Novicos eröffnet durch Eigenentwicklung neue Möglichkeiten für leisere Windkraftanlagen
"Im normalen Geschäftsleben gilt das Klonen eines Produktes als Tabu, Novicos hat es dennoch getan und ist stolz darauf"
(pressebox) Hamburg, 29.08.2016 - Vielleicht haben Sie sich selbst schon vor einer neuen, stillstehenden Windkraftanlage gefragt, warum diese trotz Wind schon kurz nach Fertigstellung und Inbetriebnahme seit Wochen stillsteht.
Einer der Hauptgründe ist die sogenannte Tonalität, das Schwingen von Anlagensegmenten in einer spezifischen für das Ohr sehr gut wahrnehmbaren Frequenz, weshalb Anlagen keine Betriebserlaubnis nach der Norm IEC 61400 erhalten können. Die dann folgende Ursachenbekämpfung einer stillgelegten Anlage ist immer mit sehr kostenintensiven Sofortmaßnahmen verbunden. Das von der EU geförderte Forschungsprojekt Eureka-Alarm vom Anlagenhersteller Senvion, Novicos und weiteren Partnern soll nun solche Tonalitäten bereits während der Anlagenentwicklung effektiv verhindern.
Bei Stillstand der gerade in Betrieb genommenen Anlage durch Tonalitätsprobleme haben Betreiber und Entwickler sofort folgende Fragestellungen zu lösen: "Welches Teilsystem der Anlage verursacht die Tonalität und welche Kosten und Zeitaufwände entstehen bei deren Beseitigung?"
Die Schallemission von Windenergieanlagen ist durch verschiedene physikalische Vorgänge geprägt, wie Schallanregung, Schallübertragung, Schallabstrahlung und Schallentkopplung. Diese Vorgänge spielen sich dabei noch auf unterschiedlichen Konkretisierungsebenen ab, was für die Erfassung und Analyse der Systemeigenschaften mittels bestehender Messmethoden eine wirkliche Herausforderung darstellt.
Im Zeitalter von Industrie 4.0 bestand somit der Wunsch, die Möglichkeiten des "digitalen Zwillings" zur Kostenreduzierung durch Beseitigung dieser tonalen Effekte auszuschöpfen. Bild 1 zeigt typische Schallübertragungswege.
Der digitale Zwilling als Lösung
Der digitale Zwilling ist ein bis auf das letzte Konstruktionsmerkmal der realen WKA gleichendes, im Rechner existierendes virtuelles Abbild. Exakt dieser Klon einer Anlage und die Nachbildung des realen Verhaltens, vor allem in Bezug auf das Schwingungsverhalten und der akustischen Abstrahlung, war das Projektziel, um daraus Abhilfemaßnahmen abzuleiten.
Um einem System, auch wenn es ein digitales ist, Leben einzuhauchen, bedarf es einer Beschreibung, was denn "das Leben" eines Systems überhaupt ist. "Es ist wie bei einem Computerspiel, bei dem jeder Person, eine Charaktereigenschaft zugeordnet wird und nach deren Kriterien diese dann im Zusammenspiel mit anderen interagiert. Je mehr Beschreibungen und Varianz die Personen im Spiel haben, je realistischer Ihre Bewegungen im Spiel sind, umso spannender und erfolgreicher wird das Spiel am Markt", erklärt Dr.-Ing. Olgierd Zaleski, Geschäftsführer von Novicos.
Nicht anders ist es bei Ingenieuren, die solche Simulationen entwickeln. Nur, dass ihnen anstelle Charakterbeschreibungen von Personen, Datenmaterial aus verschiedenen, zum Teil auch neu entwickelten Messungen und Materialkenndaten der Anlagenkomponenten zur Verfügung stehen. Hierzu wird auf Datenbasis einer Konstruktion im Rechner (CAD-Daten) für jedes wichtige Konstruktionsdetail, dessen Verhaltensweisen in Interaktion mit anderen mechanischen Systembestandteilen steht, beschrieben.
