06 Fakultät Luft- und Raumfahrttechnik und Geodäsie

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Acoustic and seismic emissions from wind turbines
(2017) Calarco, Francesca; Cheng, Po Wen; Zieger, Toni; Ritter, Joachim
With regards to the interdisciplinary “TremAc” Project funded by the German Federal Ministry for Economic Affairs and Energy, this paper examines acoustic and seismic emissions generated by wind turbines with the aim of identifying a better understanding of their interaction. Measurement campaigns will be carried out in the field around a single wind turbine plant and results in terms of acoustic and seismic signals will be correlated and then evaluated in relation to environmental factors such as wind speed, wind direction and temperature as well as to data related to the wind turbines-specifications (e.g. rotation speed).
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Adaptive initial sizing method and safety assessment for hybrid-electric regional aircraft
(2022) Moebs, Nicolas; Eisenhut, Dominik; Windels, Evert; Pols, Jenny van der; Strohmayer, Andreas
In the wake of many climate-friendly initiatives, the aviation sector must become more sustainable. A potential path for regional airliners could be the installation of hybrid-electric powertrains. In this work, a conceptual study design of various powertrain architectures is conducted. This helps the designer to quickly generate approximate numbers on the basic characteristics of new aircraft configurations. These results can be used to advance subsystems modeling or improve the starting values in the following preliminary aircraft design. After the selection of representative architectures, reasonable technological assumptions were gathered, ranging between a conservative and an optimistic scenario. This was done for powertrain components, various energy storage concepts and structural and aerodynamic changes. The initial sizing method was developed by building two interconnected sizing iteration loops. In addition, a safety assessment was integrated due to the many unconventional components in the powertrain’s setup. The results show that the fuel consumption of a conventional aircraft is not undercut with a hybrid-electric powertrain aircraft based on conservative technological assumptions. In the optimistic scenario, however, selected powertrain architectures show a significant drop in fuel consumption when compared to the conventional one. Furthermore, the use of synergistic effects and systematic powertrain optimizations can decrease the fuel consumption even further. In conclusion, it was shown that this initial sizing method can calculate entire hybrid-electric aircraft designs on a conceptual level. The results can quickly present trends that are reasonable and helpful. In addition, the safety assessment first gives evidence about which levels of safety have to be considered for the different components in the development of hybrid-electric powertrains.
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Adaptive Vorsteuerung für Windenergieanlagen
(2013) Schlipf, David; Cheng, Po Wen
Der Beitrag beschreibt, wie Windmessungen mit LIDAR in einer Vorsteuerung verwendet werden können, um die Drehzahlschwankungen und damit die Belastungen von Windenergieanlagen zu reduzieren. Kernstück dieser Vorsteuerung ist ein Filter, der adaptiv auf die aktuellen Messungen eingestellt werden muss, da sich die Prädiktionszeit und die Korrelation zwischen Vorhersage und Anlagenverhalten kontinuierlich ändern. Die Ergebnisse werden mit Messdaten einer 5MW Anlage validiert.
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Advances on reduced-order modeling of floating offshore wind turbines
(2021) Lemmer, Frank; Yu, Wei; Steinacker, Heiner; Skandali, Danai; Raach, Steffen
Aero-hydro-servo-elastic modeling of Floating Offshore Wind Turbines (FOWTs) is a key component in the design process of various components of the system. Different approaches to order reduction have been investigated with the aim of improving structural design, manufacturing, transport and installation, but also the dynamic behavior, which is largely affected by the blade pitch controller. The present work builds on previous works on the SLOW (Simplified Low-Order Wind Turbine) code, which has already been used for the above purposes, including controller design. While the previous rigid rotor model gives good controllers in most cases, we investigate in the present work the question if aero-elastic effects in the design model can improve advanced controllers. The SLOW model is extended for the flapwise bending and coupled to NREL's AeroDyn, linearized and verified with the OlavOlsen OO-Star Wind Floater Semi 10MW public FOWT model. The results show that the nonlinear and linear reduced-order SLOW models agree well against OpenFAST. The state-feedback Linear Quadratic Regulator (LQR) applied with the same weight functions to both models, the old actuator disk, and the new aero-elastic model shows that the LQR becomes more sensitive to nonlinear excitation and that the state feedback matrix is significantly different, which has an effect on the performance and potentially also on the robustness. Thus modeling uncertainties might even be more critical for the LQR of the higher-fidelity model.
