Design of a horizontal axis wind turbine for experimental investigation in a large water towing tank
Creators: name: Krumbein, Sascha
Publisher: name: Zenodo
Year: 2023
Subjects: Wind Turbine
Model
Wake
Design

description: This thesis presents the engineering workflow for designing a 1.3 m-diameter horizontal axis wind turbine model for measuring tip vortex instabilities in a large water towing tank (Underwater Berlin Research Turbine - UBeRT). A range of low-Reynolds number airfoils is investigated using XFoil, regarding their aerodynamic properties and the risk of surface cavitation onset. From the remaining candidates, blades according to Schmitz are designed, for investigating the structural resistance of the airfoils. The generated aerodynamic loads are derived, utilizing QBlade. Ultimately, a finalized set of blades is designed and analyzed, constituted by the SG6040 low-Reynolds number airfoil. The study includes the characterization of the rotor and considers the angle of attack, the bound circulation, the risk of surface cavitation, and an assessment of the induced tip vortices throughout the operational regime. A suitable drive train is tailored to the aerodynamic requirements of the rotor. A load-resisting tower and tow carriage connection is conceptualized. All critical test rig components are evaluated for their structural safety, using product design guidelines. Sensors for thrust, torque, angular velocity, and undisturbed inflow velocity are included in the design. Additionally, the turbine equips fully deployed Wheatstone bridges for measuring individual flapwise and edgewise blade root bending moments. A variety of sensors for assuring the operational safety are integral components of the UBeRT test rig. The permanent exposure to water requires all components to have a high resistance against corrosion. Furthermore, a sophisticated and comprehensive waterproofing concept is developed. In the future, the UBeRT test rig will enable unique underwater particle image velocimetry measurements of inherent instabilities of the tip vortex helix. Means of passively inducing accelerated wake decay at chordwise Reynolds numbers, approaching 8 × 105 will be developed. Such wind turbine wakes cause substantial losses of up to 20 % of annual energy production of modern-day wind parks. The projected combination of the engineered strategies with highly resolved computational fluid dynamic methods has the considerable potential to contribute significantly to fighting man-made climate change. 
description: Die vorliegende Arbeit stellt den Entwicklungsprozess eines Modells einer horizontalachsigen Windenergieanlage mit einem Rotordurchmesser von 1.3 m, für Messungen in einem großen Wasserschleppkanal vor (Underwater Berlin Research Turbine - UBeRT). Verschiedene für niedrige Reynoldszahlen geeignete Profile werden hinsichtlich ihrer aerodynamischen Eigenschaften und ihrer Tendenz zur Kavitation in XFoil untersucht. Auf Basis der verbleibenden Kandidaten werden Schmitz-Blätter entworfen, um die Profile bezüglich ihres strukturellen Widerstands zu untersuchen. Die dafür nö- tigen aerodynamischen Kräfte werden mithilfe von QBlade erzeugt. Letztlich wird das SG6040 Profil für den UBeRT-Prüfstand ausgewählt und tiefergehend analysiert. Die Untersuchung umfasst die resultierenden Charakteristiken des Rotors, das Verhalten des Anströmwinkels und der gebundenen Zirkulation, die Einschätzung der Kavitationsgefahr und eine Vorabschätzung der entstehenden Spitzenwirbel. Verschiedene Betriebspunkte werden verglichen. Ein zu den Anforderungen des Rotors passender Triebstrang wird projektiert. Eine Turmstruktur und ein Anschluss an den Schleppwagen wird konzeptionalisiert. Alle kritischen Prüfstandkomponenten werden hinsichtlich ihrer Sicherheitsfaktoren unter Benutzung von gängigen Auslegungsrichtlinien bewertet. Im Design sind Sensoren für Schub, Drehmoment, Winkelgeschwindigkeit und ungestörte Anströmgeschwindigkeit enthalten. Zusätzlich ist der Prüfstand mit Blattwurzelbiegemomentsensoren an allen Blätter ausgestattet. Wheatstonesche Vollbrücken, basierend auf Dehnmessstreifen, messen dafür an jedem Blatt die auftretenden Biegemomente in Tangential- und Normalenrichtung. Eine Reihe von Sensoren zur Gewährleistung der Betriebssicherheit des Prüfstands ist integraler Bestandteil des Designs. In der Zukunft wird der UBeRT-Prüfstand einzigartige particle image velocimetry Messungen von inhärenten Instabilitätsphänomenen der Wirbelschleppe von Windenergieanlagen ermöglichen. Passive Methoden zum beschleunigten Auffüllen der Nachlaufdelle bei Reynoldszahlen bis zu 8 × 105 werden untersucht und entwickelt werden. Solche Nachlaufdellen sind für beachtliche Verluste von bis zu 20 % an jährlicher Energieerzeugung in modernen Windparks verantwortlich. Die Kombination der so gesammelten, experimentellen Daten mit hochaufgelösten numerischen Methoden hat großes Potenzial, einen beachtlichen Beitrag zur Bewältigung des menschengemachten Klimawandels zu leisten.