PL EN


Preferencje help
Widoczny [Schowaj] Abstrakt
Liczba wyników
Tytuł artykułu

The method of calculation of horizontal axis wind turbine performance at yawed flow conditions by the use of simplified vortex method.

Autorzy
Wybrane pełne teksty z tego czasopisma
Identyfikatory
Warianty tytułu
PL
Obliczanie charakterystyk turbiny wiatrowej o poziomej osi obrotu w warunkach napływu skośnego z wykorzystaniem uproszczonej teorii wirowej.
Języki publikacji
EN
Abstrakty
EN
In the paper, the author presents a certain method of calculation of Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT) performance for yawed flow conditions. The presented model is developed on the basis of propeller theory described in [23]. Te model employs the results of the vortex theory of propeller combined with momentum and angular momentum theorems for the HAWT wake. In the model, the blade element is regarded as a source of tangential and axial force acting on air at actuator disk surface. The momentum equations are corrected for the effect of finite number of blades by introduction of Prandtl tip-loss factor to the equations. Thanks to the approximation of lift force coefficient vs. angle of attack by sine curve, one may get a quadratic equation for local axial velocity component. Tangential component of induced velocity may be calculated from relations obtained from vortex theory of HAWT. This allows us to avoid an iterative solution for induced velocity, unlike in most of the HAWT and propeller theories. The blade section drag is incorporated to calculations of total drag of rotor and power, when induced velocity components are known, and hence blade element angle of attack is determined. To incorporate the effect of blade element stall-delay due to blade rotation, a simple semi-empirical model proposed by Tangier and Selig has been applied. The calculations are compared with experimental data obtained at Riscj> 100 kW experimental turbine test site and at the Grumman Wind Stream 33 turbine modified by NREL. The comparison includes power output as well as blade element angles of attack. The presented results show that the method described in the paper underestimates performance for low speed winds, whereas for strong winds the power output is slightly overestimated. For average angles of attack, one may see that for small tip speed ratios angles of attack are overestimated. At high tip speed ratios, however, angles of attack are underestimated. It was shown that there is a need to take into account the work done by side force on the tangential inflow component to obtain correct power curves for yawed flow conditions.
PL
W artykule przedstawiono pewną metodę obliczania charakterystyk energetycznych turbiny wiatrowej w warunkach napływu skośnego. Przedstawiony model jest oparty na teorii Śmigla przestawionej w pracy [23]. Model ten wykorzystuje wyniki wirowej teorii Śmigla w połączeniu z zasadą pędu i momentu pędu dla strumienia zawirnikowego turbiny wiatrowej. W modelu tym element łopat traktowany jest jako źródło siły osiowej i siły stycznej działających na powietrze w płaszczyźnie kręgu roboczego wirnika. Równania wynikające z zasady pędu i momentu pędu zostały skorygowane ze względu na skończoną liczbę łopat wirnika poprzez wprowadzenie współczynnika Prandtla. Wprowadzenie aproksymacji siły nośnej za pomocą sinusoidy pozwoliło na otrzymanie równania kwadratowego ze względu na lokalną osiową prędkość przepływu w płaszczyźnie kręgu roboczego. Składowa obwodowa jest obliczana ze związków wynikających z uproszczonej teorii wirowej. Opisane rozwiązanie pozwala na uniknięcie iteracyjnego wyznaczania prędkości indukowanych. W przeciwieństwie do większości metod obliczania osiągów śmigieł i turbin wiatrowych. Opór elementu łopaty jest uwzględniany w obliczeniach mocy i naporu na wirnik po wyznaczeniu prędkości indukowanych i kątów natarcia. W celu uwzględnienia opóźnienia oderwania na skutek oddziaływania siły Coriolisa na warstwę przyścienną zastosowano półempiryczny model Seliga-Tanglera. Prezentowany model zweryfikowano w oparciu dane eksperymentalne dla 100 kW turbiny doświadczalnej w Ris i seryjnej turbiny Grumman Wind Stream 33 zmodyfikowanej przez NREL. Porównanie objęło zarówno krzywą mocy jak również zmierzone kąty natarcia. Uzyskane wyniki wykazują dobrą zgodność prezentowanego modelu z danymi doświadczalnymi. W artykule wskazano również na konieczność uwzględnienia mocy zależnej od siły bocznej w napływie skośnym, w celu otrzymania poprawnego przebiegu krzywej mocy.
Rocznik
Strony
279--298
Opis fizyczny
Bibliogr. 31 poz., rys., tab.
Twórcy
  • Rzeszów University of Technology Faculty of Mechanical Engineering and Aeronautics, ul. Wincentego Pola 2, 35-959 Rzeszów, Poland, piotstrz@prz.edu.pl
Bibliografia
