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

ارتعاشات پره توربین باد یکی از عوامل مهم و اساسی در کاهش عمل‌کرد توربین‌های بادی می‌باشد. بنابراین مهار و یا کاهش این ارتعاشات می‌تواند کمک شایانی به بهره‌روی هر چه بیش‌تر توربین باد نماید. در این مقاله، کاهش ارتعاشات صفحه‌ای یک نمونه پره توربین باد محور افقی مقیاس کوچک (5 کیلووات) 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 توربین باد، تاثیر زاویه پیچش بر کوپلینگ ارتعاشات و همچنین تاثیر نیروهای گریز از مرکز و جاذبه در نظر گرفته می‌شود. در ادامه، به منظور کاهش ارتعاشات صفحه‌ای پره توربین باد، از میراگر جرمی تنظیم شده 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، تاثیر میراگر جرمی بهینه در کاهش ارتعاشات پره در چهار سرعت باد مختلف مورد بررسی قرار گرفته و نتایج حاصل ارائه می‌گردند. نتایج به‌دست 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 an Small-Scale Wind Turbine Blade with Considering Coupling Vibrations

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]

Vibration in wind turbine blades is one of the important factors that result in reducing performance of wind turbines. Therefore, control or reduction of the mentioned vibrations can be of great help in increasing efficiency of wind turbines. In this paper, an optimal tuned mass damper (TMD) is proposed to reduce edgewise vibration of an 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, effect of pre-twist angle in the coupling, and effect of centrifugal forces and gravity are considered. In order to reduce vibration of the blade, TMD 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 TMD in vibration reduction of the blade in four different wind speeds is investigated and the related results are presented. Results show that the wind turbine blade vibration reduction is achieved properly using the optimal TMD.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Wind turbine blade
  • edgewise vibration reduction
  • Tuned Mass Damper (TMD)
  • optimization
  • coupling between edgewise and flapwise vibrations