• No results found

Investigation Of Different Airfoils on Outer Sections of Large Rotor Blades

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Investigation Of Different Airfoils on Outer Sections of Large Rotor Blades"

Copied!
118
0
0

Loading.... (view fulltext now)

Full text

(1)

 

Bachelor Thesis in

Aeronautical Engineering

15 credits, Basic level 300

School of Innovation, Design and Engineering

Investigation of Different Airfoils on Outer

Sections of Large Rotor Blades

   

     

Authors: Torstein Hiorth Soland and Sebastian Thuné Report code: MDH.IDT.FLYG.0254.2012.GN300.15HP.Ae

(2)

 

Sammanfattning  

 

 

Vindkraft  står  för  ca  3  %  av  jordens  produktion  av  elektricitet.  I  jakten  på   grönare  kraft,  så  ligger  mycket  av  uppmärksamheten  på  att  få  mer  elektricitet   från  vindens  kinetiska  energi  med  hjälp  av  vindturbiner.    

Vindturbiner  har  använts  för  elektricitetsproduktion  sedan  1887  och  sedan  dess   så  har  turbinerna  blivit  signifikant  större  och  med  högre  verkningsgrad.    

 

Driftsförhållandena  förändras  avsevärt  över  en  rotors  längd.  Inre  delen  är  oftast   utsatt  för  mer  komplexa  driftsförhållanden  än  den  yttre  delen.  Den  yttre  delen   har  emellertid  mycket  större  inverkan  på  kraft  och  lastalstring.  Här  är  

efterfrågan  på  god  aerodynamisk  prestanda  mycket  stor.    

Vingprofiler  för  mitten/yttersektionen  har  undersökts  för  att  passa  till  en  7.0   MW  rotor  med  diametern  165  meter.  Kriterier  för  bladprestanda  ställdes  upp   och  sensitivitetsanalys  gjordes.  Med  hjälp  av  programmen  XFLR5  (XFoil)  och   Qblade  så  sattes  ett  blad  ihop  av  varierande  vingprofiler  som  sedan  testades  med   bladelement  momentum  teorin.  Huvuduppgiften  var  att  göra  en  simulering  av   rotorn  med  en  aero-­‐elastisk  kod  som  gav  information  beträffande  

driftsbelastningar  på  rotorbladet  för  olika  vingprofiler.  Dessa  resultat  

validerades  i  ett  professionellt  program  för  aeroelasticitet  (Flex5)  som  simulerar   steady  state,  turbulent  och  wind  shear.  

 

De  bästa  vingprofilerna  från  denna  rapportens  profilkatalog  är  NACA  63-­‐6XX  och   NACA  64-­‐6XX.  Genom  att  implementera  dessa  vingprofiler  på  blad  design  2  och  3   så  erhölls  en  mycket  hög  prestanda  jämfört  med  stora  kommersiella  HAWT   rotorer.                                      

(3)

Abstract  

 

Wind  power  counts  for  roughly  3  %  of  the  global  electricity  production.  In  the   chase  to  produce  greener  power,  much  attention  lies  on  getting  more  electricity   from  the  wind,  extraction  of  kinetic  energy,  with  help  of  wind  turbines.    

Wind  turbines  have  been  used  for  electricity  production  since  1887  and  have   since  then  developed  into  more  efficient  designs  and  become  significantly  bigger   and  with  a  higher  efficiency.    

 

The  operational  conditions  change  considerably  over  the  rotor  length.  Inner   sections  are  typically  exposed  to  more  complex  operational  conditions  than  the   outer  sections.  However,  the  outer  blade  sections  have  a  much  larger  impact  on   the  power  and  load  generation.  Especially  here  the  demand  for  good  

aerodynamic  performance  is  large.      

Airfoils  have  to  be  identified  and  investigated  on  mid/outer  sections  of  a  7.0  MW   rotor  with  165  m  diameter.  Blade  performance  criteria  were  determined  and   investigations  like  sensitivity  analysis  were  made.  With  the  use  of  XFLR5  (XFoil)   and  Qblade,  the  airfoils  were  made  into  a  blade  and  tested  with  the  blade  

element  momentum  theory.  This  simulation  gave  detailed  information  regarding   performance  and  operational  loads  depending  on  the  different  airfoils  used.   These  results  were  then  validated  in  a  professional  aero-­‐elastic  code  (Flex5),   simulating  steady  state,  turbulent  and  wind  shear  conditions.    

 

The  best  airfoils  to  use  from  this  reports  airfoil  catalogue  are  the  NACA  63-­‐6XX   and  NACA  64-­‐6XX.  With  the  implementation  of  these  airfoils,  blade  design  2  and   3  have  a  very  high  performance  coefficient  compared  to  large  commercial  HAWT   rotors.          

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(4)

 

 

 

 

 

 

 

 

Carried  out  at:    Statoil  ASA,  R&D  NEH  OWI  

 

Advisor  at  MDH:  Sten  Wiedling  (KTH)  

 

Advisor  at  Statoil  ASA:  Andreas  Knauer,  Dr.-­‐Ing.  

 

Examiner:  Mirko  Senkovski  

 

 

 

 

 

 

 

 

             

(5)

Nomenclature    

 

B  –  Number  of  Blades    

BEM  –  Blade  Element  Momentum  theory      

c  –  Chord  length  (m)    

Cd  –  Section  Drag  Coefficient      

CD  –  Total  Drag  Coefficient          

Cl  –  Section  Lift  Coefficient      

CL  –  Total  Lift  Coefficient      

Cl/Cd  –  L/D  –  Lift  to  drag  ratio      

Cm  –  Pitching  Moment  Coefficient      

CP  –  Pressure  Coefficient  /  Performance  Coefficient      

H12,  H32  –  Shape  factor      

HAWT  –  Horizontal-­‐Axis  Wind  Turbine      

M  –  Mach  number    

NACA  –  National  Advisory  Committee  for  Aeronautics       P  –  Power  output  (W)     p  –  Pressure  (Pa)     R  –  Global  radius  (m)     r  –  Local  radius  (m)    

RPM  –  Revolutions  Per  Minute      

S.U.,  S.L.  –  Separation  Upper  and  Separation  Lower      

T.U.,  T.L  –  Transition  Upper  and  Transition  Lower      

t/c  –  Thickness  to  chord  ratio  (%)    

V  –  Free  stream  wind  speed  (m/s)    

(6)

   

x/c  –  Location  along  the  chord  (m)    

α  –  AoA  –  Angle  of  Attack  (degrees  °)    

β  –  Inflow  angle  (degrees  °)    

Γ  –  Circulation      

γ  –  Twist  angle  (degrees  °)    

δ1,  δ2,  δ3  –  Displacement,  Momentum  and  Energy  thickness    

η  –  Efficiency      

λ  -­‐  TSR  –  Tip  Speed  Ratio        

μ  –  Dynamic  viscosity  (𝑃𝑎 ⋅ 𝑠)    

