Knowledge base: Warsaw University of Technology

Settings and your account

Back

Vertical axis wind turbine model with active blade pitch control

Adam Narożniak

Abstract

This thesis describes CFD model of Vertical Axis Wind Turbine with active blade pitch control. Since, the model includes turbulence, dynamic effects of the flow and the rotor it is necessary to use Computational Fluid Dynamics software to carry out computations. General purpose commercial CFD program ANSYS FLUENT 13.0 is used for numerical analysis and ANSYS ICEM CFD 13.0 is used for efficient parametric auto mesh generation. CFD model is controlled by macros written in Scheme for FLUENT and Tcl/tk for ICEM, which automatize computations. Aerodynamics principles of developed model are explained on basis of a Single Stream Tube Theory. Performance of the model is evaluated using two rotors with various blade airfoils NACA 0018 and NACA 2418. The analysis of sample rotors shows complexity of VAWT flow field and proves that the most of total turbine energy is generated by upwind blades. On the other hand, downwind blades extract energy from the turbine to balance unfavourable aerodynamic forces. Fixed blade VAWT reaches theoretical efficiency of 36% which, for real machine is lower due to finite blade span. A clear distinction between blade power and idle phase causes power oscillations which make VAWT prone to fatigue failure. The study shows that power of the rotor can be enhanced by active blade pitch control. According to Schneider's patent, eccentric mechanism can impart adaptive cycloidal blade motion which increase rotor efficiency up to 42%. Moreover, operation wind speed range exceeding efficiency of 35% increases by 900% comparing to fixed blade VAWT. Calculations proved strong relation between VAWT efficiency and rotation speed which drives blade angle of attack and turbine flow field. Analysis showed significant discrepancies between results from CFD model and SSTT model caused by introduced simplifications. The most significant is an assumption of uniform flow through upwind and downwind blade motion phase. However, an accuracy of the analytical model can be improved by an extra stream tube for a blade downwind phase. Presented model is a multi-purpose tool for 2D aerodynamics analysis of various VAWT geometries. The model can be easily adapted to Voith–Schneider propellers and fan- ings analysis. Further project development should focus on individual blade pitch control and analysis of a grid of VAWT.
Record ID
WUT32c13538651e49df9ccd891a02faf921
Diploma type
Master of Science
Author
Adam Narożniak (FPAE) Adam Narożniak,, Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE)
Title in Polish
Model turbiny wiatrowej o pionowej osi obrotu z aktywnym kątem natarcia łopat
Supervisor
Janusz Piechna (FPAE/IAAM) Janusz Piechna,, The Institute of Aeronautics and Applied Mechanics (FPAE/IAAM)Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE)
Certifying unit
Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE)
Affiliation unit
The Institute of Aeronautics and Applied Mechanics (FPAE/IAAM)
Study subject / specialization
, Lotnictwo i Kosmonautyka
Language
(pl) Polish
Status
Finished
Issue date (year)
2012
Internal identifier
MEL; PD-1827
Reviewers
Janusz Piechna (FPAE/IAAM) Janusz Piechna,, The Institute of Aeronautics and Applied Mechanics (FPAE/IAAM)Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE)
Keywords in Polish
wirniki, turbiny wiatrowe
Keywords in English
FLUENT Scheme, ICEM Tcl/tk, VAWT
Abstract in Polish
Praca opisuje budowę numerycznego wirnika o pionowej osi obrotu z regulowanym kątem natarcia łopat. Do budowy modelu zastosowano komercyjne narzędzia CFD - ANSYS ICEM CFD 13.0 oraz ANSYS FLUENT 13.0. W celu automatyzacji procesu generowania siatki oraz przeprowadzania obliczeń zastosowano skrypty sterujące Scheme FLUENT i Tcl/tk ICEM. Opracowany model umożliwił analizę dwóch czteropłatowych wirników z profilami NACA 0018 i NACA 2418 oraz określenie ich podstawowych charakterystyk w funkcji azymutu i współczynnika szybkobieżności. Teoretyczne podstawy pracy VAWT zostały wyjaśnione na podstawie analitycznego modelu zbudowanego w oparciu o teorię maszyn przepływowych. Analiza przykładowych wirników pokazała złożoność zjawisk zachodzących na łopatach w trakcie obrotu. Okazało się, że znacząca część energii wytwarzana jest przez łopaty po stronie nawietrznej turbiny. Łopaty po stronie zawietrznej odbierają energię z wirnika w celu pokonania niekorzystnych sił aerodynamicznych i kontynuacji obrotu. Turbina ze stałym nastawem łopat osiąga teoretyczną sprawność 36%. Ze względu na skończoną długość łopat rzeczywistej konstrukcji, całkowita sprawność turbiny jest niższa. Wyraźne rozgraniczenie między trybem czynnym i biernym pracy łopaty jest przyczyną silnie oscylacyjnej charakterystyki momentu VAWT, problematycznej z punktu widzenia wytrzymałości zmęczeniowej konstrukcji. Moc turbiny może być zmaksymalizowana przez odpowiednie sterowanie kątem natarcia łopat. Zastosowanie mimośrodowego mechanizmu Schneider'a umożliwia cykliczne obracanie łopatami w zależności od parametrów pracy turbiny zwiększając w ten sposób jej sprawność do 42%. Ponadto operacyjny zakres prędkości wiatru w którym turbina osiąga sprawność wyższą niż 35% uległ zwiększeniu o 900% w stosunku do turbiny ze stałym nastawem łopat. Wyniki otrzymane z numerycznego modelu VAWT znacznie odbiegają od analizy opartej na teorii maszyn przepływowych. Spowodowane jest to daleko idącymi uproszczeniami stosowanymi w modelu, z których największy wpływ ma założenie jednakowych warunków pracy łopat po stronie nawietrznej i zawietrznej. Dokładność modelu analitycznego można poprawić przez zastosowanie osobnych rurek prądu dla każdej ze stref. Zaprezentowany model VAWT okazał się uniwersalnym narzędziem do dwuwymiarowej analizy przepływu wokół turbin o pionowej osi obrotu. Wykonane testy pokazały, że stworzone narzędzie umożliwia efektywną analizę VAWT o różnych geometriach i warunkach pracy. Ponadto model może być w prosty sposób dostosowany do analiz pędników Voith–Schneider'a oraz skrzydeł typu fan-wing. W ramach przyszłego rozwoju projektu należy rozważyć dodanie możliwości indywidualnego sterowania łopatami oraz analizy sieci VAWT.
File
  • File: 1
    [00]praca.pdf
Request a WCAG compliant version

Uniform Resource Identifier
https://repo.pw.edu.pl/info/master/WUT32c13538651e49df9ccd891a02faf921/
URN
urn:pw-repo:WUT32c13538651e49df9ccd891a02faf921

Confirmation
Are you sure?
Report incorrect data on this page