De nieuwe windtunnel Open Jet Facility, die vorige week door KNAW-voorzitter Robbert Dijkgraaf in werking werd gesteld, leeft al meer dan twintig jaar in het hoofd van ontwerper Nando Timmer: “Voor u staat een gelukkig man.”
“Open jet betekent een vrije luchtstroom”, zegt wetenschappelijk directeur van windenergieonderzoeksinstituut DuWind prof.dr.ir. Gijs van Kuik (Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek). “Dat is ideaal voor onderzoek aan windturbines. Turbines zijn ervoor gemaakt om zoveel mogelijk lucht tegen te houden. Maar in een gesloten tunnel geeft dat problemen.”
Gevraagd naar de unieke eigenschappen van de tunnel, zegt universitair docent aerodynamica dr.ir. Leo Veldhuis van Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek (L&R): “Het is vooral een onderzoekstunnel. Driekwart van de tijd zal hij gebruikt worden voor explorerend onderzoek en onderwijs. Andere tunnels zijn daarvoor te duur.”
De ontwerper van de tunnel, ir. Nando Timmer, eveneens van L&R, is blij dat het toch zo ver gekomen is. “Gelukkig had ik veel leuk werk ernaast”, relativeert hij het wachten. Want het was onzeker of de beloofde tunnel er wel zou komen.
Tegenover de hoogbouw van L&R staat het hogesnelheidslaboratorium met windtunnels voor transsone en hypersone luchtstromen. Daar is vorige week de Open Jet Facility of Open Straal Windtunnel bijgekomen. Het hart daarvan is een metershoge ventilator in een kooiconstructie. Het monster wordt aangedreven door een elektromotor van vijfhonderd kilowatt, die de lucht opzweept tot maximaal 35 meter per seconde (ruim 120 kilometer per uur). Vanaf de ventilator passeert de lucht twee stelsels hoekschoepen, die de lucht tweemaal door een haakse bocht naar links sturen. Daarna komt de wind door een strak gespannen gaas, zo groot als een theatergordijn. Dat moet snelheidsverschillen in de luchtstroom verminderen doordat snelle lucht er meer weerstand van ondervindt dan langzame. Vervolgens passeert de lucht een stelsel van horizontale en verticale schoepen, de gelijkrichter, dat de luchtstroom egaler maakt door dwarsstromen te blokkeren. Aan het einde van de zogenaamde suskamer, waar de lucht kan uitzetten en tot rust komt, volgt een trechterachtige constructie die de lucht bundelt naar de achthoekige uitstroomopening van 2,85 meter doorsnede. De opening bevindt zich bovenin een 6,5 meter brede hal. Aan het einde daarvan, vijftien meter verderop, is over volledige hoogte een enorme koelradiator aangebracht. Het apparaat, dat 350 kilowatt verbruikt, onttrekt de warmte aan de lucht voordat die via weer twee sets hoekschoepen teruggeleid wordt naar de ventilator. “Op vol vermogen, maar dat gebeurt zelden, kunnen we een uurtje draaien”, schat Timmer. Daarna wordt de lucht ondanks de koeling alsnog te warm (meer dan veertig graden) voor experimenten en onderzoekers.
Professor Zonnebloem
Nando Timmer kwam in 1984 bij de windenergiegroep van Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek. Voor het windenergieonderzoek was in 1980 een oude windtunnel, ‘de blaaspijp’, overgenomen van TNO-Iweco. Het ding, dat eruit ziet als een vinding van professor Zonnebloem, kwam terecht in een hal van het hogesnelheidslaboratorium. Misschien wel de meest bekende experimenten die ermee gedaan zijn, waren het onderzoek naar aerodynamische schaatspakken en de ontwikkeling van de stormvaste Senz-paraplu. Maar voor verdergaand onderzoek was de doorsnee van 2,20 meter te klein en de luchtstroom te wisselend, zodat er behoefte ontstond aan een nieuwe windtunnel voor windenergieonderzoek. Het toenmalige ministerie van onderwijs en wetenschappen zag wel wat in windenergieonderzoek aan de TU Delft en stak in 1986 een miljoen gulden in de plannen voor de tunnel. Dat geld zou ruim twintig jaar op de bank blijven staan.
