پاسخ آيروالاستيك توربين بادي محور افقي در شرايط تغيير ناگهاني اندازه و جهت باد با روش نا پاياي المان پره – مومنتوم

Aeroelastic response of horizontal-axis wind turbine in sudden wind gusts based on Unsteady Blade Element-Momentum method

در اين پژوهش، تغييرات ديناميكي توان خروجي توربين باد محور افقي سه پره اي مگاواتي مرجع در شرايط تغيير ناگهاني اندازه ي سرعت باد و در زواياي ياو مختلف بررسي شده است. پاسخ زماني شامل پيچش الاستيك نوك پره و توان توليدي روتور در اين شرايط ناپايا با حالت جريان پاياي باد مقايسه شده است. سه پروفيل براي تغيير ناگهاني سرعت باد مابين 10 تا 12 متر بر ثانيه و همچنين توربين در شرايط زاويه ي ياو صفر، 10 و 20 درجه درنظرگرفته شده است. با استفاده از روش ناپاياي المان پره-مومنتوم و فرض نظريه تير اويلر-برنولي براي پره، پيچش الاستيك پره ي توربين محاسبه شده است. از الگوي آيروديناميكي دنباله ي ديناميكي براي شبيه سازي تاخير زماني رسيدن نتايج به شرايط پايا پس از تغيير ناگهاني سرعت باد و براي به دست آوردن ضرايب آيروديناميكي پس از واماندگي نيز از الگوي واماندگي ديناميكي اونرا استفاده شده است. براي اعتبارسنجي روش پيشنهادي، نتايج حالت پايا با داده هاي منحني عملكرد توربين مگاواتي مرجع NREL تا قبل از سرعت نامي و در حالت ديناميكي با توربين مرجع Tjaereborg مقايسه شده كه تطابق خوبي را نشان مي دهد. نتايج نشان مي دهد تغييرات ناگهاني سرعت باد باعث نوسانات شديد در پيچش الاستيك پره شده و توان خروجي توربين را تحت تاثير قرار مي دهد. همچنين افزايش گراديان سرعت باد منجربه افزايش تاخير زماني رسيدن پاسخ روتور به شرايط پاياي جديد مي شود. وجود زاويه ي ياو توربين نيز منجربه كاهش توان روتور و بارهاي آيروديناميكي متناوب مي شود. از اين نتايج و روش پيشنهادي مي توان براي طراحي كنترلر مناسب توربين در شرايط ناپاياي مشابه فوق استفاده كرد.

Wind turbines are subject to various unsteady aerodynamic effects. This includes the wind gust and the change of wind direction. In this work، the aeroelastic behavior of a reference horizontal axis wind turbine has been investigated under different wind gusts and yaw conditions. Unsteady blade element momentum (UBEM) theory and Euler-Bernoulli beam assumption were used to rotor power estimations. To take into account the time delay in aerodynamic loads due to a sudden change in inflow conditions، a dynamic wake model was implemented. The ONERA dynamic stall model was coupled into the BEM theory to improve the aerodynamic loads prediction in the unsteady inflow and yaw conditions. To verify this method، the results in the case of steady-state are compared with the NREL 5 MW wind turbine and in the unsteady case are compared with the Tjaereborg test turbine. The results indicate that sudden change in wind speed causes sharp fluctuations in terms of elastic torsion of the blade and other parameters such as rotor power. Increasing in wind gradient can leads to increasing time delay to a new equilibrium. The increase in yaw angle can be contributed to the rotor power and the periodic loads reduction. The method presented here may facilitate improvements in the controller design for wind turbines.