Αεροελαστική ανάλυση τυπικής διάταξης αεροτομής με παραμορφούμενη γωνία εκφυγής

Abstract

Οι κατασκευαστικές εταιρίες ανεμογεννητριών συνεχώς προσπαθούν να μειώσουν το κόστος ανά kWh των προϊόντων τους. Οι συνθήκες λειτουργίας που τίθενται οι ανεμογεννήτριες, τις καθιστούν επιρρεπής στα κοπωτικά φορτία που ευθύνονται για την αστοχία κυρίως των πτερυγίων. Η μείωση αυτών των φορτίων μπορεί να οδηγήσει στη μείωση των υλικών κατασκευής τους, καθώς και στην αντίστοιχη μείωση του κόστους παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Στη παρούσα εργασία γίνεται χρήση πτερυγίου μεταβλητής γεωμετρίας στην ακμή εκφυγής, ως πιθανό μέσω περιορισμού των κοπωτικών φορτίων. Για το σκοπό αυτό διεξήχθη μια διδιάστατη ανάλυση τυπικής διάταξης αεροτομής με γεωμετρικά μεταβαλλόμενη ακμή εκφυγής η οποία οδηγείται από έναν PI – ελεγκτή, με ανάδραση με σκοπό να μειώσει τις παραμορφώσεις κατά την y κατεύθυνση. Η αεροδυναμική επίλυση του προβλήματος έγινε μέσω του υπολογιστικού πρότυπου FOIL2W που αναπτύχθηκε από το Εργαστήριο Αεροδυναμικής του Ε.Μ.Π. Το πρότυπο αυτό αποτελεί ένα εργαλείο επίλυσης της ροής γύρω από αεροτομή που ταλαντώνεται και βασίζεται σε ένα συνδυασμό μίας στροβιλής μεθοδολογίας με την μέθοδο συνοριακών στοιχείων, συζευγμένο με μία ολοκληρωτική διατύπωση του οριακού στρώματος. Τα συμπεράσματα δείχνουν σαφή μείωση της κάθετης παραμόρφωσης της αεροτομής (y κατεύθυνση) χρησιμοποιώντας έναν απλό ελεγκτή με σήμα εισόδου την αξονική κάμψη y, τη πρώτη και δεύτερη παράγωγο αυτής, ενώ ως σήμα εξόδου η γωνία μετατόπισης της ακμής εκφυγής. Όσον αφορά τη περιφερειακή κάμψη (x κατεύθυνση) και την αξονική στρέψη (γωνία στρέψης α της αεροτομής) τα συμπεράσματα δεν είναι σαφή για όλες τις περιπτώσεις που εξετάστηκαν.

Wind turbine manufacturers are constantly striving to minimize the cost per kWh of their products. The operating conditions of wind turbines make them subject to fluctuating loads that create fatigue damage on their components. Alleviation of these loads could lead to a reduction in the use of material and thus the cost of these components and the associated cost of the electricity produced. The use of variable geometry airfoils is a potential way of controlling these loads and it has been investigated in the present study. A two-dimensional study of the aeroelastic behavior of an airfoil has been performed, whose geometry can be altered at its rearmost part using a flap. This device is governed by a closed loop PI – controller, whose objective is to reduce the airfoil displacements at the y (flap wise) direction. The aerodynamic problem was solved by using the FOIL2W code which was developed by the Laboratory of Aerodynamics of NTUA. This model is a 2D computational tool based on a combination of standard boundary element approximation for the body-induced flow, with vortex particle approximation of the wake, for the modeling of the outer inviscid flow, coupled with a two-equation integral formulation of the unsteady boundary layer which represents the inner viscous model. The results show evident reductions in the airfoil’s y (flap wise) displacement by using a simple control strategy having its position and its first and second derivatives as input signal and the angle of the deformable trailing edge as an output signal. As far the x (edgewise) and α (pitch angle) displacements concerns, the results are not conclusive for all the cases that were investigated.