بررسی عددی اثر هندسه‌ی افزونه نوک پره‌ی یک توربین باد محور افقی بر افزایش توان تولیدی آن

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده هوافضا، دانشگاه صنعتی امیرکبیر،تهران، ایران

2 صنعتی امیرکبیر*مهندسی هوافضا

3 دانشکده هوافضا، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران

چکیده

یکی از راه‌های افزایش توان توربین بادی محور افقی بدون تغییر در بدنه‌ی پره‌ی اصلی توربین، اضافه کردن افزونه‌ی مناسب به نوک پره است. در این پژوهش، افزونه‌های مختلفی به نوک یک توربین بادی اضافه شده و اثر هر یک بر توان تولیدی مورد بررسی عددی قرار گرفته است. معادلات جریان پایا برای شبیه سازی جریان حول پره مورد استفاده قرار گرفت و هفت افزونه مختلف برای عملکرد آئرودینامیکی پره طراحی گردید. نتایج بررسی عملکرد افزونه ها نشان می‌دهد که افزونه‌های نوک باریک‌شونده و شارکتیپ کمترین افزایش توان را ایجاد می‌کنند. بالچه‌های سطح مکش (به سمت پایین دست جریان) و سطح فشار (به سمت بالادست جریان) بدون زاویه عقبگرد، توان را به ترتیب %23/5 و %6/9 افزایش دادند و مشاهده شد که بالچه‌ی سطح فشار در مقایسه با بالچه‌ی سطح مکش عملکرد بهتری دارد. همچنین اضافه کردن زاویه عقبگرد به بالچه‌ها موجب بهبود عملکرد پره‌ می‌شود، و بالچه‌های سطح فشار و مکش با زاویه عقبگرد توان تولیدی را نسبت به پره‌ی مبنا به ترتیب %87/11 و %25/13 افزایش دادند و افزونه‌ی بالچه‌ی سطح فشار با زاویه عقبگرد بهترین عملکرد را در میان همه‌ی افزونه‌ها داراست و می‌تواند بدون تغییر در هندسه‌ی پایه‌ی توربین تنها با افزودن یک بالچه 28 سانتی متری به پره با شعاع 553 سانتی‌متری توربین، توان تولیدی آن را تا %25/13 افزایش دهد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

A numerical investigation on the effect of blade tip shapes on power generation of a horizontal axis wind turbine

نویسندگان [English]

  • Amirhossein Rouhollahi 1
  • Alireza Jahangirian 2
  • Masoud Heidari Soreshjani 3
1 Department Aerospace Engineering, Amirkabir University of Technology,Tehran,Iran
2 Department of Aerospace Engineering, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran
3 Department of Aerospace Engineering, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran
چکیده [English]

A way to increase the generated power of an available wind turbine blade without changing its base shape is to add proper add-on to the blade tip. In this paper, seven tip add-ons are added to the blade tip of the NREL Phase VI wind turbine, and their effect on generated power is studied using computational fluid dynamics. Reynolds averaged Navier-Stokes equations are used with k-ω SST turbulence model to simulate the flow over the blade. Results show that the tapered tip add-on does not have a notable effect on generated power, while the shark-tip add-on increases the output power by about 4%, which is a minor increase comparing to the other add-ons. The suction surface and pressure surface winglets (without sweepback) increase the power generated by 5.23% and 9.6% respectively, which shows the superiority of pressure surface winglet over suction counterpart. Afterwards, sweepback is added to winglets, showing 11.87% and 13.25% power increase for suction surface and pressure surface winglets respectively, which shows the positive effect of sweepback angle in generated power increase. This is obtained by only a 28 cm add-on to the base blade with a radius of 553 cm.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Blade Tip Geometry
  • computational fluid dynamics
  • Wind turbine
  • NREL Phase VI Blade
[1] M.M. Hand, D.A. Simms, L.J. Fingersh, D.W. Jager, J.R. Cotrell, Unsteady aerodynamics experiment Phase V: Test configuration and available data campaigns, NREL Technical Report-TP-500-29955,  (2001).
[2] D. Simms, S.J. Schreck, M. Hand, L.J. Fingersh, NREL Unsteady aerodynamics experiment in the NASA-Ames wind tunnel: A comparison of predictions to measurements, NREL Technical Report-Tp-500-29494,  (2001).
[3] N.N. Sørensen, J.A. Michelsen, S. Schreck, Navier-Stokes predictions of the NREL phase VI rotor in the NASA Ames 80 ft × 120 ft wind tunnel, Wind Energy, 5 (2002) 151-169.
[4] E.P.N. Duque, M.D. Burklund, W. Johnson, Navier-Stokes and comprehensive analysis performance predictions of the NREL Phase VI experiment, ASME 2003 Wind Energy Symposium,  (2003) 43-61.
[5] Y. He, R.K. Agarwal, Shape optimization of NREL S809 airfoil for wind turbine blades using a multi-objective genetic algorithm, International Journal of Aerospace Engineering, 2014 (2014) 1-13.
[6] M. Kaya, M. Elfarra, Optimization of the taper/twist stacking axis location of NREL VI wind turbine rotor blade using neural networks based on computational fluid dynamics analyses, Journal of Solar Energy Engineering, 141 (2019) 1-27.
[7] M.A. Elfarra, N. Sezer-Uzol, I.S. Akmandor, NREL VI rotor blade: numerical investigation and winglet design and optimization using CFD, Wind Energy, 17 (2014) 605-626.
[8] N. Tobin, A. Hamed, L. Chamorro, An experimental study on the effects of winglets on the wake and performance of a model Wind turbine, Energies, 8 (2015) 11955-11972.
[9] J. Johansen, N.N. Sørensen, Aerodynamic investigation of winglets on wind turbine blades using CFD, Risø National Laboratory-R1543,  (2006) 1-17.
[10] M. Azizi, A. Jahangirian, Multi‐site aerodynamic optimization of wind turbine blades for maximum annual energy production in East Iran, Energy Science & Engineering,  (2020) 2169-2186.
[11] J.E. Bardina, P.G. Huang, T.J. Coakley, Turbulence modeling validation, testing, and development, NASA Technical Report-TM-110446,  (1997).
[12] M.M. Yelmule, E. Anjuri VSJ, C. Author, CFD predictions of NREL Phase VI Rotor Experiments in NASA/AMES Wind tunnel, International Journal of Renewable Energy Research, 3 (2013) 261-269.
[13] N. Zeynali Khameneh, M. Tadjfar, Improvement of wind turbine efficiency by using synthetic jets, ASME 3rd Symposium on the Fluid Dynamics of Wind Energy,  (2016) 1-5.
[14] E. Ferrer, X. Munduate, Wind turbine blade tip comparison using CFD, Journal of Physics: Conference Series, 75(1) (2007) 1-10.
[15] R. Giridhar, Prediction of aerodynamic noise generated by wind turbine blades, M.Sc Thesis-University of  Kansas,  (2016).
[16] K.G.V. Ramachandran, An aeroacoustic analyses of wind turbines, M.Sc Thesis-Ohio State University,  (2011).
[17] M. Ghasemian, A. Nejat, Aerodynamic noise prediction of a horizontal axis wind turbine using improved delayed detached eddy simulation and acoustic analogy, Energy Conversion and Management, 99 (2015) 210-220.