In der Simulationssprache wird dieser Vorgang als Modellierung bezeichnet. Die Interaktion, d.h. der Austausch von Kräften als Anregung zwischen mechanischen Systemen, wird in sogenannten Mehrkörpersimulationen ermittelt. Es wurde schon vor Start des Projektes vermutet, dass bestehende Modellierungsverfahren die Schallausbreitung in komplexen Systemen numerisch vorhersagen und so den Entwicklungsprozess in frühen Phasen durch die Bereitstellung wichtiger Schallemissionsdaten unterstützen könnten. Leider existierte aber seinerzeit für Windkraftanlagen weder eine ausreichende Datenbasis, noch ein geeignetes ausgearbeitetes Gesamtmodell. Gerade die Betrachtung des akustischen Gesamtmodellverhaltens ist jedoch eine der wichtigsten Aussagen des Zwillings.
Aus Unternehmenssicht sind zeitnahe Ergebnisse von Auslegungsvarianten der Zugewinn des digitalen Zwillings.
Berechnungsergebnisse, welche monatelang auf sich warten lassen, werden deshalb in der heutigen Zeit mit immer kürzer werdenden Entwicklungszyklen nur noch in Ausnahmefällen akzeptiert. Mit den derzeit käuflichen Algorithmen und typisch vorhandenen Hardware- und Softwarewerkzeugen wären voraussichtlich Simulations-Rechenzeiten von mehreren Wochen benötigt gewesen. Es war im Forschungsprojekt daher beabsichtigt, Teilsystemmodelle und verbesserte Berechnungsalgorithmen zu entwickeln, um die Berechnungen stark zu beschleunigen. Um die Kerneigenschaft des Zwillings mit schnellen Lieferungen von Ergebnissen zu erreichen, wurden mit sogenannten Übertragungsfunktionen von miteinander gekoppelten Hauptbestandteilen der Anlage, wie in Bild 2 und Bild 3 dargestellt, gearbeitet.
Validiert wurden diese mit Messungen von Übertragungsfunktionen an einer echten Anlage. In vereinfachten Worten beschreiben Übertragungsfunktionen, wie sich die von einem System erzeugten Vibrationen, zum Beispiel des Getriebes in den Turm, übertragen.
Mit diesen Übertragungsfunktionen und dem Clustern, der Aufteilung der Anlage in verschiedene Bestandteile konnte die Simulation schon erheblich beschleunigt werden. Was noch fehlte, war eine schnelle Berechnungsmethode, wie die Anlage insgesamt akustisch von den Komponenten abstrahlte. Zur Simulation der Schallabstrahlung einer WEA wurde von Novicos ein Akustikmodell entwickelt. Dabei wurde das Randelementverfahren (Boundary-Elemente-Methode) eingesetzt. Das gesamte Oberflächennetz des Rotors, der Gondel und des Turms besitzt ca. 4 Millionen Elemente. Ein Ausschnitt der BEM-Vernetzung ist in Bild 4 dargestellt. Die dargestellte sehr feine Vernetzung resultiert aus dem im Projekt angestrebten Frequenzbereich.
Nur mit den in diesem Projekt neu entwickelten Berechnungsmethoden von Novicos können Modelle in der Größe einer WKA derzeit physikalisch ausreichend genau berechnet werden.
Dr.-Ing. Marian Markiewicz,Geschäftsführer Novicos: "Im Rahmen des Projektes wurden stabile Blockapproximationsalgorithmen für hierarchische H-Matrizen entwickelt und implementiert, so dass Systemmatrizen zu beliebigen Netzen mit einem stabilen Approximationsfehler erzeugt werden können. Aus Nutzersicht bedeutet dies vereinfacht gesagt, dass der Rechenspeicher und die Rechenzeit durch diese neuen mathematischen Beschreibungen um den Faktor 1000 minimiert werden konnten."
