Technologie / Technischer Leitfaden
Schräg angeströmter Rotor: Geschwindigkeitskomponenten und schiefer Nachlauf
Bei schräger Anströmung weicht die Windrichtung von der Richtung der Rotorachse ab. Die Zerlegung der Strömung in eine zur Rotorebene normale und eine in der Rotorebene liegende Komponente ist nur der erste Schritt. Die rotierenden Blattabschnitte und der induzierte Nachlauf können dann einem asymmetrischen aerodynamischen Zustand ausgesetzt sein.
Vollziehen Sie zunächst die Geometrie nach, bevor Sie das Systemverhalten diskutieren.
Ein vorzeichenbehafteter Gierwinkel erfordert eine Achsen- und Richtungskonvention. Die Projektion erklärt die Anströmkomponenten, während der Nachlauf und die lokale Blattbelastung zusätzliche aerodynamische Zusammenhänge erfordern, die über den geometrischen Winkel allein hinausgehen.
01 / Geometrie
Ein Windnachführungswinkel beschreibt eine Orientierungsbeziehung.
Für die hier verwendete einfache horizontale Geometrie ist γ der vorzeichenbehaftete Winkel zwischen der Rotorachse und der festgelegten Richtung der Anströmgeschwindigkeit.
Für die hier verwendete einfache horizontale Geometrie ist γ der vorzeichenbehaftete Winkel zwischen der Rotorachse und der festgelegten Richtung der Anströmgeschwindigkeit. Die Achse senkrecht zur Rotorebene und die Geschwindigkeitsreferenz müssen gemeinsam definiert werden. Neigung und Strukturbewegungen erfordern weitere Unterscheidungen, die über diese zweidimensionale Darstellung hinausgehen.
Eine meteorologische Windrichtung, die angibt, woher der Wind kommt, verwendet eine andere Richtungskonvention als ein Geschwindigkeitsvektor, der in Strömungsrichtung zeigt. Diese Richtungsangaben dürfen nicht voneinander subtrahiert werden, als wären sie gleich definiert. Der Leitfaden zu Richtung und Ausrichtung erläutert diese vorgelagerte Frage nach dem Bezug.
02 / Projektion
Ein Vektor ergibt Normal- und Querströmungskomponenten.
Bei einer gleichförmigen horizontalen Geschwindigkeit vom Betrag U in dieser definierten Geometrie beträgt die Komponente normal zur Rotorscheibe U cos γ und die Querströmungskomponente in der Scheibenebene U sin γ.
Für eine gleichförmige horizontale Geschwindigkeit mit dem Betrag U in dieser definierten Geometrie beträgt die Komponente normal zur Rotorscheibe U cos γ und die Querströmungskomponente in der Scheibenebene U sin γ. Dies sind Vektorprojektionen; sie machen für sich genommen keine Aussage über die induzierte Geschwindigkeit oder die elektrische Leistung.
Bei hypothetischen Werten U = 10 m/s und γ = 30° betragen ihre Beträge etwa 8.66 und 5 m/s. Eine Umkehr des Vorzeichens von γ ändert das Vorzeichen der Querströmung, während dieselbe Kosinusprojektion erhalten bleibt. Eine Vorzeichenumkehr kann daher eine räumliche Asymmetrie umkehren, ohne diesen Betrag der Normalgeschwindigkeit zu verändern.
03 / Azimut
Die Rotation verändert, wie die Querströmung auf einen Blattquerschnitt trifft.
Die Tangentialrichtung eines Rotorblattabschnitts ändert sich entlang des Rotorumfangs.
Die Tangentialrichtung eines Rotorblattabschnitts ändert sich entlang des Rotorumlaufs. Die feste Querströmungskomponente wird daher bei unterschiedlichen Azimutwinkeln unterschiedlich auf diese lokale Richtung projiziert. Die Relativströmung berücksichtigt sowohl die Bewegung des Blattabschnitts als auch die Geschwindigkeit der umgebenden Luft.
Dies kann zu periodischen Änderungen des Anströmwinkels und der Strömungsgeschwindigkeit an einem Profilabschnitt führen, selbst wenn der angegebene Windvektor stromaufwärts konstant ist. Dies unterscheidet sich von einer Böe, die den gesamten anströmenden Wind zeitlich verändert. Aus dieser geometrischen Erklärung allein ergibt sich kein tatsächlicher zeitlicher Verlauf des Anstellwinkels einer MARSTON-Anlage.
04 / Nachlaufreaktion
Das induzierte Feld muss nicht achsensymmetrisch bleiben.
Ein belasteter Rotor verändert den Strömungsimpuls, und bei Schräganströmung kann ein schiefer oder abgelenkter Nachlauf mit einem ungleichmäßigen induzierten Feld entstehen.
Ein belasteter Rotor verändert den Strömungsimpuls, und bei Schräganströmung kann ein schräger oder abgelenkter Nachlauf mit einem ungleichförmigen induzierten Feld entstehen. Die FAST.Farm-Theorie beschreibt die Ablenkung der Nachlaufebene und eine Darstellung des eingerollten Nachlaufs bei Schräganströmung getrennt.
Dies sind Unterscheidungen zwischen Modellen, kein Beweis dafür, dass jeder Nachlauf eine bestimmte vorgegebene Form hat. Die Nachlaufrichtung, die Richtung der Rotorachse und die Geschwindigkeitsrichtung weit stromaufwärts sollten nicht als identisch bezeichnet werden. Ihr Verhältnis hängt auch von der Belastung und der umgebenden Strömung ab, die das gewählte Modell abbildet.
