Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5077
Main Title: Beitrag zur Berechnung von Windenergierotoren unter Beachtung der Gleitzahl
Translated Title: Contribution to the calculation of blades of small windenergysystems
Author(s): Naumann, David Till Nikolas
Advisor(s): Lehr, Heinz
Referee(s): Thamsen, Paul Uwe
Klünder, Reimund
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: de
Abstract: In dieser Arbeit wird eine Radialschnitttheorie zur Auslegung von Windenergierotoren mit horizontaler Achse unter Beachtung der Gleitzahl vorgestellt und experimentell validiert. Die Validierung erfolgt anhand eines relativen Vergleichs der resultierenden Kennlinien der Leistungs- und Momentenbeiwerte in Abhängigkeit des jeweiligen Betriebspunktes (cp(λ), cm(λ)). Insbesondere für die Rotorgeometrie- und Kennlinienberechnung von kleinen und kleinsten Windenergierotoren stellt diese Theorie eine Erweiterung des Stands der Technik dar. Es wird eine analytische Lösung zur Berechnung der Rotorblattkontur unter Berücksichtigung des Strömungswiderstandes nach [9] gefunden und experimentell validiert. Die Diskussion der Ergebnisse stellt die charakteristischen Kennlinien, die betriebspunktabhängigen Verläufe des Leistungsbeiwertes cp(λ) und des Momentenbeiwertes cm(λ) zweier verschiedener Rotorblattgeometrien gegenüber. Ein Rotor wurde nach der reibungsbehafteten Radialschnitttheorie [9] (Rotor_KW), der andere nach dem Stand der Technik [8] (Rotor_GS), ausgelegt (Abschnitt 0). Die Rotorblattgüte, der Betrag der Gleitzahl E(r) über den Radius, sinkt mit abnehmender Rotorblattgröße aufgrund der sich einstellenden Strömungsbedingungen. Das Merkmal zur Charakterisierung der Strömung stellt hierbei die Reynoldszahl Re(r) dar, die sich im Betriebsbereich einer Mirkoturbine über das Rotorblatt einstellt. In den Theorien von [2], [7], [8] und [19] werden teilweise Profilgleitzahlen betrachtet; jedoch nur durch Korrekturtherme auf Basis einer reibungslosen Auslegungsberechnung der resultierenden Rotorblatttiefe t(r), dem optimalen Verzögerungsverhältnisses ζ(r) des Windes und dem resultierenden Anströmwinkel α2(r)der Rotorblattprofilgeometrie. Rotorblätter von Windkraftanlagen der Megawattklasse arbeiten geometriebedingt bei Reynoldszahlen von ca. 0,6 bis 8*106; die Umströmung findet stets überkritisch statt. Rotoren kleiner Windenergieanlagen, insbesondere die von Mikroturbinen, besitzen nur ein Bruchteil der Blatttiefe von Rotorblättern der Megawattklasse und arbeitet somit bei viel kleineren Reynoldszahlen (Re < 200.000) während ihrer Betriebszeit als Anlagen der Megawattklasse. Eine überproportionale Zunahme des Strömungswiderstandes ist aufgrund der Wahrscheinlichkeit einer unterkritischen Umströmung des Rotorblattprofils während der Betriebszeit einer Mikroturbine mit einer Nennleistung von ca. 1 kW nicht auszuschließen (Abschnitt 2.2). Das Verhältnis von Auftrieb zu Widerstand sinkt signifikant. Dieser Zusammenhang findet in der hier vorgestellten Radialschnitttheorie zur Berechnung einer Rotorgeometrie, insbesondere für KWEA, Berücksichtigung. In einem ersten Schritt wurden hierfür die Gleichungen der lokal auftretenden Kräfte und Momenten aus der Impulserhaltung und der Tragflügeltheorie mit der lokalen Profilgleitzahl (E = cotan(Ԑ)) gekoppelt. Es handelt sich hierbei um eine stationäre, zweidimensionale Betrachtung der Strömungsverhältnisse am Radialschnitt eines Rotorblatts. Anders als bei [9] wird zur Lösung des zentralen Gleichungssystems eine analytische Lösung angegeben. Die Aussage, dass genau bei λ = E (Verzögerungsverhältnis ζ=1) der optimale Wirkungsgrad zu Null wird, bleibt bestehen. Die Ergebnisse der reibungsbehafteten Radialschnitttheorie sind Abschnitt 6.1 zu entnehmen. In einem weiteren Schritt wurde ein Verfahren zur experimentellen Validierung dieser Theorie entwickelt. Hierfür wurden nach den Verfahren von [8] und [9] jeweils eine Rotorgeometrie berechnet und die Rotoren gefertigt. Es wurde ein Prüfstand konzipiert, konstruiert und aufgebaut, und nach dem Prinzip eines quasi-stationären Hochlaufversuchs die charakteristischen Kennlinien der Rotoren vermessen. Die Resultate dieser Vermessung dienen einer Gegenüberstellung der charakteristischen Kennlinien cm(λ)und cp(λ) der jeweiligen Rotorgeometrie, was eine quantitative Beurteilung der Auslegungsverfahren ermöglicht. Es wird gezeigt, dass das Verfahren nach [9] eine Verbesserung gegenüber dem Verfahren nach [8] für die Berechnung der Rotorgeometrie unter Beachtung der Gleitzahl darstellt.