Auch Effekte des Bodens hinsichtlich der Schallabstrahlung der Anlage konnten durch sogenannte "Impedanzrandbedingungen" berücksichtigt werden. Dies führte zu einer weiteren Reduzierung des Rechenaufwandes und der Modellierungsprozesse.
Das Resultat und die weiteren Aussichten
Mit einem solchen durch die Praxis validierten Simulationsverfahren im digitalen Zwilling haben Anlagenhersteller nun eine Möglichkeit die Schallabstrahlung von Anlagenteilen frühzeitig zu bestimmen und die Auswirkungen der einzelnen Bestandteile auf die gesamte Schallabstrahlung zu bestimmen. Im Projekt wurde zum Beispiel das nichtlineare Schwingungsverhalten der Elastomerlager in einem bestimmten Frequenzbereich ermittelt. Mit diesem Wissen konnte konkret eine Maßnahme gegen die Tonalität eingeleitet werden. Anforderungen an Zulieferer und Zulieferteile können somit frühzeitig validiert werden. Die Kostenreduzierung im Blick werden Optimierungsmaßnahmen auf Hersteller- und Zulieferseite so zukünftig effizienter in ihrer Anwendung. Die Berechnungsergebnisse (exemplarisch in Bild 5) in einem Zeitraum von wenigen Tagen lassen dieses nun zu.
Auch die Berücksichtigung von Qualitätseinflüssen auf die Schwingungseigenschaften im Herstellungsprozess lässt so eine enge Verzahnung der Entwicklung mit dem späteren Produktionsprozess zu. Es ist ein weiterer Ansatz, um Kosten frühzeitig einzusparen und zielgerichteter in Optimierungsmaßnahmen zu investieren .
Die im Rahmen des Projektes entwickelte neue Simulationsmethode zum Abstrahlverhalten von großen Strukturen wird nun im Hause Novicos für die Entwicklung weiterer digitaler Zwillinge genutzt, wie zum Beispiel von Schiffen. Die Verfahren sollen in naher Zukunft so weiter entwickelt werden, dass auch sich bewegende Quellen, wie Flugzeuge, damit berechnet werden können.
Einer der Hauptgründe ist die sogenannte Tonalität, das Schwingen von Anlagensegmenten in einer spezifischen für das Ohr sehr gut wahrnehmbaren Frequenz, weshalb Anlagen keine Betriebserlaubnis nach der Norm IEC 61400 erhalten können. Die dann folgende Ursachenbekämpfung einer stillgelegten Anlage ist immer mit sehr kostenintensiven Sofortmaßnahmen verbunden. Das von der EU geförderte Forschungsprojekt Eureka-Alarm vom Anlagenhersteller Senvion, Novicos und weiteren Partnern soll nun solche Tonalitäten bereits während der Anlagenentwicklung effektiv verhindern.
Bei Stillstand der gerade in Betrieb genommenen Anlage durch Tonalitätsprobleme haben Betreiber und Entwickler sofort folgende Fragestellungen zu lösen: "Welches Teilsystem der Anlage verursacht die Tonalität und welche Kosten und Zeitaufwände entstehen bei deren Beseitigung?"
Die Schallemission von Windenergieanlagen ist durch verschiedene physikalische Vorgänge geprägt, wie Schallanregung, Schallübertragung, Schallabstrahlung und Schallentkopplung. Diese Vorgänge spielen sich dabei noch auf unterschiedlichen Konkretisierungsebenen ab, was für die Erfassung und Analyse der Systemeigenschaften mittels bestehender Messmethoden eine wirkliche Herausforderung darstellt.
Im Zeitalter von Industrie 4.0 bestand somit der Wunsch, die Möglichkeiten des "digitalen Zwillings" zur Kostenreduzierung durch Beseitigung dieser tonalen Effekte auszuschöpfen. Bild 1 zeigt typische Schallübertragungswege.
