Software

Besseres Betriebsverhalten mit minimalem Aufwand

Akustik-Struktur-Interaktionsmodell einer Windenergieanlage mit umgebender Luft. Das Bild zeigt die Beschleunigungsamplitude der Schwingung des Windrads, die Schnittdarstellungen durch die Luft den resultierenden Schalldruckpegel. (Bilder: Comsol)
Über die Simulation einer Windenergieanlage mit Comsol Multiphysics konnte Xi Engineering Consultants eine innovative Lösung zur Reduktion eines problematischen Resonanzgeräuschs einer Megawatt-Windturbine ausarbeiten. Der Vorteil für den Kunden: Der Nachbesserungsaufwand an der Anlage ließ sich auf ein Minimum reduzieren. Der Schlüssel zur Lösung lag in der virtuellen Untersuchung mit drei verschiedenen Modellen, denn so gelang die Umsetzung in die Realität beim ersten Mal.

Lärmemissionen von Windparks lassen sich in zwei Kategorien unterteilen: aerodynamische und mechanische Geräusche. Während aerodynamische Geräusche durch die Bewegung der Rotorblätter durch die Luft entstehen, verursacht der Maschinenstrang in der Gondel des Windrads mechanische Geräusche. Da es sich bei diesen in der Regel um hörbaren Schall handelt, fühlen sich Anwohner oft belästigt. Daher gibt es in ganz Europa und Nordamerika strenge Richtlinien für die Geräuschemission von Windenergieanlagen, die bei Nichteinhaltung seitens der Betreiber zu hohen Strafen führen.

Ein Hersteller von Megawatt-Windrädern wandte sich deshalb an den Ingenieurdienstleister Xi Engineering Consultants Ltd. mit Sitz im britischen Edinburgh. Das auf komplexe Vibrationsaufgabenstellungen spezialisierte Unternehmen sollte einen Typ von Windenergieanlagen optimieren, bei dem es im Frequenzbereich von 800 bis 830 Hz zu einer überhöhten Schallabstrahlung kam. Der Hersteller hatte zuvor bereits die Verzahnung im Getriebe als die wahrscheinliche Geräuschquelle identifiziert. Unter entsprechend hohem Aufwand wurde daraufhin das 15 t schwere Getriebe von einem der 80 m hohen Türme angehoben, um die darunterliegenden Gummidämpfer auszutauschen. Da dadurch der Lärm aber anstieg, suchte man nach einer Möglichkeit, die Geräusche einzudämmen - ohne dabei den erheblichen Aufwand für eine Neukonstruktion oder eine Nachbesserung der hohen Anzahl betroffener Anlagen in Kauf nehmen zu müssen. Xi erhielt also den Auftrag, die Vibrationen zu untersuchen, die Quelle ausfindig zu machen und eine Lösung zu erarbeiten.

Nach einer sorgfältigen Untersuchung der Konstruktionsdaten und umfangreichen Beobachtungen vor Ort, bei denen die Türme mit Sensoren ausgestattet wurden, bestätigten die Ingenieure von Xi, dass die Geräusche vom Getriebe ausgingen. "Wir konnten einwandfrei feststellen, dass bei einer normalen Betriebsgeschwindigkeit die Zähne einer Zahnradpaarung ungefähr 820 Mal pro Sekunde in Kontakt traten - mit anderen Worten: Wir hatten das Geräusch, das von 820 Stößen in der Sekunde erzeugt wurde, identifiziert", berichtet Dr. Brett Marmo, Senior Consultant bei Xi Engineering Consultants Ltd. "Es war jedoch nicht ganz so einfach, eine Lösung für dieses Problem zu finden, weil das ursprüngliche Geräusch auf irgendeine Weise verstärkt wurde. Wir vermuteten, dass die Stahlummantelung des Turms bei der Schallentwicklung eine Rolle spielte, da jede Struktur eine Eigenschwingung hat." Der röhrenförmige Stahlturm wies eine Reihe von Resonanzfrequenzen zwischen 800 und 900 Hz auf.

