Być może zadałeś już sobie pytanie, dlaczego nowa, bezczynna turbina wiatrowa stoi nieruchomo od tygodni pomimo wiatru wkrótce po zakończeniu budowy i uruchomieniu.
Jednym z głównych powodów takiego stanu rzeczy jest tak zwana tonalność, czyli oscylacja segmentów systemu na określonej częstotliwości, która jest bardzo wyczuwalna dla ucha, dlatego też systemy nie mogą otrzymać licencji operacyjnej zgodnie z normą IEC 61400. Późniejsze usuwanie przyczyn awarii wycofanego z eksploatacji systemu zawsze wiąże się z bardzo kosztownymi działaniami doraźnymi. Finansowany przez UE projekt badawczy Eureka Alarm, realizowany przez producenta turbin Senvion, Novicos i innych partnerów, ma obecnie na celu skuteczne zapobieganie takim tonom podczas opracowywania turbin.
Jeśli system, który właśnie został uruchomiony, zatrzymuje się z powodu problemów z tonalnością, operator i programista muszą natychmiast odpowiedzieć na następujące pytania: "Który podsystem systemu powoduje tonalność i jakie koszty i czas są związane z jej wyeliminowaniem?".
Emisja dźwięku przez turbiny wiatrowe charakteryzuje się różnymi procesami fizycznymi, takimi jak wzbudzanie dźwięku, przenoszenie dźwięku, promieniowanie dźwięku i odsprzęganie dźwięku. Procesy te zachodzą na różnych poziomach konkretyzacji, co stanowi prawdziwe wyzwanie dla rejestracji i analizy właściwości systemu przy użyciu istniejących metod pomiarowych.
W erze Przemysłu 4.0 pojawiło się zatem pragnienie wykorzystania możliwości "cyfrowego bliźniaka" w celu obniżenia kosztów poprzez wyeliminowanie tych efektów tonalnych. Rysunek 1 przedstawia typowe ścieżki transmisji dźwięku.
Cyfrowy bliźniak jako rozwiązanie
Cyfrowy bliźniak to skomputeryzowany wirtualny obraz, który jest identyczny z prawdziwą turbiną wiatrową aż do ostatniej cechy konstrukcyjnej. Ten dokładny klon turbiny i symulacja rzeczywistego zachowania, głównie w odniesieniu do zachowania wibracyjnego i promieniowania akustycznego, były celem projektu w celu opracowania środków naprawczych.
Aby tchnąć życie w system, nawet jeśli jest to system cyfrowy, wymagany jest opis tego, czym właściwie jest "życie" systemu. "To jak gra komputerowa, w której każda osoba ma przypisaną cechę charakteru, a następnie wchodzi w interakcje z innymi zgodnie z ich kryteriami. Im więcej opisów i wariancji mają postacie w grze, im bardziej realistyczne są ich ruchy w grze, tym bardziej ekscytująca i udana będzie gra na rynku" - wyjaśnia dr Olgierd Zaleski, Dyrektor Zarządzający Novicos.
Nie inaczej jest w przypadku inżynierów, którzy opracowują takie symulacje. Jedyną różnicą jest to, że zamiast opisów postaci ludzi, mają oni dostęp do materiału danych z różnych pomiarów i charakterystyk materiałowych komponentów systemu, z których niektóre są nowo opracowane. W tym celu każdy ważny szczegół projektu, którego zachowanie wchodzi w interakcje z innymi elementami systemu mechanicznego, jest opisywany na podstawie projektu w komputerze (dane CAD).
W języku symulacji proces ten nazywany jest modelowaniem. Interakcja, tj. wymiana sił jako wzbudzenie między układami mechanicznymi, jest określana w tak zwanych symulacjach wielociałowych. Jeszcze przed rozpoczęciem projektu zakładano, że istniejące metody modelowania mogą numerycznie przewidywać propagację dźwięku w złożonych systemach, a tym samym wspierać proces rozwoju we wczesnych fazach, dostarczając ważnych danych dotyczących emisji dźwięku. Niestety, w tamtym czasie nie było ani wystarczającej bazy danych, ani odpowiedniego ogólnego modelu dla turbin wiatrowych. Jednak rozważenie ogólnego zachowania modelu akustycznego jest jednym z najważniejszych stwierdzeń bliźniaka.
Z punktu widzenia firmy, szybkie wyniki wariantów projektowych są wartością dodaną cyfrowego bliźniaka.
