Leading edge erosion: A review and application of modeling strategies for the investigation of erosion-induced effects on wind turbine rotor blades

Abstract

Wind energy as a renewable energy source has become increasingly important over the last two decades and plays a vital role in the transition to more sustainable energy. As wind turbine rotor blades are constantly exposed to weather phenomena, the surface near the leading edge erodes over time. Leading-edge erosion leads to a significant reduction in aero-dynamic performance and, thus, losses in annual energy production. Various approaches to model erosion characteristics in computational fluid dynamics have been developed in the past few years. This work encompasses two-dimensional numerical flow simulations around NACA 64-618 and NACA 633-418 airfoils with different degrees of erosion severity using OpenFOAM and the validation of these results against experimental data. Heavily eroded airfoils are represented by a geometry-based model. A mathematical surface roughness-based model, implemented in OpenFOAM as part of this thesis, is used to represent slightly eroded airfoils. The steady-state flow simulation results agree well with experimental data and demonstrate the capability of both methodologies for predicting potential performance losses due to leading-edge erosion. The results of the transient simulations indicate that heavily eroded airfoils experience greater pressure fluctuation amplitudes on the surface, leading to increased loads and accelerated fatigue. In addition, a single rotor blade of the WindPACT 1.5MW reference turbine is selected for both steady-state and transient three-dimensional flow simulations. The rough surface is placed within 10% of the leading edge in the outermost 40% of the blade, resulting in an 11% torque reduction compared to the undamaged blade. Sufficient results are also obtained from the transient simulations, where 1.2 ms of flow could be simulated with the available computational resources. This setup forms the basis for future investigations regarding the aeroelastic properties of the rotor blade. The work concludes with suggestions on how to combine the transient flow simulation and structural analysis using open-source software.

Als erneuerbare Energiequelle hat Energie aus Windkraft in den letzten zwei Jahrzehnten zunehmend an Bedeutung gewonnen. Im Rahmen der Energiewende kommt der Windenergie zudem eine Schlüsselrolle zu. Die Rotorblätter einer Windkraftanlage sind den Umweltbedingungen permanent ausgesetzt, dadurch kommt es auf Dauer zu Erosionserscheinungen an der Vorderkante. Diese Schäden an der Vorderkante beeinträchtigen das aerodynamische Verhalten und können in der Folge zu erheblichen Leistungsverlusten führen. In der Vergangenheit sind verschiedene Ansätze entwickelt worden, um Erosionserscheinungen bei numerischen Strömungssimulationen zu berücksichtigen. Diese Arbeit beinhaltet zweidimensionale Strömungssimulationen an NACA 64-618 und NACA 633-418 Profilen mit unterschiedlichen Schadensausprägungen und die Validierung der Ergebnisse mit Messdaten. Die Berechnungen erfolgen mit der freien Software OpenFOAM. Rauigkeits- und Geometriebasierte Methoden werden zur Erosionsmodellierung eingesetzt. Das Rauigkeitsmodell, welches leichte Vorderkantenerosion als Rauigkeit mathematisch abbildet, wird im Zuge dieser Arbeit in OpenFOAM implementiert. Stationäre Simulationen liefern stimmige Ergebnisse für beide Modelle und zeigen ihre Eignung zur Vorhersage der Performanceverluste durch Erosion. Transiente Berechnungen legen erhöhte Druckschwankungen an der Oberfläche, und damit gesteigerte Materialermüdung stark erodierter Profile nahe. Zusätzlich wird ein Rotorblatt der Referenzturbine WindPACT 1.5MW für dreidimensionale Simulationen - stationäre und transiente - ausgewählt. Die äußersten 40% des Rotorblatts werden mit einer Rauigkeit von 101 μm als leicht erodiert angenommen, mit dieser Konfiguration ergibt sich eine Reduktion des Drehmoments um 11%. Zufriedenstellende Ergebnisse liefern auch die instationären Simulationen; mit den verfügbaren Rechnerressourcen konnten 1.2 ms der Strömung simuliert werden. Damit wird eine Basis für zukünftige Untersuchungen hinsichtlich der aeroelastischen Eigenschaften des Rotorblatts geschaffen. Mit einer Anleitung zur Verbindung der transienten Strömungssimulation und der Strukturanalyse mit Open-Source-Software wird die Arbeit abgeschlossen.