Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.38
no.4
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pp.311-320
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2014
Rotor blades are important devices that affect the power performance, efficiency of energy conversion, and loading and dynamic stability of wind turbines. Therefore, considering the characteristics of a wind turbine system is important for achieving optimal blade design. When a design is complete, a design evaluation should be performed to verify the structural integrity of the proposed blade in accordance with international standards or guidelines. This paper presents a detailed exposition of the evaluation items and acceptance criteria required for the design certification of wind turbine blades. It also presents design evaluation results for a 2-MW blade (KR40.1b). Analyses of ultimate strength, buckling stability, and tip displacement were performed using FEM, and Miner's rule was applied to evaluate the fatigue life of the blade. The structural integrity of the KR40.1b blade was found to satisfy the design standards.
Kim, Sitae;Jung, Kihyun;Lee, Junho;Park, Kihyun;Yang, Kwangjin
Tribology and Lubricants
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v.36
no.2
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pp.105-115
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2020
This paper presents a numerical study on the rotordynamic analysis of a dual-spool turbofan engine in the context of blade defect events. The blades of an axial-type aeroengine are typically well aligned during the compressor and turbine stages. However, they are sometimes exposed to damage, partially or entirely, for several operational reasons, such as cracks due to foreign objects, burns from the combustion gas, and corrosion due to oxygen in the air. Herein, we designed a dual-spool rotor using the commercial 3D modeling software CATIA to simulate blade defects in the turbofan engine. We utilized the rotordynamic parameters to create two finite element Euler-Bernoulli beam models connected by means of an inter-rotor bearing. We then applied the unbalanced forces induced by the mass eccentricities of the blades to the following selected scenarios: 1) fully balanced, 2) crack in the low-pressure compressor (LPC) and high pressure compressor (HPC), 3) burn on the high-pressure turbine (HPT) and low pressure compressor, 4) corrosion of the LPC, and 5) corrosion of the HPC. Additionally, we obtained the transient and steady-state responses of the overall rotor nodes using the Runge-Kutta numerical integration method, and employed model reduction techniques such as component mode synthesis to enhance the computational efficiency of the process. The simulation results indicate that the high-vibration status of the rotor commences beyond 10,000 rpm, which is identified as the first critical speed of the lower speed rotor. Moreover, we monitored the unbalanced stages near the inter-rotor bearing, which prominently influences the overall rotordynamic status, and the corrosion of the HPC to prevent further instability. The high-speed range operation (>13,000 rpm) coupled with HPC/HPT blade defects possibly presents a rotor-case contact problem that can lead to catastrophic failure.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.36
no.11
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pp.1427-1432
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2012
As the size of a wind turbine increases, the rotor diameter increases. Rotor blades experience mechanical loads caused by the wind shear and the tower shadow effect. These mechanical loads reduce the life of the wind turbine. Therefore, with increasing size of the wind turbine, wind turbine control system design for the mitigation of mechanical loads is important. In this study, Individual Pitch Control in introduced for reducing the mechanical loads of rotor blades, and a simulation for IPC performance verification is discussed.
A critical issue in the field of the rotor aerodynamics is the treatment of the wake. The wake is of primary importance in determining overall aerodynamic behavior, especially, a wind turbine blade includes the unsteady air loads problem. In this study, the wake generated by blades are depicted by a free wake model to analyse unsteady loading on blade and a new free wake model named Finite Vortex Element(FVE hereafter) is devised in order to include a wake-tower interact ion. In this new free wake model, blade-wake-tower interaction is described by cutting a vortex filament when the filament collides with a tower. This FVE model is compared with a conventional free wake model and verified by a comparison with NREL and SNU wind tunnel model. A comparison with NREL and SNU data shows validity and effectiveness of devised FVE free wake model and an efficient.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2001.11b
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pp.1394-1399
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2001
The purpose of this paper is that investigates the dynamic behavior characteristic of W.T.S(Wind Turbine System) and carries out the evaluation analysis during operating W.T.S. To investigate the dynamic behavior characteristic of W.T.S. the experiments to measure vibration of the blade from the attached accelerometer on the flap and edge section of the blade that is one of the most important elements of dynamic characteristic of W.T.S are performed. Natural frequency and mode shape are calculated with commercial program (STAR MODAL) using the measured vibration acceleration that receives the signal with F.F.T Analyzer from the accelerometer. For validation of these experiments. the finite element analysis is performed with commercial F.E.M Program (ANSYS) on the basis of the natural frequency and mode shape. The results indicate that experimental values have good agreements with the finite element analysis.
