ebook img

Investigation of Different Airfoils on Outer Sections of Large Rotor Blades PDF

118 Pages·2012·17.66 MB·English
by  
Save to my drive
Quick download
Download
Most books are stored in the elastic cloud where traffic is expensive. For this reason, we have a limit on daily download.

Preview Investigation of Different Airfoils on Outer Sections of Large Rotor Blades

School of Innovation, Design and Engineering Bachelor Thesis in Aeronautical Engineering 15 credits, Basic level 300 Investigation of Different Airfoils on Outer Sections of Large Rotor Blades           Authors: Torstein Hiorth Soland and Sebastian Thuné Report code: MDH.IDT.FLYG.0254.2012.GN300.15HP.Ae Sammanfattning       Vindkraft  står  för  ca  3  %  av  jordens  produktion  av  elektricitet.  I  jakten  på   grönare  kraft,  så  ligger  mycket  av  uppmärksamheten  på  att  få  mer  elektricitet   från  vindens  kinetiska  energi  med  hjälp  av  vindturbiner.     Vindturbiner  har  använts  för  elektricitetsproduktion  sedan  1887  och  sedan  dess   så  har  turbinerna  blivit  signifikant  större  och  med  högre  verkningsgrad.       Driftsförhållandena  förändras  avsevärt  över  en  rotors  längd.  Inre  delen  är  oftast   utsatt  för  mer  komplexa  driftsförhållanden  än  den  yttre  delen.  Den  yttre  delen   har  emellertid  mycket  större  inverkan  på  kraft  och  lastalstring.  Här  är   efterfrågan  på  god  aerodynamisk  prestanda  mycket  stor.     Vingprofiler  för  mitten/yttersektionen  har  undersökts  för  att  passa  till  en  7.0   MW  rotor  med  diametern  165  meter.  Kriterier  för  bladprestanda  ställdes  upp   och  sensitivitetsanalys  gjordes.  Med  hjälp  av  programmen  XFLR5  (XFoil)  och   Qblade  så  sattes  ett  blad  ihop  av  varierande  vingprofiler  som  sedan  testades  med   bladelement  momentum  teorin.  Huvuduppgiften  var  att  göra  en  simulering  av   rotorn  med  en  aero-­‐elastisk  kod  som  gav  information  beträffande   driftsbelastningar  på  rotorbladet  för  olika  vingprofiler.  Dessa  resultat   validerades  i  ett  professionellt  program  för  aeroelasticitet  (Flex5)  som  simulerar   steady  state,  turbulent  och  wind  shear.     De  bästa  vingprofilerna  från  denna  rapportens  profilkatalog  är  NACA  63-­‐6XX  och   NACA  64-­‐6XX.  Genom  att  implementera  dessa  vingprofiler  på  blad  design  2  och  3   så  erhölls  en  mycket  hög  prestanda  jämfört  med  stora  kommersiella  HAWT   rotorer. Abstract     Wind  power  counts  for  roughly  3  %  of  the  global  electricity  production.  In  the   chase  to  produce  greener  power,  much  attention  lies  on  getting  more  electricity   from  the  wind,  extraction  of  kinetic  energy,  with  help  of  wind  turbines.     Wind  turbines  have  been  used  for  electricity  production  since  1887  and  have   since  then  developed  into  more  efficient  designs  and  become  significantly  bigger   and  with  a  higher  efficiency.       The  operational  conditions  change  considerably  over  the  rotor  length.  Inner   sections  are  typically  exposed  to  more  complex  operational  conditions  than  the   outer  sections.  However,  the  outer  blade  sections  have  a  much  larger  impact  on   the  power  and  load  generation.  Especially  here  the  demand  for  good   aerodynamic  performance  is  large.       Airfoils  have  to  be  identified  and  investigated  on  mid/outer  sections  of  a  7.0  MW   rotor  with  165  m  diameter.  Blade  performance  criteria  were  determined  and   investigations  like  sensitivity  analysis  were  made.  With  the  use  of  XFLR5  (XFoil)   and  Qblade,  the  airfoils  were  made  into  a  blade  and  tested  with  the  blade   element  momentum  theory.  