Hauptziel dieser Arbeit ist die Klärung der in der Praxis oft getroffenen Annahme, dass die statischen Torsionseffekte eines Windturbinenrotorblatts keinen Einfluss auf die aerodynamische Leistungsbilanz nehmen. Auf dem Markt findet sich ein breites Angebot an Software, mit der die Aeroelastizität von Windturbinenblättern und deren dynamische Stabilität berechnet und geprüft werden kann. Mit diesen Programmen können üblicherweise Schwingungsformen, die dazugehörigen Frequenzen sowie die Überlagerung der Schwingungen, das Flattern und die Stabilität des Rotorblattes berechnet werden [1, 2, 3 und 4]. Konstruktive Maßnahmen in diesem Zusammenhang sind auf die Schwingungstechnik fokussiert [5]. Die dynamische Stabilität ist jedoch nicht maßgebend für die statische Deformation des Windturbinenblattes, bei deren Auslegung auf die Vermeidung von Kollisionen mit dem Turm geachtet werden muss. In diesem Zusammenhang gewinnt die statische Aeroelastizität der Windturbinenblätter an Wichtigkeit. Die zur Verfügung stehenden Berechnungsprogramme ziehen zwar sowohl die dynamische als auch die statische Aeroelastizität in Betracht. Da jedoch in der Regel die dynamischen Torsionsschwingungen der Windturbinenblätter wesentlich höhere Frequenzwerte aufweisen als die Schlag- und Schwenkschwingungen, wird als plausibel angenommen, dass die Rotorblätter grundsätzlich torsionssteif sind. Daher werden bei den handelsüblichen Berechnungsprogrammen sowohl für die Aerodynamik als auch für die Strukturmechanik Vereinfachungen vorgenommen, in denen die statischen Torsionsberechnungen wegfallen. Als Stand der Technik bei den kommerziell erhältlichen Programmen wird die Aerodynamik des Rotors zunächst an einem Modell untersucht, in welchem der Rotor in viele zweidimensionale Profilpolare (mit angenommenen Interpolationsmöglichkeiten) unterteilt ist, wobei die Profilpolare 2DWindkanalmessungen entnommen werden. Die Strukturmechanik bezieht sich in der Regel auf eindimensionale Balkenelemente, die für Biege- und Zuglasten, aber nicht für Torsionsbetrachtungen um die Rotorlängsachse berechnet werden, da die Torsionseffekte als sehr gering und vernachlässigbar eingeschätzt werden. Beim torsionselastischen Windturbinenblatt ist zu erwarten, dass die Last der lokalen Auftriebskräfte und Nickmomente das Rotorblatt um die eigene Längsachse tordieren lässt [6]. Durch den Torsionswinkel nimmt der Auftrieb und somit die Schubkraft des Rotorblattes zu. Da der Torsionswinkel an der Windturbinenblattspitze am größten ist, wird folglich die größte Schlagdeformation ebenfalls im äußeren Bereich des Rotorblattes auftreten. Mit zunehmender Größe des Rotordurchmessers von der Größenordnung 100 m wird erwartet, 10 dass die Torsionslasten einen zunehmenden, nicht mehr vernachlässigbaren Einfluss auf die Wechselwirkung der Aerodynamik und Strukturmechanik einnehmen und somit die Zunahme der Schlagdeformation begünstigen. Daher ist die Aufgabe dieser Arbeit die Klärung der Annahme, dass die statischen Torsionseffekte eines Windturbinenrotorblatts Einfluss auf die aerodynamische Leistungsbilanz nehmen. In den Kapiteln 4 und 5 dieser Arbeit werden daher die Größenordnung der Drehwinkel und die sich daraus ergebende Schlagdeformation mit einem besonderen Augenmerk auf die Torsionseffekte des Rotorblattes ermittelt. Weiterhin werden in der aeroelastischen Berechnung dieser Arbeit die lokalen Deformationen berücksichtigt, da die flexible Haut des Windturbinenprofils durch die aerodynamischen Lasten eine Verformung