06 Fakultät Luft- und Raumfahrttechnik und Geodäsie
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Item Open Access Experimental investigation of low-frequency sound and infrasound induced by onshore wind turbines(2024) Blumendeller, Esther; Cheng, Po Wen (Prof. Dr.)Climate change has a global impact and is increasingly affecting our environment. This is driving the continuous expansion of renewable energies, with wind energy playing a major role. As wind energy becomes more widespread, an increasing number of people will live near wind turbines in complex terrain. In such scenarios, wind turbines are often positioned at elevated locations, while residents live in valleys. In complex terrain, such as a steep escarpment, local turbulence, wind speed, and direction are strongly influenced by topography, contributing to the complexity of sound propagation or impacts the background noise situation in valleys, for example, due to shielding effects. The operation of wind turbines is associated with both visual and sound-related impact, with sound being generated at various frequencies. There is a growing interest in low-frequency sound and infrasound, characterized by long wavelengths that propagate over considerable distances without significant attenuation. This is in contrast to higher-frequency sound, and might increase the impact of wind turbine sound at residential areas located several hundred meters or a few kilometers away from the wind farm. In the context of complex terrain, this work investigates wind turbines in complex terrain as sources of low-frequency sound and infrasound. The investigations on characterization of sound generation and propagation are based on measurements in the vicinity of two wind farms. Measurements were conducted within four measurement campaigns at two wind farms located close to an escarpment at the Swabian Alb in Southern Germany over a period of about nine month. Acoustic data was obtained in the proximity of the wind turbines and at residential buildings in 1–1.7km distance to the wind farms in municipalities located within a valley. Besides acoustic measurements including the infrasonic frequency range, a comprehensive data set with ground motion data, wind turbine operating data, meteorological data and data from a noise reporting app supports the investigation. Two aspects require analysis: Firstly, the aspect of generation and propagation of wind turbine low-frequency sound and infrasound in complex terrain, and secondly, the relation with annoyance. Results show that sounds within the infrasonic range assigned to the blade passage at the tower are transmitted through the air over distances of 1 km. Low-frequency sounds were found to be amplitude-modulated and were investigated as amplitude modulation. Infrasound and amplitude modulation occurrences were more likely during morning, evening and night hours and during atmospheric conditions with positive lapse rate, vertical wind shear and low turbulence intensity. The occurrence of both infrasound and amplitude modulation was typically observed during rated rotational speed but below-rated power. To allow predictions, a standard prediction method was extended to include the lowfrequency sound and infrasound range and adapted to the measurement data in order to apply it to complex terrain. The sound level difference of the measured data aligns well with the predictions within the frequency range of 8 Hz and 250 Hz. Investigations regarding outdoor-to-indoor sound reductions showed influences from structural resonances and room modes, which depend on the characteristics of the building and the specific room under investigation. Combining acoustic measurements with annoyance reports showed that rated wind turbine operation appears to be a contributing factor in annoyance ratings obtained through a noise reporting app, ranging from “somewhat” to “very” levels. Furthermore, the analysis indicates that varying levels of annoyance at a distance of 1km from the wind farm, both outside and inside buildings, do not correspond to significant differences in the averaged and A-weighted sound pressure levels. Overall, this work contributes to a better understanding of the low-frequency sound and infrasound generated from wind turbines and provides insight into the sound characteristics of measured wind turbine sound at residential locations in complex terrains.Item Open Access Parameterreduktion zur ähnlichkeitsmechanischen Gewichtsprognose im Flugzeugvorentwurf am Beispiel des Tragflügels(2008) Pfaff, Jan-Michael; Voit-Nitschmann, Rudolf (Prof. Dipl.