ρ  –  density  (kg/m3)  

 

Ω  –  Angular  velocity  (rad/s)  

                                                 

(7)

SAMMANFATTNING   2   ABSTRACT   3   NOMENCLATURE   5   1.  INTRODUCTION   9   2.  HISTORICAL  PERSPECTIVE   10   3.  AIRFOILS   15  

3.1  National  Advisory  Committee  for  Aeronautics  (NACA)   15   3.2  National  Renewable  Energy  Laboratory  (NREL)   17  

4.  METHODS   18  

4.1  Historical  Turbines   18  

4.2  General  Blade  Design  Criteria   18  

4.2.1  Blade  Performance  Criteria   19   4.2.2  Inner  Root  Section  Criteria   20   4.2.3  Middle  Section  Criteria   21  

4.2.4  Outer  Section  Criteria   21  

4.2.5  Blade  Section  Calculation   21  

4.2.6  Specific  Blade  Design   22  

4.2.7  Blade  Design  Procedure   23  

4.3  Airfoil  Catalogue  and  Roughness  Insensitivity  Analysis   24  

4.3.1  Airfoil  Design  for  Wind  Turbines  With  Roughness  Insensitivity   25  

4.3.2  Boundary  Layer  Theory   28  

4.4  Blade  Element  Momentum  (BEM)  Theory   32  

4.4.1  Momentum  Theory   32  

4.4.2  Blade  Element  Theory   33  

4.5  Qblade   38  

4.5.1  General  Validation  of  Simulation  Results   38  

4.6  Javafoil   39   4.6.1  Roughness  analyses   39   4.6.2  Limitations   40   4.7  Flex5   41   5.  RESULTS   42   5.1  Historical  Turbines   42  

5.1.1  Gedser  Wind  Turbine   42  

5.1.2  MOD-­‐2  Turbine   44  

5.2  Blade  Design  Criteria   47  

(8)

 

5.4  Qblade  Blade  Design  and  Turbine  Simulation   50  

5.4.1  Blade  Design  1   50   5.4.2  Blade  Design  2   56   5.4.3  Blade  Design  3   61   5.5  Flex5   66   5.5.1  Blade  Design  2   67   5.5.2  Blade  Design  3   71   6.  DISCUSSION   74   6.1  Historical  Turbines   74  

6.1.1  Gedser  Wind  Turbine   74  

6.1.2  MOD-­‐2  Turbine   74  

6.2  Roughness  Insensitivity  Analysis   76  

6.3  Qblade   76   6.3.1  Blade  Design  1   76   6.3.2  Blade  Design  2   77   6.3.3  Blade  Design  3   78   6.4  Flex5   79   6.4.1  Blade  Design  2   80   6.4.2  Blade  Design  3   81  

6.5  Comparison  of  Qblade  and  Flex5   82  

7.  CONCLUSION   83  

8.  FURTHER  WORK   84  

APPENDIX  A   85  

Airfoil  Catalogue   85  

APPENDIX  B   104  

Use  of  Qblade   104  

APPENDIX  C   108  

Airfoil  Catalogue   108  

APPENDIX  D   111  

Example  of  Aerodynamic  Data  and  Blade  Geometry  Input  for  Flex5   111  

APPENDIX  E   113  

Wind  Shear  Simulation  in  Flex5   113   Turbulence  Simulation  in  Flex5   115  

(9)

1.  Introduction    

 

 

The  selection  of  airfoil  shape  directly  influences  the  efficiency  and  loading  of   wind  turbine  rotors.  In  this  graduate  project  at  Mälardalens  Högskola  and   carried  out  at  Statoil  Research  Center  in  Bergen,  Norway,  several  airfoils  have   been  investigated  for  use  in  offshore  wind  turbine  operation.  The  selected   airfoils  are  for  the  use  on  a  7.0  MW  turbine  with  a  diameter  of  165  m.  Statoil,   primary  an  oil  company,  is  also  involved  in  the  offshore  wind  turbine  industry,   especially  as  an  operator  of  wind  farms.  Statoil  has  an  interest  in  the  trends  in   turbine  size  and  airfoils  being  used.    

 

The  first  part  of  the  report  is  a  study  of  performance  criteria  for  airfoils  and   blade  design.  Since  wind  turbine  operation  is  somewhat  different  to  aircraft   operation,  a  literature  study  was  performed.  An  introduction  to  the  history  of   wind  energy  and  development  trends  is  also  included.  Historical  wind  turbine   blades  were  studied  and  analyzed,  so  that  operational/test  data  and  software   data  could  be  compared  to  newer  turbines.      

 

The  second  part  consists  of  airfoil  analyses,  primarily  for  the  middle  and  outer   sections  of  a  large  rotor  blade,  based  on  performance  criteria.  An  airfoil  

catalogue  was  developed  including  aerodynamic  performance  data  and   roughness  insensitivity.  Experimental  data  and  analysis  tools,  such  as  XFoil   (XFLR5)  and  Javafoil  were  used.    

   

The  third  part  of  the  report  is  the  main  part.  Blade  design  optimization  was   developed  in  Qblade.  By  combining  2D  airfoil  aerodynamic  performance  coupled   with  the  Blade  element  momentum  theory  and  a  3D  correction,  a  viable  result   was  achieved.    

 

The  last  part  is  a  rotor  investigation  of  the  results  from  part  three.  This  was  done   in  aero-­‐elastic  simulation  with  Flex5.  The  blade  optimized  in  Qblade  was  verified   by  employing  professional  software.  

 

Since  this  is  a  public  report  in  collaboration  with  industry,  there  were  certain   limitations  to  the  use  of  airfoil  geometry.  Because  of  license  and  other  

limitations,  only  airfoil  geometry  found  easily  on  the  Internet  was  investigated.   Therefore,  a  handful  of  different  airfoils  have  not  been  studied  in  this  project  and   entire  airfoil  families  have  been  excluded,  especially  the  Risøe  A-­‐  family,  which  is   licensed,  tailored  wind  turbine  airfoils.    

 

Since  the  airfoils  used  were  open  source,  there  was  no  opportunity  to  validate   the  correctness  of  the  airfoil  geometry.  An  assumption  was  made  that  they  are.    

XFoil,  Qblade  and  Javafoil  only  account  for  steady  state,  incompressible  laminar   flow  while  the  real  operational  state  would  differ  from  this.  Compressibility  was   not  taken  account  of,  since  the  blade  rotation  will  be  less  than  Mach  0.3.  As  for  

(10)

  10   turbulent  flow  and  wind  shear,  which  a  real  turbine  will  encounter  during  

normal  operation,  this  is  checked  in  Flex5.      