erfährt, die einen beachtenswerten Einfluss auf die Aerodynamik des Windturbinenprofils hat. Bei immer größer werdenden Profiltiefen wird die Zunahme der lokalen Deformationen der flexiblen Haut des Windturbinenprofils begünstigt, welche durch die aerodynamischen Lasten und Torsion verursacht wird, die ihrerseits die Aerodynamik beeinflussen. Da der Fokus auf den lokalen Deformationen und Torsionseffekten liegt, wird hier auf sonst wichtige Parameter wie z.B. Windgeschwindigkeitsgradient, und Rotorebenenneigung verzichtet und somit eine stationäre Strömung angenommen. In einem iterativen Verfahren wird zunächst die aerodynamische Lastverteilung des Rotorblatts ermittelt. Die Ergebnisse werden in einem strukturmechanischen Programm auf das Rotorblattmodell übertragen. Die aerodynamischen Lasten und die Zentrifugalkräfte erzeugen einen Gleichgewichtszustand und eine neue Deformation des Rotorblattes. Der neue Gleichgewichtszustand wird für die Ermittlung der Aerodynamik für den nächsten Berechnungsschritt benutzt. Das iterative Verfahren wird so lange fortgesetzt, bis sich eine Konvergenz eingestellt hat. Hierzu sollen die Konvergenzkriterien berücksichtigt und dokumentiert werden, um somit die Berechnungsgenauigkeit des Antriebsmoments der Turbinenwelle beurteilen zu können. Für die Untersuchungen werden sowohl ein Balkenmodell als auch ein Schalenmodell benutzt.

Hauptziel dieser Arbeit ist die Klärung der in der Praxis oft getroffenen Annahme, dass die statischen Torsionseffekte eines Windturbinenrotorblatts keinen Einfluss auf die aerodynamische Leistungsbilanz nehmen. Auf dem Markt findet sich ein breites Angebot an Software, mit der die Aeroelastizität von Windturbinenblättern und deren dynamische Stabilität berechnet und geprüft werden kann. Mit diesen Programmen können üblicherweise Schwingungsformen, die dazugehörigen Frequenzen sowie die Überlagerung der Schwingungen, das Flattern und die Stabilität des Rotorblattes berechnet werden [1, 2, 3 und 4]. Konstruktive Maßnahmen in diesem Zusammenhang sind auf die Schwingungstechnik fokussiert [5]. Die dynamische Stabilität ist jedoch nicht maßgebend für die statische Deformation des Windturbinenblattes, bei deren Auslegung auf die Vermeidung von Kollisionen mit dem Turm geachtet werden muss. In diesem Zusammenhang gewinnt die statische Aeroelastizität der Windturbinenblätter an Wichtigkeit. Die zur Verfügung stehenden Berechnungsprogramme ziehen zwar sowohl die dynamische als auch die statische Aeroelastizität in Betracht. Da jedoch in der Regel die dynamischen Torsionsschwingungen der Windturbinenblätter wesentlich höhere Frequenzwerte aufweisen als die Schlag- und Schwenkschwingungen, wird als plausibel angenommen, dass die Rotorblätter grundsätzlich torsionssteif sind. Daher werden bei den handelsüblichen Berechnungsprogrammen sowohl für die Aerodynamik als auch für die Strukturmechanik Vereinfachungen vorgenommen, in denen die statischen Torsionsberechnungen wegfallen. Als Stand der Technik bei den kommerziell erhältlichen Programmen wird die Aerodynamik des Rotors zunächst an einem Modell untersucht, in welchem der Rotor in viele zweidimensionale Profilpolare (mit angenommenen Interpolationsmöglichkeiten) unterteilt ist, wobei die Profilpolare 2DWindkanalmessungen entnommen werden. Die Strukturmechanik bezieht sich in der Regel auf eindimensionale Balkenelemente, die für Biege- und Zuglasten, aber nicht für Torsionsbetrachtungen um die Rotorlängsachse berechnet werden, da die Torsionseffekte