  • [1] Afijeh A. A., Keith T. G.: A simplified free wake method for horizontal-axis wid turbine performance prediction, transactions of the ASME. Journal of Fluid Engineering, 1986, No. 108. pp. 303-309.
  • [2] Bareiß R.: The free wake/hybrid wake code ROVLM - a tool for aerodynamic analysis of wind turbines. Proceedings of ECWEC'93, Travemünde 1993.
  • [3] Askin V. E., Wild'grube L. S., Vozhdaev E. S., Majkapar G. I.: Lifting propeller theory. Mashinostrojenije, Moskwa 1973.
  • [4] Bermudez L, Velazquez A., Matesanz A.: Numerical simulation of unsteady aerodynamics effects in horizontal-axis wind turbines. Solar Energy, 2000, Vo. 68, No. 1, pp. 9-21.
  • [5] Bussel van G. J. W.: The aerodynamics of horizontal axis wind turbine rotors explored with asymptotic expansion methods. TU Delft 1995.
  • [6] Bussel van G. J. W.: The use of asymptotic acceleration potential method for horizontal axis wind turbine rotor aerodynamics. J. of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 1992, No. 38, pp. 161-172.
  • [7] Dumitrescu H., Cardos. V.: Perdictions of unsteady HAWT aerodynamics by lifting line theory. Mathematical and Computer Modeling, 2001, No. 33, pp. 469-481.
  • [8] Glauert H.: Elements of airfoil and airscrew theory. Cambridge University Press 1948.
  • [9] Hall G.: A method of analysis of propellers at extreme angles of attack. Journal of Aircraft, Jan.-Feb 1969, Vol 6, No. 1, pp. 52-58.
  • [10] Huyer S. A., Simms D., Robinson M.C.: Unsteady aerodynamics associated with a horizontal-axis wind turbine. AIAA Journal, Vol. 34, No. 7 July 1996.
  • [11] Johnson W.: Helicopter Theory, Princeton University Press, 1980.
  • [12] Kotb M.A., Soliman H. A.: Performance of a horizontal-axis wind turbine under non-uniform flow with swirl. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 1991, No. 37, pp.103-111.
  • [13] Magnusson M. Near-Wake Behavior of Wind Turbines, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 1999, No. 80, pp. 147-1967.
  • [14] Manwell J.F., McGowan J.G., Rogers A.L.: Wind energy explained: theory design and application. John Wiley and Sons, New York 2002.
  • [15] Miller R. H. The aerodynamics and dynamic analysis of horizontal axis wind turbines. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 1983, No. 15, pp. 329-340.
  • [16] Moriarty P. J., Hansen A.C.: AeroDyn Theory Manual. NREL Technical Report NREL/TP- 500-36881, January 2005.
  • [17] Politis G, K., Loukakis T. A.: On lifting line analysis of horizontal axis wind turbines. Wind Engineering, 1984, Vol. 8, No. 1, pp. 23-35.
  • [18] Schepers J. G., et al.: Final Report of IEA ANNEX XIV: Field Rotor Aerodynamics, ECN- C-97-027, June 1997.
  • [19] Schlichting H.: Boundary layer theory. McGraw-Hill, New York 1981.
  • [20] Sorensen J. N., Kock C. W.: A model for unsteady rotor aerodynamics. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 1995, No. 58, pp. 259-275.
  • [21] Strzelczyk P.: Determination of horizontal axis wind turbine performance by use of simplified vortex theory. Transactions of the Institute of Aviation, 2/2000 (161), pp. 24-33.
  • [22] Strzelczyk P.: Computational analysis of influence of blade geometry on performance of horizontal axis wind turbine. Transactions of The Rzeszów University of Technology, Nr 179/2000, pp. 383-390, Proceedings of The International Scientific Conference "Mechanics 2000".
  • [23] Strzelczyk P.: Method of calculation of normal force on propeller at angle of attack by simplified vortex method. The Archive of Mechanical Engineering, 2004, Vol. LI, No. 4, pp. 515-531.
  • [24] Sung Nam Jung, Tae-Soo No, Ki-Wahn Ryu: Aerodynamic performance prediction of a 30 kW counter-rotating wind turbine system. Renewable Energy, 2005, No 30, pp. 631-644.
  • [25] Tangier J. L., Selig M. S.: An evaluation of an empirical model for stall delay due to rotation for HAWTs, NREL/CP-440-23258, 1997.
  • [26] Vermeer N. J.: A review of wind turbine wake research at TU Delft AIAA paper. AIAA- 2001-0030.
  • [27] Wang T, Coton F. N.: A high resolution tower shadow model for downwind turbines. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2001, No. 89, pp. 873-892.
  • [28] Whale J., Anderson C. G., Bareiss R., Wagner S.: An experimental and numerical study of vortex structure in the wake of wind turbine. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2000, No. 84, pp. 1-21.
  • [29] Witoszyński Cz.: "The Propeller" in: Selected papers. PWN Warszawa 1957, pp. 219-245, (in Polish).
  • [30] Wilson R. E., Lissaman B. S.: Aerodynamic performance of wind turbines. NTIS Report PB-259-089. Oregon State University, Corvallis.
  • [31] Żurański J. A.: Obciążenie wiatrem budowli i konstrukcji. Arkady, Warszawa 1978 (in Polish).
Typ dokumentu
Bibliografia
Identyfikator YADDA
bwmeta1.element.baztech-article-BOS4-0015-0070
JavaScript jest wyłączony w Twojej przeglądarce internetowej. Włącz go, a następnie odśwież stronę, aby móc w pełni z niej korzystać.