Sinds die tijd heeft Nando Timmer zeker zes verschillende ontwerpen gemaakt voor een nieuwe open-straal windtunnel, steeds voor verschillende locaties. Onderzoek aan windturbines vereist een open windtunnel, omdat de rotor van een turbine de luchtstroom afremt (daar ontleent hij zijn energie aan), en de lucht naar buiten afbuigt. Bij een traditionele gesloten windtunnel leidt blokkering van de luchtstroom tot verkeerde meetwaarden, een open windtunnel heeft daar veel minder last van.
Pas met de (terug)verhuizing van de windenergiegroep van Civiele Techniek naar Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek in 2004 kwam er zicht op realisatie van de plannen voor een open windtunnel, alleen moest hij wel wat harder kunnen blazen dan oorspronkelijk gepland en zou er plaats moeten zijn voor ander onderzoek dan windenergie. Zo gezegd, zo gedaan. Nando Timmer paste zijn laatste ontwerp aan, en plaatste het op dezelfde plek als zijn eerste plan van twintig jaar eerder. En dat werd ‘m dan: de Open Jet Facility. Kosten: ongeveer 1,8 miljoen euro, exclusief de uitbouw van het hogesnelheidslab.
Flapjes
“Dit wordt het eerste onderwerp in de nieuwe tunnel”, stelt Gijs van Kuik, tegenwoordig wetenschappelijk hoofd van windonderzoeksinstituut DuWind, nu prof.dr. Gerard van Bussel hem is opgevolgd als hoogleraar windenergie. Van Kuik doelt op de dynamische rotorbladen. Verder zitten om tafel drie promovendi die allemaal aan ditzelfde onderwerp werken. Ir. Thanasis Barlas (L&R) doet de aerodynamica, ir. Jan Willem van Wingerden (3mE) de regeling en ir. Teun Hulskamp (L&R) de constructie. Alle drie zijn nodig voor de dynamische stabilisatie van een windturbineblad. Die stabilisatie moet wisselende belastingen in de rotorbladen drastisch verminderen (in theorie tot negentig procent) en daarmee de vermoeiing van het materiaal.
“Alle windturbinefabrikanten hebben te maken met het vermoeiingsprobleem”, zegt Van Kuik.” Nando Timmer beaamt: “Windturbines zijn de grootste vermoeiingsmachines ter aarde.” Wie erin slaagt de belastingswisselingen te verminderen, kan de constructie van het blad lichter maken, of groter – voor meer vermogen.
Van Wingerden kan het effect van dynamische stabilisatie laten zien. Hij en zijn twee medepromovendi plaatsten een fragment van een verkleind turbineblad in de LST-windtunnel. Opzettelijk liet hij het blad om zijn lengteas draaien om wisselbelastingen op te wekken. Een camera kijkt op de kopse kant van het blad richting de bevestiging. Inderdaad staat het blad met centimeters uitslag enorm te trillen in de wind. Dan gaat er een knop om en plotseling staat het blad vrijwel onbewogen in de luchtstroom. Knop uit, en het trillen begint weer. Magie, lijkt het.
Smart Structure Rotor, noemt Van Kuik het, en het werkt met bestuurbare flappen achteraan het rotorblad. “Het lijkt op de rolroeren van een vliegtuigvleugel, maar dan zonder ingewikkelde scharnieren, hydraulica en zo meer.” Net als bij een vliegtuigvleugel kunnen bestuurbare flappen aan een rotorblad de winddruk op het blad vergroten of verkleinen. Om het blad te stabiliseren, wordt de spanning in het blad gemeten. Wanneer die – bijvoorbeeld door een lokale windvlaag – toeneemt, corrigeert de flap de extra spanning. En bij minder kracht gaat het uiteraard andersom. In de windtunnel bleek een terugkoppeling tot twintig keer per seconde goed te werken. De flappen zijn elektrisch bestuurbaar door ingebouwde piëzo-elektrische elementen, die zich krommen naar gelang de opgelegde elektrische spanning. Ze zijn overdekt met schuim en folie voor een zo glad mogelijke integratie in het blad.
Het DuWind-team werkt nu aan een tweebladig model windturbine met zogenaamde smart blades voor in de nieuwe windtunnel. Daar moet het bewijs geleverd worden dat het zelfsturende flappen achteraan een rotorblad de wisselende krachten op het blad kunnen verminderen. Recent is de windenergiegroep een samenwerking aangegaan met het Amerikaanse Sandia National Laboratories. “Ze weten er alles van bladen”, zegt Van Kuik. Dat is prettig voor Delft. Omgekeerd zijn de Amerikanen erg geïnteresseerd in de mogelijkheid van intelligente bladen.