A  wind  turbine  blade  designer  has  to  take  account  of  structural  limitations.   Because  of  the  limited  time,  the  project  did  not  include  a  structural  investigation   of  the  blades.  Avoiding  very  sophisticated  blade  structures  and  keeping  to   industry  standards,  the  structural  limitations  would  presumably  not  need   detailed  investigation.    

 

General  losses  due  to  mechanical  and  electrical  efficiencies  have  not  been  

analyzed.  Losses  have  been  set  at  3  %  for  calculations,  except  when  other  values   were  given.    

 

2.  Historical  Perspective  

 

A  wind  turbine  is  a  machine  that  converts  kinetic  energy  into  mechanical  energy   and  the  mechanical  energy  is  then  usually  converted  into  electrical  energy   through  a  generator.  There  are  two  major  types  of  wind  turbines:1  Horizontal-­‐ axis  and  Vertical-­‐axis,  the  horizontal  being  the  primary  type  used.    

 

The  first  use  of  windmills  where  in  old  Persia  in  the  7th  century,  introduced  in   Europe  during  the  15th  century.  The  windmills  got  towers,  twisted  blades,   tapered  planforms  and  control  devices  to  point  the  mill  into  the  wind  in  the  17th   century.  The  Dutch  brought  the  windmill  expertise  to  North  America  in  the  18th   century,  where  wind  energy  was  used  to  pump  water.        

 

The  first  horizontal-­‐axis  wind  turbine  (HAWT)  for  generating  electricity  was   built  in  Scotland,  in  1887.  In  the  early  1890s,  the  Danish  scientist  Poul  la  Cour   was  the  first  to  discover  that  fast  rotating  turbines  with  fewer  rotor  blades  were   more  efficient  in  generating  electricity  over  slow  rotating  drag  or  impulse  wind   turbines.    

 

In  1931  in  Yalta,  in  the  Soviet  Union,  a  predecessor  to  the  modern  HAWT  was   built.  It  had  a  30  m  high  tower  producing  100  kW.  The  wind  turbine  had  a   maximum  efficiency  of  32  %,  which  is  still  respectable  at  today’s  standards.      

Ten  years  later,  the  pioneering  Smith  Putman  wind  turbine  was  built  in   Pennsylvania  and  ran  for  four  years,  until  it  encountered  a  blade  failure.  The   device  had  a  two-­‐bladed  variable  pitch  rotor  working  downwind  of  the  tower.   The  rotor  was  53  meters  in  diameter  with  a  rotational  speed  of  28  rpm,  giving  a   peak  output  rating  of  1.25  MW  and  was  therefore  the  first  producing  in  excess  of   1  MW.  The  blades  were  untwisted  and  rectangular  with  a  chord  of  3.7m  and   consisted  of  NACA  4418  airfoil.    

 

Ulrich  Hütter  pioneered  the  industry  in  Germany  during  the  1950´s  using   innovative  materials  and  designs  for  several  different  horizontal  axis  wind   turbines.  The  turbines  were  medium  sized  with  rotors  made  of  glass  fiber  

(11)

reinforced  plastic  and  had  an  airfoil  shape.  This,  combined  with  variable  pitch   system,  resulted  in  a  lightweight  and  efficient  wind  turbine.  Hütter  also  

developed  a  load  shedding  design  (teeter  hinge)  that  decouples  the  gyroscopic   force  from  the  turbine,  which  is  still  being  employed  today.  Through  the  work  of   Ulrich  Hütter  the  European  wind  turbine  industry  had  a  great  advantage  over   the  rest  of  the  world  for  several  years.    

 

Johannes  Juul  developed  and  built  the  Gedser  wind  turbine  (Figure  1)  in  

Denmark  in  the  early  1950s2.  It  operated  for  eleven  years  and  was  shut  down  in   1966.  During  these  years  it  generated  an  annual  average  of  450  MWh.  At  the   request  of  NASA,  the  turbine  was  repaired  and  ran  for  another  three  years  in  the   1980´s  for  testing  purposes.  3    

   

  Figure  1:  Gedser  wind  turbine4  

(12)

  12   The  Gedser  turbine  had  three  twisted  fixed  pitch  rotor  blades  mounted  upwind   of  the  tower  with  a  diameter  of  24  m  where  the  outer  9  m  of  each  blade  was  of   useful  surface  having  the  NACA  4312  and  later  the  CLARK  Y  airfoil  shape.    

An  asynchronous  generator  held  the  nominal  rotation  speed  of  the  rotor.  In  case   of  disconnection  from  the  grid  and  racing,  ailerons  placed  at  the  tip  turned  60   degrees  by  the  action  of  a  servomotor  controlled  by  a  flywheel  regulator.  The   Gedser  turbine  was  at  that  time  the  largest  turbine  in  the  world  and  operated   without  any  significant  maintenance  for  eleven  years.  More  specifications  are   found  in  Table  1.    

 

Table  1:  Gedser  wind  turbine  specifications    

After  the  Smith  Putman  wind  turbine  was  decommissioned  due  to  economies   and  the  failure  of  a  rotor  blade,  development  in  wind  energy  in  the  US  laid  

dormant  until  the  oil  crisis  in  1973.  Since  1940  the  development  in  the  aerospace   sector  had  skyrocketed  with  the  introduction  of  jet  airliners.  With  more  powerful   computers,  better  materials  and  better  general  engineering  skills  in  designing   large  aluminum  structures,  the  wind  energy  industry  had  better  opportunities   for  success.    

 

The  MOD  turbine  family5  (Table  2)  developed  in  cooperation  between  NASA  and   aircraft  makers,  was  a  two  bladed  design  with  blade  diameters  and  design  power   ranging  from  37.5  m  and  0.1  MW  to  128  m  and  7.2  MW.  This  family  of  turbines   did  not  result  in  sufficient  reliability  and  an  economic  producer  of  electricity.   They  were  merely  used  to  understand  what  was  going  to  work  and  what  was   not.  The  first  design  only  lasted  four  weeks,  before  failure,  as  opposed  to  the   earlier  Smith  Putman  design,  that  lasted  four  years.  

                   

Gedser  Wind  Turbine    

Rotor  blades   Three  fixed  twisted  blade   Rotor  position     Upwind  

Airfoil   NACA  4312,  CLARK  Y   Useful  blade  length     9  meters  

Diameter   24  meters  

Blade  chord   1.54  meters   Rotational  speed,  rpm   30    

Design  tip  speed  ratio,  TSR   4.4  

Twist     16  degrees  at  root,  3  degrees  at  tip     Cut-­‐in  wind  speed     Self  starting  at  5  m/s    

Cut-­‐out  wind  speed     20  m/s  

(13)

Table  2:  MOD  turbine  family  specifications    

Problems  Boeing  and  NASA  encountered  during  the  development  were  the   weight  of  the  turbines  and  the  cost  of  producing  them.  Also,  the  MOD-­‐1  turbine   produced  audible  vibrations,  because  of  the  interaction  between  rotor  and   tower.  Therefore,  the  next  generation  turbine  model  MOD-­‐2  (Figure  2)  was  built   with  the  rotor  upstream  of  the  tower.    

