summary, this work shows new and important findings about teetered turbines. Consequently this type of turbine should more widely be regarded as a possibility for future wind turbines.

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