-Ing.)Realistische Aussagen bei Vorentwürfen und Neuentwicklungen von Produkten über deren letztendliches Leistungsvermögen bereits in der Konzeptphase zu treffen, ist eine zentrale Aufgabe in vielen technischen Entwicklungsbereichen. Im Zeitalter der Globalisierung und dadurch oftmals entstehender Dezentralisierung der Entwicklungsstandorte eines Herstellerbetriebs ist es darum notwendig, das vorhandene Wissen auszutauschen und zu strukturieren, um so im Sinne eines erfolgreichen Wissensmanagements eine Methodik für die Vorgehensweise bei neuen Entwürfen zu entwickeln. Auch beim Flugzeughersteller Airbus befindet man sich in einer solchen Phase, in der das Wissensmanagement eine große Rolle spielt. Dabei ist es das Ziel, eine Wissensdatenbank aufzubauen, mit deren Hilfe dann eine Teilautomatisierung im Entwurfsprozess mittels Computerprogrammen (Tools) verwirklicht werden kann. Lag bei der bisherigen Vorgehensweise zur Ermittlung von Entwurfsparametern im Flugzeugvorentwurf das Schwergewicht auf dem statistischen Auswerten empirisch unterstellter Zusammenhänge aus bestehenden Daten, wird in der Vorentwurfsabteilung (Future Project Office) der Firma Airbus im Bereich der Gewichtsabschätzung des Tragflügels seit einiger Zeit ein analytisches Prognoseverfahren eingesetzt, das in ein computergestütztes Tool implementiert ist. Zur Nutzung dieses Tools werden jedoch Parameter benötigt, die in dieser frühen Entwicklungsphase zum Teil noch nicht zur Verfügung stehen. Im Rahmen dieser Arbeit wird, ausgehend von diesen zu ermittelnden Parametern, ein theoretischer Ansatz zur Kategorisierung des vorhandenen Wissens in drei Bereiche aufgezeigt. Dabei wird unterschieden zwischen dem wissensbasierten Schließen bei mathematisch geschlossen lösbaren Problemen, dem randbedingungsbasierten Schließen bei äußeren Vorgaben und dem fall- bzw. regelbasierten Schließen, bei dem es sich um ähnlichkeitsmechanische Ansätze handelt, deren Mechanismen die unbekannte exakte Lösungsfunktion approximieren. Das Hauptaugenmerk in dieser Abhandlung ist speziell auf den nutzbringenden Einsatz des fall- bzw. regelbasierten Schließens im Flugzeugvorentwurf gerichtet. Dabei wird diese Vorgehensweise an der geschlossen lösbaren Entwurfsgleichung der Startrollstrecke validiert, um sie dann auf das nicht geschlossen lösbare Problem der Startstrecke anzuwenden und mit dem bisherigen empirischen Ansatz von Raymer zu vergleichen. Danach wird in Bezug auf die hier speziell gestellte Aufgabe der Ansatz auf die Ermittlung der Größen der Sekundärstrukturflächen des Tragflügels erweitert.Item Open Access 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.Item Open Access Rheology, dispersion, and cure kinetics of epoxy filled with amine‐ and non‐functionalized reduced graphene oxide for composite manufacturing(2021) Ackermann, Annika C.; Carosella, Stefan; Rettenmayr, Markus; Fox, Bronwyn L.; Middendorf, PeterThis study evaluates the effect of plasma surface functionalization of reduced graphene oxide particles on the processing characteristics and homogeneity of dispersion of a bisphenol A‐(epichlorhydrin) epoxy matrix and amine‐based hardener with varying weight fractions from 0.00 to 1.50 wt%. It was observed that amine‐functionalized reduced graphene oxide leads to a more drastic viscosity increase of up to 18‐fold of the uncured suspensions and that its presence influences the conversion rates of the curing reaction. Optical microscopy of thin sections and transmission electron microscopy analysis showed that a more homogeneous dispersion of the particles could be achieved especially at higher weight fractions by using an appropriate surface functionalization. This knowledge can be used to define suitable processing conditions for epoxies with amine‐based hardeners depending on the loading and functionalization of graphene‐related particles.Item Open Access IEA Wind Task 32: Wind Lidar : identifying and mitigating barriers to the adoption of wind lidar(2018) Clifton, Andrew; Clive, Peter; Gottschall, Julia; Schlipf, David; Simley, Eric; Simmons, Luke; Stein, Detlef; Trabucchi, Davide; Vasiljevic, Nikola; Würth, InesIEA Wind Task 32 exists to identify and mitigate barriers to the adoption of lidar for wind energy applications. It leverages ongoing international research and development activities in academia and industry to investigate site assessment, power performance testing, controls and loads, and complex flows. Since its initiation in 2011, Task 32 has been responsible for several recommended practices and expert reports that have contributed to the adoption of ground-based, nacelle-based, and floating lidar by the wind industry. Future challenges include the development of lidar uncertainty models, best practices for data management, and developing community-based tools for data analysis, planning of lidar measurements and lidar configuration. This paper