Onderzoek
“Je kunt het zo gek niet verzinnen, of ze stoppen het in een windtunnel”, vat Leo Veldhuis de diversiteit aan windonderzoek samen. Vrachtwagenmodellen, paraplu’s, badmintonshuttles, een spoiler voor een racewagen, de zonnewagen Nuna, een bobslee, wind tussen gebouwen en een vuurwerkhouder (bij welke windkracht valt ‘ie om?). Het heeft allemaal al eens in een windtunnel gestaan. Veldhuis heeft een groot bestand aan foto’s die de diversiteit aan onderzoek illustreren.
Ook de nieuwe open-straal tunnel OJF zal open staan voor derden; voor andere faculteiten op de TU, en ook voor externe klanten. Maar het hoofddoel is onderwijs en onderzoek. Veldhuis: “Er is ruimte tussen die hoofdtaken, maar ik wil niet de indruk wekken dat we er geld mee moeten gaan verdienen. We zijn geen commercieel bedrijf.”
Timmer sluit zich daarbij aan: “Duits-Nederlandse Windtunnels rekent 4500 euro per uur voor de tunnel in Marknesse en vijftigduizend voor die in Keulen. Daarin kun je geen explorerend onderzoek doen. Dat wordt onbetaalbaar. Hier kun je gerust een paar dagen aan je opstelling sleutelen.”
,Ontwerpdilemma
“De nieuwe windtunnel kan het ontwerp van windturbines een stuk vooruit helpen”, zegt prof.dr. Gerard van Bussel, hoogleraar windenergie bij Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek. Het probleem is dat berekeningen aan windturbines slecht overeenstemmen met de praktijk. Gecontroleerde metingen, die nodig zijn om theorie en praktijk nader tot elkaar te brengen, zijn alleen mogelijk in een geschikte windtunnel. Volgens Van Bussel zijn onderdelen van het ontwerpproces van windturbines zo al verbeterd. Maar fabrikanten blijven vooralsnog aan de veilige kant met hun constructies. “Als het goed is, worden de windmolens nu overgedimensioneerd. Als het fout is, gaan ze kapot. Beiden zijn niet goed”, vat Van Bussel het dilemma van windmolenontwerpers samen.
“Open jet betekent een vrije luchtstroom”, zegt wetenschappelijk directeur van windenergieonderzoeksinstituut DuWind prof.dr.ir. Gijs van Kuik (Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek). “Dat is ideaal voor onderzoek aan windturbines. Turbines zijn ervoor gemaakt om zoveel mogelijk lucht tegen te houden. Maar in een gesloten tunnel geeft dat problemen.”
Gevraagd naar de unieke eigenschappen van de tunnel, zegt universitair docent aerodynamica dr.ir. Leo Veldhuis van Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek (L&R): “Het is vooral een onderzoekstunnel. Driekwart van de tijd zal hij gebruikt worden voor explorerend onderzoek en onderwijs. Andere tunnels zijn daarvoor te duur.”
De ontwerper van de tunnel, ir. Nando Timmer, eveneens van L&R, is blij dat het toch zo ver gekomen is. “Gelukkig had ik veel leuk werk ernaast”, relativeert hij het wachten. Want het was onzeker of de beloofde tunnel er wel zou komen.
Tegenover de hoogbouw van L&R staat het hogesnelheidslaboratorium met windtunnels voor transsone en hypersone luchtstromen. Daar is vorige week de Open Jet Facility of Open Straal Windtunnel bijgekomen. Het hart daarvan is een metershoge ventilator in een kooiconstructie. Het monster wordt aangedreven door een elektromotor van vijfhonderd kilowatt, die de lucht opzweept tot maximaal 35 meter per seconde (ruim 120 kilometer per uur). Vanaf de ventilator passeert de lucht twee stelsels hoekschoepen, die de lucht tweemaal door een haakse bocht naar links sturen. Daarna komt de wind door een strak gespannen gaas, zo groot als een theatergordijn. Dat moet snelheidsverschillen in de luchtstroom verminderen doordat snelle lucht er meer weerstand van ondervindt dan langzame. Vervolgens passeert de lucht een stelsel van horizontale en verticale schoepen, de gelijkrichter, dat de luchtstroom egaler maakt door dwarsstromen te blokkeren. Aan het einde van de zogenaamde suskamer, waar de lucht kan uitzetten en tot rust komt, volgt een trechterachtige constructie die de lucht bundelt naar de achthoekige uitstroomopening van 2,85 meter doorsnede. De opening bevindt zich bovenin een 6,5 meter brede hal. Aan het einde daarvan, vijftien meter verderop, is over volledige hoogte een enorme koelradiator aangebracht. Het apparaat, dat 350 kilowatt verbruikt, onttrekt de warmte aan de lucht voordat die via weer twee sets hoekschoepen teruggeleid wordt naar de ventilator. “Op vol vermogen, maar dat gebeurt zelden, kunnen we een uurtje draaien”, schat Timmer. Daarna wordt de lucht ondanks de koeling alsnog te warm (meer dan veertig graden) voor experimenten en onderzoekers.
