Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2975
Main Title: Strömungsbeeinflussung bei Rotorblättern von Windenergieanlagen mit Schwerpunkt auf Grenzschichtabsaugung
Translated Title: Flow Control for Wind Turbine Rotors with Emphasis on Active Boundary Layer Suction
Author(s): Souza Heinzelmann, Barbara
Advisor(s): Thamsen, Paul Uwe
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Der Inhalt dieser Arbeit ist die passive und aktive Strömungsbeeinflussung für Rotorblätter von Windenergieanlagen (WEA) mit Schwerpunkt auf aerodynamischer Optimierung. Die Strömungsbeeinflussung bietet die Möglichkeit der aerodynamischen, aeroelastischen und aeroakustischen Optimierung, die in den meisten Fällen einer Verbessung der Gleitzahl und Reduzierung von Lasten und Schallemissionen entspricht. Die vorliegende Arbeit bietet eine Übersicht der Maßnahmen zur Strömungsbeeinflussung, die bei WEA bereits erprobt sind oder aktuell erforscht werden. Das Ziel und die physikalische Wirkungsweise werden erläutert, sowie der Stand der Forschung und die technischen Anwendungen wiedergegeben. Der Überblick konzentriert sich auf die passiven Maßnahmen. Schwerpunktmäßig wird die aktive Maßnahme der Grenzschichtabsaugung experimentell untersucht. Die Untersuchungen werden an einem dicken Profil durchgeführt, das für den Einsatz bei WEA speziell an der TU Delft ausgelegt wurde. Die Ergebnisse werden hier erläutert. Eine auf numerischen Simulationen basierende Analyse der Umströmung von WEA-Rotorblättern wird dargestellt und weist auf Stellen mit Potential zur Strömungsoptimierung hin. Im Blattinnenbereich werden üblicherweise eine ausgeprägte abgelöste Strömung und eine Querströmung beobachtet. Diese erstrecken sich auf der Saugseite des Blattes bis zu 30% des Aussenradius beim Auslegungsbetriebspunkt. Die übliche zylindrische Form des Naben-Blatt-Anschlusses, die Wechselwirkung mit Gondel und Spinner, der Konturverlauf (Profiltiefenverlauf) und die Verwindung des Blattes spielen bei der Entstehung und Ausbreitung der abgelösten Strömung eine entscheidende Rolle. Die mit dem Ablösungsgebiet verbundene Querströmung ergibt sich unter dem Einfluss der Rotation. Den dreidimensionalen Effekten im Nabenbereich werden eine Ablösungsverschiebung zur Blatthinterkante und eine Auftriebserhöhung zugeschrieben. Eine spannweitige Begrenzung dieser Querströmung bspw. durch die Anwendung von Grenzschichtzäunen ergibt eine leichte Verbesserung des aerodynamischen Rotorleistungsbeiwertes nach den Ergebnissen der numerischen Untersuchungen. Trotz Widerstandszuwachses und Auftriebseinbuße in unmittelbarer Nähe der Grenzschichtzäune wird eine leichte Verbesserung des Rotorleistungsbeiwertes für die Auslegungsschnelllaufzahl berechnet. Die aktive Maßnahme der Absaugung der Grenzschicht ist eine erprobte Technik zur Verbesserung des aerodynamischen Auftriebes und eine geeignete Möglichkeit zur Stabilisierung der Strömung und Optimierung des Rotorleistungsbeiwertes für verschiedene Betriebspunkte. Mit dem Ziel der direkten Ablösungskontrolle werden zweidimensionale Modellversuche im Windkanal mit diskreter Grenzschichtabsaugung bei einem dicken Profil, das häufig Einsatz in Naben- und Mittelblattbereichen von Mega- und Multimegawatt-WEA findet, durchgeführt. Die Absaugöffnungen werden bei 65% der Profiltiefe platziert. Die Ergebnisse sind überwiegend positiv und zeigen bei Farbanstrichversuchen eine Reduktion bzw. Vermeidung der Ablösung. Eine Auftriebsverbesserung wird aufgrund von Druckmessungen entlang des Profils errechnet. Es ist darauf hinzuweisen, dass die relativen Verbesserungen des aerodynamischen Auftriebes, die im 2D-Fall ermittelt werden, im 3D-Fall wahrscheinlich kleiner ausfallen werden, da im 3D-Fall im Nabenbereich aufgrund der Grenzschichtabschleuderung und des Gittereffektes bereits höhere Auftriebs¬beiwerte auftreten. Dreidimensionale Versuche in Nachfolgearbeiten sollten daher zeigen, inwieweit der Einsatz der Grenzschichtabsaugung hinsichtlich der Leistungssteigerung einen signifikanten Effekt ergibt. Weitere Untersuchungen sollten klären, ob die Maßnahme der Grenzschichtabsaugung effektiv bei Standorten mit zwei signifikanten Windgeschwindigkeitsklassen oder mit hohem Turbulenzgrad ist. Bei den 3D-Versuchen wird empfohlen, die passive Lösung mit Absaugstelle im Nabenbereich und Auslassstelle im Blattspitzenbereich zu wählen, da nach ersten Abschätzungen die niedrigsten effizienten Absaugraten mit dem passiven System erreicht werden können.