Der digitale Zwilling als Lösung
Der digitale Zwilling ist ein bis auf das letzte Konstruktionsmerkmal der realen WKA gleichendes, im Rechner existierendes virtuelles Abbild. Exakt dieser Klon einer Anlage und die Nachbildung des realen Verhaltens, vor allem in Bezug auf das Schwingungsverhalten und der akustischen Abstrahlung, war das Projektziel, um daraus Abhilfemaßnahmen abzuleiten.
Um einem System, auch wenn es ein digitales ist, Leben einzuhauchen, bedarf es einer Beschreibung, was denn "das Leben" eines Systems überhaupt ist. "Es ist wie bei einem Computerspiel, bei dem jeder Person, eine Charaktereigenschaft zugeordnet wird und nach deren Kriterien diese dann im Zusammenspiel mit anderen interagiert. Je mehr Beschreibungen und Varianz die Personen im Spiel haben, je realistischer Ihre Bewegungen im Spiel sind, umso spannender und erfolgreicher wird das Spiel am Markt", erklärt Dr.-Ing. Olgierd Zaleski, Geschäftsführer von Novicos.
Nicht anders ist es bei Ingenieuren, die solche Simulationen entwickeln. Nur, dass ihnen anstelle Charakterbeschreibungen von Personen, Datenmaterial aus verschiedenen, zum Teil auch neu entwickelten Messungen und Materialkenndaten der Anlagenkomponenten zur Verfügung stehen. Hierzu wird auf Datenbasis einer Konstruktion im Rechner (CAD-Daten) für jedes wichtige Konstruktionsdetail, dessen Verhaltensweisen in Interaktion mit anderen mechanischen Systembestandteilen steht, beschrieben.
In der Simulationssprache wird dieser Vorgang als Modellierung bezeichnet. Die Interaktion, d.h. der Austausch von Kräften als Anregung zwischen mechanischen Systemen, wird in sogenannten Mehrkörpersimulationen ermittelt. Es wurde schon vor Start des Projektes vermutet, dass bestehende Modellierungsverfahren die Schallausbreitung in komplexen Systemen numerisch vorhersagen und so den Entwicklungsprozess in frühen Phasen durch die Bereitstellung wichtiger Schallemissionsdaten unterstützen könnten. Leider existierte aber seinerzeit für Windkraftanlagen weder eine ausreichende Datenbasis, noch ein geeignetes ausgearbeitetes Gesamtmodell. Gerade die Betrachtung des akustischen Gesamtmodellverhaltens ist jedoch eine der wichtigsten Aussagen des Zwillings.
Aus Unternehmenssicht sind zeitnahe Ergebnisse von Auslegungsvarianten der Zugewinn des digitalen Zwillings.
Berechnungsergebnisse, welche monatelang auf sich warten lassen, werden deshalb in der heutigen Zeit mit immer kürzer werdenden Entwicklungszyklen nur noch in Ausnahmefällen akzeptiert. Mit den derzeit käuflichen Algorithmen und typisch vorhandenen Hardware- und Softwarewerkzeugen wären voraussichtlich Simulations-Rechenzeiten von mehreren Wochen benötigt gewesen. Es war im Forschungsprojekt daher beabsichtigt, Teilsystemmodelle und verbesserte Berechnungsalgorithmen zu entwickeln, um die Berechnungen stark zu beschleunigen. Um die Kerneigenschaft des Zwillings mit schnellen Lieferungen von Ergebnissen zu erreichen, wurden mit sogenannten Übertragungsfunktionen von miteinander gekoppelten Hauptbestandteilen der Anlage, wie in Bild 2 und Bild 3 dargestellt, gearbeitet.
Validiert wurden diese mit Messungen von Übertragungsfunktionen an einer echten Anlage. In vereinfachten Worten beschreiben Übertragungsfunktionen, wie sich die von einem System erzeugten Vibrationen, zum Beispiel des Getriebes in den Turm, übertragen.
