Thermografische Detektion und Lokalisierung von Dynamic Stall an Windenergieanlagen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Andreas Fischer; Professor Dr.-Ing. Wolfgang Schröder
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik ; Messsysteme
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 420278089

Dynamic Stall an Windenergieanlagen führt zu instationären Lasten, reduziert den aerodynamischen Wirkungsgrad und erhöht die akustischen Emissionen der Rotorblätter. Aktuell fehlt jedoch eine in-prozess-fähige Messtechnik zur Detektion und Lokalisierung von Dynamic Stall an realen Windenergieanlagen, um das Auftreten und die zugrundeliegenden Wirkmechanismen dieses Phänomens untersuchen, verstehen und es letztlich minimieren zu können. Die von den Antragstellern verfolgte und im Rahmen der Vorarbeiten begründete Arbeitshypothese ist, dass sowohl thermische als auch akustische Signaturen eine berührungslose Erfassung von Dynamic Stall an Rotorblättern von Windenergieanlagen ermöglichen. Weil der Messansatz der thermographischen Strömungsvisualisierung eine hohe räumlichen Auflösung bietet, jedoch aufgrund der thermischen Trägheit des Rotorblattes hinsichtlich der zeitlichen Auflösung limitiert ist, soll zusätzlich ein komplementärer, akustischer Messansatz zur Steigerung der zeitlichen Auflösung verfolgt werden. Das Ziel ist es, thermische und akustische Dynamic-Stall-Signaturen zu identifizieren und mit einem hybriden thermographisch-akustischen Messansatz eine spatiotemporal hochaufgelöste Detektion und Lokalisierung von Dynamic Stall an in Betrieb befindlichen Windenergieanlagen zu realisieren. Mit aufeinander abgestimmten experimentellen und numerischen Grundlagenversuchen an einem 2D-Rotorblattprofil unter Laborbedingungen werden zunächst die thermo- und fluiddynamischen sowie die aeroakustischen Wirkmechanismen beim Auftreten von Dynamic Stall geklärt. Darauf basierend werden die Fähigkeiten und Grenzen eines hybriden thermographisch-akustischen Messansatzes untersucht und ein inverses Messmodell abgeleitet. Bei der Charakterisierung des Messansatzes wird beispielsweise untersucht, auf welcher Zeitskala sich dynamische Ablösephänomene thermisch und akustisch auflösen lassen und inwieweit sich verschiedene Ablösegrade, d.h. verschiedene Ablösepositionen entlang der Blattsehne unterscheiden lassen. Außerdem wird die Wirkung der radialen Ausdehnung der Dynamic-Stall-Bereiche auf das akustische Signal geklärt. Darüber hinaus werden der Einfluss variabler Messbedingungen an Windenergieanlagen, wie verschiedene Anström- und thermische Randbedingungen, sowie systematische Quereinflüsse, wie thermische Wechselwirkungen zwischen der Rotorblattoberfläche und -struktur, auf das Messergebnis untersucht. Abschließend wird der realisierte thermographisch-akustischen Messansatz an einer realen, nicht-skalierten Forschungswindenergieanlage angewendet, um die bei Freifeldmessungen erreichbare Güte bei der Detektion und der räumlichen und zeitlichen Lokalisierung von Dynamic Stall zu bestimmen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Matthias Meinke