An experimental study of the performance of a wind turbine model with swept blades, for different inflow conditions

Abstract

Denne masteroppgaven er en fortsettelse av Taralds masteroppgave (år 2021), som gjentar de samme beregningene med de samme modellene som allerede er opprettet, men forlenger prøvetakingstiden.

En eksperimentell undersøkelse ble utført i en vindtunnel for å analysere den aerodynamiske ytelsen til en vindturbinmodell med horisontal akse utstyrt med forover- og bakoversveide blader. Et aktivt rutenett produserte homogen, isotrop, fristrømsturbulens med antatte turbulensintensiteter på 3 %, 8 % og 13 %. Allerede produserte tre forskjellige vindturbinmodeller ble brukt, alle laget av samme materiale, hver med en rotordiameter på 0,9 meter: rette blader som en grunnlinjemodell for å isolere effekten av bladsveip, og de to modellene med feide blader, introduserer en forbøyning av de rette vindturbinbladene i rotasjonsplanet. De to feide bladene var identiske bortsett fra bladsveiperetningen, enten forover eller bakover sveipet i forhold til rotasjonen til rotorene. De eksperimentelle resultatene indikerer at vindturbinmodellen med rette blader under de testede forholdene konsekvent overgikk både de forover og bakover feide bladkonfigurasjonene. Denne overlegenheten ble imidlertid kun observert når vindturbinmodellene ble testet uten installert et aktivt nett. I middels turbulensintensitet hadde de foroversveide bladene en 13,56 % lavere maksimal effektkoeffisient på bekostning av en reduksjon i skyvekraftskoeffisienten på 6,71 %. De bakover feide bladene opplevde en 15,68 % lavere maksimal effektkoeffisient og en ytterligere reduksjon i skyvekraftskoeffisienten på 13,74 % sammenlignet med de rette bladene. Ikke desto mindre, i høy turbulensintensitet, hadde de foroversveide bladene en 4,96 % lavere maksimal effektkoeffisient på bekostning av en reduksjon i skyvekraftskoeffisienten på 0,68 %. De bakover feide bladene opplevde en 9,72 % lavere maksimal effektkoeffisient og en ytterligere reduksjon i skyvekraftskoeffisienten på 10,28 % sammenlignet med de rette bladene.

This Master Thesis is the continuation of Tarald's Master Thesis (year 2021), repeating the same calculations with the same models already created, but extending the sampling time.

An experimental investigation was conducted in a wind tunnel to analyze the aerodynamic performance of a horizontal axis wind turbine model equipped with forward and backward swept blades. An active grid produced homogeneous, isotropic, freestream turbulence with assumed turbulence intensities of 3%, 8%, and 13%. Already manufactured three distinct wind turbine models were used, all made by the same material, each with a rotor diameter of 0.9 meters: straight blades like a baseline model to isolate the effect of blade sweep, and the two models with swept blades, introducing a pre-bending of the straight wind turbine blades in the rotational plane. The two swept blades were identical except for the blade sweep direction, either forward or backward swept relative to the rotation of the rotors. The experimental results indicate that, under the tested conditions, the wind turbine model with straight blades consistently outperformed both the forward and backward swept blade configurations. However, this superiority was observed only when the wind turbine models were tested without an active grid installed. In medium turbulence intensity, the forward swept blades had a 13.56 % lower maximum power coefficient at the expense of an decrease in the thrust coefficient of 6.71%. The backward swept blades experienced a 15.68 % lower maximum power coefficient and a further decrease in the thrust coefficient of 13.74 % compared to the straight blades. Nevertheless, in high turbulence intensity, the forward swept blades had a 4.96 % lower maximum power coefficient at the expense of an decrease in the thrust coefficient of 0.68%. The backward swept blades experienced a 9.72% lower maximum power coefficient and a further decrease in the thrust coefficient of 10.28% compared to the straight blades.