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Analysis leading to the design of a hybrid gas-electric multi-engine testbed
(2023) Kuśmierek, Agata; Grzeszczyk, Rafał; Strohmayer, Andreas; Galiński, Cezary
Given the increase in air traffic, the main challenges in aircraft design are in-flight emissions and noise heard by the community. These problems have thus far been solved by incremental improvements in aerodynamics, engine technology and operation. To dramatically reduce aviation’s carbon footprint towards an environmentally friendly air transport system, alternative propulsion concepts are one of the promising areas of research and first applications. In this context, the goal of integrating a hybrid-electric powertrain with a suitable airframe is to increase efficiency while reducing in-flight emissions, reduce noise for the community, drive down direct operating costs and increase reliability. This article presents an inexpensive approach to testing small, manned aircraft with a hybrid fuel-electric propulsion system. First, the design assumptions of the research flying platform are presented. Next, modifications of the existing two-seater glider are analyzed. These modifications are necessary to fit the fuel–electric hybrid propulsion system. The analysis allows us to select the elements of an appropriate hybrid electric system. It also shows that this type of small experimental propulsion system can be mounted on a two-seater aerobatic glider without significant structural modifications and still comply with the most important points of the Certification Standard-22. Finally, the design of the ground test stand for the propulsion system is described. It is believed that a thorough examination of the propulsion system on the ground will reveal both the advantages and disadvantages of the system. This should facilitate the successful installation of the system under study on a flying aircraft.
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Analysis of floating offshore wind turbine hydrodynamics using coupled CFD and multibody methods
(2013) Beyer, Friedemann; Arnold, Matthias; Cheng, Po Wen
The focus of this study is the application of a higher order hydrodynamic modeling technique for the analysis of Floating Offshore Wind Turbine dynamics. This approach is based on a coupling between Multibody and Computational Fluid Dynamics methods. Results of the translational and rotational platform displacement are presented for a basic free-decay simulation in surge direction in still water. A comparison to linear hydrodynamics is presented. Additional, pressure mapping is demonstrated.
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Application of a Monte Carlo procedure for probabilistic fatigue design of floating offshore wind turbines
(2018) Müller, Kolja; Cheng, Po Wen
Fatigue load assessment of floating offshore wind turbines poses new challenges on the feasibility of numerical procedures. Due to the increased sensitivity of the considered system with respect to the environmental conditions from wind and ocean, the application of common procedures used for fixed-bottom structures results in either inaccurate simulation results or hard-to-quantify conservatism in the system design. Monte Carlo-based sampling procedures provide a more realistic approach to deal with the large variation in the environmental conditions, although basic randomization has shown slow convergence. Specialized sampling methods allow efficient coverage of the complete design space, resulting in faster convergence and hence a reduced number of required simulations. In this study, a quasi-random sampling approach based on Sobol sequences is applied to select representative events for the determination of the lifetime damage. This is calculated applying Monte Carlo integration, using subsets of a resulting total of 16 200 coupled time-domain simulations performed with the simulation code FAST. The considered system is the Danmarks Tekniske Universitet (DTU) 10 MW reference turbine installed on the LIFES50+ OO-Star Wind Floater Semi 10 MW floating platform. Statistical properties of the considered environmental parameters (i.e., wind speed, wave height and wave period) are determined based on the measurement data from the Gulf of Maine, USA. Convergence analyses show that it is sufficient to perform around 200 simulations in order to reach less than 10 % uncertainty of lifetime fatigue damage-equivalent loading. Complementary in-depth investigation is performed, focusing on the load sensitivity and the impact of outliers (i.e., values far away from the mean). Recommendations for the implementation of the proposed methodology in the design process are also provided.
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Assessment of structural loads in wind farms under consideration of wake redirection control
(2024) Kretschmer, Matthias; Cheng, Po Wen (Prof. Dr.)
Wind farm control enables the operation of wind farms in a collective optimum that considers all turbines instead of operating the individual wind turbines in their local optima. The development of new wind farm control techniques requires knowledge in various disciplines that include wind turbine engineering (control design and implementation, structural and aerodynamic design, load assessment and validation), multidisciplinary optimisation, wind resource modelling and atmospheric boundary layer modelling connected with the modelling of wakes. This thesis covers many of the aforementioned disciplines in order to investigate the wake redirection control concept as one option for wind farm control in detail. For the numerical assessment, the aeroelastic simulation tool FAST.Farm is utilised. An adequate setup of the tool is developed to allow the investigation of various realistic operating conditions including different atmospheric stabilities. In addition, FAST.Farm is improved by implementing a model to include the wake-added small-scale turbulence. FAST.Farm is then calibrated against high-fidelity large eddy simulations and validated by using measurement data from the alpha ventus wind farm. Overall, good agreement between simulations and measurements is achieved for the structural loads in terms of statistical results and frequency response at the tower-base and blade-root. The inclusion of wake-added turbulence is crucial to avoid underestimation of the turbulence in the wake and consequently the loads. This is especially relevant in stable atmospheric conditions, where the ambient turbulence intensity is low and the meandering of the wake is weak. An extensive investigation of the wake redirection control concept and its consequences on the structural loads is performed in a simulation study with the validated tool FAST.Farm. For a turbine in free-stream conditions, the fatigue loads at different turbine components are analysed, with changing atmospheric conditions and yaw misalignment angles. The largest effects of yaw misalignment on the load variations are found for stable atmospheric conditions with strong vertical wind shear and low turbulence intensity. In contrast, the influence of yaw misalignment on the fatigue loads becomes less important in unstable atmospheric stability with low vertical wind shear and high turbulence intensity. The investigation is extended for a turbine that is subjected to waked inflow conditions. Especially in partial wake situations, the load distributions differ significantly from free-stream conditions. A directional dependency of the loads is found with respect to the lateral wake offset: The loads tend to be higher for negative lateral wake offsets compared to the loads from the same positive lateral wake offsets, because of higher load amplitudes over one rotor revolution. The gained knowledge is finally applied in the derivation of optimal operation strategies by using the wake redirection control approach for exemplary wind farm configurations and changing environmental conditions. The resulting optimal operation strategies are assessed by using aeroelastic simulations in FAST.Farm. The long-term evaluation suggests that the annual energy production (AEP) of the considered turbine array setups can be increased compared to the baseline scenario without wind farm control, when the main objective is set to power maximisation while the fatigue loads at the turbines are not or equally weighted. Consequently, the strategies that focus on minimising the fatigue loads result into less AEP compared to the baseline strategy. The consideration of fatigue loads in the optimisation of operation strategies is realised with an efficient surrogate model. With this approach, strategies are derived that are able to reduce the fatigue loads at specific components significantly.
