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Aeroelastic Investigation of a Wind Turbine Airfoil with Self-Adaptive Camber

Lambie, Benjamin :
Aeroelastic Investigation of a Wind Turbine Airfoil with Self-Adaptive Camber.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2011)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Aeroelastic Investigation of a Wind Turbine Airfoil with Self-Adaptive Camber
Language: English
Abstract:

A load-dependent passive camber control concept is introduced for alleviating load fluctuations on wind turbine rotor blades with the overall goal of reducing fatigue and increasing durability and turbine lifetime. The passive change of the camber line is realized through kinematically coupled leading and trailing-edge flaps. The leading-edge flap is actuated by the increased pressure forces due to the change in angle of attack. The trailing-edge flap is kinematically coupled to the rotation of the leading-edge flap. This combined motion results in an increase or decrease in airfoil camber dependent on the pressure difference along the airfoil and the restoring force applied at the leading-edge flap. This concept works fully passive, i.e. its characteristics are determined solely by the fluid-structure interaction. The quantification of these aerodynamic characteristics is the objective of the present study. The concept has been studied experimentally and numerically. The numerical simulations consider quasi-steady aerodynamics and the combined flap motion is described by one degree of freedom. The concept has been confirmed experimentally under quasi-steady conditions in the large scale low-speed wind tunnel at TU Darmstadt. The structural parameters which characterize the flap deflections are investigated systematically. The results show how the lift curve slope can be adjusted by the preload moment, the stiffness and the coupling ratio between the leading and trailing-edge flap. It is shown that it is possible to keep the lift coefficient constant due to the self-adaptive camber line. The numerical model is compared to the experimental results. The model is able to predict the effects revealed through the wind tunnel measurements. In the second part the numerical model of the airfoil section with leading and trailing-edge flaps is extended to consider also the bending and torsional degree of freedom. The results show that although the dynamic behavior of the blade changes significantly, load reduction is achieved and a flexible camber line is advantageous for the dynamic response of the rotor blade. Finally the concept is evaluated with the wind turbine simulator FAST. The underlying look-up tables are modified to incorporate the flapped airfoil characteristics. The results provide a baseline for the evaluation of the concept in conjunction with the aerodynamics encountered by wind turbines.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung eines aerodynamischen Profils mit kinematisch gekoppelter Vorder- und Hinterkantenklappe zur passiven Einstellung der Profilwölbung. Mit Hilfe dieses Konzeptes sollen Auftriebsschwankungen an Rotorblättern von Windkraftanlagen verringert werden. Damit wird das Ziel verfolgt die Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Anlage und Komponenten zu erhöhen. Die Vorderkantenklappe wird über eine Feder vorgespannt, so dass Druckänderungen aufgrund von Anstellwinkeländerungen die Klappe bewegen. Durch eine kinematische Kopplung wird diese Bewegung an die Hinterkante übertragen. Diese gekoppelte Bewegung ermöglicht es die Wölbung des Profils entsprechend der Druckverteilung anzupassen. Das Verhalten dieses Konzeptes wird ausschließlich durch die Fluid-Struktur Interaktion bestimmt. Aufgabe der vorliegenden Arbeit ist dieses Verhalten zu untersuchen und zu quantifizieren. Das Konzept wurde experimentell und numerisch untersucht. In den numerischen Simulationen wird die Strömung als quasi-stationär betrachtet. Die Klappenbewegung wird durch einen rotatorischen Freiheitsgrad beschrieben. Die experimentelle Machbarkeitsstudie wurde für das Konzept unter quasi-stationären Bedingungen im Niedergeschwindigkeitswindkanal der TU Darmstadt durchgeführt. Die Strukturparameter, die das Wölbungsverhalten bestimmen, werden systematisch untersucht. Die Ergebnisse zeigen wie durch Einstellung des Vorspannmoments, der Steifigkeit und des Übersetzungsverhältnisses das Auftriebsverhalten beeinflusst wird. Dabei wird nachgewiesen, dass es möglich ist den Auftriebsbeiwert durch eine passive Wölbungsänderung konstant zu halten. Ein Vergleich des numerischen Modells mit den experimentellen Daten zeigt, dass die in den Messungen gefundenen Effekte abgebildet werden. Im zweiten Teil der Arbeit wird das numerische Strukturmodell um 2 weitere Freiheitsgrade erweitert. Das Profil wird zusätzlich in Hub- sowie Nickrichtung elastisch gelagert. Dadurch wird die Biege- und Torsionssteifigkeit des Rotorblattes abgebildet. Die Ergebnisse zeigen, dass obwohl sich das dynamische Verhalten des Rotorblattes entscheidend ändert, insgesamt eine Lastminderung erreicht wird und daraus geschlossen wird, dass die passive Wölbungsänderung vorteilhaft für die dynamische Antwort des Profils ist. Abschließend wird das Konzept mit Hilfe des Windturbinen Simulationsprogramms FAST untersucht. Die hinterlegten Profilpolaren wurden derart verändert, dass sie die ermittelten Profilcharakteristiken der sich anpassenden Wölbung berücksichtigen. Die Ergebnisse liefern die Basis für die Bewertung des Konzepts im Zusammenhang mit den Betriebsbedingungen, die eine Windkraftanlage erfährt.German
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Aeroelasticity, Wind Turbines, Load Alleviation, Flow ControlEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Maschinenbau
Fachbereich Maschinenbau > Strömungslehre und Aerodynamik
Date Deposited: 24 Oct 2011 10:02
Last Modified: 09 Dec 2012 16:06
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-27690
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Tropea, Prof. Dr.- Cameron and Paschereit, Prof. Dr.- Oliver
Refereed: 22 June 2011
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2769
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