describes the barriers that Task 32 identified to the deployment of wind lidar in each of these application areas, and the steps that have been taken to confirm or mitigate the barriers. Task 32 will continue to be a meeting point for the international wind lidar community until at least 2020 and welcomes old and new participants.Item Open Access Maintenance strategies for large offshore wind farms(2012) Scheu, MattiWhich equipment is needed and how shall tasks be scheduled in order to implement the economically most efficient operation and maintenance strategy for large offshore wind farms? This is the question motivating this research project. Considering production losses due to turbine downtime as well as local geographical and weather conditions, an efficient operation and maintenance (O&M) solution shall be achieved for two reference sites at the UK east coast. For this purpose, a Matlab-based tool has been developed, consisting of the following five main modules: Weather, Failures, Resources, Strategy and Cost. The "Weather" module is able to generate future sea states and wind speeds based on historical data. It uses a finite state Markov chain in discrete time to model significant wave heights. Wind speeds are then generated according to their conditional probability distribution at the corresponding wave height. In order to validate the weather module, several time series were generated and compared with existing data. For comparison, the mean values, standard errors, linear correlations and cumulative distribution functions for persistence of operational weather windows were chosen, both for synthetic and observed wind speed and wave height time series. Both reference sites in the UK North Sea were considered for validation. Failure rates are the basis for the "Failure" module. As an input, data gathered from onshore reliability investigations are used, which can be updated once more detailed data is available for offshore turbines. The outcomes of this module are turbine-failures occurring at a certain time. Within the “Resources” module, it is defined which equipment and personnel is available for O&M activities. The equipment is specified by its technical characteristics, e.g., the maximum transportable personnel and the operational wave height boundary. Another key parameter is the "Strategy". The main goal of this module is to take the decision whether to perform an operation or not. Within this thesis, one specific strategy has been used, but references are made to possible modifications in the according paragraphs. The measurement of economic performance is done in the "Cost" module. Here, production losses are quantified by combining the wind speed during a failure with the linearized power curve of the turbine and the local buyback price system. Therefore, the worth of additional or better maintenance equipment can be seen directly as an increase in availability and a decrease of production losses. Results show how sensitive availability and therefore production losses change with respect to changes in the maintenance fleet, reliability characteristics of components and distance to shore. Major improvements of availability were achieved by applying maintenance vessels with a higher operational wave height boundary. An increase of this constraint from one to 1.8 m significant wave height raised the availability by up to 30 percent, leading to a much better economic performance. The influence of the weather forecast accuracy on the number of maintenance vessel and crane deployments is also stated, showing a significant increase of deployments if the weather forecast is only accurate for short times. An improvement of component-reliability, modeled as a 50% decreased annual failure rate, could save up to 440 k€ of yearly production losses for each modeled wind turbine. Higher transit times, due to a greater distance to shore, strongly decrease the wind park availability.Item Open Access Optimization of floating offshore wind turbine platforms with a self-tuning controller(2017) Lemmer, Frank; Müller, Kolja; Yu, Wei; Schlipf, David; Cheng, Po WenThe dynamic response of floating offshore wind turbines is complex and requires numerous design iterations in order to converge at a cost-efficient hull shape with reduced responses to wind and waves. In this article, a framework is presented, which allows the optimization of design parameters with respect to user-defined criteria such as load reduction and material costs. The optimization uses a simplified nonlinear model of the floating wind turbine and a self-tuning model-based controller. The results are shown for a concrete three-column semi-submersible and a 10MW wind turbine, for which a reduction of the