title: On the Design and Simulation of Novel Vertical Axis Turbine Concepts
title: Über den Entwurf und die Simulation neuartiger Vertikalachsenturbinen
titleType: AlternativeTitle
Creators: name: Küppers, Jan-Philipp
Publisher: name: Universitätsbibliothek Siegen
Year: 2025
Subjects: subject: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
subject: Vertical Axis Turbines
subject: VAWT
subject: CFD
subject: Machine Learning
subject: Dynamic Stall
subject: Turbinen mit vertikaler Achse
subject: Maschinelles Lernen

description: This dissertation provides a comprehensive investigation and advancement of methods for the design of vertical axis turbines (VAT), focusing on novel concepts and advanced simulation techniques. The starting point is a detailed analysis of the Kirsten-Boeing turbine, an almost unknown design from the 1920s characterized by a combination of lift- and drag-driven rotor features. Despite its unique operational flexibility, this turbine poses a major challenge in terms of efficiency and modeling complexity. To overcome these challenges, a new tool, the Actuator Surface Model (ASM), is developed based on the Navier-Stokes equations and blade element methods. This tool bridges the gap between high-resolution computational fluid dynamics (CFD) and simpler momentum models and enables near real-time simulations of VATs. Further progress in the work includes the development of a neural network based dynamic stall model that is integrated into the ASM to improve the prediction accuracy of turbine performance under different operating conditions. Based on these tools, a new turbine design, the Linear Turbine, is being developed and tested. This design adds linear sections to the classic Darrieus turbine scheme and achieves an efficiency of about 42% in field tests, which is a significant increase over the first prototypes and shows the potential for efficient kinetic energy conversion in free-flowing waters. This cumulative work documents the development from the Kirsten-Boeing turbine to the Linear Turbine and illustrates the synergy between scientific research, methodical development and practical engineering work in the field of hydropower. Each turbine is not just a theoretical concept, but a hand-made technical solution that has been tested and validated under real conditions. The knowledge gained from each development step reflects the overarching goal of increasing efficiency, minimizing environmental impact and exploiting the full potential of hydropower.
description: Diese Dissertation bietet eine umfassende Untersuchung und Weiterentwicklung der Methoden für die Auslegung von Vertikalachsenturbinen (VAT), wobei der Schwerpunkt auf neuartigen Konzepten und fortschrittlichen Simulationstechniken liegt. Ausgangspunkt ist eine detaillierte Analyse der Kirsten-Boeing-Turbine, einem nahezu unbekannten Design aus den 1920er Jahren, das durch eine Kombination aus Auftriebsund Widerstandsläufer-Eigenschaften gekennzeichnet ist. Trotz der einzigartigen Betriebsflexibilität stellt diese Turbine eine große Herausforderung in Bezug auf Effizienz und Modellierungskomplexität dar. Zur Bewältigung dieser Herausforderungen wird ein neues Werkzeug, das Actuator-Surface-Model (ASM), entwickelt, das auf den Navier-Stokes-Gleichungen und Blattelementmethoden basiert. Dieses Werkzeug schließt die Lücke zwischen hochauflösender Strömungssumulation (CFD) und einfacheren Impulsmodellen und ermöglicht nahezu Echtzeitsimulationen von VATs. Weitere Fortschritte in der Arbeit umfassen die Entwicklung eines auf Neuronalen Netzen basierenden dynamischen Strömungsabriss-Modells, das in das ASM integriert wird, um die Vorhersagegenauigkeit der Turbinenleistung unter verschiedenen Betriebsbedingungen zu verbessern. Aufbauend auf diesen Werkzeugen wird ein neues Turbinendesign, die Linearturbine, entwickelt und getestet. Dieses Design erweitert den klassischen Aufbau der Darrieus-Turbine um lineare Abschnitte und erreicht eine Effizienz von etwa 42% im Feldversuch, was eine signifikante Steigerung gegenüber den ersten Prototypen darstellt und das Potenzial für eine effiziente kinetische Energieumwandlung in frei fließenden Gewässern zeigt. Diese kumulative Arbeit dokumentiert die Entwicklung von der Kirsten-Boeing-Turbine bis hin zur Linearturbine und veranschaulicht die Synergie zwischen wissenschaftlicher Forschung, methodischer Entwicklung und praktischer Ingenieursarbeit im Bereich der Wasserkraft. Jede Turbine stellt dabei nicht nur ein theoretisches Konstrukt dar, sondern eine handgefertigte, technische Lösung, die unter realen Bedingungen getestet und validiert wurde. Die gewonnenen Erkenntnisse aus jedem Entwicklungsschritt spiegeln das übergeordnete Ziel wider, die Effizienz zu steigern, die Umweltbelastung zu minimieren und das volle Potenzial der Wasserkraft auszuschöpfen.