Alles in de wind De nieuwe windtunnel Open Jet Facility, die op 24 oktober zijn eerste wind zal maken, leeft al meer dan twintig jaar in het hoofd van ontwerper Nando Timmer. “Er zijn momenten geweest dat ik dacht dat het er niet meer van zou komen.”
focus
Jos Wassink
8
“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 gevuld zijn met 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 zover 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. Zaagsel Tegenover de hoogbouw van L&R staat het hogesnelheidslaboratorium met windtunnels voor transsone en hypersone luchtstromen. Deze zomer wordt er de laatste hand gelegd aan een bruine uitbouw van het lage gebouwtje. De hal vormt het onderkomen van de Open Jet Facility of Open Straal Windtunnel. Binnen ruikt het nog naar spaanplaat en de vloer ligt bezaaid met zaagsel en snoeren. Veldhuis laveert tussen het gereedschap door om de binnenkant van de tunnel te laten zien. Donkerbruine spaanplaat panelen vormen een taps toelopende ruimte die uitmondt op een metershoge ventilator in een kooiconstructie. Maar goed dat ‘ie nog niet draait. Het monster wordt straks aangedreven door een elektromotor van vijfhonderd kilowatt. Die zal de lucht versnellen tot maximaal 35 meter per seconde (ruim 120 kilometer per uur). Vanaf de ventilator passeert de lucht dan 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, die 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 vol8•3
Delft Integraal
ledige 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 onder leiding van prof.dr.ir. Theo Holten (tegenwoordig vooral bekend vanwege zijn ornicopter). Voor het windenergieonderzoek was in 1980 een oude windtunnel, ‘de blaaspijp’, over genomen 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 aërodynamische schaatspakken en de ontwikkeling van de stormvaste Senz-paraplu. Het windenergieonderzoek in deze tunnel heeft tot enkele promoties geleid en tot verbeteringen van ontwerpregels voor windturbines. Voor verdergaand onderzoek was
‘Je kunt het zo gek niet verzinnen, of ze stoppen het in een windtunnel’ de doorsnee van 2,20 meter te klein, zodat de 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. Het eerste ontwerp dat Nando Timmer in 1987 maakte, was op de kop van het Laboratorium voor Hoge Snelheden aan de Kluyverweg, met een stalen omloop buiten het gebouw om. Daartegen maakte L&R groot bezwaar. Enkele jaren later verhuisde de windenergiegroep van L&R naar Civiele Techniek. Eerst (in juni 1989 al) werd nieuwbouw achter het gebouw voor Civiele Techniek overwogen, maar dat was met 3,1 miljoen gulden veel te duur. Een jaar later werd bekend dat de hal Stevin II – achter Civiele >>
8•3
Delft Integraal
9
Foto’s: Sam Rentmeester/fmax
focus
focus
Nando Timmer en Leo Veldhuis: “Het zijn de grootste vermoeiingsmachines ter wereld.”
‘Overheidssubsidie voor de tunnel bleef ruim twintig jaar op de bank staan’
Het eerste onderwerp in de nieuwe windtunnel: de dynamische stabilisering van een rotorblad van promovendi ir. Teun Hulskamp en ir. Thanisas Barlas.
10
8•3
Delft Integraal
Techniek – vrij zou komen. Timmer paste de plannen aan op de hal en verzon een verticale windtunnel met terugstroom door de zwaar gefundeerde kelder. Het mooie plan kon weg toen bleek dat de hal toch al een bestemming had. Vrijwel direct daarna (januari 1991) kwam de hal Stevin I vrij. De vreugde daarover zakte al snel weg toen grootse verbouwingen nodig bleken. In 1994 kreeg de oude blaaspijp een nieuw onderkomen aan de Leeghwaterstraat, nabij de uit 1953 stammende Lage Snelheids Tunnel (lst, ook wel ltt genoemd). Vanaf 2000 maakte Nando Timmer plannen om de uitstroom van de blaaspijp en de terugstroom langs de wanden van elkaar te scheiden. Eerst met coulissen parallel aan de uitstroom, daarna ook met hoekschoepen aan het einde van de ruimte om de lucht terug te leiden. Toen bedacht hij dat het handiger was om de terugstromende lucht langs één kant te laten lopen en in 2003 lag er een ontwerp voor een open-straal-windtunnel. Maar toen (2004) kwam de positie van de windenergiegroep opnieuw in het geding. Civiele Techniek wilde de groep, die inmiddels onder leiding stond van prof. Gijs van Kuik, graag kwijt aan Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek. Van Kuik beleefde de verhuizing naar L&R als een thuiskomst. Men had er wel oren naar een nieuwe openstraal-windtunnel, alleen moest ‘ie wel wat harder kunnen blazen (tot 35 meter per seconde) en zou er plaats moeten zijn voor ander onderzoek dan alleen aan windturbines. Zo gezegd, zo gedaan. Nando Timmer paste zijn laatste ontwerp aan, en plaatste het op de oorspronkelijke plek.
