کاهش ارتعاشات صفحه ای پره توربین باد مقیاس کوچک با در نظر گرفتن کوپلینگ ارتعاشات

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه طراحی کاربردی، دانشکده مهندسی مکانبک و انرژی، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران

2 دانشگاه شهید بهشتی، دانشکده مهندسی مکانیک و انرژی

چکیده

در این مقاله، کاهش ارتعاشات صفحه‌ای یک نمونه پره توربین باد محور افقی مقیاس کوچک ) 5 کیلو وات( با استفاده از میراگر جرمی تنظیم شده بهینه و با در نظر گرفتن کوپلینگ میان ارتعاشات داخل و خارج از صفحه پره مورد بررسی قرار می‌گیرد. به این منظور، ابتدا معادلات دیفرانسیل حاکم بر دینامیک پره به همراه میراگر جرمی با استفاده از روش لاگرانژ استخراج می‌گردند. برای اجتناب از خطا در تحلیل، از خطی سازی معادلات سیستم خودداری شده و پره به صورت عضو انعطاف پذیر در نظر گرفته می‌شود. در استخراج معادلات حاکم، اثر کوپلینگ میان ارتعاشات صفحه‌ای و ارتعاشات خارج از صفحه پره و همچنین تأثیر نیروهای گریز از مرکز و جاذبه در نظر گرفته می‌شود. در ادامه، به منظور کاهش ارتعاشات صفحه‌ای پره، از میراگر جرمی استفاده می‌شود و پارامترهای آن با استفاده از یکی از روش‌های الگوریتم ژنتیک برای یک نمونه پره واقعی بهینه‌سازی می‌گردد. در نهایت، با اعمال نیروی باد به صورت سینوسی با فرکانس متغیر، تأثیر میراگر در کاهش ارتعاشات پره در چهار سرعت باد مختلف مورد بررسی قرار گرفته و نتایج حاصل ارائه می‌گردند. نتایج به دست آمده نشان دهنده کاهش مطلوب دامنه ارتعاشات پره توربین باد با استفاده از میراگر جرمی بهینه است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Edgewise Vibration Reduction of a Small-Scale Wind Turbine Blade with Considering Vibration Coupling

نویسندگان [English]

  • Hamed Biglari 1
  • Vahid Fakhari 2
1 Faculty of Mechanical and Energy Engineering, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran
2 Faculty of Mechanical and Energy Engineering, Shahid Beheshti University
چکیده [English]

Edgewise vibration in wind turbine blades is one of the important factors that results in reducing the performance of wind turbines. In this paper, an optimally tuned mass damper is proposed to reduce edgewise vibration of a small-scale horizontal axis wind turbine blade (5 kW) with considering the coupling between edgewise and flapwise vibrations. For this purpose, partial differential equations governing dynamics of the system are derived using the Lagrange method. These equations are completely nonlinear and linearization is not performed to avoid possible errors in the analysis and also, the blade is considered as a flexible member. In deriving governing equations, coupling effect between in-plane and out-of-plane vibrations of the blade, and effect of centrifugal forces and gravity are considered. In order to reduce vibration of the blade, a tuned mass damper is used and its parameters are optimized using one of the genetic algorithm methods for a real blade sample. Finally, with applying wind force as a sweep sine excitation, effectiveness of the optimized tuned mass damper in vibration reduction of the blade is investigated and the related results are presented. Results show that the wind turbine blade vibration reduction is achieved properly using the optimally tuned mass damper.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Wind turbine blade
  • edgewise vibration reduction
  • Tuned Mass Damper
  • optimization
  • coupling between edgewise and flapwise vibrations
[1]  J. Leary, A. While, and R. Howell, Locally manufactured wind power technology for sustainable rural electrification, Energy Policy, 43 (2012) 173– 183.
[2]  Y. Qiao, J. Han, C. Zhang, J. Chen, and K. Yi, Finite element analysis and vibration  suppression  control of smart wind turbine blade, Applied Composit Materials, 19(3–4) (2012) 747–754.
[3]  S. Krenk, M. N. Svendsen, and J. Høgsberg, Resonant Vibration Control of Three-Bladed Wind Turbine Rotors, AIAA Journal, 50(1) (2012) 148–161.
[4]  Z. Zhang, A. Staino, B. Basu, and S. R. K. Nielsen, Performance evaluation of full-scale tuned liquid dampers (TLDs) for vibration control of large wind turbines using real-time hybrid testing, Engineering Structure, 126 (2016) 417–431.
[5]  J. Chen, C. Yuan, J. Li, and Q. Xu,  Semi-active fuzzy control of edgewise vibrations in wind turbineblades, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 147 (2015) 251–261
[6] W. P. Targoff, The associated matrices of bending and coupled bending-torsion vibrations, Journal of the  Aeronaut Sciences, 14(10) (1947) 579–582.
[7]  F. Sakai, Tuned liquid column damper-new type device for suppression of building vibration, In: Proceedings of the first International Conference on High-rise Buildings, 1989.
[8] W.WangandB.Wang,PassiveControlofaPentapod Offshore Wind Tubine Under Earthquakes, In: Proceedings of the ASME 2017 36th International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering, Trondheim, Norway, 2017.
[9]  A. Staino, B. Basu, and S. R. K. Nielsen, Actuator control of edgewise vibrations in wind turbine blades, Journal of Sound and Vibration, 331(6) (2012) 1233– 1256.
[10]  T. Ikeda, Y. Harata, Y. Sasagawa, and Y. Ishida, Vibration Suppression of Wind Turbine Blades, In: Proceedings of the ASME 2014 International Design Engineering Technical Conferences & Computers and Information in Engineering Conference, Buffalo, New York, USA, 2014.
[11]  H. Biglari and V. Fakhari, Edgewise Vibration Reduction of a Small-Scale Wind Turbine Blade Using an Optimal Tuned Mass Damper. In: Proceedings of the 8th International Conference on Acoustics and Vibration, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran, 2018 (In Persian).
[12]  Z. Zhang, J. Li, S. R. K. Nielsen, and B. Basu, Mitigation of edgewise vibrations in wind turbine blades by means of roller dampers, Journal of Sound and Vibration, 333(21) (2014) 5283–5298.
[13]  F. Sadek, B. Mohraz, A. W. Taylor, and R. M. Chung, A method of estimating the parameters of  tuned  mass dampers for seismic applications, Earthquake Engineering & Structural Dynamics, 26(6) (1997) 617–635.
[14]   K. Deb, A. Pratap, S. Agarwal, and T. Meyarivan,  A fast and elitist multiobjective genetic algorithm: NSGA-II, IEEE Transactions in Evolutionary Computation, 6(2) (2002) 182–197.
[15]  Z. L. Zhang and S. R. K. Nielsen, Edgewise vibration control of wind turbine blades using roller and liquid dampers, Journal of Physics: Conference Series, 524 (2014) 1-10.