Hilfestellung aus der Luftfahrt Strömungsmessungen am Rotorblatt

Um Windkraftanlagen optimal auszulasten, sind die Anströmdaten am Rotorblatt interessant. Bisher übliche Messungen in Windrichtung vor dem Turm liefern keine entsprechenden Informationen. Mithilfe von Staudrucksonden aus der Luftfahrt konnten nun die Anströmdaten direkt auf dem Rotorblatt gemessen werden.

Fünfloch-Staudrucksonden des amerikanischen Herstellers Aeroprobe (Vertrieb: Althen) kommen nicht nur die in der Luftfahrt zur Strömungsmessung zum Einsatz. Mit ihnen lassen sich auch die Anströmgeschwindigkeit und -richtung bei Rotorblättern von Windkraftanlagen präzise erfassen. Die Aeroprobe-Mehrlochsonden erfassen einen Strömungswinkel von bis zu 165° zur Längsachse sowie den Gesamt- und Umgebungsdruck.

Dänische Forscher untersuchten in einem Praxistest am Risoe National Laboratory mit diesen Staudrucksonden die Luftströmung über Rotorblättern an einer Windkraftanlage. Die Messung des Luftstroms über die sich drehenden Rotorblätter kann entweder durch Befestigung der Sonden an den Rotorblättern selbst oder durch Installation der Sonden mithilfe von Ständern vor oder hinter der Anlage erfolgen.

Die dänischen Forscher installierten die Staudrucksonden an der Rotorblatt-Vorderkante einer 3,6-MW-Anlage mit einer Rotorhöhe von 80 m. Die über die gesamte Rotorfläche erfassten Daten dienten dem Vergleich der Anströmungen in den verschiedenen Bereichen des Rotorblatts. Bisher übliche Messungen in Windrichtung vor dem Turm liefern keine entsprechenden Informationen.

Die Forscher in Dänemark nutzen die Anströmdaten, um die Windscherung und die Turbulenz in der freien Strömung zu ermitteln. Dabei zeigte sich, dass Windscherung und Turbulenz an zwei Positionen auf demselben Rotorblatt stark voneinander abweichen können. Erst die Anwendung von Staudrucksonden am Rotorblatt selbst brachte diese überraschende Erkenntnis.

Für Untersuchungen an realen Windkraftanlagen empfiehlt sich die Verwendung von im wesentlichen zwei Sondenkomponenten: zum einen Fünfloch-Luftfahrt-Strömungssonden, die üblicherweise an der Vorderkante des Rotorblatts angebracht werden, um Anströmgeschwindigkeit und -richtung zu bestimmen; zum anderen Pitot-statische Mehrsondenanordnungen, die bei Installation an der Hinterkante der Rotorblätter die Stärke und das Geschwindigkeitsprofil der Grenzschicht messen.

Durch die Messung des Drucks am Sondenport mit Hilfe von Druckscannern und die Anwendung geeigneter Sonden- und Sensorkalibrierungen lassen sich Strömungsgeschwindigkeit und -winkel exakt ermitteln. Bei den Vorderkantensonden handelt es sich im Wesentlichen um Luftfahrt-Strömungssonden mit Statikringen zur Ermittlung des statischen Drucks. Dies ist Voraussetzung für die Berechnung der lokalen Geschwindigkeit.