Cho Bong-Hyun;Lee Chang-Su;Choi Sung-Ok;Ryu Ki-Wahn
한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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2005.06a
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pp.25-32
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2005
The aerodynamic loads at the blade hub and the drive shaft for 1MW horizontal axis wind turbine are calculated numerically. The geometric shape of the blade such as chord length and twist angle can be obtained fran the aerodynamic optimization procedure. Various airfoil data, that is thick airfoils at hub side and thin airfoils at tip side, are distributed along the spanwise direction of the rotor blade. Under the wind data fulfilling design load cases based on the IEC61400-1, all of the shear forces, bending moments at the hub and the low speed shaft of the drive train are obtained by using the FAST code. It shows that shear forces and bending moments have a periodic. trend. These oscillating aerodynamic loads will lead to the fatigue problem at both of the hub and drive train From the load analysis the maximum shear forces and bending moments are generated when wind turbine generator system operates in the case of the extreme speed wind condition.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.23
no.10
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pp.1229-1239
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1999
A computational study on unsteady compressible flows has been performed by adopting a low Reynolds number $k-{\omega}$ turbulence model in conjunction with dual time stepping scheme. An explicit four-stage Runge-Kutta scheme for the Navier-Stokes equations and an approximate factorization scheme for the $k-{\omega}$ turbulence model equations are used. Computational results obtained for blade surface pressure distributions in the process of rotor-stator interaction in a turbine stage are in good agreement with extant experimental data. The effects of the wake from the stator on the boundary-layer transition over the rotor blade surface are discussed by showing that high intensity turbulence of the stator wake induces an early transition.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.32
no.9
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pp.94-102
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2004
An experimental study on a rotating turbine is conducted with various incidence angles in order to find an optimum incidence angle. The incidence angle is an important design parameter in turbine blade design. however, most of experiments were conducted in a linear or annual cascade row. The suggested incidence angles from the experiments conducted in cascade rows could be unsuitable as a design parameter in the design of rotating parts. In this study, various incidence angles are applied and the turbine performance is measured in a rotating state. Experimental results show that the incidence on the rotor has a great influence on the turbine efficiency. The range of applicable incidence becomes narrow when the turbine operates at high input power. In the case of the tested rotor, the optimum incidence is about $-12^{\circ}$.
This study predicted broadband noise from a generic 2.5MW wind turbine blade in the time domain. The rotor blade was modeled as thin rectangular flat plates. A simplified analytic model proposed by Amiet was used to model the unsteady surface pressure distribution. The acoustic pressure was calculated by using the loading term of Formulation 1A proposed by Farassat. The validation was also performed by comparing with an experiment of Brooks, Pope, and Marcolini. By using these numerical methods, the broadband noise signal of the wind turbine was successfully predicted in this study.
Aerodynamic torque of wind turbine is highly nonlinear due to the nonlinear interactions between wind and blade. The aerodynamic nonlinearity is represented by nonlinear power and torque coefficients which are functions of wind speed, rotational speed of rotor, and pitch angle of blade. It is essential from the viewpoint of understanding and analysis of dynamic characteristics for wind turbine to linearize the aerodynamic torque and define aerodynamic nonlinear parameters as derivatives of aerodynamic torque with respect to the three parameters. In this paper, a linearization method of the aerodynamic torque from power coefficient is presented through differentiating it by the three parameters. And steady-state values of three aerodynamic nonlinear parameters according to wind speed are obtained and their nonlinear characteristics are investigated.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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