 

General  Electric  and  Boeing  designed  the  third  generation  MOD-­‐5A  and  MOD-­‐5B   having  diameters  of  122  m  and  128  m  respectively  giving  6.2  and  7.2  MW  output.   The  5B  version  also  used  a  variable  speed  generator  instead  of  constant  speed   generators,  as  used  on  earlier  models.  After  this  model  the  MOD  project  was   terminated  due  to  ending  of  government  funding  in  the  mid  1980s.  During  the   MOD  period,  a  lot  of  smaller  wind  turbine  producers  gained  experience  in   smaller  scale  wind  turbines  powering  50  –  100  kW  generators.      

     

  Figure  2:  Mod-­‐2  turbine  

 

  MOD-­‐0   MOD-­‐0A   MOD-­‐1   MOD-­‐2   Number  of  rotor  blades     2   2   2   2   Rotor  position     Downwind   Downwind   Downwind   Upwind   Rotational  speed,  rpm   40   40   34.7   17.5   Generator  output,  MW   0.1   0.2   2.0   2.5  

Airfoil  section     NACA-­‐23000   NACA-­‐23000   NACA-­‐44XX   NACA-­‐23024   Effective  swept  area,  

m2  

1.072   1.140   2.920   6.560   Rotor  diameter,  m   37.5   37.5   61   91.5   Max  rotor  performance  

coefficient,  Cp,  max  

(14)

  14   From  the  end  of  the  1980s  until  today,  engineering  in  general  has  had  a  huge   evolution,  especially  computing  power  and  computer  simulations.  With   computer  tools  wind  turbines  are  easier,  more  cost  effective  to  design  and  are   therefore  less  expensive  to  develop  and  produce.  Some  of  the  largest  wind   turbine  manufacturers  are  as  of  today:6  Vestas,  Sinovel,  Goldwind,  Gamesa,   Enercon,  GE  Wind  Energy,  Suzlon  and  Vestas/Siemens.    

 

Wind  turbines  have  also  been  situated  offshore  for  better  wind  resource,  thus   creating  more  energy.  These  wind  turbines  are  put  on  concrete  casings  that  are   attached  to  the  seabed.  Statoil  was  the  first  to  put  a  wind  turbine  onto  a  floating   device  in  2009.  This  turbine,  named  Hywind,7  has  a  2.3  MW  Siemens  turbine  on   top  of  a  floating  element  that  extends  100  m  beneath  the  water  surface.  The   rotor  diameter  is  82.4  m  and  Hywind  can  be  placed  anywhere  as  long  as  the   ocean  depth  is  between  120  and  700  m.    

 

Vestas  is  currently  developing  the  largest  onshore/offshore  wind  turbine.  It  is  a   7.0  MW  turbine  with  a  rotor  diameter  of  164  m.8  The  prototype  is  expected   operational  in  the  fourth  quarter  of  2012  and  series  production  to  begin  in  the   first  quarter  of  2015.  The  largest  wind  turbine  in  use  today,  by  rotor  diameter,  is   the  G10X  by  Gamesa,9  which  has  a  diameter  of  128  m.    

 

Table  3  shows  configuration  types  used  on  wind  turbines.  In  the  early  1980s   wind  turbines  were  merely  stall  regulated,  fixed  speed  and  employed  a  gearbox.     The  stall  regulated  type  encountered  vibrations  and  oscillations  when  stall   occurred,  which  decreased  the  turbine  life.  Also,  a  fixed  speed  and  a  gearbox   meant  that  the  turbine  had  to  speed  up  before  connecting  to  the  electrical  grid   and  therefore  could  only  produce  in  a  certain  wind  speed  range.    

   

Table  3:  Wind  turbine  technology  trend    

In  the  21st  century,  the  trend  is  to  use  pitch  regulated,  variable  speed  and  direct   drive  wind  turbines  so  it  is  possible  to  extract  energy  through  a  wider  wind   speed  range.    

 

For  wind  energy  to  be  cost  effective,  the  trend  is  towards  larger  turbines,  which   means  a  larger  rotor  sweep  area.  This  is  necessary,  since  the  power  transferred   to  the  generator  is  directly  proportional  to  the  rotor  surface  area.  From  old  trend   estimates,  the  industry  was  to  have  turbines  operational  in  2010  with  a  rotor   diameter  of  150  m  driving  10  MW  generators.10  As  of  2012,  this  estimate  should  

  Early  1980´s   Early  1990´s   Late  1990´s   2000  -­‐  2007   Stall  Regulated   X       X           Active  Stall       X             Fixed  speed   X   X   X     X         Limited  variable  speed           X         Gearbox   X   X   X   X   X   X       Pitch  Regulated     X       X   X   X   X   Variable  Speed         X     X   X   X   Direct  Drive     X       X     X   X   “Multibrid”               X   X  

(15)

have  been  a  bit  lower,  with  the  introduction  of  the  Vestas  V164-­‐7.0  MW  turbine   in  the  fourth  quarter  of  2012.  The  trend  estimate  for  2020  is  for  wind  turbines   up  to  20  MW  with  rotor  diameters  of  250  meters,  which  is  shown  in  Figure  3.   Wind  turbines  rotor  diameter  is  expected  to  increase  by  around  5  m  per  year   starting  the  upcoming  decade.    

 

Wind  energy  power  plants  at  onshore  locations  are  expected  to  prove  viable  as   an  economic  source  of  energy,  as  opposed  to  offshore  wind  power  having   difficulties  to  overcome.  Risø  DTU  (Technical  University  of  Denmark)  set  the   target  for  cost  reduction  to  50  %  for  offshore  wind  power,  to  be  competitive  to   coal-­‐fired  power  by  2020.11    

 

   

Figure  3:  Wind  turbine  size  trend  estimate  (1980  -­‐  2020)12  

3.  Airfoils  

 

Different  airfoil  shapes  have  been  developed  over  the  years  with  NACA  as  the   first  systematic  numerically  defined  standard  and  numerous  other  designs  later   on.  There  also  exist  airfoils  developed  for  wind  turbines  only.    

