A2 – Dynamische Strömungsablösung an großen, reaktiven Rotorblättern von Windenergie-Megastrukturen

Kurztitel: Dynamische Strömungsablösung

Die im Rahmen des Ausbaus der Windenergie geforderte Leistungssteigerung heutiger Windenergieanlagen (WEA) führt zu einer Vergrößerung des Rotordurchmessers zukünftiger WEA, da die Leistung einer WEA quadratisch mit ihrem Rotordurchmesser steigt. Die langen, schlanken und flexiblen Rotorblätter derartiger Megastrukturen werden schwingungsanfälliger als heutige Rotorblätter sein. Zu Schwingungen angeregt werden diese z. B. durch eine zyklische Pitchregelung, die Rotor-Turm-Interaktion, sich zyklisch ändernde Anströmungsbedingungen aufgrund unterschiedlicher Windgeschwindigkeiten während einer Rotorumdrehung in der atmosphärischen Bodengrenzschicht oder durch turbulenzbedingtes Rauschen. Am Rotorblatt selbst kommt es durch schwingungsinduzierte Geschwindigkeiten oder Turbulenzschwankungen zu starken, transienten Änderungen des Anströmwinkels, wodurch die Strömung am Profil in den Bereich der dynamischen Strömungsablösung kommen kann. Zusätzlich wird die Profilumströmung und deren Ablöseverhalten an zukünftigen Megastrukturen durch über die Höhe variierende Turbulenzintensitäten beeinflusst, wie sie bei Anlagen der bisherigen Größenordnung nicht berücksichtigt werden mussten. Im Bereich der dynamischen Strömungsablösung treten überhöhte instationäre Lasten auf, die instationäre, aeroelastische Wechselwirkungen zwischen Strömung und Rotorblatt anregen. Durch diese zusätzliche Anregung werden mechanische Ermüdungslasten eingebracht, die im Fall der Resonanz bis hin zur Zerstörung des Rotorblatts führen können. Die Berücksichtigung dieser Lasten und der damit verbundenen aeroelastischen Stabilität des Rotorblatts ist daher ein entscheidender Faktor in der Auslegung zukünftiger WEA-Megastrukturen.

Die Arbeitshypothese dieses Teilprojekts lautet, dass die dynamische Strömungsablösung bereits während der Auslegung von Rotorblättern zukünftiger WEA-Megastrukturen berücksichtigt werden muss, um aeroelastische Wechselwirkungen zu minimieren. Bisherige Modelle sind dabei nicht anwendbar, da diese auf empirischen Daten beruhen, die für die jeweilige Profilgeometrie experimentell bestimmt werden müssen.

Die Hauptinnovation dieses Teilprojekts ist die Entwicklung eines erweiterten reduced-order Modells der dynamischen Strömungsablösung, das die Auslegungsmethodik von Rotorblättern zukünftiger WEA-Megastrukturen verbessert. Das Modell ist in der Lage, basierend auf typischen Profilauslegungsparametern, den Einfluss unterschiedlicher Profilgeometrien auf das Verhalten der dynamischen Strömungsablösung zu modellieren, wodurch eine angepasste aerodynamische Auslegung der Rotorblattprofile ermöglicht wird. Zunächst wird dazu ein instationäres Computational-Fluid-Dynamics (CFD-)Modell der Rotorprofilumströmung erstellt, welches den Effekt der dynamischen Strömungsablösung abbildet (Abb. 1). Das mit experimentellen Daten validierte Modell wird anschließend auf ein CFD-Modell für WEA-Profile übertragen und mit Hilfe von Messdaten einer Modellwindenergieanlage überprüft.  

Abb. 1: Umströmung eines Ausschnitts eines pitchenden und rotierenden Rotorprofils und das CFD-Netz für die entsprechende Simulation

Mit diesem zweiten Modell wird es möglich sein, den Einfluss verschiedener Profilauslegungsparameter auf die Profillasten bei dynamischer Strömungsablösung an WEA-Profilen systematisch zu untersuchen. Daraus werden dann Erkenntnisse gezogen, die in ein reduced-order Modell der dynamischen Strömungsablösung zur Verwendung in Blade-Element-Momentum (BEM-)Simulationen einfließen. Dieses Modell ist dann in einem iterativen Auslegungsprozess anwendbar. Eine optimierte Profilgeometrie soll im Laufe der ersten Förderperiode entwickelt werden und eine direkte Integration des Modells der dynamischen Strömungsablösung in den Digitalen Zwilling ist für eine mögliche zweite Förderperiode anvisiert. Außerdem findet im Rahmen dieses Teilprojekts eine Bewertung der aeroelastischen Stabilität des Rotorblatts statt, um erforderliche Anpassungen des Gesamtanlagenentwurfs im Digitalen Zwilling vornehmen zu können.


Publikationen


Teilprojektleitung

Prof. Dr.-Ing. Jörg Seume
Institut für Turbomaschinen und Fluid-Dynamik (TFD)
Adresse
Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover
An der Universität 1
30823 Garbsen
Gebäude
Raum
315
Prof. Dr.-Ing. Jörg Seume
Institut für Turbomaschinen und Fluid-Dynamik (TFD)
Adresse
Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover
An der Universität 1
30823 Garbsen
Gebäude
Raum
315

Projektmitarbeit

Dominik Ahrens, M.Sc.
Institut für Turbomaschinen und Fluid-Dynamik (TFD)
Adresse
Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover
An der Universität 1
30823 Garbsen
Gebäude
Raum
217
Dominik Ahrens, M.Sc.
Institut für Turbomaschinen und Fluid-Dynamik (TFD)
Adresse
Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover
An der Universität 1
30823 Garbsen
Gebäude
Raum
217