This  simulation  gave  detailed  information  regarding   performance  and  operational  loads  depending  on  the  different  airfoils  used.   These  results  were  then  validated  in  a  professional  aero-­‐elastic  code  (Flex5),   simulating  steady  state,  turbulent  and  wind  shear  conditions.       The  best  airfoils  to  use  from  this  reports  airfoil  catalogue  are  the  NACA  63-­‐6XX   and  NACA  64-­‐6XX.  With  the  implementation  of  these  airfoils,  blade  design  2  and   3  have  a  very  high  performance  coefficient  compared  to  large  commercial  HAWT   rotors. Carried  out  at:    Statoil  ASA,  R&D  NEH  OWI     Advisor  at  MDH:  Sten  Wiedling  (KTH)     Advisor  at  Statoil  ASA:  Andreas  Knauer,  Dr.-­‐Ing.     Examiner:  Mirko  Senkovski Nomenclature       B  –  Number  of  Blades     BEM  –  Blade  Element  Momentum  theory       c  –  Chord  length  (m)     C  –  Section  Drag  Coefficient     d   C  –  Total  Drag  Coefficient     D       C  –  Section  Lift  Coefficient     l   C –  Total  Lift  Coefficient     L     Cl/Cd  –  L/D  –  Lift  to  drag  ratio       C –  Pitching  Moment  Coefficient     m     C –  Pressure  Coefficient  /  Performance  Coefficient     P     H ,  H  –  Shape  factor     12 32   HAWT  –  Horizontal-­‐Axis  Wind  Turbine       M  –  Mach  number     NACA  –  National  Advisory  Committee  for  Aeronautics       P  –  Power  output  (W)     p  –  Pressure  (Pa)     R  –  Global  radius  (m)     r  –  Local  radius  (m)     RPM  –  Revolutions  Per  Minute       S.U.,  S.L.  –  Separation  Upper  and  Separation  Lower       T.U.,  T.L  –  Transition  Upper  and  Transition  Lower       t/c  –  Thickness  to  chord  ratio  (%)     V  –  Free  stream  wind  speed  (m/s)     W  –  Relative  blade  velocity  (m/s) x/c  –  Location  along  the  chord  (m)     α  –  AoA  –  Angle  of  Attack  (degrees  °)     β  –  Inflow  angle  (degrees  °)     Γ  –  Circulation       γ  –  Twist  angle  (degrees  °)     δ ,  δ ,  δ  –  Displacement,  Momentum  and  Energy  thickness   1 2 3   η  –  Efficiency       λ  -­‐  TSR  –  Tip  Speed  Ratio         μ  –  Dynamic  viscosity  (𝑃𝑎⋅𝑠)     ρ  –  density  (kg/m3)     Ω  –  Angular  velocity  (rad/s) SAMMANFATTNING   2   ABSTRACT   3   NOMENCLATURE   5   1.  INTRODUCTION   9   2.  HISTORICAL  PERSPECTIVE   10   3.  AIRFOILS   15   3.1  National  Advisory  Committee  for  Aeronautics  (NACA)   15   3.2  National  Renewable  Energy  Laboratory  (NREL)   17   4.  METHODS   18   4.1  Historical  Turbines   18   4.2  General  Blade  Design  Criteria   18   4.2.1  Blade  Performance  Criteria   19   4.2.2  Inner  Root  Section  Criteria   20   4.2.3  Middle  Section  Criteria   21   4.2.4  Outer  Section  Criteria   21   4.2.5  Blade  Section  Calculation   21   4.2.6  Specific  Blade  Design   22   4.2.7  Blade  Design  Procedure   23   4.3  Airfoil  Catalogue  and  Roughness  Insensitivity  Analysis   24   4.3.1  Airfoil  Design  for  Wind  Turbines  With  Roughness  Insensitivity   25   4.3.2  Boundary  Layer  Theory   28   4.4  Blade  Element  Momentum  (BEM)  Theory   32   4.4.1  Momentum  Theory   32   4.4.2  Blade  Element  Theory   33   4.5  Qblade   38   4.5.1  General  Validation  of  Simulation  Results   38   4.6  Javafoil   39   4.6.1  Roughness  analyses   39   4.6.2  Limitations   40   4.7  Flex5   41   5.  RESULTS   42   5.1  Historical  Turbines   42   5.1.1  Gedser  Wind  Turbine   42   5.1.2  MOD-­‐2  Turbine   44   5.2  Blade  Design  Criteria   47   5.3  Roughness  Insensitivity  Analysis   48 5.4  Qblade  Blade  Design  and  Turbine  Simulation   50   5.4.1  Blade  Design  1   50   5.4.2  Blade  Design  2   56   5.4.3  Blade  Design  3   61   5.5  Flex5   66   5.5.1  Blade  Design  2   67   5.5.2  Blade  Design  3   71   6.  