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EFB-Forschungsbericht Nr. 422

HyBlade - Hydroformed blades for meshes of vertical axis wind turbines

efb422

Verfasser:
Dipl.-Wirt.-Ing. Marco Pröhl, Fraunhofer Institute of Machine Tools and Forming Technology Chemnitz - Prof. dr. ing. Tim De Troyer, Vrije Universiteit Brussel, Department of Mechanical Engineering

96 Seiten (sw, 63 teils farbige Abb.)

ISBN: 978-3-86776-469-8

Preis (Digital) EUR 53,05

Preis (Print) EUR 66,00

Summary

The HyBlade project developed a single-component blade profile made of high-strength steel sheeting for rotors of smaller wind turbines. Reliable production techniques were used such as CNC bending to produce the preform and hydroforming for producing the final geometry. This process guarantees the high level of profile dimensional accuracy by means of calibrating, one of the essential prerequisites for good aerodynamics and a high level of rotor energy output. Finally, the very efficient process chain makes it possible to produce even larger blades with much more complex geometries.

The first step was working out a detailed strategy that not only evaluated the potential flow profiles, but also the benefits and downsides of potential production processes. Then, the blade was laid out based upon studies on the impact of various geometric parameters (blade width and length, material thickness and internal reinforcement), the appropriate load spectrum and basic considerations on material selection. It was possible to design the blade or a complete rotor based upon these findings that were studied afterwards in terms of its structural integrity under load and in operation by means of simulation. Something that had an important role to play were the considerations on the rotor's fatigue strength over the envisioned 20 years of operation.

Beyond the clarification of structural issues, extensive studies were launched. This not only discovered the rotor's optimum aerodynamic operating point and appropriate dimensions of blades the rotor. It also delved into the arrangement of several rotors in groups. One promising approach was the three-cornered arrangement of counterrotating pairs of rotors in a hexagonal structure. Furthermore, the variation of the turbine spaces made it possible to obtain area energy output much greater than state-of-the-art. Unfortunately, it was not possible to obtain a final answer to the question as to what maximum size a hexagon should have due to the extremely complex aerodynamic relations and impact "from above" into the hexagon of air flowing in (that could not be determined in the framework or the project.

The section of the project delved into applying the theoretical results found in the first sec-tion. Several actual tools and demonstrators were built with the knowledge from them along them with a detailed interpretation of the production process. It was not only the proof that the process chain is suitable and the feasibility of the blade, but also focusing on the field test of a real rotor. For instance, a metallic rotor made during the project was exchanged for a commercially available one and tested on a test field at the Belgian coast under real conditions. The findings here suggest that the blades' weight empty was not the crucial criterion for the layout especially with small and medium-size wind turbines in relation to their much larger counterparts, which is why the thickness of the material is no longer as important when laying out the blades and metals are competitive alternative materials. That means that the objective of the 79EBR (IWU) and 120279 (VUB) research project (i.e., developing and hydroforming manufacture of competitive metallic blade profiles for vertical axis wind turbines) was achieved in the framework of this project.

The project "HyBlade – Hydroformed blades for meshes of vertical axis wind turbines" Ref.-No. AiF 79EBR was financed and supervised by the EFB. In the scope of the CORNET - European Research Programme "HyBlade" was funded by the German Federal Ministry for Economic Affairs and Energy via the Federation of Industrial Research Associations. The report is published as EFB-Forschungsbericht Nr. 422.

Zusammenfassung

HyBlade - Hydrogeformte Flügel für Vertikalachs-Windkraftanlagen
Im HyBlade-Projekt wurde ein einteiliges Flügelprofil aus höherfestem Stahlblech für Rotoren von kleineren Windkraftanlagen entwickelt. Zum Einsatz kommen bewährte Fertigungstechniken wie das Abkanten zur Erzeugung der Vorform und die Innenhochdruck-Umformung zur Herstellung der finalen Geometrie. Das Verfahren stellt durch Kalibrieren die hohe Maßhaltigkeit des Profils sicher, eine der wesentlichen Voraussetzungen für eine gute Aerodynamik und hohe Energieausbeute der Anlage. Die sehr wirtschaftliche Prozesskette ermöglicht es, auch größere Flügel mit weitaus komplexeren Geometrien herzustellen.

Im ersten Schritt wurde dafür ein Detailkonzept ausgearbeitet, das neben den potenziell infrage kommenden Strömungsprofilen auch die Vor- und Nachteile möglicher Fertigungsverfahren evaluierte. Anschließend erfolgte die Auslegung des Blattes auf Basis von Untersuchungen zum Einfluss verschiedener geometrischer Parameter (Blattbreite und -länge, Materialdicke sowie Innenverstärkungen), dem zugehörigen Lastkollektiv und grundsätzlicher Überlegungen zur Materialauswahl. Auf Basis der so erzielten Ergebnisse konnte das Design des Blattes bzw. eines kompletten Rotors erfolgen, welches im Anschluss hinsichtlich seiner strukturellen Integrität unter Belastung im Betrieb mittels Simulation untersucht wurde. Eine wesentliche Rolle spielten dabei Überlegungen zur Dauerfestigkeit der Anlage über die avisierten 20 Jahre Betriebsdauer.

