Modelowanie łopaty elektrowni wiatrowej o poziomej osi obrotu dla potrzeb analizy aerodynamicznej

• Autorzy: Pawlak M. , Mężyk A. , Świtoński E.

Warianty tytułu

EN

The design of a blade in horizontal axis wind turbine for aerodynamic analysis

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Jednym z najważniejszych elementów elektrowni wiatrowej o poziomej osi obrotu jest wirnik, który pod wpływem sił aerodynamicznych działających na jego łopaty wykonuje ruch obrotowy. W artykule omówiono model łopaty oraz zależności pomiędzy wielkościami aerodynamicznymi i strukturalnymi. W tym celu opracowano trójwymiarowy model geometryczny łopaty z wykorzystaniem programu Matlab. Łopata jest podzielona na 27 sekcji, profile aerodynamiczne zmieniają się od szerokich na początku łopaty, zwężając się stopniowo w kierunku noska. Każdy profil aerodynamiczny ma określone położenie środka aerodynamicznego. Geometria łopaty jest następnie przesyłana w postaci pliku wsadowego do oprogramowania MSC Patran, gdzie są wyznaczane takie parametry profili aerodynamicznych, jak: pola przekroju, momenty bezwładności, środki ścinania oraz środki ciężkości. Posiadając te dane, łopata jest modelowana w MSC Nastran jako układ elementów belkowych, z wykorzystaniem teorii belki Timoszenki. Celem redukcji trójwymiarowego modelu łopaty do modelu elementów belkowych jest konieczność uwzględnienia aerodynamicznego stanu obciążenia w dynamice strukturalnej elektrowni wiatrowej. Wykorzystywany model aerodynamiczny, nie zaprezentowany w tym artykule, jest oparty na zmodyfikowanej metodzie BEM (Blade Element Momentum), który umożliwia wyznaczenie sił nośnych i sił oporu, działających w środkach aerodynamicznych poszczególnych profili łopaty. Model strukturalny łopaty jako układ elementów belkowych z wyszczególnieniem środków aerodynamicznych, ciężkości oraz ścinania umożliwia analizę dynamiki z uwzględnieniem zjawisk aerodynamicznych.

EN

The blade is one of the most important parts of Horizontal Axis Wind Turbine. In this article we focus on the interaction between aerodynamic and structural properties of designed blade. The three dimensional geometric model of the blade is created with help of Matlab. The geometry of the wind turbine's blade is then transferred to MSC. Patran. and the parameters for each aerodynamic section are calculated. This parameters are used to model the blade in MSC Nastran as a beam [Ref. 2] according to the Timoshenko beam theory. The reason of reducing the three dimensional model to beam element is an intension to couple the structural dynamics with aerodynamics. In our research, not presented here, the aerodynamic analysis is based on modified BEM (Blade Element Momentum) theory [Ref. 1], where as the output lift and drag forces are received. For this reason we describe the blade as a simple beam model, which will be used in the future in aeroelastic analysis of the wind turbine.

Słowa kluczowe

PL

elektrownia wiatrowa; łopata; elementy belkowe

EN

wind power plant

• Wydawca: Wydawnictwo Wrocławskiej Rady FSNT NOT
• Czasopismo: Inżynieria Maszyn
• Rocznik: 2005
• Tom: R. 10, z. 1/2
• Strony: 267--278
• Opis fizyczny: Bibliogr. 6 poz.

Twórcy

autor

Pawlak M.

• Katedra Mechaniki Stosowanej; Wydział Mechaniczny Technologiczny; Politechnika Śląska, 44-100 Gliwice, ul. Konarskiego 18A, Polska

autor

Mężyk A.

• Katedra Mechaniki Stosowanej; Wydział Mechaniczny Technologiczny; Politechnika Śląska, 44-100 Gliwice, ul. Konarskiego 18A, Polska

autor

Świtoński E.

• Katedra Mechaniki Stosowanej; Wydział Mechaniczny Technologiczny; Politechnika Śląska, 44-100 Gliwice, ul. Konarskiego 18A, Polska

Bibliografia

• [1] HANSEN MARTIN O.L., Aerodynamics of Wind Turbines. James&James Ltd, 2000.
• [2] DAVID J. MALCOLM, DANIEL L. LAIRD., Modelling of blades as equivalent beams for aeroelastic analysis, AIAA Reno January 2003.
• [3] Numerical Implications of Solidity and Blade Number on Rotor Performance of Horizontal-Axis Wind Turbines. Journal of Solar Energy Engineering, vol. 125, Nr 4, page 425-432, November 2003.
• [4] PAWLAK M., Aerodynamic forces and Horizontal Axis Wind Turbines, 6th International Scientific Conference, Applied Mechanics 2004, Slovakia.
• [5] SPERA David A., Wind Turbine Technology, Fundamental Concepts in Wind Turbine Engineering, ASME Press, New York 1998.
• [6] Guidelines for Design of Wind Turbines, 2nd edition, Det Norske Veritas and Riso National Laboratory, Jydsk Centraltrykkeri, Denmark 2002.