DISCUSSION   74   6.1  Historical  Turbines   74   6.1.1  Gedser  Wind  Turbine   74   6.1.2  MOD-­‐2  Turbine   74   6.2  Roughness  Insensitivity  Analysis   76   6.3  Qblade   76   6.3.1  Blade  Design  1   76   6.3.2  Blade  Design  2   77   6.3.3  Blade  Design  3   78   6.4  Flex5   79   6.4.1  Blade  Design  2   80   6.4.2  Blade  Design  3   81   6.5  Comparison  of  Qblade  and  Flex5   82   7.  CONCLUSION   83   8.  FURTHER  WORK   84   APPENDIX  A   85   Airfoil  Catalogue   85   APPENDIX  B   104   Use  of  Qblade   104   APPENDIX  C   108   Airfoil  Catalogue   108   APPENDIX  D   111   Example  of  Aerodynamic  Data  and  Blade  Geometry  Input  for  Flex5   111   APPENDIX  E   113   Wind  Shear  Simulation  in  Flex5   113   Turbulence  Simulation  in  Flex5   115   REFERENCES   117 1.  Introduction         The  selection  of  airfoil  shape  directly  influences  the  efficiency  and  loading  of   wind  turbine  rotors.  In  this  graduate  project  at  Mälardalens  Högskola  and   carried  out  at  Statoil  Research  Center  in  Bergen,  Norway,  several  airfoils  have   been  investigated  for  use  in  offshore  wind  turbine  operation.  The  selected   airfoils  are  for  the  use  on  a  7.0  MW  turbine  with  a  diameter  of  165  m.  Statoil,   primary  an  oil  company,  is  also  involved  in  the  offshore  wind  turbine  industry,   especially  as  an  operator  of  wind  farms.  Statoil  has  an  interest  in  the  trends  in   turbine  size  and  airfoils  being  used.       The  first  part  of  the  report  is  a  study  of  performance  criteria  for  airfoils  and   blade  design.  Since  wind  turbine  operation  is  somewhat  different  to  aircraft   operation,  a  literature  study  was  performed.  An  introduction  to  the  history  of   wind  energy  and  development  trends  is  also  included.  Historical  wind  turbine   blades  were  studied  and  analyzed,  so  that  operational/test  data  and  software   data  could  be  compared  to  newer  turbines.         The  second  part  consists  of  airfoil  analyses,  primarily  for  the  middle  and  outer   sections  of  a  large  rotor  blade,  based  on  performance  criteria.  An  airfoil   catalogue  was  developed  including  aerodynamic  performance  data  and   roughness  insensitivity.  Experimental  data  and  analysis  tools,  such  as  XFoil   (XFLR5)  and  Javafoil  were  used.         The  third  part  of  the  report  is  the  main  part.  Blade  design  optimization  was   developed  in  Qblade.  By  combining  2D  airfoil  aerodynamic  performance  coupled   with  the  Blade  element  momentum  theory  and  a  3D  correction,  a  viable  result   was  achieved.       The  last  part  is  a  rotor  investigation  of  the  results  from  part  three.  This  was  done   in  aero-­‐elastic  simulation  with  Flex5.  The  blade  optimized  in  Qblade  was  verified   by  employing  professional  software.     Since  this  is  a  public  report  in  collaboration  with  industry,  there  were  certain   limitations  to  the  use  of  airfoil  geometry.  Because  of  license  and  other   limitations,  only  airfoil  geometry  found  easily  on  the  Internet  was  investigated.   Therefore,  a  handful  of  different  airfoils  have  not  been  studied  in  this  project  and   entire  airfoil  families  have  been  excluded,  especially  the  Risøe  A-­‐  family,  which  is   licensed,  tailored  wind  turbine  airfoils.       Since  the  airfoils  used  were  open  source,  there  was  no  opportunity  to  validate   the  correctness  of  the  airfoil  geometry.  An  assumption  was  made  that  they  are.     