Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.14
no.5
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pp.1264-1271
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1990
The vortex lattice method was adopted to predict the aerodynamic performance of a horizontal axis wind turbine. For this simulation. the rotor blade was divided into many panels both in chordwise and spanwise direction and then replaced by horseshoe vortices. The wake was divided into two parts of near wake and far wake : the near wake was assumed as helical vortex line elements and the far wake was modeled by semi-infinite circular vortex cylinder. The induced velocity components were calculated by the Biot-Savart law. By this way the power coefficient was obtained and represented as a function of the tip speed ratio. The numerical results obtained were compared with those of the other methods and experimental results and showed good agreement with experimental results.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.39
no.11
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pp.1183-1189
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2015
This study focuses on the design of the tapered joints of a wind power turbine. The main variables of the tapered joint are the transmitted torque, shaft diameter, contact area of the tapered ring, and tightening torque of the bolts, which applies a compressive pressure from the hub to the shaft. The stress distribution of the taper fit was calculated under axisymmetric plane strain conditions because of the small taper angle. The axial displacement of the clamp can be calculated from the radial elastic deformation and the taper angle. The stress field of each ring is obtained from the cylinder stress equation. To verify the accuracy of the calculation, finite element (FE) analysis was performed, and the results of the calculation and FE analysis were compared. The hoop stress of the tapered surface showed a discrepancy of approximately 10, but the trends of the stress distributions of each component and the relative movement obtained by FE analysis were in good agreement with the analytical calculation results.
Kim, Jeong Gil;Park, Young Jun;Lee, Geun Ho;Nam, Yong Yun;Yang, Woo Yeoul
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.38
no.2
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pp.185-192
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2014
Planetary gear design is complex because it involves a combination of discrete variables such as module, integer variables such as the number of teeth, and continuous variables such as face width and aspect ratio. Thus, an optimum design technique is needed. In this study, we applied a genetic algorithm to the design optimization of a planetary gear. In this algorithm, tooth root strength and surface durability are assessed with fundamental variables such as the number of teeth, module, pressure angle, and face width. With the help of this technique, gear designers could reduce trial and error in the initial design stages, thus cutting the time required for planetary gear design.
In the present article, silica nanoparticles (SNPs) were exploited to improve the tribological and mechanical properties of vinyl ester/glass fiber composites. To the best of our knowledge, there hasn't been any prior study on the wear properties of glass fiber reinforced vinyl ester SiO2 nanocomposites. The wear resistance is a critical concern in many industries which needs to be managed effectively to reduce high costs. To examine the influence of SNPs on the mechanical properties, seven different weight percentages of vinyl ester/nano-silica composites were initially fabricated. Afterward, based on the tensile testing results of the silica nanocomposites, four wt% of SNPs were selected to fabricate a ternary composite composed of vinyl ester/glass fiber/nano-silica using vacuum-assisted resin transfer molding. At the next stage, the tensile, three-point flexural, Charpy impact, and pin-on-disk wear tests were performed on the ternary composites. The fractured surfaces were analyzed by scanning electron microscopy (SEM) images after conducting previous tests. The most important and interesting result of this study was the development of a nanocomposite that exhibited a 52.2% decrease in the mean coefficient of friction (COF) by augmenting the SNPs, which is beneficial for the fabrication/repair of composite/steel energy pipelines as well as hydraulic and pneumatic pipe systems conveying abrasive materials. Moreover, the weight loss due to wearing the ternary composite containing one wt% of SNPs was significantly reduced by 70%. Such enhanced property of the fabricated nanocomposite may also be an important design factor for marine structures, bridges, and transportation of wind turbine blades.
Dynamic Stall is a flow phenomenon which occurs on the retreating side of helicopter rotor blades during forward flight. It also occurs on blades of stall regulated wind turbines under yawing conditions as well as during gust loads. Time scales occurring during this process are comparable on both helicopter and wind turbine blades. Dynamic Stall limits the speed of the helicopter and its manoeuvrability and limits the amount of power production of wind turbines. Extensive numerical as well as experimental investigations have been carried out recently to get detailed insight into the very complex flow structures of the Dynamic Stall process. Numerical codes have to be based on the full equations, i.e. the Navier-Stokes equations to cover the scope of the problems involved: Time dependent flow, unsteady flow separation, vortex development and shedding, compressibility effects, turbulence, transition and 3D-effects, etc. have to be taken into account. In addition to the numerical treatment of the Dynamic Stall problem suitable wind tunnel experiments are inevitable. Comparisons of experimental data with calculated results show us the state of the art and validity of the CFD-codes and the necessity to further improve calculation procedures. In the present paper the phenomenon of Dynamic Stall will be discussed first. This discussion is followed by comparisons of some recently obtained experimental and numerical results for an oscillating helicopter airfoil under Dynamic Stall conditions. From the knowledge base of the Dynamic Stall Problems, the next step can be envisaged: to control Dynamic Stall. The present discussion will address two different Dynamic Stall control methodologies: the Nose-Droop concept and the application of Leading Edge Vortex Generators (LEVoG's) as examples of active and passive control devices. It will be shown that experimental results are available but CFD-data are only of limited comparison. A lot of future work has to be done in CFD-code development to fill this gap. Here mainly 3D-effects as well as improvements of both turbulence and transition modelling are of major concern.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.20
no.5
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pp.615-621
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2007
Wind power generation is one of the promising gateways that will solve the energy crisis in the future. The wind power generator studied so far is limited to static interpretation in the areas related to tower. This study broadly sets the form of tower as tubular and jacket, identifies the characteristics of each and aims to find and apply their trend to in actual design and manufacturing process. This paper identified the resonance frequency of tower at each mode and studied their features. Furthermore, this study identified the characteristics of the load that occurs in operation and the effect of additional mass incurring when installed in sea, and it compared the two types of tower and was able to predict their trend.