Xi Engineering Consultants nutzt für die Simulation solcher Probleme die Comsol-Software Comsol Multiphysics. Damit wurde ein Modell des Turmes, der Rotorblätter und der Gondel, in der das Getriebe untergebracht ist, erstellt. So waren die Ingenieure in der Lage, die Schwingungen jedes Elementes einzeln zu analysieren und genau zu sehen, wie sich Schwingungen vom Getriebegehäuse aus fortsetzen. Das Modell und die aus der Simulation resultierenden Ergebnisse zeigten Resonanzen bei zirka 820 Hz an der Turmwandung. In einem weiteren Schritt wurde daraufhin ein Modell der Turmstruktur und -wandung für eine genaue Eigenfrequenzbetrachtung erstellt. "Mit diesem komplexen Modell konnten wir erkennen, dass es gewisse kritische Stellen in der Nähe der Turmspitze gab, an denen sich die Wandung bei einer Resonanzfrequenz von 800 und 830 Hz wellenförmig bewegte", fährt der Senior Consultant fort. "Diese Resonanzen verstärkten die Schwingungen des Getriebegehäuses und erzeugten das unangenehme, hörbare Geräusch."

Die Kunst, die Dinge einfach zu halten

"Unsere Philosophie ist es, zuerst nach einfachen Lösungen zu suchen, wie etwa Gummidämpfern oder Federn, um die Schwingungsquelle zu isolieren", ergänzt Barry Carruthers, Operations Manager bei Xi. "Wann immer möglich, entwickeln wir passive Korrekturmaßnahmen, die wir aktiven Eingriffen - die möglicherweise Einstellungs- und Wartungsarbeiten erfordern - vorziehen." In diesem Fall lag die konstruktive Lösung in einer Unterbrechung des Schwingungspfades zwischen dem Getriebegehäuse und der Turmwandung. "Die einfachste Umsetzung wäre hierfür eine Modifikation der Gummidämpfer unter dem Getriebegehäuse gewesen, andere konstruktiv zu berücksichtigende Randbedingungen sprachen jedoch gegen solch eine Lösung mit steiferen oder weicheren Gummidämpfern", so Carruthers weiter. "Die effektivste alternative Lösung, die zu einer Amplitudenabnahme der Schwingung führen würde, war deshalb das Aufbringen eines speziellen Dämpfungsmaterials auf der Innenseite des Turms." Bei der Umsetzung dieses Vorschlages mussten zwei grundlegende Gesichtspunkte berücksichtigt werden. Zum einen handelt es sich bei dem aufzubringenden Material um einen relativ teuren Werkstoff, zum anderen ist die potenziell abzudeckende Fläche mit einem Durchmesser der Türme von 2,5 m an der Spitze und 4 m am Fuß extrem groß. Darüber hinaus ist die Installation sehr kostspielig, da das Material nur von Industriekletterern bei Arbeiten innerhalb des Turmes zwischen den bestehenden Plattformen eingepasst werden kann. Die XI-Ingenieure mussten also genau untersuchen, wie viel Material tatsächlich an welchen Stellen benötigt wird, um das Geräuschproblem zu lösen. Dazu wurde ein drittes Modell in Comsol Multiphysics erstellt, mit dem sich die Effekte des Materials innerhalb des Turmes simulieren lassen.