als sehr gering und vernachlässigbar eingeschätzt werden. Beim torsionselastischen Windturbinenblatt ist zu erwarten, dass die Last der lokalen Auftriebskräfte und Nickmomente das Rotorblatt um die eigene Längsachse tordieren lässt [6]. Durch den Torsionswinkel nimmt der Auftrieb und somit die Schubkraft des Rotorblattes zu. Da der Torsionswinkel an der Windturbinenblattspitze am größten ist, wird folglich die größte Schlagdeformation ebenfalls im äußeren Bereich des Rotorblattes auftreten. Mit zunehmender Größe des Rotordurchmessers von der Größenordnung 100 m wird erwartet, 10 dass die Torsionslasten einen zunehmenden, nicht mehr vernachlässigbaren Einfluss auf die Wechselwirkung der Aerodynamik und Strukturmechanik einnehmen und somit die Zunahme der Schlagdeformation begünstigen. Daher ist die Aufgabe dieser Arbeit die Klärung der Annahme, dass die statischen Torsionseffekte eines Windturbinenrotorblatts Einfluss auf die aerodynamische Leistungsbilanz nehmen. In den Kapiteln 4 und 5 dieser Arbeit werden daher die Größenordnung der Drehwinkel und die sich daraus ergebende Schlagdeformation mit einem besonderen Augenmerk auf die Torsionseffekte des Rotorblattes ermittelt. Weiterhin werden in der aeroelastischen Berechnung dieser Arbeit die lokalen Deformationen berücksichtigt, da die flexible Haut des Windturbinenprofils durch die aerodynamischen Lasten eine Verformung erfährt, die einen beachtenswerten Einfluss auf die Aerodynamik des Windturbinenprofils hat. Bei immer größer werdenden Profiltiefen wird die Zunahme der lokalen Deformationen der flexiblen Haut des Windturbinenprofils begünstigt, welche durch die aerodynamischen Lasten und Torsion verursacht wird, die ihrerseits die Aerodynamik beeinflussen. Da der Fokus auf den lokalen Deformationen und Torsionseffekten liegt, wird hier auf sonst wichtige Parameter wie z.B. Windgeschwindigkeitsgradient, und Rotorebenenneigung verzichtet und somit eine stationäre Strömung angenommen. In einem iterativen Verfahren wird zunächst die aerodynamische Lastverteilung des Rotorblatts ermittelt. Die Ergebnisse werden in einem strukturmechanischen Programm auf das Rotorblattmodell übertragen. Die aerodynamischen Lasten und die Zentrifugalkräfte erzeugen einen Gleichgewichtszustand und eine neue Deformation des Rotorblattes. Der neue Gleichgewichtszustand wird für die Ermittlung der Aerodynamik für den nächsten Berechnungsschritt benutzt. Das iterative Verfahren wird so lange fortgesetzt, bis sich eine Konvergenz eingestellt hat. Hierzu sollen die Konvergenzkriterien berücksichtigt und dokumentiert werden, um somit die Berechnungsgenauigkeit des Antriebsmoments der Turbinenwelle beurteilen zu können. Für die Untersuchungen werden sowohl ein Balkenmodell als auch ein Schalenmodell benutzt.

Die Abgasturboaufladung erweist sich als sinnvolles Hilfsmittel den Kraftstoffverbrauch eines Hubkolbenverbrennungsmotors bei gleichbleibender Fahrdynamik zu verringern und somit die Effizienz des Motors zu erhöhen. Zur optimalen Nutzung der im Abgas enthaltenen Energie werden Abgassysteme moderner Pkw – Motoren äußerst kompakt ausgeführt, um der Abgasturboladerturbine ein möglichst hohes Enthalpiegefälle zur Verfügung zu stellen. Diese Umstände, sowie zunehmend kleinere Zylinderzahlen mit großen Zündabständen führen dazu, dass sich die Eintrittsbedingungen von Radialturbinen von Abgasturboladern heutiger Motoren periodisch ändern. Die Strömungsmaschine kann aufgrund ihrer Trägheit dem Druckanstieg nicht unverzögert folgen