XFoil,  Qblade  and  Javafoil  only  account  for  steady  state,  incompressible  laminar   flow  while  the  real  operational  state  would  differ  from  this.  Compressibility  was   not  taken  account  of,  since  the  blade  rotation  will  be  less  than  Mach  0.3.  As  for     9 turbulent  flow  and  wind  shear,  which  a  real  turbine  will  encounter  during   normal  operation,  this  is  checked  in  Flex5.       A  wind  turbine  blade  designer  has  to  take  account  of  structural  limitations.   Because  of  the  limited  time,  the  project  did  not  include  a  structural  investigation   of  the  blades.  Avoiding  very  sophisticated  blade  structures  and  keeping  to   industry  standards,  the  structural  limitations  would  presumably  not  need   detailed  investigation.       General  losses  due  to  mechanical  and  electrical  efficiencies  have  not  been   analyzed.  Losses  have  been  set  at  3  %  for  calculations,  except  when  other  values   were  given.       2.  Historical  Perspective     A  wind  turbine  is  a  machine  that  converts  kinetic  energy  into  mechanical  energy   and  the  mechanical  energy  is  then  usually  converted  into  electrical  energy   through  a  generator.  There  are  two  major  types  of  wind  turbines:1  Horizontal-­‐ axis  and  Vertical-­‐axis,  the  horizontal  being  the  primary  type  used.       The  first  use  of  windmills  where  in  old  Persia  in  the  7th  century,  introduced  in   Europe  during  the  15th  century.  The  windmills  got  towers,  twisted  blades,   tapered  planforms  and  control  devices  to  point  the  mill  into  the  wind  in  the  17th   century.  The  Dutch  brought  the  windmill  expertise  to  North  America  in  the  18th   century,  where  wind  energy  was  used  to  pump  water.           The  first  horizontal-­‐axis  wind  turbine  (HAWT)  for  generating  electricity  was   built  in  Scotland,  in  1887.  In  the  early  1890s,  the  Danish  scientist  Poul  la  Cour   was  the  first  to  discover  that  fast  rotating  turbines  with  fewer  rotor  blades  were   more  efficient  in  generating  electricity  over  slow  rotating  drag  or  impulse  wind   turbines.       In  1931  in  Yalta,  in  the  Soviet  Union,  a  predecessor  to  the  modern  HAWT  was   built.  It  had  a  30  m  high  tower  producing  100  kW.  The  wind  turbine  had  a   maximum  efficiency  of  32  %,  which  is  still  respectable  at  today’s  standards.       Ten  years  later,  the  pioneering  Smith  Putman  wind  turbine  was  built  in   Pennsylvania  and  ran  for  four  years,  until  it  encountered  a  blade  failure.  The   device  had  a  two-­‐bladed  variable  pitch  rotor  working  downwind  of  the  tower.   The  rotor  was  53  meters  in  diameter  with  a  rotational  speed  of  28  rpm,  giving  a   peak  output  rating  of  1.25  MW  and  was  therefore  the  first  producing  in  excess  of   1  MW.  The  blades  were  untwisted  and  rectangular  with  a  chord  of  3.7m  and   consisted  of  NACA  4418  airfoil.       Ulrich  Hütter  pioneered  the  industry  in  Germany  during  the  1950´s  using   innovative  materials  and  designs  for  several  different  horizontal  axis  wind   turbines.  The  turbines  were  medium  sized  with  rotors  made  of  glass  fiber     10

Description:
4.3.1 Airfoil Design for Wind Turbines With Roughness Insensitivity. 25. 4.3.2 Boundary Layer Theory. 28. 4.4 Blade Element Momentum (BEM) Theory. 32. 4.4.1 Momentum Theory. 32. 4.4.2 Blade Element Theory. 33. 4.5 Qblade. 38. 4.5.1 General Validation of Simulation Results. 38. 4.6 Javafoil. 39.
See more

The list of books you might like

Most books are stored in the elastic cloud where traffic is expensive. For this reason, we have a limit on daily download.