Strömungsbeeinflussung bei Rotorblättern von Windenergieanlagen mit Schwerpunkt auf Grenzschichtabsaugung (2011)

Der Inhalt dieser Arbeit ist die passive und aktive Strömungsbeeinflussung für Rotorblätter von Windenergieanlagen (WEA) mit Schwerpunkt auf aerodynamischer Optimierung. Die Strömungsbeeinflussung bietet die Möglichkeit der aerodynamischen, aeroelastischen und aeroakustischen Optimierung, die in den meisten Fällen einer Verbessung der Gleitzahl und Reduzierung von Lasten und Schallemissionen entspricht. Die vorliegende Arbeit bietet eine Übersicht der Maßnahmen zur Strömungsbeeinflussung, die bei WEA bereits erprobt sind oder aktuell erforscht werden. Das Ziel und die physikalische Wirkungsweise werden erläutert, sowie der Stand der Forschung und die technischen Anwendungen wiedergegeben. Der Überblick konzentriert sich auf die passiven Maßnahmen. Schwerpunktmäßig wird die aktive Maßnahme der Grenzschichtabsaugung experimentell untersucht. Die Untersuchungen werden an einem dicken Profil durchgeführt, das für den Einsatz bei WEA speziell an der TU Delft ausgelegt wurde. Die Ergebnisse werden hier erläutert. Eine auf numerischen Simulationen basierende Analyse der Umströmung von WEA-Rotorblättern wird dargestellt und weist auf Stellen mit Potential zur Strömungsoptimierung hin. Im Blattinnenbereich werden üblicherweise eine ausgeprägte abgelöste Strömung und eine Querströmung beobachtet. Diese erstrecken sich auf der Saugseite des Blattes bis zu 30% des Aussenradius beim Auslegungsbetriebspunkt. Die übliche zylindrische Form des Naben-Blatt-Anschlusses, die Wechselwirkung mit Gondel und Spinner, der Konturverlauf (Profiltiefenverlauf) und die Verwindung des Blattes spielen bei der Entstehung und Ausbreitung der abgelösten Strömung eine entscheidende Rolle. Die mit dem Ablösungsgebiet verbundene Querströmung ergibt sich unter dem Einfluss der Rotation. Den dreidimensionalen Effekten im Nabenbereich werden eine Ablösungsverschiebung zur Blatthinterkante und eine Auftriebserhöhung zugeschrieben. Eine spannweitige Begrenzung dieser Querströmung bspw. durch die Anwendung von Grenzschichtzäunen ergibt eine leichte Verbesserung des aerodynamischen Rotorleistungsbeiwertes nach den Ergebnissen der numerischen Untersuchungen. Trotz Widerstandszuwachses und Auftriebseinbuße in unmittelbarer Nähe der Grenzschichtzäune wird eine leichte Verbesserung des Rotorleistungsbeiwertes für die Auslegungsschnelllaufzahl berechnet. Die aktive Maßnahme der Absaugung der Grenzschicht ist eine erprobte Technik zur Verbesserung des aerodynamischen Auftriebes und eine geeignete Möglichkeit zur Stabilisierung der Strömung und Optimierung des Rotorleistungsbeiwertes für verschiedene Betriebspunkte. Mit dem Ziel der direkten Ablösungskontrolle werden zweidimensionale Modellversuche im Windkanal mit diskreter Grenzschichtabsaugung bei einem dicken Profil, das häufig Einsatz in Naben- und Mittelblattbereichen von Mega- und Multimegawatt-WEA findet, durchgeführt. Die Absaugöffnungen werden bei 65% der Profiltiefe platziert. Die Ergebnisse sind überwiegend positiv und zeigen bei Farbanstrichversuchen eine Reduktion bzw. Vermeidung der Ablösung. Eine Auftriebsverbesserung wird aufgrund von Druckmessungen entlang des Profils errechnet. Es ist darauf hinzuweisen, dass die relativen Verbesserungen des aerodynamischen Auftriebes, die im 2D-Fall ermittelt werden, im 3D-Fall wahrscheinlich kleiner ausfallen werden, da im 3D-Fall im Nabenbereich aufgrund der Grenzschichtabschleuderung und des Gittereffektes bereits höhere Auftriebs¬beiwerte auftreten. Dreidimensionale Versuche in Nachfolgearbeiten sollten daher zeigen, inwieweit der Einsatz der Grenzschichtabsaugung hinsichtlich der Leistungssteigerung einen signifikanten Effekt ergibt. Weitere Untersuchungen sollten klären, ob die Maßnahme der Grenzschichtabsaugung effektiv bei Standorten mit zwei signifikanten Windgeschwindigkeitsklassen oder mit hohem Turbulenzgrad ist. Bei den 3D-Versuchen wird empfohlen, die passive Lösung mit Absaugstelle im Nabenbereich und Auslassstelle im Blattspitzenbereich zu wählen, da nach ersten Abschätzungen die niedrigsten effizienten Absaugraten mit dem passiven System erreicht werden können.