 

3.1  National  Advisory  Committee  for  Aeronautics  (NACA)  

 

Before  NACA  developed  their  famous  airfoil  series,  they  used  theoretical   methods  instead  of  geometrical  methods  to  design  their  profiles.  The  designs   were  rather  arbitrary  with  the  only  thing  to  guide  NACA  being  past  experience   with  known  shapes  and  experimentation  with  modifications  to  those  shapes.     Those  methods  began  to  change  in  the  early  1930s  when  NACA  published  a   report  titled  ‘The  Characteristics  of  78  Related  Airfoil  Sections  from  Tests  in  the  

(16)

  16   similarities  between  the  airfoils  that  were  most  successful,  and  that  the  two   primary  variables  that  affected  those  were  the  slope  of  the  airfoil  mean  camber   line  and  the  thickness  distribution.  Incorporating  these  two  variables  into   equations,  NACA  generated  entire  families  of  airfoils.  The  first  two  families  were   the  4/5-­‐digit  series  where  the  series  numbers  define  the  shape  of  the  airfoil  in   percentage  of  the  chord  length.  13  

 

For  the  four-­‐digit  series,  the  fist  digit  specifies  the  maximum  camber  (m)  in   percentage  of  the  chord  length,  the  second  digit  indicates  the  position  of  the   maximum  camber  (p)  in  percentage  of  the  chord  multiplied  by  ten,  and  the  last   two  numbers  provide  the  maximum  thickness  (t)  of  the  airfoil  in  percentage  of   the  chord.  Description  of  airfoil  nomenclature  is  shown  in  Figure  4.    

 

  Figure  4:  Airfoil  nomenclature  for  an  NACA  XXXX14  

 

For  a  NACA  4412  with  a  chord  length  of  2  m,  the  maximum  camber  would  be  4%   of  2  m;  the  maximum  camber  would  occur  40  %  behind  the  leading  edge;  and  the   maximum  thickness  of  the  airfoil  would  be  12  %  of  2  m.  By  utilizing  the  m,  p  and   t  values,  it  is  possible  to  compute  the  coordinates  for  an  entire  airfoil.    

 

For  the  five-­‐digit  series,  the  first  and  the  last  two  digits  designate  camber  and   thickness  as  in  the  four-­‐digit  series.  However,  the  second  digit  indicates  the   location  of  maximum  camber  in  the  twentieths  of  a  chord  rather  than  tenth  as  in   the  four-­‐digit  series.    The  middle  digit  is  an  indication  on  whether  it  is  a  straight   mean  camber  line  (0)  or  a  curved  mean  camber  line  (1).      

 

The  6–series  airfoil  family  were  the  first  NACA  airfoils  to  be  developed  through   an  inverse  design.  At  a  later  stage,  the  family  has  also  been  changed,  thus  the   letter  A  can  be  included  in  the  NACA  code.  The  modification  (A)  leads  to  a  less   cusped  trailing  edge  region.  The  6–series  has  a  high  Cl,  max,  very  low  drag  over  a   small  range  of  operating  conditions  and  it  is  optimized  for  high  speeds.  However,   the  airfoil  has  a  high  pitching  moment,  poor  stall  behaviour,  suscseptible  to   roughness  and  has  a  high  drag  outside  of  its  optimum  range  of  operating   conditions.    

 

NACA  632-­‐612    

1. The  first  digit  (6)  represents  the  NACA  family  designation    

2. Chordwise  position  of  minimum  pressure  of  thickness  distribution  10  *   x/c.  

(17)

3. The  subscript  digit  gives  the  range  of  the  lift  coefficient  in  tenths  above   and  below  the  design  lift  coefficient.  Favorable  pressure  gradients  exist   on  both  surfaces.    

4. A  hyphen.    

5. One  digit  giving  the  design  lift  coefficients  in  tenths.    

6. Two  last  digits  describe  the  maximum  thickness  as  a  percentage  of  the   chord.    

 

There  are  also  the  7-­‐  and  8-­‐digit  series  where  each  series  were  an  attempt  to   maximize  the  region  of  laminar  flow  on  the  airfoil.15  

 

3.2  National  Renewable  Energy  Laboratory  (NREL)16  

 

NREL  started  the  development  on  airfoils  that  were  specially  made  for  

horizontal-­‐axis  wind  turbines  in  1984.  Since  then  NREL  has  come  up  with  nine   airfoil  families  that  have  been  designed  for  different  rotor  sizes.  The  families   consist  of  twenty-­‐five  airfoils  with  their  designation  starting  at  S801  and  ending   with  S828.  The  designations  represent  the  numerical  order,  which  the  airfoils   were  designed  during  1984-­‐1995.  After  this  period  there  have  been  some   modifications  to  the  airfoils.  Some  of  the  airfoils  have  been  improved  after  wind   tunnel  testing  and  other  have  undergone  more  comprehensive  testing  at  the   Technical  University  of  Delft  (TUDelft),  in  their  low-­‐turbulence  wind  tunnel.      

All  these  airfoils,  except  the  early  blade-­‐root  airfoils  (S804,  S807,  S808,  S811),   are  designed  to  have  a  Cl,  max  which  is  relatively  insensitive  to  roughness  effects.17   This  is  accomplished  by  ensuring  that  the  transition  point  from  laminar  to  

turbulent  flow  is  near  the  leading  edge  on  the  suction  side  of  the  airfoil,  just  prior   to  reaching  Cl,  max.  At  its  clean  condition,  the  airfoil  achieves  low  drag  through  the   extensive  laminar  flow.  The  tip-­‐region  airfoils  have  close  to  50  %  laminar  flow  on   the  suction  surface  and  over  60%  laminar  flow  on  the  pressure  surface.    

 

The  pitching  moment  coefficient  (Cm)  is  mostly  proportional  to  Cl,  max  for  the   NREL  airfoils.  Therefore,  the  tip  region  airfoils  with  its  low  Cl,  max  exhibits  lower   Cm  than  other  modern  aft-­‐cambered  aircraft  airfoils.    

 

The  NREL  airfoils  are  also  designed  to  have  a  soft-­‐stall  characteristic,  which  is  a   result  from  the  progressive  separation  at  the  trailing  edge.  This  helps  the  blade   in  turbulent  wind  conditions,  by  mitigating  power  and  load  fluctuation.    

 

Other  institutions  have  designed  and  developed  airfoil  families  as  well.  Table  4   displays  these  institutions  and  their  most  popular  airfoils.18    

 

 

Table  4:  Other  wind  turbine  airfoil  families  

FFA  –  Sweden   TU  Delft   RISØE  (Denmark)   NASA  

FFA-­‐W3-­‐211   DU91-­‐W2-­‐250   A1-­‐18   LS1-­‐0413  

FFA-­‐W3-­‐241   DU93-­‐W-­‐210   A1-­‐21   LS1-­‐0417  

(18)

  18  

4.  Methods  

4.1  Historical  Turbines  

 

Analyzing  historical  turbines  will  present  an  introduction  and  validation  of  the   Qblade  software.  Comparing  the  results  to  the  real  operational  data,  could   determine  how  trustworthy  and  accurate  the  software  is.  The  MOD-­‐219  and  the   Gedser  turbine  were  selected  for  this  process  due  to  having  the  most  

specifications  and  references  to  give  a  valid  comparison.      

