Experimental Investigation of a Wind Turbine with Adaptive Camber Rotor Blades under Gusty Conditions

This study has the purpose of investigating the performance of the adaptive camber profile (ACP) concept on wind turbine blades. As such, it extends previous studies at the Institute of Fluid Mechanics and Aerodynamics at the Technische Universität Darmstadt in which the load-dependent ACP concept has been examined for two-dimensional flow and for synthetic gust generation. The experiments in this study have been performed on the Berlin Research Turbine (BeRT) at the Technische Universität Berlin. Two main goals were formulated in designing the experiments. The first goal was to investigate the ACP performance under fully three-dimensional operating conditions and with realistic turbulence/gust conditions of the inflow. For this, the response of the ACP elements when the turbine operated with a yawed rotor plane was compared to the non-yawed case. The yawed rotor plane resulted in local variations of angle of attack, dependent on both rotation angle and span location, yielding highly unsteady conditions of the onflow. The aim was to examine the ability of the ACP concept to alleviate gust load fluctuations. The second goal was to investigate to what extent the ACP concept was suitable over a larger range of angle-of-attack variations. This was realised by outfitting one rotor blade with three ACP sections, distributed between the root and tip of the blade, since these three positions exhibit very different effective AoA variations. The experiments show that it is favourable to control not only the outer blade area with an ACP mechanism but also the area near the blade root, resulting in a significantly higher overall gust load reduction. A peak load reduction of about 10% could be achieved. On the other hand, local load increase of about 20% could be achieved and this leads to a reduction of load fluctuation amplitude compared with rigid profiles. Based on the findings of this study it can be concluded that the ACP concept, if properly designed and implemented for specific operating conditions, has great potential to increase the lifetime and the energy output of wind turbines.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der experimentellen Untersuchung des Adaptive Camber Profile (ACP) Konzeptes integriert in den Rotor einer Modellwindturbine. Die Arbeit ist eine Erweiterung früherer am Fachgebiet für Strömungslehre und Aerodynamik der Technischen Universität Darmstadt durchgeführter Arbeiten, die das Verhalten des passiven, lastabhängigen ACP Konzeptes in zweidimensionaler Strömung und unter dem Einfluss synthetischer Böen untersuchten. Die aktuellen Experimente wurden an der Berlin Research Turbine (BeRT) im großen Windkanal (GroWiKa) der Technischen Universität Berlin durchgeführt. Die Experimente wurden ausgelegt um das Verhalten des Konzeptes im rotierenden System einer Windkraftanlage unter dreidimensionaler Anströmung und einer realistischen Böen Situation zu untersuchen. Die Basis der Versuchsreihe bildet der Vergleich der ACP Funktion bei gegierter und nicht gegierter Rotorebene. Wird die Rotorebene unter einem Gierwinkel angeströmt führt das zu lokalen Schwankungen des Anströmwinkels und der Anströmgeschwindigkeit am Rotorblatt. Diese hoch instationären periodischen Schwankungen in der Blattanströmung sind abhängig von der Spannweitenposition und dem Umlaufwinkel des Blattes. Das konkrete Ziel war es das Potential des ACP Konzeptes als eine Möglichkeit zur Böenlastminderung an Windturbinen zu untersuchen. In diesem Sinne war ein weiteres Anliegen herauszufinden in welchem Bereich der erzeugten Fluktuation von Anströmwinkel und Geschwindigkeit das Konzept den gewünschten Einfluss auf das Lastverhalten des Rotors zeigt. Zu diesem Zweck wurde ein Rotorblatt mit drei ACP Sektionen verteilt über die Spannweite zwischen Blattwurzel und Blattspitze entwickelt. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass es sinnvoll ist nicht nur die äußeren Bereiche eines Rotorblattes mit dem ACP Konzept zu kontrollieren, sondern insbesondere auch die mittleren und die Bereiche nahe der Blattwurzel. Verglichen mit der starren Conflagration des Rotorblattes konnte eine Spitzenlastreduktion des kritischen Wurzelbiegemomentes um 10%, bei gleichzeitiger Erhöhung lokaler Lasten um 20% nachgewiesen werden. Das führt zu einer Reduzierung der Böenamplitude verglichen mit einem konventionellen Rotorblatt. Aufgrund der Ergebnisse kann davon ausgegangen werden, dass das ACP Konzept, wenn richtig implementiert und eingestellt, großes Potential besitzt, sowohl die Lebensdauer, als auch die Energieausbeute von Windturbinen signifikant zu erhöhen.