Modellierung wirbelerregter aeroelastischer Schwingungen bei schlanken Baustrukturen: Erkenntnistransfer anhand eines großskaligen Feldversuches an einer Windkraftanlage

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Rüdiger Höffer; Dr.-Ing. Francesca Lupi
• Fachliche Zuordnung: Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 493357786

In diesem Projekt werden Wind-, Kraft- und Strukturreaktionsmessungen in Feldversuchen an einer Windkraftanlage durchgeführt und das entwickelte aeroelastische Modell aus dem Vorgängerprojekt auf den Naturmaßstab übertragen. Bei der Wirbelerregung schlanker Strukturen entsteht im Lock-in-Bereich eine aeroelastische Interaktion. In der Forschung wird sie als negative aeroelastische Dämpfung modelliert. Dieser Ansatz ist vom Vorgängerprojekt aufgegriffen und in ein grundlegendes Wirbelerregungsmodell umgesetzt worden. Die Modellbildung ist durch Windkanalexperimente begleitet worden. Durch experimentellen Nachweis lassen sich theoretische Defizite in der Modellierung der maximalen Schwingamplitude beseitigen und die für die bemessungsrelevanten Ermüdungsprozesse entscheidenden Spannungsschwingspiele erheblich realitätsnäher und transparenter als zuvor möglich vorhersagen. In diesem Transferprojekt ist geplant, im Rahmen der Kooperation mit dem Anwendungspartner Siemens Gamesa Renewable Energy, Feldmessungen am Prototyp der 155 m hohen Windkraftanlage SG14 durchzuführen. Der Prototyp befindet sich auf dem Windkraftanlagen-Testfeld Østerild in Dänemark. Folgende Größen werden gemessen: 1) Windgeschwindigkeitsprofil und Windrichtung mithilfe eines meteorologischen Masts, 2) Winddrücke am Turm der Windenergieanlage im Raster von 15° auf zwei Ebene, aus denen sich Windkräfte integrieren lassen, 3) Beschleunigungen entlang der Höhe und 4) Dehnungen der Turmwandung zur Bestimmung von Biegemomenten am Fuß und in Nabenhöhe.Die Forschungen haben das Ziel, das im Vorgängerprojekt entwickelte Konzept der aeroelastischen Modellierung bei wirbelinduzierten Schwingungen auf die Wirklichkeit transkritischer Reynoldszahlen, mehrerer Eigenformen des Tragwerks und realistischer turbulenter Anströmungsprofile, zu übertragen. Die zuverlässige Bestimmung der modalen Parameter (Eigenfrequenzen, Eigenformen und Dämpfungsverhältnisse) der Struktur ist dabei mitentscheidend, um bei Verwendung des entwickelten aeroelastischen Modells die wirbelerregten Schwingungen realitätsnah vorhersagen zu können. Die Lösung des inversen Problems der Systemidentifikation wird auf der Grundlage der Antwortmessungen und mit Hilfe der Operational Modal Analysis ermittelt. Darüber hinaus zeichnet sich dieses Projekt dadurch aus, dass die Charakterisierung der Strukturreaktion durch eine eingehende Untersuchung der Windkräfte ergänzt wird, die aus simultanen Druckmessungen auf der Turmoberfläche gewonnen werden. Die Untersuchungen ermöglichen im Ergebnis die Entwicklung eines Konzepts für einen Industriestandard für die Antwortberechnung von Schornsteinen, Türmen, Masten und sonstige schlanke Strukturen, die empfindlich auf wirbelinduzierte Schwingungen reagieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen (Transferprojekt)
• Anwendungspartner: Siemens Gamesa Renewable Energy GmbH & Co. KG