In this study, performance analyses have been conducted for a 5MW class wind turbine blade model. Advanced computational analysis system based on computational fluid dynamics(CFD) and computational structural dynamics(CSD) has been developed in order to investigate detailed dynamic responsed of wind turbine blade. Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) equations with K-${\epsilon}$ turbulence model are solved for unsteady flow problems of the rotating turbine blade model. A fully implicit time marching scheme based on the Newmark direct integration method is used for computing the coupled aeroelastic governing equations of the 3D turbine blade for fluid-structure interaction (FSI) problems. Predicted aerodynamic performance considering structural deformation effect of the blade show different results compared to the case of rigid blade model.
One stage axial type turbine is designed by mean-line analysis, streamline curvature method and blade design method using shape parameters. Tip and hub diameter of the turbine are 300mm and 206.4mm, respectively. The rotating speed is 1800RPM, and the output power is 1.4kW. The flow coefficient is 1.68 and the reaction factor at mean-line is 0.373. The number of stator and rotor of the turbine are 31 and 41, respectively. Mach number of stator exit flow near hub is 0.164. A test rig is developed for performance test to validate a developed design method. The experimental result shows that the maximum efficiency is obtained on the design point.
본 연구에서는, 먼저 $Fine^{TM}/Turbo$의 신뢰성을 확보하기 위해 초음속 터빈의 실험 결과와 비교 해석하였다. 그 결과 $Fine^{TM}/Turbo$는 초음속 유동 현상을 비교적 정확하게 해석함을 알 수 있었다. 다음으로 Grid Independency Test를 통하여 3차원 터빈의 적합한 격자계를 선정하여. 3차원 초음속 터빈의 노즐-로터 상호작용에 관해 유동해석을 실시하였다. 터빈의 노즐-로터간의 축방향 간격은 점점 커질수록 높은 추력을 나타냈으며, 로터 블레이드의 Chamfering Angle 또한 Blade-Edge가 날카로워 질수록 추력이 증가하였다.
3-D compressible flow analysis was conducted by using mixing plane method for turbine system which is consisted of partial admission nozzle and rotor. Computational results are shown oblique shock wave in blade leading and trailing edge and also shown flow separation along suction surface of blade due to abrupt blade curvature. But computational results are well agree with 1-D calculation results and experimental data.
Recently, the development of aerospace and automobile industries brought new technological challenges, related to the growing complexity of products and new geometry models. High speed machining using 5-Axis milling machine is widely used for 3D sculptured surface parts. 5-axis milling of turbine blade generates the vibration, deflection and twisting caused from thin and cantilever shape. So, the surface roughness and the waviness of workpiece are not good. In this paper, The effects of cutter orientation and lead/tilt angle in 5-Axis high speed ball end-milling of turbine blade were investigated to improve the geometric accuracy and surface integrity. The experiments were performed at lead/tilt angle $15^{\circ}$ of workpiece with four cutter directions such as horizontal outward, horizontal inward, vertical outward, and vertical inward. Workpiece deflection, surface roughness and machined surface were measured with various cutter orientations such as cutting direction, and lead/tilt angle. The results show that when 5-axis machining of turbine blade, the best cutting strategy is horizontal inward direction with tilt angle. The results show that when 5-axis machining of turbine blade, the best cutting strategy is horizontal inward direction with tilt angle.
The new aerofoil, KA2 was designed to apply to the wind turbine blade. For the aerofoil, numerical analysis was performed to review aerodynamic characteristics like lift and drag coefficient. And they are verified with test data using the digital wind tunnel and test samples from 3D printer. The digital wind tunnel was developed to test wing in the small laboratory, and verified with test of NACA0012 airfoil. KA2 aerofoil is asymmetric, and has the thickness ratio of 14%, and 12 degree of AOA at the maximum lift coefficient of 1.3. In this paper, aerodynamic characteristics from numerical and test approaches will be proposed with AOA in detail. Therefore, this aerofoil will be used for the design of wind turbine blade.
The output power of turbine is greatly affected by the losses generated within the passage. In order to develop a better turbine or loss models, an experimental study was conducted using a linear cascade experimental apparatus. The total pressure loss and flow structures were measured at two cross-sectional planes located downstream of blade row. Measurement was conducted in a steady state for the several different locations of the blade row along the rotational direction. The blade row moved by 20 % of the pitch, and tip clearance was varied from 2% to 8%. Axial-type blades were used and its blade chord was 200mm. A square nozzle was applied and its size was $200mm{\times}200mm$. The experiment was conducted at a Reynolds number of $3{\times}10^5$ based on the chord. Nozzle flow angle sets to $65^{\circ}$ based on the axial direction and the solidity of blade row was 1.38. From the experimental results, the total pressure loss was greatly varied in the receding region than in the entering region. The flow properties within the blade passage were strongly changed according to the location of blade row.
This study describes aerodynamic characteristics for the HAWT (Horizontal Axis Wind Turbine) rotor blade using general CFD(Computational Fluid Dynamics) code. The boundary conditions for analysis are validated with the experimental result by the NREL (National Renewable Energy Laboratory)/NASA Ames wind tunnel test for S809 airfoil. In the case of wind turbine rotor blade, complex phenomena are appeared such as flow separation and re-attachment. Those are handled by using a commercial flow analysis tool. The 2-equation k-$\omega$ SST turbulence model and transition model appear to be well suited for the prediction. The 3-dimensional phenomena in the HAWT rotor blade is simulated by a commercial 3-D aerodynamic analysis tool. Tip vortex geometry and Radial direction flows along the blade are checked by the analysis.
In this paper, numerical results for 3-D supersonic turbine flow have been firstly compared with the experimental results to verify results computed by $Fine^{TM}/Turbo$. It was found that $Fine^{TM}/Turbo$ can accurately predict flow characteristics within supersonic turbine. Next, an grid system for 3D turbine flow was optimized selected through grid independency test. Finally, the effect of axial gap between rotor and nozzle and chamfer angle of blade edge on the flow characteristics within 3-D supersonic turbine was analyzed with Frozen Rotor method.
The unsteady flow field disturbance between the blades and tower is one of the primary factors affecting the aerodynamic performance of wind turbine. Based on the research object of a 3MW horizontal axis wind turbine which was developed independently by Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, numerical simulation on the aerodynamic performance of wind turbine system in halt state with blades in different position was conducted using large eddy simulation (LES) method. Based on the 3D unsteady numerical simulation results in a total of eight conditions (determined by the relative position with the tower during the complete rotation process of the blade), the characteristics of wind pressure distributions of the wind turbine system and action mechanism of surrounding flow field were analysed. The effect of different position of blades on the aerodynamic performance of wind turbine in halt state as well as the disturbance effect was evaluated. Results of the study showed that the halt position of blades had significant effect on the wind pressure distribution of the wind turbine system as well as the characteristics of flow around. Relevant conclusions from this study provided reference for the wind-resistant design of large scale wind turbine system in different halt states.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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