Professor Zonnebloem
Nando Timmer kwam in 1984 bij de windenergiegroep van Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek. Voor het windenergieonderzoek was in 1980 een oude windtunnel, ‘de blaaspijp’, overgenomen van TNO-Iweco. Het ding, dat eruit ziet als een vinding van professor Zonnebloem, kwam terecht in een hal van het hogesnelheidslaboratorium. Misschien wel de meest bekende experimenten die ermee gedaan zijn, waren het onderzoek naar aerodynamische schaatspakken en de ontwikkeling van de stormvaste Senz-paraplu. Maar voor verdergaand onderzoek was de doorsnee van 2,20 meter te klein en de luchtstroom te wisselend, zodat er behoefte ontstond aan een nieuwe windtunnel voor windenergieonderzoek. Het toenmalige ministerie van onderwijs en wetenschappen zag wel wat in windenergieonderzoek aan de TU Delft en stak in 1986 een miljoen gulden in de plannen voor de tunnel. Dat geld zou ruim twintig jaar op de bank blijven staan.
Sinds die tijd heeft Nando Timmer zeker zes verschillende ontwerpen gemaakt voor een nieuwe open-straal windtunnel, steeds voor verschillende locaties. Onderzoek aan windturbines vereist een open windtunnel, omdat de rotor van een turbine de luchtstroom afremt (daar ontleent hij zijn energie aan), en de lucht naar buiten afbuigt. Bij een traditionele gesloten windtunnel leidt blokkering van de luchtstroom tot verkeerde meetwaarden, een open windtunnel heeft daar veel minder last van.
Pas met de (terug)verhuizing van de windenergiegroep van Civiele Techniek naar Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek in 2004 kwam er zicht op realisatie van de plannen voor een open windtunnel, alleen moest hij wel wat harder kunnen blazen dan oorspronkelijk gepland en zou er plaats moeten zijn voor ander onderzoek dan windenergie. Zo gezegd, zo gedaan. Nando Timmer paste zijn laatste ontwerp aan, en plaatste het op dezelfde plek als zijn eerste plan van twintig jaar eerder. En dat werd ‘m dan: de Open Jet Facility. Kosten: ongeveer 1,8 miljoen euro, exclusief de uitbouw van het hogesnelheidslab.
Flapjes
“Dit wordt het eerste onderwerp in de nieuwe tunnel”, stelt Gijs van Kuik, tegenwoordig wetenschappelijk hoofd van windonderzoeksinstituut DuWind, nu prof.dr. Gerard van Bussel hem is opgevolgd als hoogleraar windenergie. Van Kuik doelt op de dynamische rotorbladen. Verder zitten om tafel drie promovendi die allemaal aan ditzelfde onderwerp werken. Ir. Thanasis Barlas (L&R) doet de aerodynamica, ir. Jan Willem van Wingerden (3mE) de regeling en ir. Teun Hulskamp (L&R) de constructie. Alle drie zijn nodig voor de dynamische stabilisatie van een windturbineblad. Die stabilisatie moet wisselende belastingen in de rotorbladen drastisch verminderen (in theorie tot negentig procent) en daarmee de vermoeiing van het materiaal.
“Alle windturbinefabrikanten hebben te maken met het vermoeiingsprobleem”, zegt Van Kuik.” Nando Timmer beaamt: “Windturbines zijn de grootste vermoeiingsmachines ter aarde.” Wie erin slaagt de belastingswisselingen te verminderen, kan de constructie van het blad lichter maken, of groter – voor meer vermogen.