4.2  General  Blade  Design  Criteria  

 

The  blade  of  a  wind  turbine  is  the  most  important  part  of  the  structure.  If  the   blade  has  a  poor  aerodynamic  design  it  will  not  be  efficient.  Therefore,  it  is  very   important  that  the  blade  exhibits  good  aerodynamic  extraction  of  energy.  But  the   best  aerodynamic  design  is  certainly  not  always  the  best  solution  for  the  wind   turbine  as  a  whole,  since  a  turbine  that  exhibits  good  aerodynamic  performance   may  not  meet  the  structural  limitations.    

 

For  a  variable  speed  and  variable  pitch  wind  turbine,  the  blade  geometry  is   designed  to  give  the  maximum  power  at  a  given  TSR,  while  also  a  good  off-­‐

design.  Good  off-­‐design  provides  a  high  performance  over  a  greater  TSR  interval.   The  variables  for  the  optimization  are  a  fixed  number  of  sectional  airfoil  profiles,   chord  lengths  and  twist  angles  along  the  blade  span.  The  aerodynamic  data  is   extracted  from  the  respective  airfoil  database,  which  has  experimental  and   computed  lift  and  drag  coefficients  and  other  data  for  different  Reynolds   numbers.      

 

There  are  three  different  approaches  to  the  blade  design  for  handling  wind   loads:20  

 

- Withstanding  the  loads  

- Shedding/managing  the  loads  

- Managing  loads  mechanically/electrically      

A  design  that  is  built  to  withstand  the  wind  loads  is  the  Paul  la  Cour  turbine  from   1890.  This  design  is  reliable,  has  a  low  TSR  with  three  or  more  blades,  high   solidity  but  non-­‐optimum  blade  pitch.  Design  built  after  the  shedding/managing   of  the  loads  principle  is  optimized  for  performance,  optimum  blade  pitch,  high   TSR  and  a  low  solidity.  The  third  design  principle  has  innovative  mechanical  or   electrical  systems  to  protect  the  turbine.  It  is  optimized  for  control,  either  two-­‐   or  three-­‐bladed  and  has  a  medium  TSR.    

 

IEC  is  a  worldwide  organization  for  standardization,  and  offshore  wind  turbines   have  to  follow  certain  wind  turbine  design  requirements  given  in  IEC  61400-­‐3.21   The  turbines  have  to  withstand  several  of  different  extreme  design  load  cases  for   wind  and  wave  conditions.  For  wind  regime  the  load  and  safety  considerations   are  divided  into  two  groups:  the  normal  wind  conditions  which  will  occur  more  

(19)

frequently  than  once  per  year  during  normal  operation  and  the  extreme  wind   conditions  which  are  defined  as  a  1-­‐year  or  50-­‐year  reoccurrence  period.    

The  wind  turbine  rotor  is  designed  to  work  through  a  wind  speed  envelope  and   to  have  a  maximum  power  output  at  a  desired  wind  speed,  usually  in  the  high   region  of  that  speed  envelope.  The  cut-­‐in  speed  is  the  beginning  of  the  envelope   and  the  desired  wind  speed  is  the  rated  wind  speed.  The  turbine  also  has  a   cutout  wind  speed,  which  is  the  maximum  wind  speed  allowed  when  the  turbine   is  operational  (Figure  5).  The  turbine  also  has  to  withstand  increasing  wind   speed  while  the  rotor  is  not  rotating.    

   

  Figure  5:  Power  curve  versus  wind  speed  (m/s)  

 

4.2.1  Blade  Performance  Criteria  

 

The  major  focus  in  this  project  has  been  on  the  middle  and  outer  sections  of  the   rotor  blade.  The  turbine  is  a  HAWT  design  with  three  blades  upstream  of  the   tower.  The  rotor  diameter  is  given  with  a  length  of  165  m  powering  a  7.0  MW   turbine.  The  turbine  is  a  variable  pitch  and  variable  speed  design,  so  it  can   operate  efficiently  through  a  wind  speed  envelope.  The  inner  section  airfoil  is   predetermined  to  consist  of  FFA-­‐W3-­‐XX1.    

 

Since  this  is  an  offshore  wind  turbine,  the  blade  design  has  to  have  very  low   maintenance  requirements,  resulting  in  220  000  hours  or  25  years  of  operating   time  between  maintenance.22  Therefore,  the  selected  airfoils  for  the  blade  need   to  be  insensitive  to  leading  edge  and  upper  surface  build-­‐ups.  This  build-­‐up  is   particles  in  the  air,  ice,  salt  crystals  and  bugs.23    

 

The  blade  should  also  have  an  airfoil  that  has  a  benign  post-­‐stall  behavior  to   reduce  the  dynamic  loading  on  the  support  structure  during  wind  gusts.   Therefore,  it  is  reasonable  to  look  at  post-­‐stall  behavior  for  different  airfoils,   where  this  is  possible.    

(20)

  20    

Since  the  blade  structure  is  designed  with  the  blade  loading  capabilities  in  mind,   the  aerodynamic  blade  loading  should  be  somewhat  linear  locally  along  the  span.   Random  Cl  peaks  along  the  span  of  the  blade  would  create  stress  loading  along   the  blade.  A  comparison  of  various  airfoil  types  in  a  Cl  –  α  diagram  should  reveal   which  airfoils  have  similar  Cl  at  given  angles  of  attacks.  Twisting  the  blade  can   help  generate  a  loading  that  is  somewhat  linear  along  the  span.  The  downside  is   higher  production  cost  when  twisting  the  blade.  Therefore,  similar  airfoils   should  be  used  over  a  certain  length  of  the  span,  with  minor  amount  of  local   twisting,  so  that  design  CL  for  the  whole  blade  can  be  obtained  through  the  entire   pitching  envelope.24    

 

The  zero-­‐lift  pitching-­‐moment  coefficient  for  the  selected  airfoils  should  be  in  a   reasonably  negative  range  but  not  too  low,  since  it  would  give  the  blade  higher   stress  to  withstand.  Using  an  airfoil  with  an  increased  leading  edge  camber   would  decrease  the  pitching  moment  coefficient.  The  pitching  moment   coefficient  is  however  neglected  in  this  project.      

 

For  onshore  wind  turbines,  the  noise  levels  from  the  blade  should  be  low.  Since   this  blade  is  for  an  offshore  wind  turbine,  the  noise  levels  are  not  taken  into   account.  A  higher  tip  speed  will  increase  noise  levels.  