Mit diesen Übertragungsfunktionen und dem Clustern, der Aufteilung der Anlage in verschiedene Bestandteile konnte die Simulation schon erheblich beschleunigt werden. Was noch fehlte, war eine schnelle Berechnungsmethode, wie die Anlage insgesamt akustisch von den Komponenten abstrahlte. Zur Simulation der Schallabstrahlung einer WEA wurde von Novicos ein Akustikmodell entwickelt. Dabei wurde das Randelementverfahren (Boundary-Elemente-Methode) eingesetzt. Das gesamte Oberflächennetz des Rotors, der Gondel und des Turms besitzt ca. 4 Millionen Elemente. Ein Ausschnitt der BEM-Vernetzung ist in Bild 4 dargestellt. Die dargestellte sehr feine Vernetzung resultiert aus dem im Projekt angestrebten Frequenzbereich.
Nur mit den in diesem Projekt neu entwickelten Berechnungsmethoden von Novicos können Modelle in der Größe einer WKA derzeit physikalisch ausreichend genau berechnet werden.
Dr.-Ing. Marian Markiewicz,Geschäftsführer Novicos: "Im Rahmen des Projektes wurden stabile Blockapproximationsalgorithmen für hierarchische H-Matrizen entwickelt und implementiert, so dass Systemmatrizen zu beliebigen Netzen mit einem stabilen Approximationsfehler erzeugt werden können. Aus Nutzersicht bedeutet dies vereinfacht gesagt, dass der Rechenspeicher und die Rechenzeit durch diese neuen mathematischen Beschreibungen um den Faktor 1000 minimiert werden konnten."
Auch Effekte des Bodens hinsichtlich der Schallabstrahlung der Anlage konnten durch sogenannte "Impedanzrandbedingungen" berücksichtigt werden. Dies führte zu einer weiteren Reduzierung des Rechenaufwandes und der Modellierungsprozesse.
Das Resultat und die weiteren Aussichten
Mit einem solchen durch die Praxis validierten Simulationsverfahren im digitalen Zwilling haben Anlagenhersteller nun eine Möglichkeit die Schallabstrahlung von Anlagenteilen frühzeitig zu bestimmen und die Auswirkungen der einzelnen Bestandteile auf die gesamte Schallabstrahlung zu bestimmen. Im Projekt wurde zum Beispiel das nichtlineare Schwingungsverhalten der Elastomerlager in einem bestimmten Frequenzbereich ermittelt. Mit diesem Wissen konnte konkret eine Maßnahme gegen die Tonalität eingeleitet werden. Anforderungen an Zulieferer und Zulieferteile können somit frühzeitig validiert werden. Die Kostenreduzierung im Blick werden Optimierungsmaßnahmen auf Hersteller- und Zulieferseite so zukünftig effizienter in ihrer Anwendung. Die Berechnungsergebnisse (exemplarisch in Bild 5) in einem Zeitraum von wenigen Tagen lassen dieses nun zu.
Auch die Berücksichtigung von Qualitätseinflüssen auf die Schwingungseigenschaften im Herstellungsprozess lässt so eine enge Verzahnung der Entwicklung mit dem späteren Produktionsprozess zu. Es ist ein weiterer Ansatz, um Kosten frühzeitig einzusparen und zielgerichteter in Optimierungsmaßnahmen zu investieren .
Die im Rahmen des Projektes entwickelte neue Simulationsmethode zum Abstrahlverhalten von großen Strukturen wird nun im Hause Novicos für die Entwicklung weiterer digitaler Zwillinge genutzt, wie zum Beispiel von Schiffen. Die Verfahren sollen in naher Zukunft so weiter entwickelt werden, dass auch sich bewegende Quellen, wie Flugzeuge, damit berechnet werden können.