Van Wingerden kan het effect van dynamische stabilisatie laten zien. Hij en zijn twee medepromovendi plaatsten een fragment van een verkleind turbineblad in de LST-windtunnel. Opzettelijk liet hij het blad om zijn lengteas draaien om wisselbelastingen op te wekken. Een camera kijkt op de kopse kant van het blad richting de bevestiging. Inderdaad staat het blad met centimeters uitslag enorm te trillen in de wind. Dan gaat er een knop om en plotseling staat het blad vrijwel onbewogen in de luchtstroom. Knop uit, en het trillen begint weer. Magie, lijkt het.
Smart Structure Rotor, noemt Van Kuik het, en het werkt met bestuurbare flappen achteraan het rotorblad. “Het lijkt op de rolroeren van een vliegtuigvleugel, maar dan zonder ingewikkelde scharnieren, hydraulica en zo meer.” Net als bij een vliegtuigvleugel kunnen bestuurbare flappen aan een rotorblad de winddruk op het blad vergroten of verkleinen. Om het blad te stabiliseren, wordt de spanning in het blad gemeten. Wanneer die – bijvoorbeeld door een lokale windvlaag – toeneemt, corrigeert de flap de extra spanning. En bij minder kracht gaat het uiteraard andersom. In de windtunnel bleek een terugkoppeling tot twintig keer per seconde goed te werken. De flappen zijn elektrisch bestuurbaar door ingebouwde piëzo-elektrische elementen, die zich krommen naar gelang de opgelegde elektrische spanning. Ze zijn overdekt met schuim en folie voor een zo glad mogelijke integratie in het blad.
Het DuWind-team werkt nu aan een tweebladig model windturbine met zogenaamde smart blades voor in de nieuwe windtunnel. Daar moet het bewijs geleverd worden dat het zelfsturende flappen achteraan een rotorblad de wisselende krachten op het blad kunnen verminderen. Recent is de windenergiegroep een samenwerking aangegaan met het Amerikaanse Sandia National Laboratories. “Ze weten er alles van bladen”, zegt Van Kuik. Dat is prettig voor Delft. Omgekeerd zijn de Amerikanen erg geïnteresseerd in de mogelijkheid van intelligente bladen.
Onderzoek
“Je kunt het zo gek niet verzinnen, of ze stoppen het in een windtunnel”, vat Leo Veldhuis de diversiteit aan windonderzoek samen. Vrachtwagenmodellen, paraplu’s, badmintonshuttles, een spoiler voor een racewagen, de zonnewagen Nuna, een bobslee, wind tussen gebouwen en een vuurwerkhouder (bij welke windkracht valt ‘ie om?). Het heeft allemaal al eens in een windtunnel gestaan. Veldhuis heeft een groot bestand aan foto’s die de diversiteit aan onderzoek illustreren.
Ook de nieuwe open-straal tunnel OJF zal open staan voor derden; voor andere faculteiten op de TU, en ook voor externe klanten. Maar het hoofddoel is onderwijs en onderzoek. Veldhuis: “Er is ruimte tussen die hoofdtaken, maar ik wil niet de indruk wekken dat we er geld mee moeten gaan verdienen. We zijn geen commercieel bedrijf.”
Timmer sluit zich daarbij aan: “Duits-Nederlandse Windtunnels rekent 4500 euro per uur voor de tunnel in Marknesse en vijftigduizend voor die in Keulen. Daarin kun je geen explorerend onderzoek doen. Dat wordt onbetaalbaar. Hier kun je gerust een paar dagen aan je opstelling sleutelen.”
OntwerpdilemmaOntwerpdilemma
Ontwerpdilemma
“De nieuwe windtunnel kan het ontwerp van windturbines een stuk vooruit helpen”, zegt prof.dr. Gerard van Bussel, hoogleraar windenergie bij Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek. Het probleem is dat berekeningen aan windturbines slecht overeenstemmen met de praktijk. Gecontroleerde metingen, die nodig zijn om theorie en praktijk nader tot elkaar te brengen, zijn alleen mogelijk in een geschikte windtunnel. Volgens Van Bussel zijn onderdelen van het ontwerpproces van windturbines zo al verbeterd. Maar fabrikanten blijven vooralsnog aan de veilige kant met hun constructies. “Als het goed is, worden de windmolens nu overgedimensioneerd. Als het fout is, gaan ze kapot. Beiden zijn niet goed”, vat Van Bussel het dilemma van windmolenontwerpers samen.
Heb je een vraag of opmerking over dit artikel?
delta@tudelft.nl
Comments are closed.