To maximize power generation and reduce the construction cost of a commercial utility-grade wind turbine, the size of the wind turbine should be large. The initial design of the 12 MW University of Ulsan(UOU) Floating Offshore Wind Turbine(FOWT) was carried out based on the 5 MW National Renewable Energy Laboratory(NREL) offshore wind turbine model. The existing 5 MW NREL offshore wind turbines have been expanded to 12 MW UOU FOWT using the geometric law of similarity and then redesigned for each factor. The resonance of the tower is the most important dynamic responses of a wind turbine, and it should be designed by avoiding resonance due to cyclic load during turbine operations. The natural frequency of the tower needs to avoid being within the frequency range corresponding to the rotational speed of the blades, 1P, and the blade passing frequency, 3P. To avoid resonance, vibration can be reduced by modifying the stiffness or mass. The direct expansion of the 5 MW wind turbine support structure caused a resonance problem with the tower of the 12 MW FOWT and the tower length and diameter was adjusted to avoid a match of the first natural frequency and 3P excitation of the tower.
Advancements in materialistic life styles and increasing awareness about adverse climatic changes and its negative effects on human life have been the driving force of finding new and clean sources of energy. Wind power has become technologically mature and commercially acceptable on global scale. However, fossil fuels have been the major sources of energy in most countries, renewable energy (particularly wind) is now booming worldwide. To cope with this wind energy technology, various related aspects have to be understood by the scientific, engineering, utility, and contracting communities. This study is an effort towards the understanding of the (i) wind turbine blade and tower structural stability issues, (ii) turbine blade and tower failures and remedial measures, (iii) weather and seismic effects on turbine blade and tower failures, (iv) gear box failures, and (v) turbine blade and tower failure analysis tools.
In the case of wind turbine design, Optimization of tower structure is very important because tower generally takes about $20\%$ of overall turbine cost. In this paper, we calculated wind loads considering vortex shedding, and optimized tower flange using the calculation results. For optimization, we used FEM to analyze structural strength of the flange and blade momentum theory to calculate wind loads.
Wind turbines are highly complex structures for numerical flow simulation. They normally comprise of a turbine mounted on a tower thus the movement of the turbine blades and the blade/tower interaction must be captured. In addition the ground effect should also be included. There are many more important features of wind turbines and it is difficult to include all of them. A simplified set of features is chosen here for both the turbine and the tower to show how the method can begin to identify the main points connected with wind turbine wake generation and tip vortex tower interaction. An approach to modelling the rotating blades of a turbine is proposed here. The model uses point forces based on blade element theory to model the blades and takes into account their time dependent motion. This means that local instantaneous velocities can be used as a basis for the blade element theory. The model is incorporated into a large eddy simulation code and, although many important features are left out of the model, the velocity/power performance relation is generally of the correct order of magnitude. Suggested improvements to the method are discussed.
In the present study, numerical unsteady simulations of the NREL Phase VI wind turbine in downwind operation conditions were conducted to investigate rotor-tower interaction. The calculations were performed using an unstructured mesh, incompressible Reynolds-averaged Navier-Stokes flow solver. To capture the unsteady effects associated with the tower shadow between the rotor blades and the tower, the wind turbine was modelled including the rotor, tower, hub, and nacelle. The present results generally showed good agreements with available experimental data. At the lowest wind speed, the pressure distribution was characterized by a complete collapse of the suction peak on the blade when the blade passes through the tower wake. It was found that unsteady effects play a significant role in the response of the blades.
Vibration response of the tower structure of a 750kW wind turbine (W/T) generator is investigated by measurement and analysis. Acceleration response of the W/T tower under various operation condition is monitored in real time by the vibration monitoring system using LabVIEW. Resonance state of the tower structure is diagnosed in the operating speed range. Resonance frequency range of the test model is investigated with the wind speed data of the test site. To predict the tower resonance frequency, tower is modeled as an equivalent beam with a lumped mass and Rayleigh energy method is applied. Calculated tower bending frequency is in good agreement with the measured value and the result shows that the simplified model can be used in the design stage of the W/T tower.
