طراحي بهينه پره‌ي توربين باد محور افقي كوچك با در نظر گرفتن قيود مكانيكي

Optimal Design of a Blade of a Small Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT) with considering Mechanical Constraints

در اين پژوهش، طراحي و بهبود آيروديناميكي پره‌ يك توربين بادي محور افقي كوچك جهت استخراج حداكثر توان خروجي در ضمن داشتن استحكام مكانيكي لازم براي تحمل نيروها و گشتاورهاي وارده، انجام شده ‌است. طراحي آيروديناميكي پره با استفاده از روابط تئوري اندازه حركت اجزاي پره و با استفاده از ضرايب تصحيح مناسب جهت درنظرگرفتن اثرات سه بعدي جريان بر روي عملكرد توربين، انجام مي‌شود. فرايند طراحي، به منظور يافتن توزيع شعاعي اندازه وتر به گونه اي كه حداكثر توان ممكن از توربين باد بدست آيد، تنظيم شده است. با استفاده از نتايج طراحي آيروديناميكي، نيروهاي وارد بر پره‌ي توربين استخراج و پره‌ از نظر استحكام مكانيكي مورد بررسي قرارمي گيرد و تحليل نيروهاي واردشده و تحليل تنش به منظور اصلاح ضخامت پوسته پره جهت تحمل بارهاي مكانيكي وارد آن صورت گرفته است. كد عددي توسعه يافته، علاوه برآنكه ابزاري مناسب جهت طراحي آيروديناميكي و تحليل مكانيكي پره توربين به دست مي دهد، نتايج آن براي توربين 500 واتي مورد مطالعه، منجر به افزايش حدود 5 درصدي توان شده است. از طرفي تحليل مكانيكي پره جهت تحمل بارهاي ديناميكي و استاتيكي بر اساس ضخامت پره و جنس آن نيز نشان مي دهد تصحيح اندازه وتر چه تاثير بر قابليت اطمينان مكانيكي خواهدداشت. همچنين در اين پژوهش مقدار بهينه‌ي سرعت نسبي نوك پره استخراج شده و تاثير سرعت نسبي نوك پره بر ضخامت پره مورد بررسي قرار گرفته است. اين بررسي سه ايرفويل متداول انجام شده است و تاثير توزيع طول وتر و ضريب اطمينان آن‌ها مورد قياس قرار گرفته است.

Aerodynamic and optimal design of a blade of a horizontal axis wind turbine (HAWT) has been performed in order to extract maximum power output with considering the strength of the blade structure resulted from different loads and moments. A design procedure is developed based on the Blade Element Momentum (BEM) theory and suitable correction factors are implemented to include three-dimensionality effects on the turbine performance. The design process has been modified to achieve the maximum power by searching an optimal chord distribution along the blade. Based on the aerodynamic design, the blade loads have been extracted and the blade mechanical strength has been investigated by analyzing the thickness of the blade surface and the blade material. The developed numerical model can be considered as a suitable tool for aerodynamically and mechanically design of a turbine blade. The results for a 500 W turbine show that the turbine performance improves by 5% approximately, by modifying chord radial distribution. Yield stress analysis shows the effect of introduced chord distribution on the blade strength, in different blade thicknesses and different blade materials. In addition, optimum tip speed ratio for having favorable mechanical safety factor is derived. Three different airfoil are examined for this investigation and comparing their mechanical safety factor