In this study, aerodynamic characteristics of a horizontal axis wind turbine (HAWT) were evaluated and discussed in terms of measured data in existing onshore wind farm. Five wind turbines (T1, T2, T3, T4 and T5) were selected, and hub-height wind speed, $U_D$, wind turbine power output, P and turbine rotational speed, ${\Omega}$ data measured from these turbines were used for evaluation. In order to obtain characteristics of axial flow induction factor, a, power coefficient, $C_p$, thrust force coefficient, $C_T$, thrust force, T and tangential flow induction factor, a', Blade Element Momentum (BEM) theory was used. According to the results obtained, during a year, probability density of turbines at a rotational speed of 16.1 rpm was determined as approximately 45%. Optimum tip speed ratio was calculated to be 7.12 for most efficient wind turbine. Maximum $C_p$ was found to be 30% corresponding to this tip speed ratio.
In this study, hydrodynamic performance of a 400 mm diameter horizontal axis marine current turbine model was tested in a cavitation tunnel with 1.21 m x 0.8 m cross-section for over a range of tip speed ratios. Torque and thrust data, as well as cavitation visualizations, for certain operating conditions were acquired. Experimental results indicated that the turbine can be exposed to significant amount of sheet and cloud cavitation over the blades along with vortex cavitation at the blade tips. Inception and distribution of cavitation along the blades of the model turbine were then modelled numerically for design operating conditions using a vortex lattice method. The method was also applied to a turbine tested previously and obtained results were compared with the data available. The comparison between simulation results and experimental data showed a slight difference in terms of span-wise extent of the cavitation region. The cloud and tip vortex cavity observed in experiments cannot be modelled due to the fact that the VLM lacks the ability to predict such types of cavitation. Notwithstanding, the use of such prediction methods can provide a reasonably accurate approach to estimate, therefore take the hydrodynamic effects of cavitation into account in design and analysis of marine current turbines.
Journal of the Korean Society for Marine Environment & Energy
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v.17
no.1
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pp.20-26
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2014
It is essential to consider the effect of blade deformation in order to design a better tidal stream turbine being operated in off-design condition. Flow load causes deformation on the blade, and the deformation affects the turbine performance. In the present study, CFD analysis procedures were developed to predict open water performance of horizontal axis tidal stream turbine (HATST). The developed procedures were verified by comparing the results with existing experimental results. Fluid-structure interaction (FSI) analysis method, based on the verified CFD procedure, have been carried out to estimate the turbine performance for a turbine with flexible composite blades, and then the results were compared with those for rigid blades.
Bosnar, Danijel;Kozmar, Hrvoje;Pospisil, Stanislav;Machacek, Michael
Wind and Structures
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v.32
no.5
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pp.471-485
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2021
Onshore wind turbines may experience substantially different wind loads depending on their working conditions, i.e. rotation velocity of rotor blades, incoming freestream wind velocity, pitch angle of rotor blades, and yaw angle of the wind-turbine tower. In the present study, aerodynamic loads acting on a horizontal axis wind turbine were accordingly quantified for the high tip speed ratio (TSR) at high yaw angles because these conditions have previously not been adequately addressed. This was analyzed experimentally on a small-scale wind-turbine model in a boundary layer wind tunnel. The wind-tunnel simulation of the neutrally stratified atmospheric boundary layer (ABL) developing above a flat terrain was generated using the Counihan approach. The ABL was simulated to achieve the conditions of a wind-turbine model operating in similar inflow conditions to those of a prototype wind turbine situated in the lower atmosphere, which is another important aspect of the present work. The ABL and wind-turbine simulation length scale factors were the same (S=300) in order to satisfy the Jensen similarity criterion. Aerodynamic loads experienced by the wind-turbine model subjected to the ABL simulation were studied based on the high frequency force balance (HFFB) measurements. Emphasis was put on the thrust force and the bending moment because these two load components have previously proven to be dominant compared to other load components. The results indicate several important findings. The loads were substantially higher for TSR=10 compared to TSR=5.6. In these conditions, a considerable load reduction was achieved by pitching the rotor blades. For the blade pitch angle at 90°, the loads were ten times lower than the loads of the rotating wind-turbine model. For the blade pitch angle at 12°, the loads were at 50% of the rotating wind-turbine model. The loads were reduced by up to 40% through the yawing of the wind-turbine model, which was observed both for the rotating and the parked wind-turbine model.
