254 – Rotorauslegung bei Windkraftanlagen

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Gast: Volker Kremer    Host: Markus Völter    Shownoter: Thomas Machowinski

In dieser Episode sprechen wir über das Design der Flügel und Rotoren von Windkraftanlagen. Unser Gast ist Volker Kremer, der als Ingenieur an der Auslegung solcher Anlagen bei Aerodyn arbeitet. Wir beginnen mit einer Abgrenzung des Themas (denn die vollständige Anlage behandeln wir in späteren Episoden), besprechen Rahmenbedingungen und Einflussgrößen, und diskutieren dann wie sich physikalische Grundlagen und Betriebsaspekte auf das Rotordesign auswirken. Auch Materialien und die mechanische Konstruktion der Rotorblätter kommt zur Sprache. Wir schließen das Gespräch mit einem Ausblick auf Innovationspotentiale.

Vorstellung und Einführung

00:02:07

(Aerodyn Energiesysteme - Ingenieurbüro)  | Großwindkraftanlangen ab etwa 500 kW Leistung | onshore typisch bis 4MW | offshore bis 8MW | wesentlicher Faktor für die Größe ist Transport | WKA Windkraftanlage | WEA Windenergieanlage

Rahmenbedingungen und Einflussgrößen

00:09:31

Standort | Typenklasse nach mittlerer Jahres-Windgeschwindigkeit | Je mehr Wind, desto kleiner der Rotor | Turmhöhe

Physikalische Grundlagen

00:16:07

Theorie nach Betz | Maximal können ca. 60% der Leistung des Windes durch einen Rotor in mechanische Leistung umgewandelt werden. Dabei wird die Windgeschwindigkeit um ca 1/3 abgesenkt. | Große Maschinen haben im Allgemeinen größere Wirkungsgrade | Rotorblätter sind mit Flugzeugflügeln grundsätzlich vergleichbar | Profiltiefe | Aussen am Flügel herrschen hohe Geschwindigkeiten, innen geringe Geschwindigkeiten | Verwindung des Profils | Anstellwinkel | verschiedene Profile über die Flügellänge | Randwirbel | Drei Rotorblätter sind typisch. | Verschmutzung auf dem Rotorblatt mindert die Leistung. | Stall / Strömungsabriss | Turbulator | Übergang zwischen laminarer und turbulenter Strömung in der Grenzschicht | laminar-turbulent transition (englisch) | Grenzschichtzaun | Wölbklappe | Metallische Teile vermeiden: Blitzschutz!

Betrieb einer WKA

00:59:07

„Was is eine optimale Drehgeschwindigkeit“ (cp - Leistungsbeiwert)  | Rotorblattverstellung (Pitch)

Aerodynamische und mechanische Auslegung

01:10:27

Reynoldszahl | CFD-Simulation | Blattelementtheorie (englisch) | Profilpolare | Auftrieb | Widerstand | Aerodynamik am Rotorblatt (Tilt - Neigung der Rotorebene gegen die Vertikale | Turmfreigang - Platz zwischen Turm und Rotorblatt)  | Biege-Torsions-Kopplung | Divergenz | Dynamic Stall | FEM (BEM - Blade Element Momentum Theory (englisch))  | Balkenmodell | Kopplung zwischen Aerodynmaik und Struktur

Konstruktion und Materialien

01:44:10

(GFK - Glasfaserverstärkter Kunststoff | CFK - Kohlefaserverstärkter Kunststoff)  | Kohlefaser | Faserverbund | Biltzschutz | Holm | Gelege | Fertigung in Halbschalen | Vakuuminfusionsverfahren | UD-Gewebe (Schale trägt mit - vor allem Torsion)  | Blattanschluss | Sehr hohe Betriebslasten | Typische Fehler | Regelmäßige Prüfungen (Volle Inspektion alle zwei Jahre - Sichtprüfung)

Innovationspotentiale

02:07:11

Individual Pitch Control | Active Trailing Edge | Aktive Systeme zur Lastreduktion | Windfeldvermessung | Condition Monitoring | Optimierung auf kleinere Windgeschwindigkeiten | Prepreg-Composites | Abschluss | „Wie viele verschiedene Designs werden realisiert?“ | Aerodyn entwickelt auch komplette Anlagen, ca. 1 pro Jahr

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