In this work a radial section theory (blade element method) for the design of horizontal axis wind turbine blades with a respect to the glide ratio will be presented and experimentally validated. Validation is based on a relative comparison of the resulting characteristics of the power and moment coefficients depending on the respective operating point (cp (λ), cm (λ)). In particular for the geometry of the blades and characteristic calculation of small and very small wind rotors, this theory is an extension of the prior art. It is found an analytical solution to calculate the rotor blade contour, taking into account the flow resistance according to [9] and experimentally validated. The discussion of the results compares the characteristic curves that operating point-dependent courses of the power coefficient cp (λ) and the moment coefficients cm (λ) of two different blade-geometries. A rotor was after frictional radial section theory [9] (blade_KW), the other by the prior art [8] (blade_GS), designed (section 0). The rotor blade quality, the amount of glide ratio E (r) over the radius, decreases with decreasing rotor blade size due to the self-adjusting flow conditions. The feature characterizing the flow is the Reynolds number Re (r) which is established meanwhile the operation of a mircoturbine on the rotor blade. In the theories of [2], [7], [8] and [19] partially glide ratio be considered; However, only by correcting terms based on a calculation without friction of the resulting rotor blade depth t (r), the deceleration ratio ζ (r) of the wind and the resultant flow angle α2 (r) of the rotor blade profile geometry. Rotor blades of megawatt wind turbines work caused by their geometry at Reynolds numbers of about 0.6 to 8 * 106; the flow always takes place over critical. Blades smaller wind energy systems, in particular of microturbines, have only a fraction of the chord length of rotor blades in the megawatt class, and thus operates at much lower Reynolds numbers (Re <200,000) during its loading operating time than plants in the megawatt class. A disproportionate increase in flow resistance is on-because of the likelihood of a subcritical flow around the rotor blade profile during the operating period of a microturbine with a nominal output of about 1 kW cannot be excluded (see section 2.2). The ratio of lift to drag falls significantly. This connection finds consideration in the presented blade element theory, in particular for small wind turbines. In a first step for this purpose on the equations of the locally-passing forces and moments from the conservation of momentum and the wing theory with the local glide ratio (E = cotan (Ԑ)) were coupled. This is a steady, two-dimensional contemplation of the flow conditions at the radial section of a rotor blade. In contrast to [9] an analytical solution is given for the solution of the central system of equations. The statement said that exactly at λ = E (delay ratio ζ = 1) the optimal efficiency becomes zero, persists. The results of the frictional radial cut-theory can be found in Section 6.1. In a further step, a process for the experimental validation of this theory was developed. For this purpose, according to the method of [8] and [9] blade geometries were calculated in each case and produced. It was conceived, designed and built a test rig, and measured the characteristic curves of the rotors on the principle of quasi- stationary test. The results of this survey are a comparison of the characteristic curves cm (λ) and cp (λ) of the respective blade geometry what a quantitative assessment of the design process made-light. It is shown that the method according to [9] is an improvement over the method according to [8] for the calculation of the geometry of the rotor with respect to the glide ratio.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/5402
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5077
Exam Date: 11-Mar-2016
Issue Date: 2016
Date Available: 7-Apr-2016
DDC Class: DDC::600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften::629 Andere Fachrichtungen der Ingenieurwissenschaften
Subject(s): Windenergie
Blattelementmethode
Strömungswiderstand
experimentelle Validierung
windenergy
bladeelementmethod
drag
experimental validation
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