En dat werd ‘m dan: de Open Jet Facility. Kosten: ongeveer 1,8 miljoen euro, exclusief de uitbouw.
‘Op vol vermogen kunnen we een uurtje draaien. Daarna wordt de lucht ondanks de koeling alsnog te warm voor experimenten en onderzoekers’ 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: “Vermoeiing is een van de grootste ontwerpproblemen bij windturbines. Je hebt rotoren tot 126 meter diameter. Het zijn de grootste vermoeiingsmachines ter wereld.” Wie erin slaagt de belastingswisselingen te ver-
focus
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 opgevolgd is 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
Prof. Gijs van Kuik.
minderen 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 lstwindtunnel. 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 Rotors, 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 span- >>
Windtunnels aan de TU Delft tunnel
locatie
doorsnede
windsnelheid
DCT-tunnel
Julianalaaan
bouwjaar
1 x 0,6 m
7 m/s
Blaaspijp
Leeghwaterstraat
1980
2,2 m Ø
20 m/s
OJF Open Jet Facility
Kluyverweg
2008
2,85 x 2,85 m
35 m/s
Subsonic Boundary Layer Tunnel
Rotterdamseweg
1,25 x 0,25 m
50 m/s
Low Turbulence Tunnel LTT
Leeghwaterstraat
1953
1,25 x 1,80 m
120 m/s
ST-4 Supersonic Wind Tunnel
Kluyverweg
1962
40 x 40 mm
Mach 0,5 – 3,0
ST-15 Supersonic Wind Tunnel
Kluyverweg
150 x 150 mm
Mach 0,7 – 3,0
ST-3 Supersonic Wind Tunnel
Kluyverweg
30 x 30 mm
Mach 1,5 – 3,5
TST-27 Transsonic Wind Tunnel
Kluyverweg
1962
28 x 28 cm
Mach 1,1 – 4,2
HTFD Hypersonic Wind Tunnel
Kluyverweg
1995
350 mm Ø
Mach 6 – 11
8•3
Delft Integraal
11
ecn-windenergieproefveld bij Wieringen. 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. Nou ja, onderzoek. Een sbs-6-reporter in de tunnel naar aanleiding van orkaan Katrina kun je moeilijk van onderzoeksjournalistiek betichten. Anders ligt het bij tests van vrachtwagenmodellen, paraplu’s, badmintonshuttles (binnenkort op de markt), een spoiler
Lange diffusor De diffusor vergroot de doorsnede van de luchtstroom zonder dat de stroming van de wand loslaat.
Ventilator/fan De open straal tunnel is een gesloten circuit waarin een ventilator (motorvermogen 500 kW) lucht rondpompt. De fan compenseert de wrijvingsverliezen in het kanaal die ontstaan doordat de lucht energie verliest door wrijving met de hoekschoe-pen, wanden, gazen en koeler.
focus
Vlak snelheidsprofiel Doel van de tunnel is om een luchtstroom langs een meetobject te blazen waarbij het snelheidsprofiel van de lucht zo vlak mogelijk is. Dit houdt in dat snelheidsvariaties en turbulentie in de luchtstroom in de testsectie minimaal moeten zijn. Probleem is dat de roterende ventilator veel wervelingen en turbulentie in de lucht introduceert.