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Automated piping in an Airbus A320 landing gear bay using graph-based design languages
(2022) Neumaier, Moritz; Kranemann, Stefan; Kazmeier, Bernd; Rudolph, Stephan
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Automatische Fehlerbaumerstellung und -analyse zeitinvarianter Netzwerke
(2021) Riestenpatt genannt Richter, Marius; Rudolph, Stephan (Priv.-Doz. Dr.-Ing.)
Bereits in frühen Phasen eines Produktentwurfs werden wichtige Entscheidungen mit gravierendem Einfluss für den kompletten Produktlebenszyklus getroffen. Deshalb ist es in dieser zunehmend kürzer werdenden Phase von großer Wichtigkeit möglichst alle Aspekte des multidisziplinären Produktentwurfs in möglichst umfassender Detaillierung zu betrachten. Da frühe Entwurfsphasen durch viele Änderungen geprägt sind, ist die gewünschte Detaillierung manuell allerdings nicht in allen Domänen umsetzbar. Eine dieser Domänen ist bisher die Zuverlässigkeitsanalyse. In der vorliegenden Arbeit wird eine Methode zur Zuverlässigkeitsanalyse über die vollautomatische Fehlerbaumanalyse (fault tree analysis (FTA)) von nahezu beliebigen Produktarchitekturen entwickelt. Im Gegensatz zur bisherigen sehr aufwendigen, in großen Teilen manuellen Fehlerbaumanalyse, die dadurch bedingt meist erst in späteren Entwurfsphasen in ausreichender Detaillierung angewendet wird, ermöglicht diese innovative Methode durch die Automatisierung - sowohl der Erstellung als auch der Auswertung - die Berücksichtigung der Fehlerbaumanalyse bereits in den frühen Entwurfsphasen. Zur Umsetzung dieser vollautomatischen Fehlerbaumanalyse wird über graphenbasierte Entwurfssprachen ein vollständiges digitales Produktmodell erzeugt. Dieses Produktmodell beinhaltet u.a. die Definition der Topologie des Produktes, auf deren Grundlage dann die automatische Generierung des Fehlerbaumes sowie die vollständige Durchführung der Fehlerbaumanalysemethode erfolgt. Dafür wird das Modell semantisch hinsichtlich der gewünschten Fehlerbaumanalyse erweitert. Im Rahmen dieser Arbeit zeigt sich, dass - unter Voraussetzung der Vollständigkeit des Produktmodells - die Fehlerbaumanalyse Teile der Fehlermöglichkeits- und -einflußanalyse (failure mode and effects analysis (FMEA)) beinhaltet. Wissenschaftlich bedeutet dies, dass die induktive Fehlermöglichkeits- und -einflußanalyse und die deduktive Fehlerbaumanalyse als zwei Sichten auf ein und das selbe Problem betrachtet werden können. Insbesondere aus einem zentralen Modell heraus kann somit die Bottom-up-Fehlermöglichkeits- und -einflußanalyse zusammen mit der Top-down-Fehlerbaumanalyse automatisch erzeugt und verknüpft werden. Im Ablauf der automatischen Fehlerbaumanalyse wird zunächst ein Fehlerbaum erstellt. Diese automatische Fehlerbaumerstellung wird durch eine Zerlegung der semantisch annotierten Produkttopologie in Serien- und Parallelabschnitte erreicht. Der Fehlerbaum ermöglicht dann sowohl eine qualitative als auch eine quantitative Zuverlässigkeitsuntersuchung. Zur Abschätzung der Zuverlässigkeiten komplexer Topologien werden von diesen über eine Zerlegung serielle und parallele Ersatzsysteme gebildet, anhand derer eine Fehlerbaumerstellung und -analyse automatisch durchgeführt wird. Durch die Automatisierung ist mit einer entsprechenden Entwurfssprache eine Optimierung des Systems mit Bezug auf Zuverlässigkeitsaspekte in frühen Entwurfsphasen automatisch möglich. Eine Optimierung wird in Form einer Heuristik in dieser Arbeit anhand eines Anwendungsbeispieles für den Entwurf von Satellitenantriebssystemen vorgestellt, wobei sowohl parametrische als auch topologische Änderungen des Systems automatisch durchgeführt werden, um eine Zielzuverlässigkeit zu erreichen. Neben dieser gezielten Systemanpassung wird anhand des Anwendungsbeispieles für den Entwurf von Satellitenantriebssystemen eine Entwurfsraumuntersuchung vorgestellt. Die Entwurfsraumuntersuchung ermöglicht eine Darstellung des Zusammenhangs zwischen verschiedenen Entwurfsparametern für die verschiedenen parametrischen und topologischen Systemvarianten. Eine Analyse der Ergebnisse erlaubt Aussagen über die Auswirkung von Topologiewechseln auf die einzelnen Entwurfsparameter. In einem weiteren Beispiel wird, neben der Illustration der Anwendbarkeit der automatischen Fehlerbaumerstellung und -analyse, anhand eines Schiffsmotors die Modularität der automatischen Fehlerbaumerstellung und -analyse für unterschiedlich komplexe Produkte und Prozesse demonstriert. Darüber hinaus erfolgt an diesem Beispiel eine Demonstration der Integration der automatischen Fehlerbaumanalyse in eine Fehlermöglichkeits- und -einflußanalyse.