This paper presents a axial flux permanent magnet synchronous generator(AFPMSG), which is suitable for both vertical-axis and horizontal-axis wind turbine generation system. The design and construction features of the AFPMSG are reviewed. The characteristic analysis is performed such as cogging torque and e.m.f waveform, with the aid of a 3D finite element method. The experimental results confirm the characteristic analysis developed.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.39
no.8
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pp.661-668
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2015
We present a design methodology for horizontal-axis tidal turbine blades based on blade element momentum theory, which has been used for aerodynamic design and power-performance analysis in the wind-energy industry. We design a 2-blade-type 1 MW HATT blade, which consists of a single airfoil (S814), and we present the detailed design parameters in this paper. Tidal turbine blades can experience cavitation problems at the blade-tip region, and this should be seriously considered during the early design stage. We perform computational fluid dynamics (CFD) simulations considering the cavitation model to predict the power performance and to investigate the flow characteristics of the blade. The maximum power coefficient is shown to be about 47 under the condition where TSR = 7, and we observed cavitation on the suction and pressure sides of the blade.
Journal of the wind engineering institute of Korea
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v.22
no.4
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pp.163-169
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2018
In this study, wind loads exerted on the offshore wind turbine rotor in parked condition were predicted with variations of wind speeds, yaw angles, azimuth angle, pitch angles, and power of the atmospheric boundary layer profile. The calculated wind loads using blade element theorem were compared with those of estimated aerodynamic loads for the simplified blade shape. Wind loads for an NREL's 5 MW scaled offshore wind turbine rotor were also compared with those of NREL's FAST results for more verification. All of the 6-component wind loads including forces and moments along the three axis were represented on a non-rotating coordinate system fixed at the apex of rotor hub. The calculated wind loads are applicable for the dynamic analysis of the wind turbine system, or obtaining the over-turning moment at the foundation of support structure for wind turbine system.
Recently, due to high oil prices and environmental pollution issues, interest of alternative energy development increases and the related research is widely conducted. Among those research activities the tidal stream power generation utilizes the tidal flow as its mechanical power resource and less depends on the environmental condition for installation and operation than other renewable energy resources. Therefore the amount of power generated is quite consistent and straightforward to predict. However, research on the tidal stream energy conversion turbine is rarely found. In the present study, two numerical methods were developed and compared for the open water Momentum Theory, which is widely used for wind turbines, was adopted. The moving reference frame method for Computational Fluid Dynamis solver were also used. Hybrid meshing was used for the complex geometry of turbines. The analysis results using each method were compared to figure out a better method for the performance prediction.
Kim, Byung-Kook;Kim, Young-Ho;Song, Woo-Seog;Lee, Seung-Bae;Nam, Sang-Kyu;Kim, Sa-Man
The KSFM Journal of Fluid Machinery
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v.10
no.3
s.42
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pp.17-24
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2007
This paper presents the design procedure of a vertical wind turbine named jet-wheel-turbo turbine and the numerical and experimental verifications. The design parameters such as the rotor inlet angle, the diameter-to-hub ratio, the inlet guide outlet angle and the solidity were optimized to maximize the energy transfer, and to further increase the turbine efficiency by applying the side guide vane and the side opening to the rotor. The maximum power coefficient of 0.59, which is much higher than the ever-designed three-bladed horizontal turbines, was experimentally obtained when the optimal inlet- and side-guide vanes were installed and both sides of the rotor were 80% opened. The maximum power coefficients occur at the tip speed ratio ranging between 0.6 and 0.7. This vertical-axis turbine model can be applied to the large-scale power generation system with the speed and torque control algorithm for the specified wind characteristics.
Nonlinear Vortex Strength Correction Method is developed for improvement of vortex lattice method which can't calculate the separated flow conditions and the viscous effect. In this method, the vortex strength on the blade surface is determined by matching the lift force from vortex lattice method with the lift force from aerodynamic coefficients table as the same circulation is added to or subtracted from all chord wise vortices. For considering the nonlinearities due to the neighboring blade sections, sophisticated Newton-Rapson algorithm is applied. The validation of this method was done by comparing the simulations with the measurements on the NREL Phase-VI horizontal axis wind turbine(HAWT) in the NASA Ames wind tunnel under uniform conditions. This method gives good agreements with experiments in most cases.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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