fluctuating wind and wave loads is possible through the optimization. However, this happens at increased material costs for the platform due to voluminous heave plates or increased column spacing.Item Open Access Erstellung und Optimierung der Skalierungsgesetze zur Abschätzung der Aerodynamik und der Eigendynamik eines Flugzeugs auf der Basis von frei fliegenden Modellen(2007) Nguewo, Danyck; Voit-Nitschmann, Rudolf (Prof. Dipl. Ing.)Die vorliegende Abhandlung behandelt die Definition der Skalierungsmethodik für Flugver-suche mit einem frei fliegenden Modellflugzeug zur Vorhersage der aerodynamischen und flugmechanischen Eigenschaften des Originalflugzeugs. Hauptziel ist hierbei die Festlegung der Voraussetzungen für zuverlässige Simulationsergebnisse. Das Erreichen des oben definierten Ziels führt im Idealfall zur Einhaltung aller Ähnlichkeits-parameter, die die Aerodynamik und das Flugverhalten beider Flugzeuge beeinflussen. In einer Durchführbarkeitsstudie werden die praktischen Grenzen dieser Hypothese aufbauend auf dem Demonstratormodell von VELA 2 analysiert. Außerdem wird in Anlehnung an die Statistik die zu erwartende Qualität der Simulationsergebnisse abgeschätzt. Bei kleinen Skalierungsfaktoren, so wie beim Projekt "Demonstratormodell" mit , werden in der Regel nicht alle Ähnlichkeitsparameter eingehalten. Grund dafür ist das prob-lematische Erreichen der Mach- und Reynolds-Zahl des Originalflugzeugs im Flugversuch mit dem Modell. Die Skalierung der Mach- und Reynolds-Zahl ruft Kompressibilitäts- und Reibungseffekten in der abgeleiteten Bewegungsgleichung hervor, die zu einer Verfälschung der Versuchsergebnisse führen. Zur Reduzierung dieser unerwünschten Effekte werden ver-suchstechnische und flugmechanische Ansätze erarbeitet. Die versuchstechnischen Optimierungsansätze werden in Kapitel III durch die Festlegung des Geschwindigkeitsbereichs und der Flughöhe des Originalflugzeugs definiert, die die besten Simulationsergebnisse liefern. Zur Definition der flugmechanischen Optimierungsansätze für das VELA 2-Modellflugzeug wird zunächst die Dimensionsanalyse basierten Ähnlichkeitsgesetze auf die Flugmechanik und speziell auf die Systemmatrix angewendet. Daraus resultiert die Theorie zur Ableitung der Bewegungsgleichung eines Flugzeugs (z. B. des Modells) von einer vorgegebenen (z. B. der Bewegungsgleichung des Originals) so, dass die beiden Gleichungen identische Bewe-gungsformen beschreiben. Der nächste Schritt besteht darin, die Bewegungsgleichung des Modells an die auf dieser Weise abgeleitete Bewegungsgleichung anzupassen. Dies geschieht, wie in Kapitel IV dargelegt, durch gezielte Veränderung von flugmechanischen Parametern (Schwerpunktlage, Lagewinkel etc.). Diese Optimierungsmaßnahmen ergeben sich aus einer detaillierten Studie der so genannten kausalen Ketten, in der sich eine Variation der Mach- oder Reynolds-Zahl auf die dimensionslosen Derivativa auswirkt, was zu einer Veränderung der Ersatzgrößen (Elemente der Systemmatrix) und damit der Eigendynamik des Flugzeugs führt. Ein weiterer wichtiger Bestandteil dieser Arbeit stellt die Entwicklung des Tools Fast Estima-tion of Design Parameters (FEDeP) dar (vgl. Anhang A). Hauptaufgabe dieses Programms ist es, den Entwurfsingenieur in der Vorbereitungsphase der Simulation mit einem frei fliegen-den Modell zu unterstützen. Dazu gehört neben der Implementierung der weiter oben be-schriebenen Theorien (Erstellung und Optimierung der Skalierungsgesetze sowie die Ermitt-lung der Kompressibilitäts- und Reibungseinflüsse auf die Flugeigenschaften) die Bereitstel-lung der Module zur Flugzeugdimensionierung und zur Visualisierung des Flugverhaltens in einer graphisch animierten Simulation.Item Open Access Acoustic and seismic emissions from wind turbines(2017) Calarco, Francesca; Cheng, Po Wen; Zieger, Toni; Ritter, JoachimWith 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).Item Open Access Flatness-based feedforward control of wind turbines using Lidar(2014) Schlipf, David; Cheng, Po WenCurrent lidar technology is offering a promising opportunity to take a fresh look at wind turbine control. This work evaluates a flatness-based feedforward approach, that allows to calculate the control action based on trajectories of the rotor speed and tower motion using wind measurements. The trajectories are planned online considering actuator constrains to regulate the rotor speed and minimize tower movements. The feedforward signals of the collective pitch and generator torque update can be combined with conventional feedback controllers. This facilitates the application on commercial wind turbines. Simulations using a realistic lidar simulator and a full aero-elastic model show considerable reduction of tower and shaft loads.