Kim, Ki-Pyoung;Kim, Ill-Soo;Choi, Young-Do;Lee, Young-Ho
한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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2009.11a
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pp.492-492
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2009
Nowadays in Republic of Korea, there is no distinct reference for the related design technology of rotor blade of wind turbine. Therefore the optimum design and evaluation of performance is carried out with foreign commercial code softwares. This paper shows in-house code software that evaluates the aerodynamic design of wind turbine rotor blade using blade element-momentum theory (BEMT) and processes that is applied through various aerodynamics theories such as momentum theory, blade element theory, prandtl's tip loss theory and strip theory. This paper presents the results of the numerical analysis such as distribution of aerodynamic properties and performance curves using in-house code POSEIDON.
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.14
no.4
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pp.47-54
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2014
This paper presents the structural model development and verification processes of wind turbine blade. The National Renewable Energy Laboratory (NREL) Phase VI wind turbine which the wind tunnel and structural test data has publicly available is used for the study. The wind turbine assembled by blades, rotor, nacelle and tower. The wind blade connected to rotor. To make the whole turbine structural model, the mass and stiffness properties of all parts should be clear and given. However the wind blade, hub, nacelle, rotor and power generating machinery parts have difficulties to define the material properties because of the composite and assembling nature of that. Nowadays to increase the power generating coefficient and cost efficiency, the highly accurate aerodynamic loading evaluating technique should be developed. The Fluid-Structure Interaction (FSI) is the emerging new way to evaluate the aerodynamic force on the rotating wind blade. To perform the FSI analysis, the fluid and structural model which are sharing the associated interface topology have to be provided. In this paper, the structural model of blade development and verifying processes have been explained for Part1. In following Part2 paper, the processes of whole turbine system will be discussing.
An aerodynamic design tool was developed for small wind turbine blades based on the blade element momentum theory. The lift and drag coefficients of blades that are needed for aerodynamic blade design were obtained in real time from the Xfoil program developed at University of Illinois. While running, the developed tool automatically accesses the Xfoil program, runs it with proper aerodynamic and airfoil properties, and finally obtains lift and drag coefficients. The obtained aerodynamic coefficients are then used to find out optimal twist angles and chord lengths of the airfoils. The developed tool was used to design a wind turbine blade using low Reynolds number airfoils, SG6040 and SG6043 to have its maximum power coefficient at a specified tip speed ratio. The performance of the blade was verified by a commercial code well known for its prediction accuracies.
Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers
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v.19
no.2
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pp.288-294
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2010
In recent years, wind energy has been the world's fastest growing source of energy. This paper describes the structural design and analysis of composite blade for 2 kW-level HAWT (horizontal axis wind turbine). The aerodynamic design and force, which are required to design and analyze a composite blade structurally, are calculated through BEMT(blade element momentum theory) implemented in public code PROPID. To obtain the equivalent material properties of filament wound composite blades, the rule-of-mixture is applied using the basic material properties of fiber and matrix, respectively. Lay-up sequence, ply thickness and ply angle are designed to satisfy the loading conditions. Structural analysis by using commercial software ABAQUS is performed to compute the displacement and strength ratio of filament wound composite blades.
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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v.14
no.1
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pp.30-45
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2013
The present work focuses on the unsteady aerodynamics and aeroelastic properties of a small-medium sized wind-turbine blade operating under ideal conditions. A tapered/twisted blade representative of commercial blades used in an experiment setup at the National Renewable Energy Laboratory is considered. The aerodynamic loads are computed using Computational Fluid Dynamics (CFD) techniques. For this purpose, FLUENT$^{(R)}$, a commercial finite-volume code that solves the Navier-Stokes and the Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) equations, is used. Turbulence effects in the 2D simulations are modeled using the Wilcox k-w model for validation of the CFD approach. For the 3D aerodynamic simulations, in a first approximation, and considering that the intent is to present a methodology and workflow philosophy more than highly accurate turbulent simulations, the unsteady laminar Navier-Stokes equations were used to determine the unsteady loads acting on the blades. Five different blade pitch angles were considered and their aerodynamic performance compared. The structural dynamics of the flexible wind-turbine blade undergoing significant elastic displacements has been described by a nonlinear flap-lag-torsion slender-beam differential model. The aerodynamic quasi-steady forcing terms needed for the aeroelastic governing equations have been predicted through a strip-theory based on a simple 2D model, and the pertinent aerodynamic coefficients and the distribution over the blade span of the induced velocity derived using CFD. The resulting unsteady hub loads are achieved by a first space integration of the aeroelastic equations by applying the Galerkin's approach and by a time integration using a harmonic balance scheme. Comparison among two- and three- dimensional computations for the unsteady aerodynamic load, the flap, lag and torsional deflections, forces and moments are presented in the paper. Results, discussions and pertinent conclusions are outlined.
This paper proposes a novel airfoil named "KA2" for the blade of the wind turbine systems. Dynamic loads characteristics are analyzed and compared using aerodynamic data of ten airfoils including the proposed airfoil. The blade is divided into the sixteen elements in the longitudinal direction of the blade for applying the Blade Element Method Theory (BEMT) method, and in each element, torque, thrust, and pitching moment are calculated using turbulent time varying wind speed and aerodynamic data of each wing. Additionally, each force and torque is accumulated in the whole region of the blade for the estimation of representative values. The magnitude of such forces is comparatively analyzed for different airfoils. The angle of attack is constant below the rated wind speed due to the fact that the tip speed ratio is kept at the constant value, and it increases in the region of over rated wind speed as the tip speed ratio decreasing with constant rated rpm and increasing wind speed. Such increase in the angle of attack causes the changes of the force acting on the airfoil with different characteristics of lift and drag in the stall region of each different airfoil. Even though the mean wind speed is in the rated speed in a given time, because of the turbulence, it has either the over rated or under rated speed most of the time. Furthermore, the dynamic properties of each force are analyzed in this rated wind speed in order to objectively understand the dynamic properties of the blades which are designed based on the different airfoils. These dynamic properties are also compared by the standard deviation of time varying characteristics. Moreover, the output characteristics of the wind turbine are investigated with different airfoils and wind speeds. Based on these investigations, it was revealed that the proposed airfoil (KA2) is well applicable to the blade with passive pitch control system.
Journal of Institute of Control, Robotics and Systems
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v.15
no.12
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pp.1157-1162
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2009
The aerodynamic torque and power caused by the interaction between the wind and blade of wind turbine are highly nonlinear. For this reason, the overall dynamic behaviors of wind turbine have nonlinear characteristics. The aerodynamic nonlinearity also affects properties of torque control for wind turbine. In this paper, the nonlinear aerodynamic property according to the wind speed below rated power and its effects on the torque control system are investigated. Nonlinear parameter representing change of aerodynamic torque with respect to rotor speed is obtained by linearization technique. Effects of this aerodynamic nonlinear parameter on the closed-loop torque system with PI controller for an 1.5 MW wind turbine are presented.
Kim, Deog-Kwan;Hong, Dan-Bi;Lee, Myung-Kyu;Joo, Gene
Proceedings of the Korean Society For Composite Materials Conference
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2002.10a
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pp.220-223
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2002
This paper introduces the development procedure of paddle type small-scaled composite rotor blade for helicopter hingeless rotor system. Paddle type composite blade design was done by using CORDAS program developed by KARI and dynamic analysis for hingeless hub with blade is done by using FLIGHTLAB which is commercial software for helicopter comprehensive analysis. The procedure to manufacture complicated shape of paddle type blade tip was developed and composite blades were manufactured after establishing the effective curing method. Through this research, the development technology of composite rotor blade with complex aerodynamic shape were accumulated and these will be applied to the related research field, for example, full size composite blade development, etc.
In this study, scale-down design of full-scale Korean Utility Helicopter (KUH) main rotor blade has been investigated. The scaled model system were designed for the measurement of aerodynamic performance, tip vortex and noise source. For the purpose of considering the same aerodynamic loads, the Mach-scale method has been applied. The Mach-scaled model has the same tip Mach number, and it also has the same normalized frequencies. That is, the Mach-scaled model is analogous to full-scale model in the view point of aerodynamics and structural dynamics. Aerodynamic scale-down process could be completed just by adjusting scaling dimensions and increasing rotating speed. In the field of structural dynamics, design process could be finished by confirming the rotating frequencies of the designed blade with the stiffness and inertial properties distributions produced by sectional design. In this study, small-scaled blade sectional design were performed by applying domestic composite prepregs and structural dynamic characteristics of designed model has been investigated.
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.15
no.1
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pp.65-73
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2015
This paper presents the structural model verification process of whole wind turbine blade including blade model which proposed in Part1 paper. The National Renewable Energy Laboratory (NREL) Phase VI wind turbine which the wind tunnel and structural test data has publicly available is used for the study. In the Part1 of this paper, the processes of structural model development and verification process of blade only are introduced. The whole wind turbine composed by blade, rotor, nacelle and tower. Even though NREL has reported the measured values, the material properties of blade and machinery parts are not clear but should be tested. Compared with the other parts, the tower which made by steel pipe is rather simple. Since it does not need any considerations. By the help of simple eigen-value analysis, the accuracy of structural stiffness and mass value of whole wind turbine system was verified by comparing with NREL's reported value. NREL has reported the natural frequency of blade, whole turbine, turbine without blade and tower only models. According to the comparative studies, the proposed material and mass properties are within acceptable range, but need to be discussing in future studies, because our material properties of blade does not match with NREL's measured values.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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