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Ein Beitrag zur Auslegung von Faserverbundtragflügeln im Vorentwurf
(2002) Dugas, Michael; Voit-Nitschmann, Rudolf (Prof. Dipl.-Ing.)
Inhalt der Arbeit ist die Entwicklung eines Verfahrens zur Berechnung von Faserverbundtragflügeln mit Biege-Torsionskopplung und dessen Einbindung in das Gewichtsprognoseprogramm für Tragflügel FAME-W (Fast and Advanced Mass Estimation Wing) der Airbus Deutschland GmbH. Ausgehend von der in FAME-W vorliegenden Idealisierung, die sich zur Berechnung von Metallflügeln im Vorentwurf als sehr gut geeignet erwiesen hat, wurde ein Balkenmodell abgeleitet, das zusätzlich zur Berücksichtigung des hybriden Aufbaus des Flügelkastens die Möglichkeit bietet, Biege-Torsionskopplungen zu bewerten. Dabei wird analog zu frühen Arbeiten von Weishaar die Größe der Koppelsteifigkeit eingeführt. Diese Größe dient zur Darstellung der beim Flügelentwurf wichtigen passiven Beeinflussung der Anstellwinkelverteilung am Flügel in Abhängigkeit von dessen Biegeverformung. Mit der Verformungskopplung kann die spannweitige Lastverteilung in den dimensionierenden Lastfällen und während des Reisefluges beeinflusst werden. Das verwendete Materialmodell beruht auf der Annahme verschmierter Steifigkeiten. Die weitere Reduktion der Steifigkeitsmatrizen erfolgt unter Vernachlässigung der Querspannungen. Wohingegen für die Idealisierung der Stringer von vernachlässigbaren Querdehnungen ausgegangen wird. Ebenso wie beim gedrehten Laminat können auch die durch gedrehte Stringer erzeugten Biegetorsionskopplungen dargestellt werden. Für die Auslegung von Metallflügeln wird in FAME-W als Versagenskriterium die Gestaltänderungsenergiehypothese verwendet. Für die Berechnung von Faserverbundflügel wird ein Versagenskriterium hergeleitet das auf der Forderung der Reparierbarkeit beruht. Der hier verfolgte Ansatz stützt sich auf die Berechnung der anisotropen Kerbfaktoren der offenen Bohrung und der nachgeschalteten Berechnung der Reservefaktoren mit Hilfe der ZTL-Hypothese. Dies führt zu einer Abhängigkeit zwischen zulässigen Längs- und Schubspannungen die leicht mit Hilfe einer Versagensellipse beschrieben werden kann. Mit dem anisotropen Balkenmodell und dem erweiterten Versagenskriterium kann das multidisziplinäre Flügelgewichtsprognosetool FAME-W für Faserverbundrechnungen eingesetzt werden. Das in FAME-W umgesetzte analytische Berechnungsverfahren erlaubt es physikalische Effekte zu trennen und zu bewerten. Um dies zu tun werden auf Basis mehrerer realistischer Beispielflugzeuge, die einen großen MTOW-Bereich abdecken, Rechnungen durchgeführt. Es wird in einem allgemeinen Überblick gezeigt wie sich Flugzeuggröße, Flügelsteifigkeit und Materialdichte auf Lasten und Gewicht auswirken. Verschiedene orthotrope Materialbelegungen des Flügels werden in starren und flexiblen Rechnungen untersucht. Es zeigt sich, dass nur in der flexiblen Rechnung ein Gewichtsminimum für eine Laminatfamilie zu finden ist. Ein weiteres Kapitel beschäftigt sich mit den Auswirkungen der Biegetorsionskopplungen anisotroper Flügel auf Gewicht und Lasten. Es lässt sich zeigen wie die einzelnen Laminatmodifikationen das Verformungsverhalten beeinflussen. In Kombination mit der Abhängigkeit der zulässigen Spannungen von der Materialwahl lassen sich ebenfalls Massenminima identifizieren. Als eine Kombination aus isotropen und orthotropen Flügel wird der Hybridflügel betrachtet. Hier wird an einen Metallflügel der Aussenflügel in Faserverbund ausgeführt. An diesem Beispiel kann gut gezeigt wie sich die unterschiedlichen Steifigkeiten und Materialdichtenauf Lasten und Gewicht auswirken. Abschließend werden zwei Wege gezeigt wie ein Flügel mit Biege-Torsionskopplung ausgelegt werden kann. Der erste Ansatz zeigt wie mit einem aerodynamisch starren Flügel versucht werden kann, während des Reisefluges die aerodynamische Auftriebsverteilung möglichst nahe am Optimum halten. Der zweite Weg verfolgt die Idee, dass vor allem bei Kurzstreckenflugzeugen mit einer gering ausgeprägten Reiseflugphase der Flügel durch eine aerodynamisch weiche Auslegung leichter gebaut werden kann.