voor een racewagen, de zonnewagen Nuna, een bobslee, wind tussen gebouwen en een vuurwerkhouder (bij welke windkracht valt ‘ie om?). Veldhuis heeft een groot bestand aan foto’s die de diversiteit aan onderzoek illustreren. Ook de nieuwe open-straaltunnel ojf zal open staan voor derden; voor andere faculteiten op de TU, en 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 moeten gaan inverdienen. We zijn geen commercieel bedrijf.” Timmer sluit zich daarbij aan: “dnw (Duits-Nederlandse Windtunnels – red.) rekent 4.500 euro per uur voor de tunnel in Marknesse en 50 duizend 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.” De eerste twee Europese projecten waarin de ojf een rol speelt zijn intussen gehonoreerd. << Prof. Gijs van Kuik
[email protected] +31 (0)15 27 84980 Ir. Nando Timmer
[email protected] +31 (0)15 27 88279 Dr.ir. Leo Veldhuis
[email protected] tel: +31 (0)15 27 82009
Ongewenst geluid De ventilator produceert veel geluid (100 dB) waardoor er ongewenste wervelingen in de luchtstroom ontstaan. Om deze wervelingen uit te dempen is de stalen ventilatorbuis bekleed met foam en zijn alle andere wanden en vloeren bekleed met minerale wol en af- gedekt met geperforeerde plaat (om de weerstand van de wand laag te houden).
Tweede contractor De tweede contractie verbindt het kanaal met de ingang naar de ventilator. Hierbij moet het snelheidsprofiel zo egaal mogelijk worden omdat er anders een grillig profiel de ventilator in gaat waardoor er een slechter profiel uitkomt.
Foambekleding
Hoekschoepen In elke bocht geleiden 17-18 schoepen de luchtstroom de bocht om.
Ventilatorvermogen 500 kW Koelvermogen 350 kW Meetsectie 2,85 x 2,85 m
Korte diffusor Vergroot over korte afstand de doorsnede dankzij een gaas dat stromingsloslating tegen gaat.
Luchtsnelheid 35 m/s
Gelijkrichter Een honingraat (celbreedte 9,5 mm) vermindert richtingsafwijkingen in de luchtstroom.
Anti-tubulentie gazen Vijf gazen met rechte mazen (maaswijdte 1 mm, draaddikte 0,2 mm) verminderen lokale en tijdsafhankelijke snelheidsverschillen.
Suskamer Het uitgangspunt van de openstraal tunnel is een uitstroomoppervlak van 7,5 m 2 (meetsectie: 2,85 x 2,85 m). Binnen de mogelijkheden van de hal kon een contractieverhouding van 3:1 worden gerealiseerd. De suskamerdoorsnede is daarmee circa 22 m 2 .
12
8•3
Delft Integraal
focus
ning 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 smart blades voor in de nieuwe windtunnel. Daar moet het bewijs geleverd worden dat het concept van de zelfsturende smart structures de wisselende krachten op het rotorblad vermindert. De volgende stap is dan een set slimme rotorbladen op een kleine windturbine op het
Luchtstroom
2,85 m Geperforeerde plaat op minerale wol Eerste contractor In de contractietuit wordt de lucht fors versneld (maximale luchtsnelheid 35 m/s = 120 km/u). De uitstroomopening van de tuit heeft een achthoekige vorm (2,85 m in het vierkant) als compromis omdat bij sommige experimenten een vierkante testsectiedoorsnede en bij andere juist een ronde doorsnede gewenst is.
Gesloten versus Open Tunnel Bij een gesloten windtunnel blokkeert een meetobject de luchtstroom door de meetsectie. De lucht moet zich dan tussen het object en de tunnelwand persen en verstoort zo de luchtstroom rondom het object. Bij een open straal tunnel staat het meetobject in een grote ruimte zodat de luchtstroom vrij om het object kan bewegen .
Meetopstelling In de luchtstroom kan bijvoorbeeld een draaiend rotormodel geplaatst worden (maximale diameter 2 m) om de belasting op de rotor of de luchtsnelheden in het zog achter de rotor te meten.
Spiraalvormige wervels De roterende rotor veroorzaakt spiraalvormige wervelingen.
Koelradiator Koelleidingen lopen door duizenden radiatorplaatjes (koelvermogen 350 kW) die warmte aan de lucht onttrekken. Omdat de radiator veel extra luchtweerstand veroorzaakt staat deze op een plek in het circuit waar de luchtsnelheden het laagst zijn.
8•3
Delft Integraal
13
