به‌کارگیری روش میرایی شانت به منظور کاهش ارتعاشات صفحه‌ای پره توربین باد مقیاس کوچک با درنظرگرفتن اثر 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

این مقاله، به بررسی تاثیر روش میرایی شانت در کاهش ارتعاشات صفحه‌ای پره توربین باد محور افقی مقیاس کوچک، با درنظرگرفتن کوپلینگ میان ارتعاشات داخل و خارج از صفحه پره می‌پردازد. ابتدا با استفاده از روش لاگرانژ، معادلات دیفرانسیل غیرخطی حاکم بر دینامیک پره به همراه میراگر شانت استخراج می‌گردند. سپس، مدل دینامیکی مذکور با مقایسه فرکانس طبیعی حاصل از حل عددی معادلات با مقدار متناظر به‌دست‌آمده از یک نرم‌افزار المان محدود، اعتبارسنجی می‌گردد. در ادامه، با انجام آنالیز حساسیت و انتخاب تابع هدف و قیود مناسب، پارامترهای میراگر شانت با استفاده از روش الگوریتم ژنتیک برای یک پره واقعی بهینه‌سازی می‌گردند. لازم به ذکر است که در این پژوهش، نیروی باد اعمالی به پره به صورت سینوسی و با فرکانس متغیر، در چهار سرعت مختلف در نظر گرفته می‌شود. پس از حل معادلات دینامیکی حاکم، به منظور ارزیابی موثربودن روش مذکور در کاهش ارتعاشات، نتایج حاصل از این پژوهش با نتایج حاصل از به‌کارگیری میراگر جرمی تنظیم‌شده بهینه برای کاهش ارتعاشات صفحه‌ای پره، مقایسه می‌گردد. نتایج مقایسه نشان می‌دهد که هر دو روش تاثیر مطلوبی در کاهش ارتعاشات دارند. همچنین در سرعت‌های باد پایین میرایی شانت تاثیر بیش‌تری در کاهش ارتعاشات دارد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Employing of shunt damping method to reduce edgewise vibration of small size wind turbine blade with considering the effect of 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]

In this paper, the vibration reduction of a small-scale horizontal axis wind turbine blade is investigated using the shunt damping method by considering the coupling between edgewise and flapwise vibrations. First, the nonlinear differential equations governing the blade dynamics with shunt damper are derived using the Lagrange method. Then, by performing the sensitivity analysis and selecting the appropriate cost function and constraints, the shunt damper parameters are optimized using the genetic algorithm method for a real blade. It should be noted that in this study, the wind force applied to the blade is considered sinusoidal with variable frequency at four different speeds. After solving the governing dynamic equations, to evaluate the effectiveness of the mentioned method in reducing vibrations, the obtained results in this study are compared with the corresponding results of employing the optimized tuned mass damper for suppression of edgewise vibrations of the blade. Results show that the tuned mass damper and shunt damping method have good effects on reducing vibrations. Despite that, the tuned mass damper effect on vibration reduction at high wind speeds is greater than the shunt damping method, at low wind speeds, the shunt damping has a greater effect on reducing vibrations.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Wind turbine blade
  • edgewise vibration reduction
  • shunt damping
  • optimization
  • Vibration coupling
[1] W. Werapun, Y. Tirawanichakul, W. Kongnakorn, J. Waewsak, An assessment of offshore wind energy potential on Phangan Island by in Southern Thailand, Energy Procedia, 52 (2014) 287-295.
[2] A. Lahimer, M. Alghoul, F. Yousif, T. Razykov, N. Amin, K. Sopian, Research and development aspects on decentralized electrification options for rural household, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 24 (2013) 314-324.
[3] G. Bekele, G. Tadesse, Feasibility study of small Hydro/PV/Wind hybrid system for off-grid rural electrification in Ethiopia, Applied Energy, 97 (2012) 5-15.
[4] S. Bellekom, R. Benders, S. Pelgröm, H. Moll, Electric cars and wind energy: Two problems, one solution? A study to combine wind energy and electric cars in 2020 in The Netherlands, Energy, 45(1) (2012) 859-866.
[5] U. Malaya, Outdoor lighting using wind-solar hybrid renewable energy sources. ScienceDaily, in, 2015.
[6] Y.-h. Qiao, J. Han, C.-y. Zhang, J.-p. Chen, K.-c. Yi, Finite element analysis and vibration suppression control of smart wind turbine blade, Applied Composite Materials, 19(3-4) (2012) 747-754.
[7] A. Staino, B. Basu, S.R. Nielsen, Actuator control of edgewise vibrations in wind turbine blades, Journal of Sound and Vibration, 331(6) (2012) 1233-1256.
[8] V.-N. Dinh, B. Basu, S. Nagarajaiah, Semi-active control of vibrations of spar type floating offshore wind turbines, Smart Struct Syst, 18(4) (2016) 683-705.
[9] J. Chen, C. Yuan, J. Li, Q. Xu, Semi-active fuzzy control of edgewise vibrations in wind turbine blades under extreme wind, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 147 (2015) 251-261.
[10] Z. Zhang, S.R. Nielsen, B. Basu, J. Li, Nonlinear modeling of tuned liquid dampers (TLDs) in rotating wind turbine blades for damping edgewise vibrations, Journal of Fluids and Structures, 59 (2015) 252-269.
[11] D.E. Casagrande, Piezoelectric transducers for broadband vibration control, PhD Thesis, University of Udine, 2016.
[12] T. Sales, D. Rade, L. De Souza, Passive vibration control of flexible spacecraft using shunted piezoelectric transducers, Aerospace Science and Technology, 29(1) (2013) 403-412.
[13] B. Mokrani, R. Bastaits, M. Horodinca, I. Romanescu, I. Burda, R. Viguié, A. Preumont, Parallel piezoelectric shunt damping of rotationally periodic structures, Advances in Materials Science and Engineering, 2015 (2015).
[14] P. Shivashankar, S. Kandagal, Analytical modeling and optimal resistance estimation in vibration control of beams with resistively shunted piezoelectrics, International Journal of Mechanical Sciences, 119 (2016) 310-319.
[15] H. Biglari, V. Fakhari, Edgewise Vibration Reduction of a Small-Scale Wind Turbine Blade Using the Optimal Tuned Mass Damper, in:  8th International Conference on Acoustics and Vibration, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran 2018. (in Persian)
[16] H. Biglari, V. Fakhari, Edgewise Vibration Reduction of a Small-Scale Wind Turbine Blade with Considering Vibration Coupling, Amirkabir Journal of Mechanical Engineering, 52(8) (2020) 151-160. (in Persian)
[17] H. Biglari, V. Fakhari, Edgewise vibration reduction of small size wind turbine blades using shunt damping, Journal of Vibration and Control, 26(3-4) (2020) 186-199.
[18] H. Biglari, V. Fakhari, Investigation of the Coupling Effect in Modeling of Edgewise Vibration of Wind Turbine Blade, in:  9th International Conference on Acoustics and Vibration, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran, 2019. (in Persian)
[19] C.H. Park, H.C. Park, Multiple-mode structural vibration control using negative capacitive shunt damping, KSME international journal, 17(11) (2003) 1650.
[20] I.Y. Kim, O.L. De Weck, Adaptive weighted-sum method for bi-objective optimization: Pareto front generation, Structural and multidisciplinary optimization, 29(2) (2005) 149-158.
[21] Q. Mao, S. Pietrzko, Control of noise and structural vibration, Springer, 2013.