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Beitrag zur Gestaltung und Auslegung von 3D-verstärkten Faserverbundschlaufen
(2007) Havar, Tamas; Drechsler, Klaus (Prof. Dr.)
Zukünftige Verkehrsflugzeuge haben das Ziel wirtschaftlicher und leistungsfähiger zu werden. Zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit wurde eine so genannte Miniature Trailinge Edge Device (kurz: Mini-TED) entwickelt. Die Mini-TED ist eine Spreizklappe aus einem Kohlenstofffaserverbund (CFK), die an die Unterseite der Flügel-Hinterkante mittels integraler Scharnierschlaufen aus CFK angebunden wird. Die hierbei auftretenden Belastungen wirken auf die CFK Scharnier-Schlaufen in unterschiedlichen Richtungen. Hierbei handelt es sich zum einen um schlaufentypische Belastungen, wie reine Zuglasten in Schlaufenrichtung (0° Lastrichtung). Zum Anderen treten schlaufenuntypische Lasten auf, die senkrecht zur Schlaufe wirken (Querzuglasten mit 90° Lastrichtung) und dadurch zum frühzeitigen Versagen führen. Dabei beträgt die Querzugfestigkeit ca. 10% der Zugfestigkeit. Als weiteres Beispiel wurde ein Querlenker aus der Automobilindustrie untersucht. Aufgrund von Reiblasten in den Augen treten hier ebenfalls Lasten senkrecht zur Schlaufe auf. Mittels Verstärkungen in der dritten Richtung von Faserverbundschlaufen soll primär die Festigkeit gegenüber Querzuglasten verbessert werden. In der vorliegenden Arbeit wurden drei unterschiedliche Schlaufentopologien betrachtet. Die erste Schlaufentopologie ist eine Parallel-Schlaufe, die sich dadurch kennzeichnet, dass die Schlaufenlagen gerade in das Bauteil laufen und dabei meist ein Mittellaminat mit einschließen. Die Taillierten-Schlaufe zeichnet sich durch eine Zusammenführung der Schlaufenlagen hinter dem Bolzen aus. Die Halbtaillierten-Schlaufe ist eine Mischung der beiden vorherigen Varianten. Die äußeren Schlaufenlagen verlaufen gerade ins Bauteil, während die inneren Schlaufenlagen hinter dem Bolzen zusammengefügt werden. Mittels nichtlinearer FEM Analysen wurden die verschiedenen Schlaufentopologien bei unterschiedlicher Belasten untersucht und die internen Lastverteilung berechnet. Hierbei hat sich gezeigt, dass ein Erstversagen bei allen Schlaufentopologien und Belastungen auf die interlaminare Schäl- und Scherbelastung der Zwischenschicht zwischen Schlaufenlagen und Mittellaminat zurückzuführen ist. Es wurden interlaminare Schäl- und Scherversuche von 3D-verstärkten Proben durchgeführt. Die Probengeometrie wurde an die Parallel-Schlaufe angelehnt um eine direkte Übertragbarkeit der Versuche zu gewährleisten. Des Weiteren wurden 3D-Verstärkungen mit unterschiedlichem Nahtwinkel und Stichabstand untersucht. Die Versuche haben gezeigt, dass die interlaminare Schälfestigkeit enorm gesteigert werden kann. Gleichzeitig konnte die interlaminare Scherfestigkeit kaum verbessert werden bzw. bei Nähten unter 90° zeigte sich sogar eine leichte Schwächung. Die Auswirkung der 3D-Verstärkung auf die verschiedenen Schlaufentopologien wurde in statischen Versuchen untersucht. Die Versuche mit 3D-Verstärkungen zeigten, dass das Erstversagen bei reiner Zuglast unter 0° nur bei der Taillierten-Schlaufe verbessert werden kann und bei den anderen Schlaufentopolgoien eher zu einer Verschlechterung führt. Bei gemischter Belastung unter 45° konnte eine leichte Verbesserung des Erstversagens infolge einer 3D-Verstärkung aufgezeigt werden. Die Verbesserung der Restversagens konnte jedoch erheblich gesteigert werden, da die 3D-Verstärkung die fortschreitende Delamination behindern. Die größte Verbesserung der Festigkeiten zeigte sich bei der Querzugbelastung unter 90°. Hierbei zeigte sich eine deutliche Steigerung des Erst- und Restversagens. Die Versuche haben ebenfalls