[論文レビュー] An Examination of Rotational Effects on Large Wind Turbine Blades

Galih Bangga, Thorsten Lutz+1 more|arXiv (Cornell University)|May 11, 2017

Wind Energy Research and Development参考文献 7被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、CFDシミュレーションを用いて10MWのAVATARブレードを対象に、大型風力タービンブレードにおける回転効果を調査した。一様な流入条件下で、回転によって増加する揚力係数、遅れた流れの剥離、および縮小した流れ下領域のサイズが、インボード部で確認された。これは、大型風力発電応用におけるハブ領域の空力的特性に関する重要な知見を提供する。

ABSTRACT

CFD studies have been performed to demonstrate the effects of rotation on large wind turbine blades. The 10 MW blade of the Advanced Aerodynamic Tools for Large Rotors (AVATAR) project was selected in the present investigation. In order to demonstrate the rotational augmentation, lift coefficients of the blade sections were compared with the two-dimensional simulations at consistent inflow conditions. The increase of the lift coefficient was observed at the inboard section of the blade, showing the effect of rotation. A significant delay of separation point as well as a massive reduction of the wake size occur at the inboard blade section. The results of the present manuscript provide more information of the rotational augmentation occurring in the near hub region of wind turbine blades.

研究の動機と目的

• 高精度なCFDシミュレーションを用いて、大型風力タービンブレードにおける回転効果を分析すること。
• 大型ブレードの近ハブ領域における回転補正の定量的評価を行うこと。
• 一様な流入条件下で、回転と非回転状態におけるブレード断面の揚力係数を比較すること。
• 回転による流れの剥離および流れ下領域の発展の変化を調査すること。
• データ駆動型の知見を提供し、ブレード設計および性能予測の改善に寄与すること。

提案手法

• 10MWのAVATARブレードに対して、非定常RANS（URANS）CFDシミュレーションを実施する。
• 回転と非回転の両状態で、同一の流入条件を設定してシミュレーションを実行する。
• スパンに沿ったブレード断面から、揚力などの断面特性空力係数を抽出する。
• インボード領域における流れ場の特徴、例えば剥離点や流れ下領域の発展を分析する。
• 2次元シミュレーション結果と回転ブレードシミュレーションを比較し、回転効果を分離する。
• 回転と非回転の両状態で同一の流入条件を維持することで、両者の有効な比較を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 回転は、大型風力タービンブレードのインボード部における揚力係数分布にどのように影響するか？
• RQ2 回転は、大型風力タービンブレードの流れ剥離をどの程度遅らせるか？
• RQ3 回転は、大型ブレードの近ハブ領域における流れ下領域のサイズと構造にどのような影響を及えるか？
• RQ4 2次元シミュレーションと3次元回転ブレードシミュレーションにおける回転効果は、どのように比較できるか？
• RQ5 実際の流入条件下で、ブレードのインボード領域における回転補正の大きさはどの程度か？

主な発見

• 回転効果により、ブレードのインボード部で顕著な揚力係数の増加が観察された。
• 非回転シミュレーションと比較して、回転状態ではインボードブレード部での流れ剥離が遅れた。
• 回転状態では流れ下領域のサイズが顕著に縮小しており、空力的効率の向上が示唆された。
• 回転補正は、特に近ハブ領域で顕著であり、ブレード設計においてその重要性が確認された。
• 高精度な大型風力タービンブレードシミュレーションにおいて、回転効果を無視することはできないことが明らかになった。
• 本研究では、回転効果がインボードブレード部における空力的性能の向上、特に揚力と流れの接着性の向上に寄与することを確認した。