This thesis is focused on flow control techniques for wind turbine rotors. Flow control enables aerodynamic, aeroelastic and aeroacoustic design optimization, which leads to, in most cases, an increase in efficiency and reduction of loads and noise emissions. An analysis of the flow on wind turbine blades, mostly based on numerical simulations, is presented and confirms the potential for optimization. This work includes an overview of the aim and functionality of flow control in the field of wind energy, along with a description of state-of-the-art technology and methods in research and industry, focused on passive techniques for aerodynamic design optimization. An experimental investigation into active boundary layer suction on a wind turbine airfoil forms the main body of the work. Stalled and cross flows have been witnessed in the inboard area. The cross flow initiates in the hub and usually covers up to 30% of the span at the suction side of the blade. The geometrical forms of the blade-hub connection, spinner and nacelle, and Coriolis and centrifugal forces influence the development and expansion of this secondary flow. These well known ‘radial effects’ contribute to a stall delay and higher lift coefficients in the root area of wind turbine blades, in comparison to stationary two dimensional airfoil flows. However, investigations discussed in this thesis showed the possibility of a power improvement as a result of the radial limiting of this cross flow, for example through the use of the passive technique of boundary layer fences (also called stall barriers). In spite of the drag increase and lift loss in the immediate neighborhood of the fences, a slight rotor power increase was calculated for the design tip speed ratio. Boundary layer suction, an active flow control method proven to increase the aerodynamic lift of airfoils, was chosen for further investigations on control of the stalled and cross flows. This technique is a suitable candidate for stabilizing the flow at the inboard area and optimizing wind turbine rotor efficiency in both design and off-design tip speed ratios. With the aim of direct control of the stalled flow, 2D wind tunnel tests were conducted with discrete boundary layer suction. The selected airfoil was designed by the TU Delft to be placed at the root and middle sections of wind turbine blades. The results of the experiments were mostly positive, showing a reduction of the stalled area by surface flow visualizations. The suction peak grows wider and is intensified by applying boundary layer suction and a significant lift coefficient enhancement was measured. According to investigations of flow control at the root area, however, the relative lift improvement is expected to be smaller in 3D than in the 2D case. Three-dimensional tests of suction systems at the inboard area are therefore important in further investigations to confirm that the expected improvement of rotor efficiency is significant. Further work may also show if the technique can be useful in sites with two significant wind velocity classes or with high turbulence intensity. The results of this research encourage three-dimensional tests of a passive suction system at the root area coupled with exhaust at the tip blade region to explore the effects of centrifugal forces. By first estimation, the effective lowest suction coefficients considered in these experiments can be reached with this passive suction system solution on a megawatt wind turbine rotor.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-32473
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/3272
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2975
Exam Date: 23-Jun-2011
Issue Date: 18-Oct-2011
Date Available: 18-Oct-2011
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Ablösung
CFD
Dickes Profil
Dreidimensionale Effekte
Nabenbereich
CFD
Inboard rotor area
Radial flow
Stall
Thick airfoil
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