An experimental study of the effects of turbulence on the performance of a wind turbine model with forward and backward swept blades

Abstract

Den aerodynamiske ytelsen til en vindturbinmodell med fremover- og bakoverbøyde blader ble undersøkt eksperimentelt i en vindtunnel. Et aktivt turbulensgitter produserte homogen og isotrop turbulens med turbulensintensiteter på 3%, 19% og 23%. Tre forskjellige modeller med rotordiameter på 0,9 m ble produsert i samme materiale. En modell med rette blader ble laget som en referanse for å isolere effekten av de bøyde bladene. De to modellene med bøyde blader ble produsert ved å introdusere en forhåndsbøyning av de rette vindturbinbladene i rotasjonsplanet. De var identiske bortsett fra den bøyde retningen, enten fremover eller bakover i forhold til rotorenes rotasjon. Resultatene viser at de rette bladene hadde bedre aerodynamisk ytelse enn både de fremover- og bakoverbøyde bladene ved lave turbulensintensiteter. Imidlertid, ved høyere turbulensintensiteter, hadde de fremoverbøyde bladene en 6,0% høyere maksimal effektkoeffisient på bekostning av en økning i skyvekoeffisienten på 7,1%. De bakoverbøyde bladene opplevde en 4,6% lavere maksimal effektkoeffisient og en ytterligere reduksjon i skyvekoeffisienten på 7,6% sammenlignet med de rette bladene. De relative forskjellene i ytelse kan være assosiert med hvordan de forskjellige modellene ble påvirket av freestream-turbulensen. De bøyde bladene opplevde den største økningen i effekt ved høyere turbulensintensiteter, opp til 41% for de fremoverbøyde bladene og 28% for de bakoverbøyde bladene. Disse resultatene gir økt motivasjon for å undersøke nærmere virkningene av turbulens på bøyde vindturbinblader.

The aerodynamic performance of a horizontal axis wind turbine model with forward and backward swept blades was investigated experimentally in a wind tunnel. An active grid produced homogeneous, isotropic, freestream turbulence with turbulence intensities of 3%, 19%, and 23%. Three distinct models with rotor diameters of 0.9 m were manufactured from the same material. A baseline model with straight blades was made as a reference to isolate the effect of blade sweep. The two models with swept blades were created by introducing a pre-bending of the straight wind turbine blades in the rotational plane. They were identical except for the blade sweep direction, either forward or backward swept relative to the rotation of the rotors. The results demonstrate that the straight blades outperformed both the forward and backward swept blades at low turbulence intensities. However, at higher turbulence intensities, the forward swept blades had a 6.0% higher maximum power coefficient at the expense of an increase in the thrust coefficient of 7.1%. The backward swept blades experienced a 4.6% lower maximum power coefficient and a further decrease in the thrust coefficient of 7.6% compared to the straight blades. The relative differences in performance could be associated with how the various models were affected by the freestream turbulence. The swept blades experienced the most significant increase in the power output at higher turbulence intensities, up to 41% for the forward swept blades and 28% for the backward swept blades. These results provide increased motivation to investigate further the effects of turbulence on swept blades.