 

There  are  also  major  limitations  when  designing  a  rotor  blade.  The  forces  acting   on  the  blade  can  not  be  larger  than  the  structural  limitations.  The  bending  of  the   blade  is  limited  to  the  distance  to  the  tower.  If  the  blades  were  designed  for   aerodynamic  efficiency,  which  means  thinner  profiles  towards  the  tip,  the   consequence  would  be  increased  bending,  increased  weight  and  higher  

production  cost.  Using  thicker  airfoils  towards  the  tip  can  reduce  these  factors,   but  also  reduced  aerodynamic  efficiency.  Airfoils  with  the  best  Cl/Cd  are  used  for   the  middle  and  outer  section  of  the  rotor  to  get  the  highest  efficiency  within  the   limitations.  Airfoils  with  high  Cl  max  are  used  for  the  inner  section,  since  the  drag   penalty  is  negligible  in  that  area.    

 

4.2.2  Inner  Root  Section  Criteria    

 

The  inner  section  of  the  rotor  blade  is  the  part  that  takes  up  all  the  forces  put   upon  the  entire  blade  length  and  therefore  has  to  be  designed  to  withstand  these   forces.  A  large  blade  results  in  a  very  thick  root  section  (≈  0.4  t/c),  which  is  not   positive  aerodynamically,  but  the  thickness  also  stiffens  the  blade,  resulting  in   blade  deflection.    The  inner  section  has  a  low  tangential  speed,  since  it  is  near  the   hub  and  with  a  variable  incoming  wind  speed,  the  relative  wind  component   would  have  a  wide  angle  of  attack.  This  variation  of  angle  of  attack  and  a  thick   airfoil  is  a  compromise  because  of  the  design  criteria  to  withstand  the  blade   loads.  Because  of  this  design  compromise  together  with  the  low  tangential   speed,25  the  inner  section  of  the  blade  develops  a  minor  part  of  the  total  bending   moment  for  the  blade.  In  this  section  the  lift-­‐drag  ratio  is  of  less  importance,  but   the  Cl,  max  should  be  high  in  order  to  reduce  the  blade  area.26    

(21)

4.2.3  Middle  Section  Criteria    

 

The  middle  section  has  to  withstand  the  forces  put  upon  itself  and  forces  from   the  outer  section.  This  section  would  consist  of  a  decreasing  thickness  to  cord   ratio  towards  the  outer  section.  At  high  tangential  speed,  the  angle  of  attack  for   the  relative  wind  component  changes  less  than  for  the  inner  section.  Normal  t/c   is  between  18  and  30  %.      

 

4.2.4  Outer  Section  Criteria    

 

The  most  torque  generated  on  a  wind  turbine  is  at  the  outer  section.  With  a  very   high  tangential  speed  (80  –  90  m/s)  at  the  tip,  the  wind  speed  has  little  effect  on   the  angle  of  which  the  relative  wind  speed  is  attacking  the  blade.  Since  this   section  only  needs  to  take  up  its  own  forces,  which  results  in  a  thinner  structure,   a  good  aerodynamic  design  can  be  achieved.  The  outer  section  is  optimized  with   L/D  at  maximum.  t/c  should  be  somewhere  between  8  and  18  %.    

 

4.2.5  Blade  Section  Calculation  

 

The  entire  blade  is  divided  into  18  sections  which  gives  around  5  m  spacing   between  them  throughout  the  blade.  Each  station  was  analyzed  before  selecting   suitable  airfoils  for  further  testing.  Known  parameters  at  each  station  is  the   tangential  and  the  incoming  free  stream  wind  speed,  so  the  relative  velocity  of   the  blade  can  be  calculated  through  Pythagoras  equation  and  thus    

 

𝛼 = arctan  𝑉 𝑊  

(1)    

can  be  calculated.  α  is  angle  of  attack  in  degrees,  V  is  the  free  stream  wind  speed   and  W  the  relative  velocity  for  the  blade  at  the  applicable  radius  section.  

 

Reynolds  number  can  be  approximated,  giving  an  estimate  of  the  blade  chord  at   each  section.       𝑅𝑒 =  𝜌  𝑊  𝑐 𝜇   (2)      

Re  is  dimensionless,  ρ  is  the  density  of  the  air,  c  is  the  chord  and  μ  is  the  dynamic  

viscosity  of  the  air.      

With  the  known  variables  above  and  an  estimate  of  the  chord  length  at  each   section,  a  number  of  airfoils  can  be  analyzed  for  performance.  With  Cl  max  and  at  

which  α  it  occurs  for  airfoils,  a  twist  for  each  section  can  be  selected.  Further  on,   a  study  of  the  selected  airfoil  has  to  be  made  to  check  if  this  is  the  best  solution   for  the  blade.    

(22)

  22  

4.2.6  Specific  Blade  Design    

 

In  this  project,  an  offshore  wind  turbine  blade  was  to  be  designed  in  open  source   software  and  verified  in  professional  wind  turbine  software.  With  a  diameter  of   165  meter  the  blade  design  has  to  deliver  7.0  MW.  Since  the  size  of  this  turbine  is   somewhat  similar  to  other  commercial  wind  turbines,  it  was  reasonable  to  use   some  of  these  operational  data,  given  in  Table  5.  

     

Example  of  commercial  wind  turbine  operational  data  

Power  regulation     Pitch  regulated  with  variable  speed    

Operational  data      

Rated  power   7.0  MW   Cut-­‐in,  cut-­‐out  wind  speed     4  m/s  –  25  m/s   Operational  rotational  speed     4.8  –  12.1  rpm   Nominal  rotational  speed     10.5  rpm  

Design  parameters      

Wind  Class   IEC  S     Annual  avg.  wind  speed     11  m/s    

Weibull  shape  parameter,  k     2.2       Weibull  scale  parameter     12.4  m/s  

Turbulence  intensity     IEC  B     Max  inflow  angle  (vertical)   0  degrees    

Rotor      

Rotor  diameter     164  m   Blade  length     80  m     Max  chord     5.4  m    

   

Table  5:  Example  of  turbine  specification    

(23)

Figure  6:  Vestas  v164  power  curve  

Using  these  specifications,  a  reasonable  comparison  could  be  made  of  the  power   curve  (Figure  6)  of  professionally  designed  wind  turbines.  There  is  no  

information  of  airfoil,  chord  and  twist  distribution  available.      

4.2.7  Blade  Design  Procedure    

 

The  whole  blade  design  procedure  was  done  through  computer  software,  but   essential  initial  values  for  the  procedure  were  calculated  using  an  excel   spreadsheet.    

 

The  following  procedure  shows  a  simple  theoretical  aspect  when  designing  and   optimizing  a  rotor  blade.    

 

• With  the  given  parameters  and  design  criteria,  the  power  coefficient  can   be  extracted  from  the  following  equation:    

 

𝑃 = 𝐶!𝜂1

2𝜌𝜋𝑅!𝑉!  

(3)    

P  is  the  power  output,  Cp  is  the  power  coefficient,  η  is  the  electrical  and  

mechanical  efficiencies  where  0.9  is  a  reasonable  number,  ρ  is  the  density,  

(24)

  24    

Solving  for  CP,  the  whole  rotor  has  to  have  a  power  coefficient  of  0.304  

with  a  wind  speed  of  12.5  m/s  or  0.446  at  a  wind  speed  of  11  m/s,  if  it  is   to  produce  7.0  MW.  