und wird vorwiegend bei niedrigen Schnelllaufzahlen betrieben. Die Entwicklung von Abgasturboladern und deren Anpassung an den Verbrennungsmotor erfolgen überwiegend auf Grundlage von messtechnisch ermittelten Kennfeldern von Verdichter und Turbine. Diese werden an stationär betriebenen Heißgasprüfständen ermittelt. Aufgrund der stationären Leistungsbilanz zwischen beiden Strömungsmaschinen an diesen Prüfständen beschreiben stationär gemessene Turbinenkennfelder nicht den gesamten motorrelevanten Betriebsbereich der Turbine. Für die Entwicklung innovativer Turboladerturbinen sind Untersuchungen der Turbinenwirkungsgrade und Durchsatzkennzahlen in diesen Betriebspunkten essentiell. Zur Untersuchung von Wechselwirkungen zwischen aufgeladenen Verbrennungsmotoren und Aufladesystemen stellt die Motorprozessrechnung eine wichtige Technologie dar. Die numerische Beschreibung des Turboladerverhaltens im Motorbetrieb erfolgt ebenfalls auf Basis von gemessenen Turboladerkennfeldern. Aufgrund des eingeschränkten Messbereichs der Turbinenkennfelder werden diese stark extrapoliert und beschreiben das thermodynamische Verhalten der Turboladerturbine fragwürdig. Die vorliegende Arbeit stellt ein neues Verfahren an einem erweiterten Heißgasprüfstand zur Vermessung und Untersuchung von Turboladerturbinen in motorrelevanten Betriebszuständen vor. Parallel wird ein Berechnungsmodell entwickelt, um Messergebnisse zu plausibilisieren und die numerische Beschreibung instationärer Turbinenströmungen zu untersuchen. Die Methode basiert auf der Ausnutzung zusätzlicher Beschleunigungsleistung zur Erhöhung der Aufnahme der Turbinenleistung, um niedrigere Schnelllaufzahlen unter motorrealistischen Randbedingungen untersuchen zu können. Mit Hilfe eines geeigneten Druckverlaufes werden temporär stationäre Strömungszustände erzeugt, sodass thermodynamische Zustände in der Turbine zuverlässig beschrieben werden können. Ferner werden Betriebsbedingungen der Turbinenuntersuchung denen der Turboladerturbine im Motorbetrieb angepasst. Kurzzeitig stellen sich quasi-stationäre Zustände ein, woraufhin phasenkorrigierte Messgrößen die Strömung in den Schaufelkanälen der Turbine belastbar beschreiben. Durch Variation der pulsierenden Strömung können Wirkungsgrad- und Massendurchsatzkennfelder mit hoher Abtastrate erweitert werden, wodurch verlässliche Interpolationen der Turbinenkennfelder bei niedrigen Laufzahlen möglich sind. Am Heißgasprüfstand lassen sich Turbineneintrittstemperatur, Druckamplitude und mittleres Druckverhältnis mit speziellen Impulsgeneratoren einstellen. Auch eine instationäre Massenstrommessung und Temperaturmessung ist möglich. Die instationäre Messmethode bildet eine Synthese mit stationären Turbinenvermessungen und deckt einen Großteil des Turbinenbetriebes aufgeladener Hubkolbenverbrennungsmotoren ab. Damit hat dieses Verfahren das Potential Turboladerkennfelder die am stationären Heißgasprüfstand ermittelt wurden sinnvoll zu ergänzen. Ergebnisse der neuen Messmethode werden mit Resultaten äquivalenter Simulationsrechnungen auf Grundlage stationär und instationär ermittelter Kennfelder verglichen. Auf Basis erweiterter Turbinenkennfelder können Wechselwirkungen zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Aufladeaggregat mit Hilfe der Motorprozessrechnung genauer untersucht werden. Dies ermöglicht eine ideale Anpassung des Abgasturboladers an den Motor, wodurch Effizienz und Dynamik verbessert sowie Abgasemissionswerte des Antriebes reduziert werden können.

