In dieser Arbeit wird eine Radialschnitttheorie zur Auslegung von Windenergierotoren mit horizontaler Achse unter Beachtung der Gleitzahl vorgestellt und experimentell validiert. Die Validierung erfolgt anhand eines relativen Vergleichs der resultierenden Kennlinien der Leistungs- und Momentenbeiwerte in Abhängigkeit des jeweiligen Betriebspunktes (cp(λ), cm(λ)). Insbesondere für die Rotorgeometrie- und Kennlinienberechnung von kleinen und kleinsten Windenergierotoren stellt diese Theorie eine Erweiterung des Stands der Technik dar. Es wird eine analytische Lösung zur Berechnung der Rotorblattkontur unter Berücksichtigung des Strömungswiderstandes nach [9] gefunden und experimentell validiert. Die Diskussion der Ergebnisse stellt die charakteristischen Kennlinien, die betriebspunktabhängigen Verläufe des Leistungsbeiwertes cp(λ) und des Momentenbeiwertes cm(λ) zweier verschiedener Rotorblattgeometrien gegenüber. Ein Rotor wurde nach der reibungsbehafteten Radialschnitttheorie [9] (Rotor_KW), der andere nach dem Stand der Technik [8] (Rotor_GS), ausgelegt (Abschnitt 0). Die Rotorblattgüte, der Betrag der Gleitzahl E(r) über den Radius, sinkt mit abnehmender Rotorblattgröße aufgrund der sich einstellenden Strömungsbedingungen. Das Merkmal zur Charakterisierung der Strömung stellt hierbei die Reynoldszahl Re(r) dar, die sich im Betriebsbereich einer Mirkoturbine über das Rotorblatt einstellt. In den Theorien von [2], [7], [8] und [19] werden teilweise Profilgleitzahlen betrachtet; jedoch nur durch Korrekturtherme auf Basis einer reibungslosen Auslegungsberechnung der resultierenden Rotorblatttiefe t(r), dem optimalen Verzögerungsverhältnisses ζ(r) des Windes und dem resultierenden Anströmwinkel α2(r)der Rotorblattprofilgeometrie. Rotorblätter von Windkraftanlagen der Megawattklasse arbeiten geometriebedingt bei Reynoldszahlen von ca. 0,6 bis 8*106; die Umströmung findet stets überkritisch statt. Rotoren kleiner Windenergieanlagen, insbesondere die von Mikroturbinen, besitzen nur ein Bruchteil der Blatttiefe von Rotorblättern der Megawattklasse und arbeitet somit bei viel kleineren Reynoldszahlen (Re < 200.000) während ihrer Betriebszeit als Anlagen der Megawattklasse. Eine überproportionale Zunahme des Strömungswiderstandes ist aufgrund der Wahrscheinlichkeit einer unterkritischen Umströmung des Rotorblattprofils während der Betriebszeit einer Mikroturbine mit einer Nennleistung von ca. 1 kW nicht auszuschließen (Abschnitt 2.2). Das Verhältnis von Auftrieb zu Widerstand sinkt signifikant. Dieser Zusammenhang findet in der hier vorgestellten Radialschnitttheorie zur Berechnung einer Rotorgeometrie, insbesondere für KWEA, Berücksichtigung. In einem ersten Schritt wurden hierfür die Gleichungen der lokal auftretenden Kräfte und Momenten aus der Impulserhaltung und der Tragflügeltheorie mit der lokalen Profilgleitzahl (E = cotan(Ԑ)) gekoppelt. Es handelt sich hierbei um eine stationäre, zweidimensionale Betrachtung der Strömungsverhältnisse am Radialschnitt eines Rotorblatts. Anders als bei [9] wird zur Lösung des zentralen Gleichungssystems eine analytische Lösung angegeben. Die Aussage, dass genau bei λ = E (Verzögerungsverhältnis ζ=1) der optimale Wirkungsgrad zu Null wird, bleibt bestehen. Die Ergebnisse der reibungsbehafteten Radialschnitttheorie sind Abschnitt 6.1 zu entnehmen. In einem weiteren Schritt wurde ein Verfahren zur experimentellen Validierung dieser Theorie entwickelt. Hierfür wurden nach den Verfahren von [8] und [9] jeweils eine Rotorgeometrie berechnet und die Rotoren gefertigt. Es wurde ein Prüfstand konzipiert, konstruiert und aufgebaut, und nach dem Prinzip eines quasi-stationären Hochlaufversuchs die charakteristischen Kennlinien der Rotoren vermessen. Die Resultate dieser Vermessung dienen einer Gegenüberstellung der charakteristischen Kennlinien cm(λ)und cp(λ) der jeweiligen Rotorgeometrie, was eine quantitative Beurteilung der Auslegungsverfahren ermöglicht. Es wird gezeigt, dass das Verfahren nach [9] eine Verbesserung gegenüber dem Verfahren nach [8] für die Berechnung der Rotorgeometrie unter Beachtung der Gleitzahl darstellt.


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    Titel :

    Beitrag zur Berechnung von Windenergierotoren unter Beachtung der Gleitzahl


    Weitere Titelangaben:

    Contribution to the calculation of blades of small windenergysystems


    Beteiligte:

    Erscheinungsdatum :

    2016



    Medientyp :

    Sonstige


    Format :

    Elektronische Ressource


    Sprache :

    Deutsch



    Klassifikation :

    DDC:    629