05 / Vereinfachungen bei der Leistungsberechnung
Eine Projektion auf die Normalenrichtung ist kein vollständiges Gesetz für Verluste durch Schräganströmung.
Das Kubieren von U cos γ in einem vereinfachten Energieausdruck würde nur unter den zugehörigen Annahmen einen Faktor mit der dritten Potenz des Kosinus ergeben.
Das Kubieren von U cos γ in einem vereinfachten Energieausdruck würde nur unter den zugehörigen Annahmen einen Faktor mit der dritten Potenz des Kosinus ergeben. Diese Umformung kann keinen universellen, gemessenen Exponenten für Verluste durch Windfehlanströmung eines realen Rotors begründen, geschweige denn für ein vollständiges elektrisches Anlagenpaket.
Lokale Koeffizienten, Induktion, Rotationsbewegung und Betriebsverhalten bleiben relevant. Ein Modell, das diese Effekte in einem einzigen angepassten Faktor zusammenfasst, benötigt eigene Gültigkeitsbedingungen. Diese Seite erläutert, warum die geometrische Projektion und die daraus resultierende Maschinenleistung unterschiedliche Beschreibungsebenen sind.
06 / Bedingungen
Trennen Sie die aerodynamische Erklärung von Befehlen zur Windnachführung.
Ein Blattelementmodell kann eine ausdrückliche Behandlung schräger Anströmung erfordern; eine detailliertere Nachlaufdarstellung hat andere Annahmen und einen anderen Berechnungsumfang.
Ein Blattelementmodell kann eine explizite Behandlung schräger Anströmung erfordern; eine detailliertere Nachlaufdarstellung hat andere Annahmen und einen anderen Berechnungsumfang. Eine höhere Modelldetaillierung allein bestätigt keine Last- oder Leistungsvorhersage. Der BEM-Leitfaden behandelt die zugrunde liegende Kopplung.
Die elektrische Windnachführung ist für die aktuelle MARSTON-Baureihe bestätigt, doch hier werden weder ein Exponent für Verluste durch Windrichtungsabweichung noch eine Funktion zur Nachlaufströmungslenkung oder ein implementierter Korrekturalgorithmus zugeordnet. Diese Erläuterung enthält weder eine Einstellung für eine absichtliche Windrichtungsabweichung noch einen Manöverplan oder eine betriebliche Anpassung.
Verwandte technische Leitfäden: Dynamischer Druck, statischer Druck und Beiwerte bei Windenergieanlagen · Windturbulenzspektren sowie zeitliche und räumliche Skalen · Räumliche Mittelung über den Rotor: punktuelle Windgeschwindigkeit, Flächenmittel & äquivalente Geschwindigkeit.
Allgemeiner Hintergrund: OpenFAST FAST.Farm: Referenz der Windnachführung, Nachlaufablenkung und Modelle für Schräganströmung. Diese Quellen erläutern Branchenkonzepte; sie sind von den geltenden MARSTON-Produkt- und Projektunterlagen zu unterscheiden.
Zentrale Begriffe und Bedingungen.
Lesen Sie jede Größe mit ihrem Bezug, ihren Einheiten und den genannten Bedingungen. Ein allgemeiner Zusammenhang legt keinen modellspezifischen Wert fest.
| Begriff / Größe | Bedeutung / Zusammenhang | Bedingungen / Grenzen |
|---|---|---|
| Gierwinkel | γ mit definierten Achsen und definiertem Vorzeichen | Die Richtung des Geschwindigkeitsvektors und die Windherkunftsrichtung unterscheiden sich. |
| Normalkomponente | U cos γ | Einfache gleichförmige horizontale Projektion. |
| Querströmungskomponente | U sin γ | Das Vorzeichen ändert sich mit der Konvention für den Windnachführungswinkel. |
| Azimutale Variation | Lokale Projektion des rotierenden Blattquerschnitts | Kann bei stationärer Anströmung auftreten. |
| Schräg verlaufender Nachlauf | Reaktion des Modells der induzierten Strömung | Nicht allein durch die Projektion festgelegt. |
Technische Fragen.
Enthält eine schräg zur Rotorachse gerichtete Anströmung nur eine geringere Geschwindigkeitskomponente normal zur Rotorebene?
Nein. In der angegebenen Geometrie hat es auch eine Komponente in der Ebene.
Ändert eine Umkehr des Vorzeichens des Gierwinkels U cos γ?
Ihr Betrag bleibt unverändert, während die Sinuskomponente ihr Vorzeichen umkehrt.
Kann ein stationärer, schräg zur Rotorachse einfallender Wind periodische Änderungen am Blattquerschnitt erzeugen?
Ja. Die Ausrichtung des Blattabschnitts ändert sich bei seiner Drehung.
Muss die Nachlaufrichtung mit der Richtung der Rotorachse übereinstimmen?
Nein. Eine belastete Schräganströmung kann abgelenkt werden und ungleichförmig bleiben.
Ist der Kosinus hoch drei ein allgemeingültiges Gesetz für Verluste durch Windrichtungsabweichung bei realen Windenergieanlagen?
Nein, dies ergibt sich aus einer bestimmten Vereinfachung, nicht aus jeder Maschinenantwort.
Bestätigt eine elektrische Windnachführung die Fähigkeit zur Nachlaufsteuerung?
Nein. Ein aerodynamisches Konzept belegt diese Steuerungsfunktion nicht.
Technische Anfrage
Die technische Frage besprechen.
Bei schräger Anströmung weicht die Windrichtung von der Richtung der Rotorachse ab. Stellen Sie für eine technische Erörterung das Modell und die relevanten Betriebs- oder Auslegungsinformationen bereit.