Die Abgasturboaufladung erweist sich als sinnvolles Hilfsmittel den Kraftstoffverbrauch eines Hubkolbenverbrennungsmotors bei gleichbleibender Fahrdynamik zu verringern und somit die Effizienz des Motors zu erhöhen. Zur optimalen Nutzung der im Abgas enthaltenen Energie werden Abgassysteme moderner Pkw – Motoren äußerst kompakt ausgeführt, um der Abgasturboladerturbine ein möglichst hohes Enthalpiegefälle zur Verfügung zu stellen. Diese Umstände, sowie zunehmend kleinere Zylinderzahlen mit großen Zündabständen führen dazu, dass sich die Eintrittsbedingungen von Radialturbinen von Abgasturboladern heutiger Motoren periodisch ändern. Die Strömungsmaschine kann aufgrund ihrer Trägheit dem Druckanstieg nicht unverzögert folgen und wird vorwiegend bei niedrigen Schnelllaufzahlen betrieben. Die Entwicklung von Abgasturboladern und deren Anpassung an den Verbrennungsmotor erfolgen überwiegend auf Grundlage von messtechnisch ermittelten Kennfeldern von Verdichter und Turbine. Diese werden an stationär betriebenen Heißgasprüfständen ermittelt. Aufgrund der stationären Leistungsbilanz zwischen beiden Strömungsmaschinen an diesen Prüfständen beschreiben stationär gemessene Turbinenkennfelder nicht den gesamten motorrelevanten Betriebsbereich der Turbine. Für die Entwicklung innovativer Turboladerturbinen sind Untersuchungen der Turbinenwirkungsgrade und Durchsatzkennzahlen in diesen Betriebspunkten essentiell. Zur Untersuchung von Wechselwirkungen zwischen aufgeladenen Verbrennungsmotoren und Aufladesystemen stellt die Motorprozessrechnung eine wichtige Technologie dar. Die numerische Beschreibung des Turboladerverhaltens im Motorbetrieb erfolgt ebenfalls auf Basis von gemessenen Turboladerkennfeldern. Aufgrund des eingeschränkten Messbereichs der Turbinenkennfelder werden diese stark extrapoliert und beschreiben das thermodynamische Verhalten der Turboladerturbine fragwürdig. Die vorliegende Arbeit stellt ein neues Verfahren an einem erweiterten Heißgasprüfstand zur Vermessung und Untersuchung von Turboladerturbinen in motorrelevanten Betriebszuständen vor. Parallel wird ein Berechnungsmodell entwickelt, um Messergebnisse zu plausibilisieren und die numerische Beschreibung instationärer Turbinenströmungen zu untersuchen. Die Methode basiert auf der Ausnutzung zusätzlicher Beschleunigungsleistung zur Erhöhung der Aufnahme der Turbinenleistung, um niedrigere Schnelllaufzahlen unter motorrealistischen Randbedingungen untersuchen zu können. Mit Hilfe eines geeigneten Druckverlaufes werden temporär stationäre Strömungszustände erzeugt, sodass thermodynamische Zustände in der Turbine zuverlässig beschrieben werden können. Ferner werden Betriebsbedingungen der Turbinenuntersuchung denen der Turboladerturbine im Motorbetrieb angepasst. Kurzzeitig stellen sich quasi-stationäre Zustände ein, woraufhin phasenkorrigierte Messgrößen die Strömung in den Schaufelkanälen der Turbine belastbar beschreiben. Durch Variation der pulsierenden Strömung können Wirkungsgrad- und Massendurchsatzkennfelder mit hoher Abtastrate erweitert werden, wodurch verlässliche Interpolationen der Turbinenkennfelder bei niedrigen Laufzahlen möglich sind. Am Heißgasprüfstand lassen sich Turbineneintrittstemperatur, Druckamplitude und mittleres Druckverhältnis mit speziellen Impulsgeneratoren einstellen. Auch eine instationäre Massenstrommessung und Temperaturmessung ist möglich. Die instationäre Messmethode bildet eine Synthese mit stationären Turbinenvermessungen und deckt einen Großteil des Turbinenbetriebes aufgeladener Hubkolbenverbrennungsmotoren ab. Damit hat dieses Verfahren das Potential Turboladerkennfelder die am stationären Heißgasprüfstand ermittelt wurden sinnvoll zu ergänzen. Ergebnisse der neuen Messmethode werden mit Resultaten äquivalenter Simulationsrechnungen auf Grundlage stationär und instationär ermittelter Kennfelder verglichen. Auf Basis erweiterter Turbinenkennfelder können Wechselwirkungen zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Aufladeaggregat mit Hilfe der Motorprozessrechnung genauer untersucht werden. Dies ermöglicht eine ideale Anpassung des Abgasturboladers an den Motor, wodurch Effizienz und Dynamik verbessert sowie Abgasemissionswerte des Antriebes reduziert werden können.