Der 'dynamic inflow' Effekt beschreibt die instationäre aerodynamische Reaktion auf schnelle Änderungen der Rotorbelastung einer Windenergienlage. Ingenieursmodelle (IMs) werden in konstruktionsrelevanten aeroelastischen Simulationen eingesetzt, um diesen Effekt zu erfassen. Ziel dieser Arbeit war es, das Verständnis des 'dynamic inflow' Effektes durch Windkanalexperimente zu verbessern. Zunächst wurde eine skalierte Modell-Windturbine entworfen. Anschließend wurde ein Windkanalexperiment mit einem Blatt-Pitch-Schritt durchgeführt. Die relevante Rotorströmung wurde mit einer neuen Methode extrahiert. Diese Messungen wurden mit IMs verglichen. Schließlich wurde eine schnelle Rotorlaständerung durch eine Windböe untersucht. Vergleiche mit IMs zeigten große Abweichungen vom Experiment und eine Modifikation wurde vorgeschlagen. Diese experimentelle Arbeit erweitert das Verständnis des 'dynamic inflow' Effektes für Pitch-Schritte und stellt die Relevanz des Effekts für Böen dar.
The dynamic inflow phenomenon describes the unsteady aerodynamic response to fast changes in the rotor loading of a wind turbine. Aeroelastic design calculations depend on engineering models (EMs) to catch this effect. The objective of this thesis was to enhance the understanding of the dynamic inflow effect based on wind tunnel experiments. Firstly, a scaled model wind turbine was designed. Next, wind tunnel experiments with collective blade pitch steps were conducted. In addition to inflow, wake and load measurements, the dynamics of the induced axial and tangential velocities were extracted by a novel method and compared to EMs. Lastly, fast rotor load changes due to tailor-made wind gusts were investigated. Comparisons to EMs showed large deviations from the experiment, and a modification was suggested. This experimentally driven thesis increases the understanding of the mechanisms of dynamic inflow for pitch steps and provided evidence of the relevance for gust situations.
Windenergie ist ein wichtiger Teil der Energiewende. Grundlagenforschung und Weiterentwicklung von Windturbinen sind daher unerlässlich. Um zuverlässige Untersuchungen durchzuführen, werden realistische Strömungen im Windkanal benötigt. In dieser Arbeit wird eine neue Methode zur Erzeugung großskaliger turbulenter Strömungen im Windkanal mittels aktiver Gitter entwickelt. Es wurde gezeigt, dass die durch aktive Gitter aufprägbaren Strukturen von der reduzierten Frequenz abhängen. Die erzeugten Strömungen unterlaufen eine Transition und bilden weit hinter dem Gitter eine voll entwickelte Turbulenz aus. In Kombination mit einer dynamischen Drehzahlvariation der Windkanalgebläse lassen sich sehr große Reynoldszahlen und integrale Längen erzeugen. Die Dynamik einer Modellturbine unter diesen Anströmungen kann mit Hilfe des Langevin-Ansatzes für den gesamten Betriebsbereich bestimmt werden. Damit wird eine Methode zur systematischen Untersuchung von Windturbinen im Windkanal bereitgestellt.
Wind energy is an important part of the energy transformation. Fundamental research and further development of wind turbines are therefore essential. To perform reliable investigations, realistic flows in the wind tunnel are required. In this work, a new method for generating large scale turbulent flows in the wind tunnel by means of active grids is developed. It was shown that the structures that can be imprinted by active grids depend on the reduced frequency. The generated flows undergo a transition downstream and form a fully developed turbulence far behind the active grid. In combination with a dynamic speed variation of the wind tunnel fans, very large Reynolds numbers and integral length scales can be achieved. The dynamics of a model turbine under these inflows can be determined for the entire operating range by using the Langevin approach. This provides a method for the systematic investigation of wind turbines under realistic conditions in a wind tunnel.