This paper presents a comparative structural analysis of lattice hybrid tower with six legs with conventional tubular steel tower for an onshore wind turbine using finite element method. Usually a lattice hybrid tower will have a conventional industry standard 'L' profile section for the lattice construction with four legs. In this work, the researcher attempted to identify and analyze the strength of six legged lattice hybrid tower designed with a special profile instead of four legged L profile. And to compare the structural benefits of special star profile with the conventional tubular tower. Using Ansys, a commercial FEM software, both static and dynamic structural analyses were performed. A simplified finite element model that represents the wind turbine tower was created using Shell elements. An ultimate load condition was applied to check the stress level of the tower in the static analysis. For the dynamic analysis, the frequency extraction was performed in order to obtain the natural frequencies of the tower.
This paper relates to a method of modeling the thrust dynamic load caused by the thrust variation occurring on the blade due to the tower shadow below the rated wind speed. A method that uses thrust coefficient is presented by introducing "tower shadow coefficient of thrust variation". For a 2MW wind turbine, the values of "tower shadow coefficient of thrust variation" are calculated and analyzed at wind speeds below the rated. The dynamic load model of thrust under tower shadow is evaluated in Matlab/Simulink using the obtained "tower shadow coefficient of thrust variation" and thrust coefficient. It shows that the thrust variations acting on the three blades by the tower shadow can be expressed using both the thrust coefficient and the introduced "tower shadow coefficient of thrust variation".
Kim, Byoung Wan;Hong, Sa Young;Sung, Hong Gun;Hong, Seok Won
Ocean Systems Engineering
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제5권3호
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pp.221-243
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2015
This paper compares simplified and finite element method (FEM) models for tower and blade in dynamic coupled analysis of floating wind turbine. A SPAR type wind turbine with catenary mooring lines is considered in numerical analysis. Floating body equation is derived using boundary element method (BEM) and convolution. Equations for mooring line, tower and blade are formulated with theories of catenary, elastic beam and aerodynamic rotating beam, respectively and FEM is applied in the formulation. By combining the equations, coupled solutions are calculated. Tower or blade may be assumed rigid or lumped body for simplicity in modeling. By comparing floating body motions, mooring line tensions and tower stresses with the simple model and original FEM model, the effect of including or neglecting elastic, rotating and aerodynamic behavior of tower and blade is discussed.
In order to investigate the influence of different blade positions on aerodynamic load and wind loads and load-effects of large scale wind turbine tower under the halt state, we take a certain 3 MW large scale horizontal axis three-blade wind turbine as the example for analysis. First of all, numerical simulation was conducted for wind turbine flow field and aerodynamic characteristics under different halt states (8 calculating conditions in total) based on LES (large eddy simulation) method. The influence of different halt states on the average and fluctuating wind pressure coefficients of turbine tower surface, total lift force and resistance coefficient, circular flow and wake flow characteristics was compared and analysed. Then on this basis, the time-domain analysis of wind loads and load-effects was performed for the wind turbine tower structure under different halt states by making use of the finite element method. The main conclusions of this paper are as follows: The halt positions of wind blade could have a big impact on tower circular flow and aerodynamic distribution, in which Condition 5 is the most unfavourable while Condition 1 is the most beneficial condition. The wind loads and load-effects of disturbed region of tower is obviously affected by different halt positions of wind blades, especially the large fluctuating displacement mean square deviation at both windward and leeward sides, among which the maximum response occurs in $350^{\circ}$ to the tower top under Condition 8; the maximum bending moment of tower bottom occurs in $330^{\circ}$ under Condition 2. The extreme displacement of blade top all exceeds 2.5 m under Condition 5, and the maximum value of windward displacement response for the tip of Blade 3 under Condition 8 could reach 3.35 m. All these results indicate that the influence of halt positions of different blades should be taken into consideration carefully when making wind-resistance design for large scale wind turbine tower.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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