In a power system that has a high wind penetration, the output power fluctuation of a large-scale wind turbine generator (WTG) caused by the varying wind speed increases the maximum frequency deviation, which is an important metric to assess the quality of electricity, because of the reduced system inertia. This paper proposes a stable power-smoothing scheme of a doubly-fed induction generator (DFIG) that can suppress the maximum frequency deviation, particularly for a power system with a high wind penetration. To do this, the proposed scheme employs an additional control loop relying on the system frequency deviation that operates in combination with the maximum power point tracking control loop. To improve the power-smoothing capability while guaranteeing the stable operation of a DFIG, the gain of the additional loop is modified with the rotor speed and frequency deviation. The gain is set to be high if the rotor speed and/or frequency deviation is large. The simulation results based on the IEEE 14-bus system demonstrate that the proposed scheme significantly lessens the output power fluctuation of a WTG under various scenarios by modifying the gain with the rotor speed and frequency deviation, and thereby it can regulate the frequency deviation within a narrow range.
The efficiency of wind turbines (WT) is primarily reflected in their ability to generate electricity at any time. Downtimes of WTs due to "conventional" inspections are cost-intensive and undesirable for investors. For this reason, there is a need for structural health monitoring (SHM) systems, to enable service and maintenance on demand and to increase the inspection intervals. In general, monitoring increases the cost effectiveness of WTs. This publication concentrates on the application of two vibration-based SHM algorithms for stability and structural change monitoring of offshore WTs. Only data driven, output-only algorithms based on stochastic subspace identification (SSI) in time domain are considered. The centerpiece of this paper deals with the rough mathematical description of the dynamic behavior of offshore WTs and with the basic presentation of stochastic subspace-based algorithms and their application to these structures. Due to the early stage of the industrial application of SHM on offshore WT on the one side and the required confidentiality to the plant manufacturer and operator on the other side, up to now it is not possible to analyze different isolated structural damages resp. changes in a systematic manner, directly by means of in-situ measurement and to make these "acknowledgements" publicly available. For this reason, the sensitivity of the methods for monitoring purposes are demonstrated through their application on long time measurements from a 1:10 large scale test rig of an offshore WT under different conditions: undamaged, different levels of loosened bolt connections between tower parts, different levels of fouling, scouring and structure inclination. The limitation and further requirements for the approaches and their applicability on real foundations are discussed along the paper.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.13
no.4
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pp.1908-1914
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2012
As the turbine capacity and the water depth of wind farms are increasing, the construction cost of substructures and foundations for offshore wind turbines is expected to increase. Since the installation of suction bucket foundation is achieved by both self-weight and applied suction, the construction generally does not require heavy equipment for penetration. This study provides an economic analysis on the tripod which have the bucket foundations and compares that the jacket foundation at 50m water depth on sand layer or soft layer. As the strength of the soil and the number of the foundation is increasing, the construction cost of the tripod with the bucket foundations is more economically feasible than the jacket foundation.
The Transactions of The Korean Institute of Electrical Engineers
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v.65
no.1
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pp.23-30
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2016
Wake effects cause wind turbine generators (WTGs) within a wind power plant (WPP) to produce different levels of active power and subsequent reactive power capabilities. Further, the impedance between a WTG and the point of interconnection (POI)-which depends on the distance between them-impacts the WPP's reactive power injection capability at the POI. This paper proposes a voltage control scheme for a WPP based on the available reactive current of the doubly-fed induction generators (DFIGs) and its impacts on the POI to improve the reactive power injection capability of the WPP. In this paper, a design strategy for modifying the gain of DFIG controller is suggested and the comprehensive properties of these control gains are investigated. In the proposed scheme, the WPP controller, which operates in a voltage control mode, sends the command signal to the DFIGs based on the voltage difference at the POI. The DFIG controllers, which operate in a voltage control mode, employ a proportional controller with a limiter. The gain of the proportional controller is adjusted depending on the available reactive current of the DFIG and the series impedance between the DFIG and the POI. The performance of the proposed scheme is validated for various disturbances such as a reactive load connection and grid fault using an EMTP-RV simulator. Simulation results demonstrate that the proposed scheme promptly recovers the POI voltage by injecting more reactive power after a disturbance than the conventional scheme.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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