 

• A  blade  tip  speed  ratio  (TSR)  and  the  number  of  blades  have  to  be   selected.    

 

• Airfoils  have  to  be  selected  for  their  respective  radial  blade  section  for   their  respective  performance  and  geometry  so  that  the  overall  

performance  requirements  can  be  attained.      

• The  first  step  is  to  choose  an  initial  chord  distribution  for  the  blade.  The   following  equation  is  very  susceptible  to  large  chord  lengths  and  is   normally  only  used  on  middle  and  outer  section  for  large  turbines.         - 𝐶!"# = !!" ! ! !!! !!"#$%& !!!   (4)   •  

• COpt  –  optimum  chord  length  (initial)  

• vdesign  –  design  wind  speed  

• vr  –  local  effective  velocity  

• λ  –  local  tip  speed  ratio  

• Cl  –  local  design  lift  coefficient    

• r  –  local  blade  length     • B  –  number  of  blades    

• The  solution  for  the  flow  around  the  blade  is  optimized  employing  the   blade  element  momentum  theory.    

 

This  procedure  is  only  a  simple  road  map  on  how  to  develop  a  blade.  The  full   design  of  a  rotor  blade,  including  the  twist  and  chord  distribution  has  to  go   through  an  iterative  process  that  is  very  time-­‐consuming.    

 

The  design  of  rotor  blades  is  in  this  project  was  mainly  developed  with  the   freeware  software  Qblade  and  verified  in  the  professional  software  Flex5.    

4.3  Airfoil  Catalogue  and  Roughness  Insensitivity  Analysis  

 

The  airfoils  under  consideration  for  a  wind  turbine  were  the  NACA  63-­‐XXX,  64-­‐ XXX,  DU  and  FFA  profiles,  as  these  are  available  on  the  Internet  and  in  published   airfoil  catalogues.27  The  airfoil  catalogue  therefore  consists  of  almost  40  different   airfoils.  Some  of  them  are  tailored  for  use  on  wind  turbines,28  while  other  were   designed  for  aircraft.    

 

The  roughness  insensitivity  analysis  is  performed  at  two  Reynolds  numbers  and   forced  transition  at  2  %  of  the  chord.  The  first  Reynolds  number  at  4  millions  

(25)

indicates  a  thin  boundary  layer  while  at  500  000  Reynolds  number  indicates  a   thick  turbulent  boundary  layer,  the  latter  one  simulating  a  rough  surface  and   increased  drag.  The  comparison  between  the  two  simulations  was  done  at  Cl,  max.     There  is  also  a  comparison  of  the  roughness  insensitivity  when  the  airfoil  has  the   best  Cl/Cd.  The  difference  in  performance  between  the  results  in  the  first  

simulation  would  be  an  indicator  on  how  insensitive  the  airfoils  are  against   surface  roughness.    

 

4.3.1  Airfoil  Design  for  Wind  Turbines  With  Roughness  Insensitivity  

 

The  desired  behavior  of  an  airfoil  for  wind  turbines  differs  from  the  expected   behavior  for  airfoils  designed  for  airplanes.  As  wind  turbines  are  built  to  operate   over  an  extensive  period  of  time  between  maintenance,  the  airfoil  selected   should  be  insensitive  to  surface  roughness.  Therefore,  the  goal  when  selecting  an   airfoil  for  a  wind  turbine  is  to  pick  a  design  that  gives  a  maximum  lift  coefficient   that  is  relatively  insensitive  to  leading-­‐edge  roughness.  

 

Figure  7  shows  the  drag  polar  that  meets  these  design  requirements.29  The   figure  shows  the  S902  airfoil  design  where  point  A  is  the  lower  limit  of  low  drag,   lift  coefficient  range,  while  B  is  the  upper  limit.  Point  C  however,  is  outside  the   low-­‐drag  range  and  thus  drag  increases,  because  the  boundary  layer  transition   (laminar  to  turbulent  flow)  moves  rapidly  towards  the  leading  edge  with   increasing  (or  decreasing)  lift  coefficient.    

 

By  this  design,  the  profile  produces  a  suction  peak  close  to  the  leading  edge  at   higher  lift  coefficients,  ensuring  that  transition  will  occur  at  the  leading  edge.   Therefore,  point  C  in  Figure  7  shows  the  maximum  lift  coefficient  with  turbulent   flow  along  the  whole  upper  surface.  This  design,  at  max  lift  coefficient,  is  

therefore  relatively  insensitive  to  surface  roughness  at  the  leading  edge.    

  Figure  7:  Cl/Cd  for  the  S902  airfoil  

   

Figure

Figure	
  9:	
  Pressure	
  distribution	
  for	
  S902	
  airfoil	
  at	
  operating	
  point	
  B	
   	
   	
  
Figure	
  10:	
  Experimental	
  wind	
  tunnel	
  test	
  of	
  the	
  S902	
  airfoil	
  at	
  operating	
  point	
  C	
   	
   	
  
Figure	
  11:	
  Boundary	
  Layer	
  around	
  an	
  airfoil	
  where	
  the	
  thickness	
  is	
  greatly	
  exaggerated
Figure	
  18	
  shows	
  an	
  example	
  of	
  roughness	
  analysis	
  where	
  the	
  green	
  line	
  
+7

References

Related documents

För att uppskatta den totala effekten av reformerna måste dock hänsyn tas till såväl samt- liga priseffekter som sammansättningseffekter, till följd av ökad försäljningsandel

The increasing availability of data and attention to services has increased the understanding of the contribution of services to innovation and productivity in

Syftet eller förväntan med denna rapport är inte heller att kunna ”mäta” effekter kvantita- tivt, utan att med huvudsakligt fokus på output och resultat i eller från

Generella styrmedel kan ha varit mindre verksamma än man har trott De generella styrmedlen, till skillnad från de specifika styrmedlen, har kommit att användas i större

I regleringsbrevet för 2014 uppdrog Regeringen åt Tillväxtanalys att ”föreslå mätmetoder och indikatorer som kan användas vid utvärdering av de samhällsekonomiska effekterna av

Parallellmarknader innebär dock inte en drivkraft för en grön omställning Ökad andel direktförsäljning räddar många lokala producenter och kan tyckas utgöra en drivkraft

Närmare 90 procent av de statliga medlen (intäkter och utgifter) för näringslivets klimatomställning går till generella styrmedel, det vill säga styrmedel som påverkar

• Utbildningsnivåerna i Sveriges FA-regioner varierar kraftigt. I Stockholm har 46 procent av de sysselsatta eftergymnasial utbildning, medan samma andel i Dorotea endast