gezeigt, dass eine Implementierung eines Innenrings in die Schlaufe das Erst- und Restversagen zusätzlich erheblich verbessern kann, da hierdurch die Anbindung der Schlaufenlagen an das Mittellaminat im kritischen Bereich zusätzlich verstärkt wird. Die Ermüdungsfestigkeit wurde in Lebensdauerversuchen untersucht. Hierbei hat sich gezeigt, dass mittels einer 3D-Verstärkung die Ermüdungsfestigkeit bei 0° Zuglasten deutlich verbessert werden kann. Bei Zuglasten in 90° Lastrichtung konnte die Ermüdungsfestigkeit durch eine 3D-Verstärkung mit zusätzlichen Innenring sogar über die statische Festigkeit der unverstärkten Probe hinaus verbessert werden. Das Schädigungsverhalten der 3D-verstärkten interlaminaren Schäl- und Scherversuche so wie der Parallel-Schlaufe, wurde in nicht linearen FEM Analysen mit numerischen Degradationsmodellen nachgebildet. Die angewandten Versagensmechanismen unterschieden sich für eine Schädigung in einer unidirektionalen (UD) Schicht und einer Delamination zwischen zwei UD-Schichten. Diese wurden mittels Unterprogrammen in das nicht lineare FEM Tool "Marc-Mentat" der Firma MSC Software integriert. Es hat sich gezeigt, dass das Schadensverhalten sehr gut nachgebildet werden kann. Die Abweichung zwischen den berechneten und den experimentell ermittelten Versagenslasten war moderat. Zuletzt wurden anhand der Ergebnisse aus den durchgeführten Arbeiten Gestaltungsrichtlinien für Faserverbundschlaufen abgeleitet.
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Berechnung und Bewertung der Schallausbreitung von Windenergieanlagen mit Hilfe von Messdaten
(2023) Häfele, Lorenz Karl
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Collective pitch feedforward control of floating wind turbines using lidar
(2015) Schlipf, David; Simley, Eric; Lemmer, Frank; Pao, Lucy; Cheng, Po Wen
In this work a collective pitch feedforward controller for floating wind turbines is presented. The feedforward controller provides a pitch rate update to a conventional feedback controller based on a wind speed preview. The controller is designed similar to the one for onshore turbines, which has proven its capability to improve wind turbine control performance in field tests. In a first design step, perfect wind preview and a calm sea is assumed. Under these assumptions the feedforward controller is able to compensate almost perfectly the effect of changing wind speed to the rotor speed of a full nonlinear model over the entire full load region. In a second step, a nacelle-based lidar is simulated scanning the same wind field which is used also for the aero-hydro-servo-elastic simulation. With model-based wind field reconstruction methods, the rotor effective wind speed is estimated from the raw lidar data and is used in the feedforward controller after filtering out the uncorrelated frequencies. Simulation results show that even with a more realistic wind preview, the feedforward controller is able to significantly reduce rotor speed and power variations. Furthermore, structural loads on the tower, rotor shaft, and blades are decreased. A comparison to a theoretical investigation shows that the reduction in rotor speed regulation is close to the optimum.
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Comparison of feedforward and model predictive control of wind turbines using LIDAR
(2012) Schlipf, David; Pao, Lucy Y.; Cheng, Po Wen
LIDAR systems are able to provide preview information of wind disturbances at various distances in front of wind turbines. This technology paves the way for new control concepts such as feedforward control and model predictive control. This paper compares a nonlinear model predictive controller and a feedforward controller to a baseline controller. Realistic wind "measurements" are obtained using a detailed simulation of a LIDAR system. A full lifetime comparison shows the advantages of using the wind predictions to reduce wind turbine fatigue loads on the tower and blades as well as to limit the blade pitch rates. The results illustrate that the feedforward controller can be combined with a tower feedback controller to yield similar load reductions as the model predictive controller.
