مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

طراحی بهینه پره‌ی توربین باد محور افقی کوچک با در نظر گرفتن قیود مکانیکی

نویسندگان
سید محمد سجاد سیفی 1
محمد مجدم 2
پویان هاشمی طاری 3
1 دانشکده مهندسی مکانیک و انرژی، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران
2 عضو هیئت علمی، دانشکده مهندسی مکانیک و انرژی، دانشگاه شهید بهشتی
3 دانشگاه شهید بهشتی
چکیده
در این پژوهش، طراحی و بهبود آیرودینامیکی پره‌ یک توربین بادی محور افقی کوچک جهت استخراج حداکثر توان خروجی در ضمن داشتن استحکام مکانیکی لازم برای تحمل نیروها و گشتاورهای وارده، انجام شده ‌است. طراحی آیرودینامیکی پره با استفاده از روابط تئوری اندازه حرکت اجزای پره و با استفاده از ضرایب تصحیح مناسب جهت درنظرگرفتن اثرات سه بعدی جریان بر روی عملکرد توربین، انجام می‌شود. فرایند طراحی، به منظور یافتن توزیع شعاعی اندازه وتر به گونه ای که حداکثر توان ممکن از توربین باد بدست آید، تنظیم شده است. با استفاده از نتایج طراحی آیرودینامیکی، نیروهای وارد بر پره‌ی توربین استخراج و پره‌ از نظر استحکام مکانیکی مورد بررسی قرارمی گیرد و تحلیل نیروهای واردشده و تحلیل تنش به منظور اصلاح ضخامت پوسته پره جهت تحمل بارهای مکانیکی وارد آن صورت گرفته است. کد عددی توسعه یافته، علاوه برآنکه ابزاری مناسب جهت طراحی آیرودینامیکی و تحلیل مکانیکی پره توربین به دست می دهد، نتایج آن برای توربین 500 واتی مورد مطالعه، منجر به افزایش حدود 5 درصدی توان شده است. از طرفی تحلیل مکانیکی پره جهت تحمل بارهای دینامیکی و استاتیکی بر اساس ضخامت پره و جنس آن نیز نشان می دهد تصحیح اندازه وتر چه تاثیر بر قابلیت اطمینان مکانیکی خواهدداشت. همچنین در این پژوهش مقدار بهینه‌ی سرعت نسبی نوک پره استخراج شده و تاثیر سرعت نسبی نوک پره بر ضخامت پره مورد بررسی قرار گرفته است. این بررسی سه ایرفویل متداول انجام شده است و تاثیر توزیع طول وتر و ضریب اطمینان آن‌ها مورد قیاس قرار گرفته است.
کلیدواژه‌ها
توربین باد محور افقی
اندازه حرکت اجزای پره
توزیع شعاعی اندازه وتر
تحلیل تنش
ضخامت پوسته پره

موضوعات

عنوان مقاله English

Optimal Design of a Blade of a Small Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT) with considering Mechanical Constraints

نویسندگان English

Seyyed Mohammad Sajad Seifi 1
Mohammad Mojaddam 2
Pouyan Hashemi Tari 3
1 Mechanical and Energy Engineering Department, Shahid Beheshti University A.C., Tehran, Iran.
2 Faculty Member, Department of Mechanical Engineering & Energy, Shahid Beheshti University
3 Mechanical and Energy Engineering Department, Shahid Beheshti University A.C.
چکیده English

Aerodynamic and optimal design of a blade of a horizontal axis wind turbine (HAWT) has been performed in order to extract maximum power output with considering the strength of the blade structure resulted from different loads and moments. A design procedure is developed based on the Blade Element Momentum (BEM) theory and suitable correction factors are implemented to include three-dimensionality effects on the turbine performance. The design process has been modified to achieve the maximum power by searching an optimal chord distribution along the blade. Based on the aerodynamic design, the blade loads have been extracted and the blade mechanical strength has been investigated by analyzing the thickness of the blade surface and the blade material. The developed numerical model can be considered as a suitable tool for aerodynamically and mechanically design of a turbine blade. The results for a 500 W turbine show that the turbine performance improves by 5% approximately, by modifying chord radial distribution. Yield stress analysis shows the effect of introduced chord distribution on the blade strength, in different blade thicknesses and different blade materials. In addition, optimum tip speed ratio for having favorable mechanical safety factor is derived. Three different airfoil are examined for this investigation and comparing their mechanical safety factor.

