Möglichkeiten der Strukturoptimierung und der stochastischen Robustheitsuntersuchungen an Offshore-Windenergieanlagen

By Dipl. Ing. Mark Bludszuweit, MET Motoren- und Energietechnik GmbH, Germany; Dr. D. Schlotz, Altair

Abstract

1. Massenreduktion der Gondel einer WEA am Beispiel einer Stahlrotorwelle

In den vergangenen 10 Jahren hat sich der CAE-Entwicklungsprozess maßgeblich durch die Integration der Strukturoptimierung verändert. In verschiedenen Branchen, wie beispielsweise dem Automobil-, dem Flugzeug- oder auch dem Maschinenbau, wird heute die Strukturoptimierung zur Steigerung der Produktqualität und gleichzeitig zur Verkürzung der Entwicklungszeiten erfolgreich eingesetzt [1, 2, 3, 4, 5]. 

Mit kommerziellen CAE-Softwaretools stehen verschiedene Optimierungsdisziplinen zur konzeptionellen Designfindung im frühen Stadium des Entwicklungsprozesses oder auch zur gezielten Verbesserung eines bestehenden Designs zur Verfügung. Deutlich verbesserte Funktionalitäten, beispielsweise für die Definition von Fertigungsrestriktionen [6, 7], erlauben heute einen effektiven Einsatz dieser Technologien für die Lösung von realen Aufgabenstellungen.

In den Gondeln von Windenergieanlagen sind massive, sehr schwere Komponenten wie beispielsweise der Generator, das Getriebe oder auch die Rotorwelle montiert. Gelingt es, die Gondelmasse zu reduzieren, so kann in Folge dessen der Turm der Windenergieanlage schlanker und damit kostengünstiger gestaltet werden. Im ersten Teil dieses Beitrags wird deswegen exemplarisch die Methodik der Topologieoptimierung zur Reduktion der Rotorwellenmasse vorgestellt. Für die Bearbeitung der Aufgabenstellung kommt Altair OptiStruct als Topologieoptimierungssoftware zum Einsatz. OptiStruct ist Bestandteil von Altair HyperWorks, einer umfangreichen Suite von CAE-Tools.

Die Rotorwelle ist als hohle, 2,8 m lange Schmiedestahlwelle ausgeführt. Die Masse dieser Welle beträgt 9,4 t. Betriebslasten und Extremlasten werden von den Blättern über die Nabe auf die Rotorwelle übertragen. Die Welle ist im Hauptlager und im Wellenschaft gelagert. Über den Wellenschaft wird die Verbindung zum Getriebe hergestellt. Durch die aufgebrachten Lasten wird die Rotorwelle auf Torsion und Biegung beansprucht.

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