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.
Journal of the Korean Society of Marine Environment & Safety
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v.28
no.7
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pp.1222-1230
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2022
The rotor blade is an important component of a tidal stream turbine and is affected by a large thrust force and load due to the high density of seawater. Therefore, the performance must be secured through the geometrical and structural design of the blade and the blade structural safety to which the composite material is applied. In this study, a 1 MW class large turbine blade was designed using the blade element momentum (BEM) theory. GFRP is a fiber-reinforced plastic used for turbine blade materials. A sandwich structure was applied with CFRP to lay-up the blade cross-section. In addition, to evaluate structural safety according to flow variations, static load analysis within the linear elasticity range was performed using the fluid-structure interactive (FSI) method. Structural safety was evaluated by analyzing tip deflection, strain, and failure index of the blade due to bending moment. As a result, Model-B was able to reduce blade tip deflection and weight. In addition, safety could be secured by indicating that the failure index, inverse reserve factor (IRF), was 1 or less in all load ranges excluding 3.0*Vr of Model-A. In the future, structural safety will be evaluated by applying various failure theories and redesigning the laminated pattern as well as the change of blade material.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2008.11a
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pp.256-263
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2008
The assumed modes method is developed to derive a set of linear differential equations describing the motion of a flexible wind turbine blade and to propose an approach to investigate the forced responses result from various wind excitations. In this work, we have adopted Euler beam theory and considered that the root of the blade is clamped at the rigid hub. And the aerodynamic parameters and forces are determined based on Blade Element Momentum (BEM) theory and quasi-steady airfoil aerodynamics. Numerical calculations show that this method gives good results and it can be used fur modeling and the forced vibration analysis including the coupling effect of wind-turbine blades, as well as turbo-machinery blades, aircraft propellers or helicopter rotor blades which may be considered as straight non-uniform beams with built-in pre-twist.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.31
no.1
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pp.49-57
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2003
The flight trajectory of a boomerang is predicted with the momentum theory (actuating disk theory) and the blade element method generally used as tools to analyze in the rotary-wing aerodynamics. Boomerangs made by students are actually compared with the computational results, utilized to get the physical intuition. The transition from helicopter mode to autogyro mode with the gyroscopic precession is observed in numerical analysis and experiment like a 'flying rotor' after the boomerang taking off. The whole system is shown to be highly nonlinear and very sensitive to the initial conditions. Various flight loci may be obtained if we change the parameters.
International Journal of Fluid Machinery and Systems
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v.9
no.2
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pp.129-136
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2016
An experimental investigation was carried out to improve the performance of a counter-rotating type horizontal-axis tidal stream power unit. Front and rear blades were designed separately based on modified blade element momentum (BEM) theory, and their performances at different conditions of blade tip speed ratio were measured in a wind tunnel. Three different groups of blades were designed successively, and the results showed that Group3 possessed the highest power coefficient of 0.44 and was the most satisfactory model. This experiment shows that properly increasing diameter and reducing chord length will benefit the performance of the blade.
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.
There have been many academic researches on the aerodynamic design of wind turbine based on blade element method (BEM) and momentum theory (MT, or actuating disk theory). However, in the real world, the turbine blade design requires many additional constraints more than theoretical analysis. The standard procedure is studied in the present paper to design new blades for the wind turbine system ranged from the small size from 1 to 10 kW. From the experience of full design of a 10 kW blade, the authors tried to set up a standard procedure for the aerodynamic design based on IEC 61400-2. Wind-turbine scale, rotating speed, and geometrical chord/twist distribution at the segmented span positions are calculated with a suitable BEM/MT code, and the geometrical shape of tip and root should be modified after considering various parameters: wing-tip vortex, aerodynamic noise, turbine efficiency, structural safety, convenience of fabrication, and even economic factor likes price, etc. The evaluated data is passed to the next procedure of structural design, but some of them should still be corresponded with each other: the fluid-structure interaction is one of those problems not yet solved, for example. Consequently, the design procedure of small wind-turbine blades is set up for the mass production of commercial products in this research.
Park, Sewan;Kim, Kyong-Hwan;Lee, Kang-Su;Park, Yeon-Seok;Oh, Hyunseok;Shin, Hyungki;Hong, Keyyong
Journal of the Korean Society for Marine Environment & Energy
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v.18
no.2
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pp.123-132
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2015
In this study, an arrangement design process for multiple wind turbines, placed on the 10MW class floating wave-offshore wind hybrid power generation system, was presented, and the aerodynamic performance was evaluated by using a computational fluid dynamics. An arrangement design, which produces a maximum power in the site wind field, was found by using a commercial program, WindPRO, based on a blade element momentum theory, then the effect of wake interference on the system between multiple wind turbines was studied and evaluated by using ANSYS CFX.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.33
no.9
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pp.16-26
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2005
The aerodynamic design of a proprotor for the Smart UAV adopting tiltrotor aircraft concept is conducted in this study. Since proprotor of tiltrotor aircraft is operated at both rotary and fixed wing mode with single configuration rotor, the proprotor has to be designed to meet performance requirements for both flight modes. The aerodynamic design of proprotor is accomplished by combining three sources of data - the proprotor performance data, the aerodynamic data of vehicle, and the performance data of engine. The performance analysis code for proprotor is based on the combined momentum and blade element theory and validated by comparison with the TRAM data. In order to design configuration for a proprotor satisfying requirements for both rotary and fixed wing mode, various kind of performance maps are constructed for many performance and configuration parameters. From the analysis the twist angle of 38 degrees and the solidity of 0.118 are decided to be the optimal geometric parameters for both operating conditions.
Kim, Ki-Ha;Kim, Dong-Hyun;Kwak, Young-Seob;Kim, Su-Hyun
The KSFM Journal of Fluid Machinery
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v.18
no.2
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pp.14-21
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2015
Design lifetime of a wind turbine is required to be at least 20 years. The most important step to ensure the deign is to evaluate the loads on the wind turbine as accurately as possible. In this study, extreme design load of a offshore wind turbine using Garrad Hassan (GH) Bladed and National Renewable Energy Laboratory (NREL) FAST codes are calculated considering structural dynamic loads. These wind turbine aeroelastic analysis codes are high efficiency for the rapid numerical analysis scheme. But, these codes are mainly based on the mathematical and semi-empirical theories such as unsteady blade element momentum (UBEM) theory, generalized dynamic wake (GDW), dynamic inflow model, dynamic stall model, and tower influence model. Thus, advanced CFD-dynamic coupling method is also applied to conduct cross verification with FAST and GH Bladed codes. If the unsteady characteristics of wind condition are strong, such as extreme design wind condition, it is possible to occur the error in analysis results. The NREL 5 MW offshore wind turbine model as a benchmark case is practically considered for the comparison of calculated designed loads. Computational analyses for typical design load conditions such as normal turbulence model (NTM), normal wind profile (NWP), extreme operation gust (EOG), and extreme direction change (EDC) have been conducted and those results are quantitatively compared with each other. It is importantly shown that there are somewhat differences as maximum amount of 18% among numerical tools depending on the design load cases.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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