Bij de faculteit Lucht- en Ruimtevaart van de TU Delft wordt onderzoek gedaan aan moderne windmolens. Met name vermoeidheidsverschijnselen en haarscheurvorming in de rotorbladen is een uitdagend onderzoeksitem. Toeval of niet, maar de onderzoeker die over dit onderwerp college geeft, woont 50 meter van de Roos. Regelmatig neemt hij zijn studenten mee naar de molen.
Scheurtjes onder de loep
Het feit dat de Roos onlangs twee nieuwe roeden heeft gekregen vanwege scheurvorming, heeft twee gidsen van de Roos met een TU Delft-achtergrond in materiaalkunde en robotica op het idee gebracht om te kijken of er bij de TU Delft belangstelling is om onderzoek te doen naar het ontwerp en slijtage van die roeden. De TU Delft heeft inmiddels een deel van de oude roeden (met de scheuren) ter bestudering in haar lab.
Sensoren op de wieken
Twee honourstudenten van de TU Delft doen hier dit jaar (2024) onderzoek naar. Op het programma staat:
- Bekijken van een aantal verschillende molentypen met Jan Spruit
- Het opzetten van een Dynamisch Systeemmodel van enkele hiervan, met name de Roos
- Het realiseren van een sensornetwerk om de parameters van de Roos te meten
- Identificatie van de zwakke punten in het ontwerp van de roeden en mogelijkerwijs tot een nieuw schetsontwerp komen voor roeden voor historische windmolens
Ad 1. Molentypen met verschillende functies: korenmolen, poldermolen, zaagmolen, maar ook bouw, stellingmolen, grondzeiler, wipmolen, standerdmolen, en de verschillen in opbouw van de roeden.
Ad 2. De wind geeft een sterk wisselende kracht op de wieken, die resulteert in wisselende snelheden, versnellingen en ruk, die via tandwiel-overbrengingen (met speling en wrijving) overgebracht wordt op de molensteenkoppels. Die geven wrijving die afhankelijk is van de hoeveelheid toegevoerd graan, de kwaliteit van de stenen en de spleet tussen de stenen die is ingesteld door de molenaar en de automatische regelaar. De roeden ondervinden ritmische buigingsbelasting in de draairichting door de zwaartekracht, buigingsbelasting in de windrichting door de wind en ten slotte door de vleugelvorm van de wieken wringen de roeden. De “sweet spot” van deze belastingen is daar waar de wieken boven de molen uitkomen. En laat daar nou net een lasnaad zitten. Met een goed computermodel van de molen kun je zien waar in dit systeem bij wisselende (ruk-)winden pieken in de belastingen te vinden zijn.
Ad 3. Hoe gedraagt de molen zich bij wisselende winden en hoe gedraagt je model zich? Dat kan je vinden door bewegings-/trillings-sensoren op de molen aan te brengen zoals op de uiteinden van de roeden. Huidige processortjes en sensoren zijn klein, gebruiken nauwelijks stroom en communiceren via WiFi.
Ad 4. Door met het model te spelen met synthetische data en met de data van de sensoren, kun je nu ook kwantitatief bepalen waar piekbelastingen optreden, hoe erg dit is en wat je daar eventueel aan zou kunnen doen. Je kan de huidige ontwerpen van de typen roeden met elkaar vergelijken, de mogelijk zwakke punten vinden en een nieuw schetsontwerp maken dat hopelijk minder onderhoud vergt.
Excerpt in English
Research Windmill Design
In 2024 two Honours students of TU Delft will do research on the beams of the historic windmill De Roos. The outcome of their research will be used in the design of modern day wind turbines.
Given the fact that this is a common problem in historic windmills and the cost of the replacement of the beams is close to 100K Euro, it makes sense to have a look at the problem from the viewpoint of modern windmill design, however keeping in mind the historic character of the windmill. The project consists of setting up a dynamic system simulation of their mechanism, and resulting in the forces distribution of their beams, evaluating the existing solutions (with experts from the current beam manufacturers) and coming with an updated design for the beams based on current technological insights keeping the historic requirements in mind.
This system simulation can be designed based on an inventory round among the various types of historic windmills in the Netherlands (with experts from the Dutch Windmill Foundation (de Hollandse Molen) and describing their dynamic systems, weak points, problems and maintenance points.
Next to this, the dynamic system simulation could become a great tool for the future to evaluate and analyze potential designs that deviate from the ideal situation due to e.g. costs reasons or other requirements.