Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5127
Main Title: Gurney flaps and micro-tabs for load control on wind turbines
Translated Title: Gurney Klappen und Mikro-Tabs zur Lastkontrolle an Windkraftanlagen
Author(s): Bach, Alena Berit
Referee(s): Paschereit, Christian Oliver
Greenblatt, David
Pechlivanoglou, George
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: In the last decades, wind turbine innovation has led to significant growth in capacity and size per turbine. Consequently, the blade experiences additional local fluctuations due to local gusts, horizontal or vertical wind shear, blade-tower interference, turbulence, or yaw and tilt misalignment. Reducing these fatigue loads is directly connected to an enhanced overall turbine lifetime as well as a reduction of the levelised cost of energy. A well known fast and effective technique to address these challenges is the usage of local active elements. Possible active load control solutions are flaps or tabs at the trailing edge, leading edge spoilers or flaps as well as solutions dealing with blowing, suction, synthetic jets or plasma actuators. The control with small devices which are placed close to the trailing edge such as Gurney flaps or micro-tabs are generally regarded as an effective solution. Gurney flaps are small flaps placed at the trailing edge of an airfoil with a flap height in the range of the local boundary layer. Micro-tabs are closely related: They deploy perpendicular to the airfoil surface close to the trailing edge and are of the same magnitude of height. If either device is deployed towards the pressure side, a positive lift change is generated. If the devices are deployed to the suction side lift, reduction is achieved. In the past, extensive research has been conducted with passive Gurney flaps as well as micro-tabs on airfoils under steady inflow. However, little is understood of the unsteady aerodynamic effects of active micro-tabs under unsteady inflow. In the following work, steady as well as unsteady aerodynamics of micro-tabs and Gurney flaps are presented and compared: First, the effects of the passive devices under steady inflow were recapitulated. Special attention is paid to the surrounding flow field to understand the driving mechanisms of the devices. Results of Particle Image Velocimetry (PIV) as well as hot-wire measurements are shown to display the wake system and its influence on the loads. Second, the unsteady aerodynamics of active micro-tabs and Gurney flaps were investigated. Effects of the deployment time, function or height were studied. The main differences between the flaps and the tabs were found in the immediate response after the device deployment: While the loads change immediately using an active Gurney flap, micro-tabs first cause an adverse lift response. Third, after examining the active control devices, an unsteady pitching airfoil was studied with passive, non-moving flaps and tabs. The effects of the reduced frequency and angle of attack motion of the pitching airfoil as well as the tab placement and height are presented. Finally, the two unsteady systems consisting of the pitching airfoil and active flaps or tabs were analyzed together. Experiments as well as analytical models are presented to understand the rather complex system.
In den letzten Dekaden haben Innovationen an Windkraftanlagen zu einem massiven Wachstum der Kapazität und Größe der Anlagen geführt. Diese modernen, großen Rotorblätter sind starken Wechsellasten ausgesetzt, die primär durch Windböen, horizontaler und vertikaler Windscherung, Blatt-Turm Interferenzen, Turbulenz sowie durch Schrägneigung oder Falschausrichtung des Rotors verursacht werden. Eine Reduzierung dieser Wechsellasten würde die Lebensdauer einer Windkraftanlage verlängern und damit die darauf bezogenen Energiekosten reduzieren. Eine weit verbreitete Möglichkeit, Lasten aerodynamisch zu minimieren, ist die Anwendung von lokalen aktiven Elementen, wie z.B. Klappensystem an der Flügelvorder- oder hinterkante, das lokale Ausblasen oder Einsaugen von Luft oder der Gebrauch von Plasmaaktuatoren. Die Kontrolle mit Gurney Klappen oder Mikro-Tabs ist für die Anwendung an Windkraftanlagen eine vielversprechende Lösung. Gurney Klappen sind kleine, aber effektive Klappen, die an der Hinterkante des Flügels angebracht werden und eine maximale Höhe in der Größenordung der lokalen Grenzschicht haben. Die eng-verwandten Mikro-Tabs haben dabei die gleiche Größenordnung, werden jedoch kurz vor der Hinterkante senkrecht aus der Oberfläche ausgefahren. Beide Elemente können sowohl eine Lastreduzierung als auch eine Erhöhung erzeugen, je nachdem an welcher Seite sie angewandt werden: Die Elemente auf der Druckseite des Profils erzeugen eine Lasterhöhung, während eine saugseitige Anwendung eine Lasterniedrigung hervorruft. In der Vergangenheit wurde bereits einige Forschung an diesen Elementen betrieben. Jedoch lag der Hauptaugenmerk im Bereich der passiven Gurney Klappen und Mikro-Tabs, angewandt an statischen Profilen. Bisher ist daher noch relativ wenig bekannt von den dynamischen Effekten der aktiven Elemente unter unstetigen Antrömbedingungen oder Profilbewegungen. Diese Arbeit adressiert diese Problematik und betrachtet sowie vergleicht die unstetige Aerodynamik von Gurney Klappen und Mikro-Tabs im Detail: Als erstes werden dabei die passiven Elemente unter statischen Anströmbedingungen rekapituliert. Der Fokus wird hier auf die unterliegenden Mechanismen des Strömungsfeldes gelegt, die die Wirkungsweise und Effekte genau erklären. Als nächstes wird die unstetige Aerodynamik der aktiven Elemente betrachtet. Dabei werden beide Elemente auf Effekte von dynamischer Ausfahrzeit und -funktion als auch der Ausfahrhöhe untersucht. Es hat sich gezeigt, dass der Hauptunterschied zwischen den beiden Elementen darin besteht, dass die Mikro-Tabs im Gegensatz zu den Gurney Klappen kurzzeitig nach dem Ausfahren einen adversen Auftrieb erzeugen. Dieser wird genauer analysiert und seine Abhängigkeiten erläutert. Der dritte Punkt der Arbeit ist die Untersuchung von passiven Elementen an dynamisch oszillierenden Flügelprofilen. Parameter, die genauer betrachtet werden, sind unter anderen die reduzierte Frequenz, der mittlere Anstellwinkel, die Amplitude der Profilbewegung als auch die Höhe und Position der Tabs am Profil. Als letzter Punkt werden aktive Elemente an dynamisch bewegten Profilen untersucht. Diese komplexe Problemstellung wird sowohl experimentell als auch analytisch untersucht und die Unterschiede zwischen Klappen und Tabs genau betrachtet.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/5456
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5127
Exam Date: 9-Feb-2016
Issue Date: 2016
Date Available: 12-May-2016
DDC Class: DDC::600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften
Subject(s): wind energy
flow control
fluid mechanics
Windenergie
Strömungskontrolle
Strömungsmechanik
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