Wyniki obliczeń trwające miesiące są zatem akceptowane tylko w wyjątkowych przypadkach w dzisiejszym świecie coraz krótszych cykli rozwoju. Przy obecnie dostępnych algorytmach i typowych narzędziach sprzętowych i programowych, czas obliczeń symulacyjnych wynosiłby prawdopodobnie kilka tygodni. Dlatego też intencją projektu badawczego było opracowanie modeli podsystemów i ulepszonych algorytmów obliczeniowych w celu znacznego przyspieszenia obliczeń. Aby osiągnąć podstawową właściwość bliźniaka z szybkim dostarczaniem wyników, zastosowano tak zwane funkcje transferu sprzężonych głównych komponentów systemu, jak pokazano na rys. 2 i rys. 3.
Zostały one zweryfikowane za pomocą pomiarów funkcji transferu w rzeczywistym systemie. W uproszczeniu funkcje transferu opisują, w jaki sposób drgania generowane przez system, na przykład skrzynię biegów, są przenoszone na wieżę. Dzięki tym funkcjom transferu i grupowaniu, czyli podziałowi systemu na różne komponenty, symulację można było już znacznie przyspieszyć. Wciąż brakowało jednak szybkiej metody obliczania, w jaki sposób turbina jako całość promieniuje akustycznie z komponentów. Novicos opracował model akustyczny do symulacji promieniowania dźwięku turbiny wiatrowej. Wykorzystano do tego metodę elementów brzegowych. Cała siatka powierzchni wirnika, gondoli i wieży ma około 4 milionów elementów. Fragment siatki BEM pokazano na rysunku 4. Pokazana bardzo drobna siatka wynika z zakresu częstotliwości określonego w projekcie.
Tylko dzięki nowym metodom obliczeniowym opracowanym przez Novicos w ramach tego projektu, modele wielkości turbiny wiatrowej mogą być obecnie obliczane z wystarczającą dokładnością fizyczną.
Dr inż. Marian Markiewicz, Dyrektor Zarządzający Novicos: "W ramach projektu opracowano i wdrożono stabilne algorytmy aproksymacji blokowej dla hierarchicznych macierzy H, dzięki czemu macierze systemowe mogą być generowane dla dowolnej sieci ze stabilnym błędem aproksymacji. Z punktu widzenia użytkownika oznacza to w uproszczeniu, że pamięć obliczeniowa i czas obliczeń mogą zostać zminimalizowane 1000-krotnie dzięki tym nowym opisom matematycznym".
Wpływ podłogi na promieniowanie dźwięku systemu można również uwzględnić przy użyciu tak zwanych "warunków brzegowych impedancji". Doprowadziło to do dalszego zmniejszenia wysiłku obliczeniowego i procesów modelowania.
Wynik i dalsze perspektywy
Dzięki takiemu procesowi symulacji w cyfrowym bliźniaku, który został zweryfikowany w praktyce, producenci systemów mają teraz możliwość określenia promieniowania dźwięku komponentów systemu na wczesnym etapie i określenia wpływu poszczególnych komponentów na ogólne promieniowanie dźwięku. Na przykład w projekcie określono nieliniowe zachowanie wibracyjne łożysk elastomerowych w określonym zakresie częstotliwości. Dzięki tej wiedzy możliwe było wprowadzenie konkretnych środków przeciwdziałających tonalności. Wymagania dotyczące dostawców i części zamiennych można zatem zweryfikować na wczesnym etapie. Mając na uwadze redukcję kosztów, środki optymalizacyjne po stronie producenta i dostawcy staną się bardziej efektywne w ich stosowaniu w przyszłości. Pozwalają na to wyniki obliczeń (przedstawione na rysunku 5) w ciągu kilku dni.
Uwzględnienie wpływu jakości na właściwości wibracyjne w procesie produkcyjnym pozwala również na tak ścisłą integrację rozwoju z późniejszym procesem produkcyjnym. Jest to kolejne podejście do oszczędzania kosztów na wczesnym etapie i inwestowania w środki optymalizacji w bardziej ukierunkowany sposób.
Nowa metoda symulacji zachowania promieniowania dużych struktur opracowana w ramach projektu jest obecnie wykorzystywana w Novicos do opracowywania innych cyfrowych bliźniaków, takich jak statki. Metody te mają być dalej rozwijane w najbliższej przyszłości, tak aby można było za ich pomocą obliczać również źródła ruchome, takie jak samoloty.
Czy masz jakieś pytania dotyczące tego artykułu?
Z przyjemnością odpowiem na wszelkie pytania.