Neben der Klärung strukturellen Fragestellungen wurden auch umfangreiche aerodynamische Untersuchungen durchgeführt. Zusätzlich zum Finden des optimalen, aerodynamischen Betriebspunkts der Anlage und den zugehörigen Abmessungen von Blättern bzw. dem Rotor beschäftigte man sich vor allem mit der Anordnung mehrerer Anlagen in Gruppen. Ein vielversprechender Ansatz war hier die dreieckige Anordnung gegenläufig rotierender Anlagenpaare in einer hexagonalen Struktur. Die Variation der Turbinenabstände ermöglicht hier eine gegenüber dem Stand der Technik deutlich erhöhte Flächenenergieausbeute. Aufgrund der äußerst komplexen aerodynamischen Verhältnisse und des nicht im Rahmen des Projekts bestimmbaren Einflusses „von oben" ins Hexagon einströmender Luftmengen konnte dabei nicht abschließend geklärt werden konnte, welche maximale Größe eine solches Hexagon haben sollte.

Der zweite Projektteil beschäftigte sich mit der Umsetzung der im ersten erzielten theoreti-schen Ergebnisse. Neben der detaillierten Auslegung der Fertigungsprozess wurden reale Werkzeuge und mittels dieser dann mehrere Demonstratoren gefertigt. Neben dem Nach-weis der Tauglichkeit der Prozesskette und der Machbarkeit des Flügeldesigns lag der Fokus auf dem Feldtest einer realen Anlage. Ein im Projekt hergestellter, metallischer Rotor wurde gegen den einer kommerziell verfügbaren Anlage ausgetauscht und auf einem Testfeld an der belgischen Küste unter Realbedingungen getestet.

Die erzielten Ergebnisse legen den Schluss nahe, dass speziell bei kleinen und mittleren Windkraftanlagen gegenüber den deutlich größeren Pendants das Eigengewicht der Flügel nicht das ausschlaggebende Auslegungskriterium ist, weshalb die Dichte des Werkstoffs bei der Auslegung von Flügeln an Bedeutung verliert und Metalle damit konkurrenzfähige, alternative Werkstoffe darstellen.
Das Ziel des Forschungsvorhabens 79EBR, die Entwicklung und umformtechnische Herstellung konkurrenzfähiger, metallischer Flügelprofile für Vertikalachs-Windkraftanlagen, wurde somit im Rahmen des Projekts erreicht.

Table of Contents

List of figures
1 Introduction
2 State-of-the-Art and Research
2.1 Turbine Models – Their Principle, Output and Land Exploitation
2.2 Materials and Production Processes for Blade Profiles
2.3 Energy Input and Recycling Metals and Fiber-Reinforced Plastics
3 The Problem at Hand, Research Objective and Work Schedule
3.1 The Scientific and Economic Problem
3.2 Research Objective
3.3 Work Outline
4 Formulating the Detailed Strategy
4.1 The Production Process and Boundaries to the Process
4.2 Profiles Suitable for Vertical Axis Wind-Turbines
5 Preliminary Tests and Blade Layout
5.1 The Forces on the Blade
5.2 The Impact of Geometric Blade Parameters on Structural Behavior
5.3 The Impact of the Type of Metal on Structural Behavior
5.4 The Specific Choice of Materials
5.5 Blade and rotor Design
5.6 The Final Structural Simulation of the rotor and Permanent Strength
6 Aerodynamic Simulation and Optimization
6.1 Blades and Single Rotors
6.2 Pairs of Rotors and Grouping
6.3 Possibilities to tune metal blades with smart tabs/ flaps
6.3.1 Introduction
6.3.2 Active flow control
6.3.3 Active flow control devices
6.3.4 Blowing and suction
6.3.5 Circulation control
6.3.6 Plasma actuators
6.3.7 Method of choice: microtabs
7 Engineering Production Processes
7.1 CNC bending a Preform for Small Series
7.2 Cold Forming of Sections of a Preform for Large-Scale Series
7.3 Calibrating the Finished Component with Hydroforming
8 Producing Tools and Demonstrators
8.1 Small-Scaled Technology Demonstrator
8.2 Actual Size Blades for the Field Test
8.3 Measuring the Components
8.4 Building and Assembling the Demonstrator rotor
9 Test Rotor Field Test
9.1 The Structure of the Comparable Rotor and Its Measurement
9.2 Setting up and Measuring the New Metal rotor
10 Economic Optimization
10.1 The Costs of Producing the Blades
10.2 The Operational Efficiency of the Overall Rotor
11 Utilizing and Analyzing the Research Findings Obtained
11.1 Scientific and Economic Utilization of These Findings
11.2 What These Findings Contribute to Innovation
11.3 Industrial Applications
12 Summary
13 List of Literature