Leistungssteigerung und Verbesserung der Dauerfestigkeit von vertikalachsigen Wasserturbinen durch aktive Schaufeljustierung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Roberto Leidhold; Professor Dr. Dominique Thévenin
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik ; Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 457325924

Darrieus-Turbinen sind Vertikalachsige Durchströmturbinen (VAWT), die nach dem Auftriebsprinzip arbeiten und als Schnellläufer bei Schnelllaufzahlen zwischen 2 und 5 (das Verhältnis von tangentialer Blatt- zu Anströmgeschwindigkeit) ihren Bauform bedingten Bestpunkt aufweisen. Sie bieten eine interessante Lösung zur Erzeugung elektrischer Energie aus der Nutzung von Wind-, Fluss-, Meeres- und Gezeitenströmungen, da VAT eine weit höhere Flächenausnutzung als Horizontalachsige Systeme haben. Sie arbeiten unabhängig von der Strömungsrichtung und sind gut modular aufbaubar, was durch die Nutzung von Baukastensystemen ökonomisch vielversprechend ist. Die Strömung in einer VAT ist allerdings sehr komplex. Es existieren deshalb bis heute keine zufriedenstellenden analytischen Beschreibungen der Strömungsvorgänge, die eine einfache Auslegung, vergleichbar zu Horizontalachsigen Maschinen erlauben würden. Mit der Drehbewegung des Rotors ändern sich der Angriffswinkel, die Relativgeschwindigkeit und damit der Turbulenzgrad. Es kommt in weiten Teilen zu starker dynamischer Strömungsablösung. Durch eine Justierung des Angriffswinkels kann sowohl das Anlaufverhalten als auch der Wirkungsgrad erhöht werden, da starke Ablösung verhindert bzw. vermindert werden kann. Anders als bei Horizontalachsigen Turbinen ist die Justierung aber nicht nur von der Schnelllaufzahl, sondern vor allem vom Rotorwinkel abhängig. Das führt zu einem hochdynamischen System mit Regelzeiten in Abhängigkeit von der Drehzahl. Geplant ist in einem interdisziplinären Projekt, im Bereich der Strömungsmechanik und der Antriebsregelung, mittels drei Arbeitspaketen mit experimentellem Schwerpunkt in zwei Jahren folgende Ziele zu erreichen: 1. Verbesserung der Leistung des Turbinentyps2. Erhöhung der Dauerfestigkeit der Turbinen durch die Verminderung der Lastschwankungen3. Besseres Verständnis der fluidmechanischen Vorgänge an einer VAWT, wie die auftretende dynamische Strömungsablösung4. Experimentelle Auslegung eines Optimierungsalgorithmus zur Ermittlung der optimalen Solltrajektorie für die Regelung der Anströmwinkeljustierung.5. Entwicklung einer neuen Klasse von Torquemotoren mit begrenzten Drehwinkel und axial ausgedehnter Ausführung, zur Integration der Pitch-Aktoren in den Rotorblättern. Die dezentral verbauten Aktoren sollen einen höheren Freiheitsgrad für die Verbesserung der Turbinenleistung erlauben.6. Auslegung einer hochdynamischen Lageregelung mit minimalem Energieaufwand für diese Motoren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen