The effects of squealer rim height on three-dimensional flows and aerodynamic losses downstream of a high-turning turbine rotor blade have been investigated for a typical tip gap-to-chord ratio of h/c=2.0%. The squealer rim height-to-chord ratio is changed to be $h_{st}/c$=0.00(plane tip), 1.37, 2.75, 5.51, and 8.26%. Results show that as $h_{st}/c$ increases, the tip leakage vortex tends to be weakened and the interaction between the tip leakage vortex and the passage vortex becomes less severe. The squealer rim height plays an important role in the reduction of aerodynamic loss when $h_{st}/c{\leq}2.75%$. In the case of $h_{st}/c{\geq}5.51%$, higher squealer rim cannot provide an effective reduction in aerodynamic loss. The aerodynamic loss reduction by increasing $h_{st}/c$ is limited only to the near-tip region within a quarter of the span from the casing wall.
The flow and noise characteristics of wake behind wind-turbine blades have been investigated experimentally using a two-frame particle image velocimetry (PIV) technique. Experiments were carried out in a POSTECH subsonic large wind-tunnel ($1.8^W{\times}1.5^H{\times}4.3^L\;m^3$) with KBP-750D (3-blade type) wind-turbine model at a freestream velocity of $U_o\;=\;15\;m/s$ and a tip speed ratio $\lambda\;=\;6.14$ (2933 rpm). The wind-turbine blades are connected to an AC servo motor, brake, encoder and torque meter to control the rotational speed and to extract a synchronization signal for PIV measurements. The wake flow was measured at four azimuth angles ($\phi\;=\;0^{\circ}$, $30^{\circ}$, $60^{\circ}$ and $90^{\circ}$) of the wind-turbine blade. The dominant flow structure of the wake is large-scale tip vortices. The turbulent statistics such as turbulent intensity are weakened as the flow goes downstream due to turbulent dissipation. The dominant peak frequency of the noise signal is identical to the rotation frequency of blades. The noise seems to be mainly induced by the tip vortices.
In this study, a new shape of wind turbine with horizontal axis has been proposed. The proposed wind turbine has two pairs of 3 tiltable blades which minimizes air resistance during the reverse rotational direction. Under a given wind speed, 3D numerical simulations on tiltable blades were performed for various TSRs(tip-speed-ratios). Four cases of rotational position was considered to analyze the torque and wind power generated on the blade surfaces. The results show that the maximum wind power occurs at the TSR of 0.2. Due to the blade tilting, the wind passes through the blade without air resistance at the reverse rotational direction. The torque is mainly caused by pressure differences between the front and rear surface of the blade, and it becomes maximum when the blade is located at the azimuth angle of 330°.
This study describes aerodynamic characteristics for the HAWT (Horizontal Axis Wind Turbine) rotor blade using general CFD(Computational Fluid Dynamics) code. The boundary conditions for analysis are validated with the experimental result by the NREL (National Renewable Energy Laboratory)/NASA Ames wind tunnel test for S809 airfoil. In the case of wind turbine rotor blade, complex phenomena are appeared such as flow separation and re-attachment. Those are handled by using a commercial flow analysis tool. The 2-equation k-$\omega$ SST turbulence model and transition model appear to be well suited for the prediction. The 3-dimensional phenomena in the HAWT rotor blade is simulated by a commercial 3-D aerodynamic analysis tool. Tip vortex geometry and Radial direction flows along the blade are checked by the analysis.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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제28권5호
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pp.847-852
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2004
The wind turbine blade is the equipment converted wind into electric energy. The effect of the blade has influence of the output power and efficiency of wind turbine. The design of blade is considered of lift-to-drag ratio. structure. a condition of process of manufacture and stable maximum lift coefficient, etc. This study is used the simplified method for design of the aerodynamic blade and aerodynamic analysis used blade element method This Process is programed by delphi-language. The Program has any input values such as tip speed ratio blade length. hub length. a section of shape and max lift-to-drag ratio. The Program displays chord length and twist angle by input value and analyzes performance of the blade.
The wind turbine blade is the equipment converted wind into electric energy. The effect of the blade has influence of the output power and efficiency of wind turbine. The design of blade is considered of lift-to-drag ratio, structure, a condition of process of manufacture and stable maximum lift coefficient, etc. This study is used the simplified method for design of the aerodynamic blade and aerodynamic analysis used blade element method. This process is programed by delphi-language. The program has any input values such as tip speed ratio, blade length, hub length, a section of shape and max lift-to-drag ratio. The program displays chord length and twist angle by input value and analyzes performance of the blade.
Jo, Chul-Hee;Hwang, Su-Jin;Kim, Do-Youb;Lee, Kang-Hee
Journal of Advanced Research in Ocean Engineering
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제1권2호
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pp.73-84
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2015
The turbine is one of the most important components in the tidal current power device which can convert current flow to rotational energy. Generally, a tidal turbine has two or three blades that are subjected to hydrodynamic loads. The blades are continuously deformed by various incoming flow velocities. Depending on the velocities, blade size, and material, the deformation rates would be different that could affect the power production rate as well as turbine performance. Surely deformed blades would decrease the performance of the turbine. However, most studies of turbine performance have been carried out without considerations on the blade deformation. The power estimation and analysis should consider the deformed blade shape for accurate output power. This paper describes a fluid-structure interaction (FSI) analysis conducted using computational fluid dynamics (CFD) and the finite element method (FEM) to estimate practical turbine performance. The loss of turbine efficiency was calculated for a deformed blade that decreased by 2.2% with maximum deformation of 216mm at the blade tip. As a result of the study, principal causes of power loss induced by blade deformation were analysed and summarised in this paper.
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.
Losses on the turbine consist of the mechanical loss, tip clearance loss, secondary flow loss and blade profile loss etc.,. More than 60 % of total losses on the turbine is generated by the two latter loss mechanisms. These losses are directly related with the reduction of turbine efficiency. In order to provide a new design methodology for reducing losses and increasing turbine efficiency, a two-dimensional axial-type turbine blade shape is modified by the optimization process with two-dimensional compressible flow analysis codes, which are validated by the experimental results on the VKI turbine blade. A turbine blade profile is selected at the mean radius of turbine rotor using on a heavy duty gas turbine, and optimized at the operating condition. Shape parameters, which are employed to change the blade shape, are applied as design variables in the optimization process. Aerodynamic, mechanical and geometric constraints are imposed to ensure that the optimized profile meets all engineering restrict conditions. The objective function is the pitchwise area averaged total pressure at the 30% axial chord downstream from the trailing edge. 13 design variables are chosen for blade shape modification. A 10.8 % reduction of total pressure loss on the turbine rotor is achieved by this process, which is same as a more than 1% total-to-total efficiency increase. The computed results are compared with those using 11 design variables, and show that optimized results depend heavily on the accuracy of blade design.
To improve AEP, wind turbine blade lengths are increasing every year. As the length of blades increases, the blade tip speed also increases. Because of the increased tip speed, the impact energy between the leading edge and raindrops also increases. The increased impact energy is the primary factor contributing to erosion of the blade's leading edge. Blade leading edge erosion reduces aerodynamic performance, increases repair costs, and causes downtime. Therefore, numerous studies are being conducted on protective solutions and RET systems to prevent and delay erosion of the blade's leading edge. However, few institutions in Korea research protective solutions and RET systems. In this study, we aim to develop a laboratory-scale RET system. The developed RET system was based on the ASTM G73-10 standard. As a result of the RET, it was confirmed that the erosion tendency was similar to that of overseas institutions. In addition, the effectiveness of the RET system was verified by a maximum erosion rate of 0.0023 for an epoxy-based protective solution.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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