Berechnung der reibungsfreien Strömung in Rotoren von Windkraftanlagen

Abstract

Zweck - Die Strömung im Windrad soll mit einem Computerprogrammen berechnet werden, das auf der Potentialtheorie beruht. Vorteil ist, daß dabei lediglich die geometrischen Daten des Windrades als Eingabeparameter erforderlich sind. Auftriebs- und Widerstandsbeiwert der Flügelprofile werden nicht benötigt. --- Methodik - Zu einem bestehenden FORTRAN-Rechenprogramm (Panelverfahren) wurde ein Modul zur Bereitstellung der Rotorblattgeometrie entwickelt. Zur Erfüllung der Kutta-Joukowski-Abflussbedingung an der Profilhinterkante wurden verschiedene Nachlaufmodelle (Wirbelleiter) erstellt und getestet. Aus den berechneten Drücken an den Rotorblättern wurden die für Windradberechnungen üblichen Kennzahlen ermittelt und mit Werten aus der Literatur verglichen, die an den modellierten Windrädern gemessenen wurden. Weiterhin wurden die Ergebnisse aus dem Panelverfahren verglichen mit Rechenergebnissen nach der Blade Element Momentum Theory (BEMT). --- Grenzen der Anwendbarkeit - Angenommen wurde eine achsparalleler Anströmung (stationäre Strömung im Relativsystem), mit der auf diese Weise nur Horizontalachsrotoren modelliert werden können. --- Ergebnisse - Die Windradleistung wurde mit dem Panelverfahren deutlich zu hoch abgeschätzt. Grund dafür war, daß das Panelverfahren nur den induzierten Widerstand berücksichtigt, nicht aber den Reibungswiderstand. Weiterhin werden die Profile in der Nähe der Nabe mit sehr hohen Anstellwinkeln angeströmt. Das führt in der Praxis zu Ablösungen, die vom Panelverfahren nicht berücksichtigt werden. Darüberhinaus sind die Ergebnisse sehr stark abhängig von der Modellierung der Wirbelleiter. Hier konnten keine abschließenden Antworten auf die erforderliche Gestalt der Wirbelleiter gefunden werden. Die Ergebnisse aus der Blade Element Momentum Theory zeigten hingegen eine gute Übereinstimmung mit den Messwerten. --- Bedeutung in der Praxis - Selbst bei Überwindung der dargestellten Schwierigkeiten, wird die praktische Nutzbarkeit des Panelverfahrens für eine Windradrechnung derzeit noch durch die extrem langen Rechzeiten eingeschränkt. Rechnungen nach der Blade Element Momentum Theory zeigen hingegen kurze Rechenzeiten und sind bis auf weiteres zu empfehlen.