Die Xi-Ingenieure bauten ein Akustik-Struktur-Interaktionsmodell der Turmwände und der internen und externen umgebenden Luft auf. Der Schalldruckpegel wurde in 50 m Entfernung von der Anlage bestimmt und es wurde unter Verwendung eines virtuellen Mikrofons untersucht, wie sich das Verhalten verändert, wenn unterschiedliche Flächen des Turmes mit dem Material bedeckt sind. "Wir begannen im Eigenfrequenzmodell mit der Untersuchung der vorher identifizierten kritischen Stellen an der Spitze des Turms und experimentierten mit verschiedenen Materialmengen", erinnert sich Barry Carruthers. "Bei der Anpassung der Materialmenge in der Turmwand erreichten wir dann einen Punkt, an dem das Geräusch auf einen akzeptablen Level abfiel." Anschließend wurde die abdeckende Fläche angepasst, bis man mit einem minimalen Materialaufwand den gleichen Effekt erreichte. Das teure Material hätte bei einer vollen Abdeckung der 600 m2 Fläche innerhalb des Turms zu einem finanziellen Aufwand von mehreren zehntausend Pfund geführt, und selbst wenn das Material nur auf den oberen Teil des Turmes aufgetragen worden wäre, hätte man pro Anlage noch 100 m2 abdecken müssen. "Bei der Anzahl der Anlagen hätte auch diese Lösung zu beträchtlichen Kosten geführt. Statt dessen waren wir - dank Simulation - in der Lage, den Kunden dahingehend zu beraten, das Material nur dort anzubringen, wo es tatsächlich nötig war, so dass pro Anlage nur 20 Quadratmeter des teuren Werkstoffes verwendet werden mussten." Eine Testinstallation bestätigte die Simulationserkenntnisse: Das Geräusch war hinreichend abgeschwächt und der Kunde äußerst zufrieden.

Der Wert einer virtuellen Testumgebung

"Zur Untersuchung dieses Phänomens war die Simulation von unschätzbarem Wert", bestätigt Brett Marmo. "Von unserer ersten Untersuchung wussten wir, dass der Turm in einer Resonanz schwingt. Das hätten wir ohne den Einsatz von Comsol Multiphysics nur herausgefunden, wenn wir den ganzen 80 m hohen Turm mit Sensoren versehen hätten. Diese Phase konnten wir bereits mit dem ersten Simulationsmodell überspringen. Wir waren in der Lage, das Phänomen virtuell zu untersuchen und unsere Optionen zu prüfen - ohne die mit einem iterativen Prozess verbundenen Kosten." Denn 'Trial and Error' direkt am Objekt, mit kostspieligen Materialien und Arbeitskräften, ist über 30 Mal teurer als die zusätzliche Simulation und Analyse mit einem multiphysikalischen Simulationswerkzeug. "Der Schlüssel zur Lösung lag bei diesem Projekt in der virtuellen Untersuchung und in der nur einmaligen Umsetzung der Ergebnisse in die Realität."

Xi setzt die Comsol-Software seit 2006 ein. Damals erhielt das Unternehmen den Auftrag, ein kompliziertes seismisches Schwingungsproblem in den 'Southern Uplands' in Schottland zu lösen. Auch diese Herausforderung konnten die Xi-Ingenieure mittels Simulation meistern. "Es gibt nicht viele Softwarewerkzeuge, mit denen man unterschiedliche Analysearten mit nur einer Engineering-Anwendung durchführen kann", betont Senior Consultant Marmo. "Als Schwingungsexperten sind wir insbesondere daran interessiert, wie Strukturen mit akustischen Wellen oder Strömungen interagieren." Mit Comsol Multiphysics lassen sich die dynamischen Zusammenhänge darstellen und man erhält einen Überblick darüber, was genau vor sich geht. "So können wir verschiedene Lösungsvarianten testen und komplexe mehrschichtige Aufgabenstellungen einfacher bearbeiten. Denn Schwingungsprobleme innerhalb eines Systems können sehr komplex sein, und obwohl viele Unternehmen in der Lage sind, das Problem zu identifizieren, können sie es nicht lösen. Dies gelingt uns mit der Software, die uns gerade bei der Analyse schwieriger und aufwändiger Prozesse unterstützt."-co-

Comsol Multiphysics GmbH, Göttingen, Tel. 0551/99721-0, http://www.comsol.de

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