کلیدواژه‌ها English

Horizontal axis wind turbine
Blade Element Momentum Theory
Airfoil Chord radial distribution
Stress Analysis
Blade surface thickness
[1] REN21 Report, Renewables 2017 Global Status Report, Renewable Energy Policy Network for the 21st Century Association, Paris, pp. 80-84, 2017.
[2] IEC Standard 61400-2, Wind Turbines, Part2 - Design Requirements for Small Turbines, International Electrotechnical Commission, Geneva, 2006.
[3] D.H. Wood, Small Wind Turbines: Analysis, Design and application, Green Energy and Technology, Springer-Verlag, London, 2011.
[4] T. Ashuri, M.B. Zaaijer, J.R.R.A. Martins, G.J.W.van Bussel, G.A.M. van Kuik., Multidisciplinary design optimization of offshore wind turbines for minimum levelized cost of energy, Renewable Energy, Vol. 68, pp. 893-905, 2014.
[5] C. L. Bottasso, F. Campagnolo, A. Croce, Multi-disciplinary constrained optimization of wind turbines, Multibody System Dynamics, Vol. 27, No. 1, pp. 21-53, 2012.
[6] M. Jureczko, M. Pawlak, A. Mężyk, Optimization of wind turbine blades, Journal of materials processing technology, Vol. 167, No. 2, pp. 463-71, 2005.
[7] M. Grujicic, G. Arakere, B. Pandurangan, V. Sellappan, A. Vallejo, M. Ozen, Multidisciplinary design optimization for glass-fiber epoxy-matrix composite 5 MW horizontal-axis wind-turbine blades, Journal of Materials Engineering and Performance, Vol. 19, No. 8, pp. 1116-27, 2010.
[8] M. Grujicic, G. Arakere, B. Pandurangan, V. Sellappan, A. Vallejo, M. Ozen, Structural-response analysis, fatigue-life prediction, and material selection for 1 MW horizontal-axis wind-turbine blades, Journal of materials engineering and performance, Vol. 19, No. 6, pp. 790-801, 2010.
[9] C. Kong, J. Bang,Y. Sugiyama, Structural investigation of composite wind turbine blade considering various load cases and fatigue life, Energy, Vol. 30, No. 11,pp. 2101-14, 2005.
[10] P. Giguère, M.S. Selig, J.L. Tangler, Blade design trade-offs using low-lift airfoils for stall-regulated HAWTs, National Renewable Energy Lab, Golden, CO (US), 1999.
[11] E. Benini, A. Toffolo, Optimal design of horizontal-axis wind turbines using blade-element theory and evolutionary computation, Transactions-american society of mechanical engineers journal of solar energy engineering, Vol. 124, No. 4, pp. 357-63, 2002.
[12] A. Pourrajabian, P.A.N. Afshar, M. Ahmadizadeh , D. Wood, Aero-structural design and optimization of a small wind turbine blade, Renewable Energy,Vol. 31, No.87, pp. 837-48, 2016.
[13] B. Hillmer, T. Borstelmann, P.A. Schaffarczyk, L. Dannenberg Aerodynamic and structural design of MultiMW wind turbine blades beyond 5MW, Journal of Physics: Conference Series 2007, Vol. 75, No. 1, p. 012002, 2002.
[14] M. Refan, H. Hangan, Aerodynamic performance of a small horizontal axis wind turbine, Journal of Solar Energy Engineering, Vol. 134, No. 2, p. 021013, 2012.
[15] T. Burton, N. Jenkins, D. Sharpe, E. Bossanyi, Wind energy handbook, 2nd Edition, Newyork: Wiley, 2011.
[16] M. O. Hansen, Aerodynamics of wind turbines, Abingdon: Routledge, 2015.
[17] J. Mc Cosker, Design and optimization of a small wind turbine, Rensselaer Polytechnic Institute, NewYork: Troy, 2012.
[18] F.P. Beer, E.R. Johnston Jr., D.F. Mazurek, E.R. Eisenberg, Vector Mechanics for Engineers: Statics, 9th Edition, New York: McGraw-Hill, 2009.
[19] M. Capuzzi, A. Pirrera, P.M. Weaver, A novel adaptive blade concept for largescale wind turbines. Part I: aeroelastic behavior, Energy, Vol. 73, pp. 15-24, 2014.
[20] S. Gudmundsson, General aviation aircraft design: Applied Methods and Procedures, Oxford: Butterworth-Heinemann, 2013.
[21] Clausen, P. D., F. Reynal, D. H. Wood, Manufacture and testing of small wind turbine blades, Advances in wind turbine blade design and materials, pp. 413-431, 2013.
[22] S. Seifi, M.Mojaddam, Design and optimization of wind turbine blade, Proceedings of the 25th Annual International Conference on Mechanical Engineering, ISME 2017, Tehran, Iran, May 2-4, 2017. (in Persianفارسی )
مهندسی مکانیک مدرس
دوره 18، شماره 9
دی 1397
صفحه 122-130