Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.34
no.8
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pp.1067-1074
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2010
In this study, a loosely coupled fluid-structure interaction (FSI) analysis was conducted for a low-pressure (LP) final-stage rotor blade. Preliminary FSI analyses of a $15^{\circ}$ sweptback wing and a NASA Rotor 37 compressor blade were performed for verifying the boundary conditions. The results were compared with the established literatures for each model. The FSI analysis of the $15^{\circ}$ sweptback wing was carried out under both stable and unstable conditions. The excessive deformation of the wing was observed within 0.05 s under the unstable condition which is higher than the divergence speed of a wing compared with the stable condition. On the basis of the results of a steady-state study, an unsteady state FSI analysis was conducted for a NASA Rotor 37. Different deformations were observed at trailing edge of the blade in the static FSI and dynamic FSI analysis. A 3D FE model of a LP rotor was generated from the span-wise section data. In order to develop a reasonable model, an impact test was performed and compared to the FE model. Using this FE model, the steady-state FSI analysis was performed successfully.
Kim, Tae-Hyung;Lee, Seung-Min;Kim, Ho-Geon;Lee, Soo-Gab
한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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2009.11a
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pp.465-465
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2009
Wind power is one of the most reliable renewable energy sources and the installed wind turbine capacities are increasing radically every year. Although wind power has been favored by the public in general, the problem with the impact of wind turbine noise on people living in the vicinity of the turbines has been increased. Low noise wind turbine design is becoming more important as noise is spreading more adverse effect of wind turbine to public. This paper demonstrates the design of 10 kW class wind turbines, each of three blades, a rotor diameter 6.4m, a rated rotating speed 200 rpm and a rated wind speed 10 m/s. The optimized airfoil is dedicated for the 75% spanwise position because the dominant source of a wind turbine blade has been known as trailing edge noise from the outer 25% of the blade. Numerical computations are performed for incompressible flow and for Mach number at 0.145 and for Reynolds numbers at $1.02{\times}10^6$ with a lift performance, which is resistant to surface contamination and turbulence intensity. The objective in the low design process is to reduce noise emission, while sustaining high aerodynamic efficiency. Dominant broadband noise sources are predicted by semi-empirical formulas composed of the groundwork by Brooks et al. and Lowson associated with typical wind turbine operation conditions. During the airfoil redesign process, the aerodynamic performance is analyzed to minimize the wind turbine power loss. The results obtained from the design process show that the design method is capable of designing airfoils with reduced noise using a commercial 10 kW class wind turbine blade airfoil as a basis. The new optimized airfoil clearly indicates reduction of total SPL about 3 dB and higher aerodynamic performance.
Journal of the Korean Society of Marine Environment & Safety
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v.28
no.7
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pp.1222-1230
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2022
The rotor blade is an important component of a tidal stream turbine and is affected by a large thrust force and load due to the high density of seawater. Therefore, the performance must be secured through the geometrical and structural design of the blade and the blade structural safety to which the composite material is applied. In this study, a 1 MW class large turbine blade was designed using the blade element momentum (BEM) theory. GFRP is a fiber-reinforced plastic used for turbine blade materials. A sandwich structure was applied with CFRP to lay-up the blade cross-section. In addition, to evaluate structural safety according to flow variations, static load analysis within the linear elasticity range was performed using the fluid-structure interactive (FSI) method. Structural safety was evaluated by analyzing tip deflection, strain, and failure index of the blade due to bending moment. As a result, Model-B was able to reduce blade tip deflection and weight. In addition, safety could be secured by indicating that the failure index, inverse reserve factor (IRF), was 1 or less in all load ranges excluding 3.0*Vr of Model-A. In the future, structural safety will be evaluated by applying various failure theories and redesigning the laminated pattern as well as the change of blade material.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.23
no.3
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pp.267-273
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2013
Recently, turbine-generators have been replaced for the integrity reinforcement and the efficiency improvement, also, the blade's failures of LP turbines due to torsional vibration have been reported. Excessive torsional vibrations can result in failures of components. The severity of torsional oscillations and stress depends upon the separation margin between the excitation frequencies and torsional natural frequencies. Therefore it is needed to measure the torsional natural frequencies after replacement of the components to conform the separation margin of torsional natural frequencies. In this study torsional vibration measurements were performed after LP turbine and generator replacement and the torsional natural frequencies for the turbine-generator train were calculated to evaluate the effects of generator replacement on torsional natural frequencies of turbine-generator train. It is expected that these evaluation results will be used effectively to identify the root causes of torsional vibration problems.
Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers
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v.17
no.4
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pp.25-31
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2013
A blisk with rotor shroud is usually adopted in LRE turbine to maximize its performance. However it experiences the severe thermal load and resulting damage during engine stating and stop. Shroud splitting is devised to relieve the thermal stress on the turbine rotor. Structural analysis confirmed the reduction of plastic strain at the blade hub and tip. However, split gap at the rotor shroud entails additional tip leakage and results performance degradation. In order to assess the effect of shroud split on the turbine performance, tests have been performed for various settings of shroud split. For the maximum number of shroud splitting, measured efficiency reduction ratio was 2.65% to the value of original shape rotor.
A GFRP based composite blade was developed for a 2MW wind energy conversion system of type class IIA. The blade sectional geometry was designed to have a general shell-spar and shear web structure. The load cases specified in the IEC61400-1 international specification were considered. For withstanding all relevant extreme loads, the structural analysis for the complete blade was performed using a commercial FEM code. The static load carrying capacity, blade tip deflection and natural frequencies were evaluated to satisfy the strength and stability requirements in accordance with the IEC61400-1 and GL Regulations. The prototype blade was passed the structural proof test for GL certification.
Journal of the Korean Society of Marine Environment & Safety
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v.17
no.1
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pp.75-82
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2011
Marine current energy is one of the most interesting renewable and clean energy resources that have been less exploited. Especially, Korea has worldwide outstanding tidal current energy resources and it is highly required to develop tidal in-stream energy conversion system in coastal area. The objective of study is to investigate harnessing techniques of tidal current energy and to design the a 100 kW horizontal axis tidal turbine using blade element momentum theory with Prandtl's tip loss factor for optimal design procedures. In addition, Influence of Prandtl's tip loss factor at local blade positions as a function of tip speed ratio was studied, and the analysed results showed that power coefficient of designed rotor blade using NACA 63812 was 0.49 at rated tip speed ratio.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.32
no.6A
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pp.369-378
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2012
In this study, direct-search based optimization methods are applied for blade shape optimization of wind turbines and the optimization performances of several methods including conventional genetic algorithm, micro genetic algorithm and pattern search method are compared to propose a more efficient method. For this purpose, the currently available version of HARP_Opt (Horizontal Axis Rotor Performance Optimizer) code is enhanced to rationally evaluate the annual energy production value according to control strategies and to optimize the blade shape using pattern search method as well as genetic algorithm. The enhanced HARP_Opt code is applied to obtain the optimal turbine blade shape for 1MW class wind turbines. The results from pattern search method are compared with the results from conventional genetic algorithm and also micro genetic algorithm and it is found that the pattern search method has a better performance in achieving higher annual energy production and consistent optimal shapes and the micro genetic algorithm is better for reducing the calculation time.
In this study, we conduct a numerical experiment of the single 5MW NREL wind turbine and compare the performance of various vortex core identification for the wake behind the wind turbine. In the kinetic analysis of wind turbine, 20% velocity deficit at 200 s is observed, showing wake which contains tip vortex near blade tip and rotor vortex at the center of the wind turbine. Time series of velocity and turbulent intensity show numerical simulation converge to a quasi-steady state near 200 s. In the comparison between methods for vortex identification, ${\lambda}_2$-method has good performance in terms of tip vortex, rotor vortex, vortex during its cascade process compared to vorticity magnitude criteria, ${\Delta}$-method. We conclude that ${\lambda}_2$-method is suitable for vortex identification method for wake visualization.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2005.05a
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pp.846-851
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2005
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 (ANSYS) 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.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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