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Comparison of measured and simulated structural loads of an offshore wind turbine at Alpha Ventus
(2016) Müller, Kolja; Reiber, Mario; Cheng, Po Wen
A comparison of fatigue and extreme loads from simulations with full-scale measurements collected over a period of ten months in the offshore test field, Alpha Ventus, is presented in this paper. There are two goals of this study: (1) to check if the measured range of fatigue and extreme loads can be captured correctly by simulations when the variations of relevant environmental parameters are taken into account; and (2) to investigate if measured extreme loads can be reproduced by simulations when ten-minute averages of the environmental parameters are used. The results show a good overall match of loads when the variation of environmental parameters is considered but an insufficient match when the events of maximum load occurrence are compared.
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Concept study of a sailing offshore wind turbine
(Stuttgart, 2021) Willeke, Leonard
Wind turbines play an important role in the transition towards a sustainable future. With the demand for clean energy unbroken, suitable sites onshore become rare and more and more conflicts around land use arise. That’s why the industry moved to the sea, where wind resources and space are abundant. After the development of fixed-bottom and floating offshore wind turbines (FOWT), we now present the concept of a sailing offshore wind turbine (SOWT). It can enter deeper waters and will unlock more resources. The concept builds on the existing spar floating turbines. Specifically, the IEA Wind 15 MW reference turbine and the WindCrete spar are used. Simulations are run in OpenFASTv2.4, while the hydrodynamics of the spar are calculated in Ansys AQWA. The turbine is not attached to the sea floor but free to move. It is intended to sail with the wind like a ship. The turbine’s controller can be used to perform manoeuvres such as stop or turn. The turbine will produce power while sailing. It can store the energy onboard and will unload it periodically, e.g. to ships or stations. From this approach, many challenges arise. This work focuses on the stability. Special interest lies on the floater’s yaw stiffness which is very low. Due to the lack of mooring lines, it plays an important role for the stability. We concentrate on improving yaw stability by the instalment of underwater drag elements that slow down the yaw. Drag elements lead to a reasonable period of stability. Still, the turbine becomes unstable afterwards. Reason for this is the sideways force F_T,y, the y – component of the thrust force F_T. It is defined as F_T,y = F_T * sin{alpha_yaw}. The yaw angle alpha_yaw increases constantly under wind load, leading to an increase in F_T,y as well. Instabilities occur when F_T,y reaches a tipping point but not before. For steady wind with wind speeds v of 20 m/s and 25 m/s, the following pitch and roll are so strong that the rotor blades touch the water. For the lower wind speeds of 9 m/s and 17 m/s, pitch and roll are less strong. The turbine can recover and stabilize. The suggestion is to avoid the tipping point to prevent instabilities. Minimizing F_T,y can be achieved by the reduce of the thrust force F_T through rotor blade pitching. Another option is to control the yaw angle alpha_yaw through the nacelle yaw. Both strategies can be implemented into the turbine‘s controller.
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Conceptual design of floating wind turbines
(2013) Sandner, Frank; Cheng, Po Wen
The need for different numerical models with varying degrees of simplification for the conceptual design of a floating offshore wind turbine is the focus of this paper. While parts on the component level can be designed apart from the others the overall dynamics on the system level have to be assessed from the beginning. Starting with very simple models and identifying the significant contributions to the system behavior while going step by step to more detailed ones makes a successful dimensioning possible. The significant effect of the blade pitch controller on the system dynamics is analysed and preliminarily designed with a simple 1-degree of freedom (dof) model. Further on the section forces at tower base and the distributed platform loads are calculated with a 9-dof multibody system with simplified aerodynamics and Morison equation allowing a pre-dimensioning of the structure.
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Contribution to the modelling and simulation of aircraft structures impacting on water
(2009) Toso, Nathalie Renée Solange; Arendts, Franz Joseph (Prof.)
