Bending-twisting coupling induced in big composite wind turbine blades is one of the passive control mechanisms which is exploited to mitigate loads incurred due to deformation of the blades. In the present study, flutter characteristics of bend-twist coupled blades, designed for load alleviation in wind turbine systems, are investigated by time-domain analysis. For this purpose, a baseline full GFRP blade, a bend-twist coupled full GFRP blade, and a hybrid GFRP and CFRP bend-twist coupled blade is designed for load reduction purpose for a 5 MW wind turbine model that is set up in the wind turbine multi-body dynamic code PHATAS. For the study of flutter characteristics of the blades, an over-speed analysis of the wind turbine system is performed without using any blade control and applying slowly increasing wind velocity. A detailed procedure of obtaining the flutter wind and rotational speeds from the time responses of the rotational speed of the rotor, flapwise and torsional deformation of the blade tip, and angle of attack and lift coefficient of the tip section of the blade is explained. Results show that flutter wind and rotational speeds of bend-twist coupled blades are lower than the flutter wind and rotational speeds of the baseline blade mainly due to the kinematic coupling between the bending and torsional deformation in bend-twist coupled blades.
In this work, a mixed beam approach that combines both the stiffness and the flexibility methods has been performed to analyze the coupled composite blades with closed, two-cell cross-sections. The Reissner's semi-complementary energy functional is used to derive the beam force-displacement relations. Only the membrane part of the shell wall is taken into account to make the analysis simple and also to deliver a clear picture of the mixed method. All the cross section stiffness coefficients as well as the distribution of shear across the section are evaluated in a closed-form through the beam formulation. The theory is validated against experimental test data, detailed finite element analysis results, and other analytical results for coupled composite blades with a two-cell airfoil section. Despite the simple kinematic model adopted in the theory, an accuracy comparable to that of two-dimensional finite element analysis has been obtained for cases considered in this study.
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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v.4
no.1
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pp.9-18
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2003
In this work, a closed-form analysis is performed for the structural response of coupled composite blades with multi-cell sections. The analytical model includes the effects of shell wall thickness, transverse shear, torsion warping and constrained warping. The mixed beam approach based on Reissner's semi-complementary energy functional is used to derive the beam force-displacement relations. The theory is validated against experimental test data and other analytical results for coupled composite beams and blades with single-cell box-sections and two-cell airfoils. Correlation of the present method with experimental results and detailed finite element results is found to be very good.
The flap-lag-torsion coupled aeroelastic behavior of a hingeless rotor blade with composite flexures in hovering flight has been investigated by using the finite element method. The quasisteady strip theory with dynamic inflow effects is used to obtain the aerodynamic loads acting on the blade. The governing differential equations of motion undergoing moderately large displacements and rotations are derived using the Hamilton's principle. The flexures used in the present model are composed of two composite plates which are rigidly attached together. The lead-lag flexure is located inboard of the flap flexure. A mixed warping model that combines the St. Versant torsion and the Vlasov torsion is developed to describe the twist behavior of the composite flexure. Numerical simulations are carried out to correlate the present results with experimental test data and also to identify the effects of structural couplings of the composite flexures on the aeroelastic stability of the blade. The prediction results agree well with other experimental data. The effects of elastic couplings such as pitch-flap, pitch-lag, and flap-lag couplings on the stability behavior of the composite blades are also investigated.
Shin, Sang-Joon;Cesnik Carlos E. S.;Hall Steven R.
International Journal of Control, Automation, and Systems
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v.5
no.1
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pp.24-34
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2007
Closed-loop active twist control of integral helicopter rotor blades is investigated in this paper for reducing hub vibration induced in forward flight. A four-bladed fully articulated integral twist-actuated rotor system has been designed and tested successfully in wind tunnel in open-loop actuation. The integral twist deformation of the blades is generated using active fiber composite actuators embedded in the composite blade construction. An analytical framework is developed to examine integrally twisted helicopter blades and their aeroelastic behavior during different flight conditions. This aeroelastic model stems from a three-dimensional electroelastic beam formulation with geometrical-exactness, and is coupled with finite-state dynamic inflow aerodynamics. A system identification methodology that assumes a linear periodic system is adopted to estimate the harmonic transfer function of the rotor system. A vibration minimizing controller is designed based on this result, which implements a classical disturbance rejection algorithm with some modifications. Using the established analytical framework, the closed-loop controller is numerically simulated and the hub vibratory load reduction capability is demonstrated.
Proceedings of the Korean Society For Composite Materials Conference
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2003.04a
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pp.95-98
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2003
In this work, a closed-form analysis is performed to obtain the stiffness coefficients of thin-walled composites beams with elliptical profiles. The analytical model includes the effects of elastic couplings, shell wall thickness, torsion warping and constrained warping. Reissner's semi-complementary energy functional is used to derive the beam force-displacement relations. The theory is validated against MSC/NASTRAN results for coupled composites beams with single-cell elliptical sections. Very good correlation has been noticed for the test cases considered.
Journal of the Korean Society for Aviation and Aeronautics
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v.9
no.1
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pp.59-69
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2001
The rotor blade is modeled using a composite box beam with arbitrary wall. The active constrained damping layers are bonded to the upper and lower surfaces of the box beam to provide active and passive damping. A finite element model, based on a hybrid displacement theory, is used in the structural analysis. The theory is capable of accurately capturing the transverse shear effects in the composite primary structure, the viscoelastic and the piezoelectric layers within the ACLs. A reduced order model is derived based on the Hankel singular value. A linear quadratic Gaussian (LQG) controller is designed based on the reduced order model and the available measurement output. However, the LQG control system fails to stabilize the perturbed system although it shows good control performance at the nominal operating condition. To improve the robust stability of LQG controller, the loop transfer recovery (LTR) method is applied. Numerical results show that the proposed controller significantly improves rotor aeromechanical stability and suppresses rotor response over large variations in rotating speed by increasing lead-lag modal damping in the coupled rotor-body system.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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