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.
Gomathinayagam, S.;Harikrishna, P.;Abraham, A.;Lakshmanan, N.
Wind and Structures
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v.9
no.4
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pp.255-270
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2006
Several analytical procedures available in literature, for the evaluation of wind induced fatigue damage of structures, either assume the wide band random stress variations as narrow band random process or use correction factors along with narrow band assumption. This paper compares the correction factors obtained using the Rainflow Cycle (RFC) counting of the measured stress time histories on a lamp mast and a lattice tower, with those evaluated using different frequency domain methods available in literature. A Bi-modal spectral method has been formulated by idealising the single spectral moment method into two modes of background and resonant components, as considered in the gust response factor, for the evaluation of fatigue of slender structures subjected to "along-wind vibrations". A closed form approximation for the effective frequency of the background component has been developed. The simplicity and the accuracy of the new method have been illustrated through a case study by simulating stress time histories at the base of an urban light pole for different mean wind speeds. The correction factors obtained by the Bi-modal spectral method have been compared with those obtained from the simulated stress time histories using RFC counting method. The developed Bi-modal method is observed to be a simple and easy to use alternative to detailed time and frequency domain fatigue analyses without considerable computational and experimental efforts.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.41
no.3
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pp.210-216
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2013
Rotor blades experience mechanical loads caused by the turbulent wind shear and an impulse-like wind due to the tower shadow effect. These mechanical loads shorten the life of wind turbine. As the size of wind turbine gets bigger, a control system design for mitigating mechanical loads becomes more important. In this paper, individual pitch control(IPC) for the mechanical loads reduction of rotor blades in a transition wind speed region is introduced, and simulation results verifying IPC performance are discussed.
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.
The wind speed at the altitude around 300 m is much higher and less variable than at the altitude around 80 m which is the same height of the MW class tower turbine's hub height. The wind power density is increased 0.37 W/$m^2$ per meter at the altitude around 6 to 7 km and 0.25 W/$m^2$ per meter at the altitude around 80 to 500 m. There are two types of power generation systems using lifting bodies. The one is that The generator is installed in the ground station and stretched into the lifting body through the tether. The other is that the generator is installed in the lifting body and stretched into the ground station through the tether. Many kinds of lifting bodies are also researched in the world, called kites, wings, single or twin aerostat, and so on. This article introduced the technical development status and the market prospects of the high altitude wind power generation system all over the world in detail.
Localized wind events, in the form of tornadoes and downbursts, are the main cause of the large number of failure incidents of electrical transmission line structures worldwide. In this study, a numerical model has been developed to study the behaviour of self-supported transmission lines under various tornado events. The tornado wind fields used were based on a full three-dimensional computational fluid dynamics analysis that was developed in an earlier study. A three-dimensional finite element model of an existing self-supported transmission line was developed. The tornado velocity wind fields were then used to predict the forces applied to the modelled transmission line system. A comprehensive parametric study was performed in order to assess the effects of the location of the tornado relative to the transmission line under F2 and F4 tornado wind fields. The study was used to identify critical tornado configurations which can be used when designing transmission line systems. The results were used to assess the sensitivity of the members' axial forces to changes in the location of the tornado relative to the transmission line. The results were then used to explain the behaviour of the transmission line when subjected to the identified critical tornado configurations.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.23
no.8
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pp.681-689
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2013
The commercial tools to simulate the non-linear dynamic characteristics of wind turbine system are various but, the tool take much time to simulate the control algorithm and require many input variables. In this paper, the procedures to derive the simplified 4-degree-of-freedom mathematical model of a 2-MW wind turbine which could be used at the initial design stage of the controller are proposed based on RISO's suggested method. In this model, the 1st tower fore-after bending motion and 1st blade flapping motion are also considered in addition to the rotor-generator rotation motion in the 2-DOF model. The effectiveness of the 4-DOF model is examined comparing with the 2-DOF model and verification of the simplified model is accomplished through modal analysis for whole wind turbine system.
This paper introduces the current status of high-rise building design in Japan, with reference to some recent projects. Firstly, the design approval system and procedures for high-rise buildings and structures in Japan are introduced. Then, performance-based wind-resistant design of a 300 m-high building, Abeno Harukas, is introduced, where building configuration, superstructure systems and various damping devices are sophisticatedly integrated to ensure a higher level of safety and comfort against wind actions. Next, design of a 213 m-high building is introduced with special attention to habitability against the wind-induced horizontal motion. Finally, performance-based wind-resistant design of a 634 m-high tower, Tokyo Sky Tree, is introduced. For this structure, the core column system was adopted to satisfy the strict design requirements due to the severest level of seismic excitations and wind actions.
Analysis on turbulence intensity profile depending on wind speed is an important process to set up design condition of wind turbine in terms of fatigue load. This paper tests goodness of fit of turbulence intensity empirical equations suggested by the IEC 61400 Standards with Jejudo Gimnyeong met-tower measurement, which is erected at a seashore. Therefore sea breeze and land breeze coexist. Sea breeze case showed apparent increasing trend of turbulence intensity in a high wind speed regime due to increase of sea surface roughness. However, neither inland wind turbine standard IEC 61400-1 nor offshore wind turbine standard IEC 61400-3 fit such a trend adequately. On the other hand, the modified empirical equation of turbulence intensity of IEC 61400-3 derived from Germany FINO1 application study by considering turbulence intensity behavior in a high wind speed regime showed good agreement with the measurement. Therefore, we can reconfirm and conclude that IEC 61400-3 Ed.1 legislated in 2009 needs to be modified.
The yaw gearbox is a key device in a wind power generator that improves power generation efficiency by rotating hundreds of tons (400 to 600 tons) of nacelle so that the blade reaches 90 degrees in the wind direction. Recently, installation sites have been advancing from land to sea as they have become super-large at (8-12) MW to increase the economic feasibility of wind power generators and utilize excellent wind resources, and the target life of large wind power generators is 25 to 30 years. The yaw gearbox of 6 to 12 sets is installed in a very complex place inside the nacelle on the tower with parallels, and it is important to secure the reliability of the yaw gearbox because if a failure occurs after installation, it costs tens to hundreds of times the price of a new product to restore. In this study, equivalent loads were calculated by analyzing failure mode and field data, accelerated life test conditions were established, and a test device was constructed to perform the accelerated life tests and performance tests to ensure the reliability of the gearbox.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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