The impact on water of aeronautical structures is of concern as soon as an aircraft is designed to operate over sea. For the need of the ditching certification, it can be summarised that the structure should be able to land on water and float long enough to enable the passengers and crew members to evacuate. Until the middle of the 90's, compliance to the regulations was mainly shown by tests performed in a basin using a mock-up structure completed by relative simple theoretical evaluations often based on in-house knowledge. In a first phase, the various aspects of ditching in aeronautics are addressed in order to fix the context. This comprises statistical analysis of accident conditions, a discussion concerning the typical damage observed in a ditching event, themes relevant to the certification and finally a description of current practices in the industry to show compliance with the regulations. Due to the inter-disciplinary character of the subject, a full chapter is devoted to the extensive review of the knowledge concerning the assessment and the modelling of fluid structure interaction. This part gathers the knowledge from various disciplines including ship building and offshore technologies. Finally, the capabilities and problems of current advanced numerical methods (ALE, general Euler/Lagrange coupling) emerging on the market and able to treat simple problems of impact on water are discussed. Based on the various aspects discussed above, this thesis proposes to treat the modelling of water/structure interaction problems by using a fully Lagrangian formulation, which has already proved its robustness in the general resolution of crashworthiness problems. To that aim, the classical finite-element (FE) method and the meshless Smoothed Particle Hydrodynamic (SPH) techniques, especially suitable for problems dealing with large deformations, are applied for the modelling of the water. In addition two material models basing on an elastic plastic hydrodynamic law and on a Murnaghan equation of state are adjusted to describe the specific behaviour of water with a structural explicit code. Various methodologies involving a pure FE mesh and a combined SPH-FE mesh are investigated and their domains of validity examined in an extensive benchmark study. Finally, modelling guidelines and recommendations for the use of the various strategies are listed. The methodologies and strategies previously investigated on rigid bodies are then applied to real full-scale aeronautical structures, which were "crashed" on water. In the first part, a WG30 metallic sub-floor structure and a full-scale WG30 helicopter are simulated when impacting vertically on water. Based on the available test results comprising acceleration time histories, pressure time histories and observation on the crash components, it is possible to analyse in details the degrees of correlation between the simulation and the test results. In a second part, a local/global methodology combining FE and hybrid techniques is investigated for the ditching case involving a forward velocity at impact. In this work, the feasibility of the methodology is shown by applying it to the case of a full-scale transport aircraft. Unfortunately, validation work could not be conducted because no test data are available. The simulation of the landing on water of an aircraft, where the forward speed is large compared to the vertical speed remains a challenge due to the size of the overall models, which can hardly be treated for computational reasons (large running time, large models for the water basin). This problem is accentuated when very detailed structural FE-models have to be investigated, which are necessary to model local damage. Nevertheless, based on a ditching test campaign conducted with various scaled rigid fuselage shapes, it was possible to simulate a test with a combined FE-SPH mesh. This shows that the consideration of additional physical effects like suction forces to capture the kinematics of the ditching event are necessary. These forces, which act at the structure/water interface, are caused by phenomena of cavitation, whose magnitude depends on the impact velocity and on the fuselage shape at the point of impact. Additional effects such as the phenomena of ventilation may also be important but cannot be included in the current analysis, because air entrapped between the structure and the water surface is not taken into account in the modelling.
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Control co-design optimization of floating offshore wind turbines with tuned liquid multi-column dampers
(2024) Yu, Wei; Zhou, Sheng Tao; Lemmer, Frank; Cheng, Po Wen
The technical progress in the development and industrialization of floating offshore wind turbines (FOWTs) over the past decade has been significant. Yet, the higher levelized cost of energy (LCOE) of FOWTs compared to onshore wind turbines is still limiting the market share. One of the reasons for this is the larger motions and loads caused by the rough environmental excitations. Many prototype projects tend to employ more conservative substructure designs to meet the requirements for motion dynamics and structural safety. Another challenge lies in the multidisciplinary nature of a FOWT system, which consists of several strongly coupled subsystems. If these subsystems cannot work in synergy, the overall system performance may not be optimized. Previous research has shown that a well-designed blade pitch controller is able to reduce the motions and structural loads of FOWTs. Nevertheless, due to the negative aerodynamic damping effect, improvement in the performance by tuning the controller is limited. One of the solutions is adding tuned liquid multi-column dampers (TLMCDs), meaning that there is a structural solution to mitigate this limiting factor for the controller performance. It has been found that the additional damping, provided by TLMCDs, is able to improve the platform pitch stability, which allows a larger blade pitch controller bandwidth and thus a better dynamic response. However, if a TLMCD is not designed with the whole FOWT system dynamics taken into account, it may even deteriorate the overall performance. Essentially, an integrated optimization of these subsystems is needed. For this paper, we develop a control co-design optimization framework for FOWTs installed with TLMCDs. Using the multi-objective optimizer non-dominated sorting genetic algorithm II (NSGA-II), the objective is to optimize the platform, the blade pitch controller, and the TLMCD simultaneously. Five free variables characterizing these subsystems are selected, and the objective function includes the FOWT's volume of displaced water (displacement) and several motion and load indicators. Instead of searching for a unique optimal design, an optimal Pareto surface of the defined objectives is determined. It has been found that the optimization is able to improve the dynamic performance of the FOWT, which is quantified by motions and loads, when the displacement remains similar. On the other hand, if motions and loads are constant, the displacement of the FOWT can be reduced, which is an important indication of lower manufacturing, transportation, and installation costs. In conclusion, this work demonstrates the potential of advanced technologies such as TLMCDs to advance FOWTs for commercial competitiveness.