Computer assisted aerodynamic design of a 10 kW HAWT blade

Abstract

El objeto del presente Trabajo Fin de Master es el diseño aerodinámico asistido por ordenador de una pala de aerogenerador de 10 kW mediante la teoría de Blade Element Momentum (BEMT). Este método se basa en la discretización de la pala, dividiéndola así en diversos elementos para los cuales se resuelven las ecuaciones de manera iterativa. Es preciso incluir en la implementación efectos como los de las pérdidas en la punta de o en la raíz de la pala no contemplados en el modelo básico para aumentar la precisión en el cálculo de cargas aerodinámicas. También se incluye la corrección del factor de inducción axial y coeficiente de empuje cuando el aerogenerador se encuentra en el estado de estela turbulenta. Estas correcciones se implementan con modelos numéricos, y la teoría BEMT pasa a llamarse BEMT “mejorada”. Las bases del presente trabajo son la implementación de este modelo en MATLAB® así como su aplicación. Se ha querido estudiar el diseño de la pala para un emplazamiento en Navarra, incluyéndose así un estudio básico del recurso eólico basado en la función densidad de probabilidad (PDF) de Weibull para un pueblo de la provincia. También se han revisado los diferentes sistemas de control de potencia disponibles para aerogeneradores de pe-queña escala, escogiéndose el control de velocidad variable y paso fijo para el aerogene-rador cuyas palas son el objeto del trabajo. Después de investigar sobre los perfiles aerodinámicos con buen comportamiento para números de Re bajos, 4 perfiles diferentes han sido identificados y sus coeficientes de sustentación y arrastre han sido obtenidos mediante simulaciones con XFOIL. Estos valores son relativos a modelos bidimensionales, pero debido al movimiento radial del flujo de aire al atravesar el plano del rotor deben de ser corregidos pues en la realidad se experimentan coeficientes de sustentación mayores, sobre todo cerca de la raíz de la pala. Esta corrección se ha llevado a cabo mediante la implementación del modelo de Snel et al.. Posteriormente los coeficientes corregidos se han extrapolado a un rango de 360 ° de ángulo de ataque mediante el modelo de Viterna-Corrigan. La implementación del diseño de la pala se ha dividido en 2 scripts de MATLAB® principales. Mediante el primero se obtienen valores de la cuerda y twist en cada sección radial de la pala de forma que el coeficiente de potencia sea máximo. El segundo obtiene las curvas características del aerogenerador en el rango de velocidades de viento deseado. Se generarán 8 alternativas de diseño (4 perfiles aerodinámicos x 2 distribuciones de cuerdas) pero finalmente se elegirá 1 para seguir adelante con el trabajo y finalizar su diseño mecánico en el Complemento al Trabajo Fin de Master. Los resultados obtenidos mediante el código MATLAB® generado se contrastarán con los que se obtienen con el software WT_Perf (desarrollado por el NREL).

This Final Master Degree Work proposes the computer aided aerodynamic design of a 10 kW small-scale horizontal axis wind turbine blade based on the Blade Element Momentum Theory (BEMT). The method relies on the discretization of the blade span into several elements, for which the main equations need to be solved iteratively. Some improvements in order to increase the accuracy of the method, such as the tip and hub-loss correction factors and the correction of the axial induction factor due to the break-down of the momentum theory, have been implemented. Thereby, the so called Improved BEMT has been implemented in MATLAB®. The aim of the project is to design aerodynamically a blade as an element of a small-scale wind turbine that will be placed in the province of Navarre. Indeed, a wind resource assessment of the location by statistical Weibull PDF is part of this work. A review of the power control methods available for small-scale wind turbines, which results in the selection of the Variable-Speed Fixed-Pitch one is relevant in the design process. Research has been needed in order to identify the potential airfoils that work properly and are currently being used in small-scale wind turbine blade layouts, where Reynolds numbers are low. Aerodynamic coefficients of the airfoils are obtained with the simulation tool XFOIL. In order to use these data in BEMT computations, they are corrected to account for the rotational effects of the flow in a wind turbine rotor following the model of Snel et al. Then, these data which are limited to a narrow angle of attack range are extrapolated to 360 ° using the Viterna-Corrigan model. The blade design implementation is divided in 2 main MATLAB® scripts. The first one discovers the chord length and twist angle that maximise the glide-ratio (Cl/Cd) at each section in order to obtain the maximum power coefficient at the design point. Once the geometry is fixed the 2nd main script will simulate the off-design behaviour of the wind turbine for a working wind velocity range, leading to the power curve of the wind turbine. 4 different airfoils and 2 chord variations are used, which means 4·2=8 different blade designs (each blade is composed by a cylindrical root followed by a single airfoil until the tip). From the 8 alternatives, 1 is finally chosen to continue towards the work that complements the current one, where the blade will be mechanically designed and tested. Finally, the designed geometry and the wind turbine model will be simulated with the software WT_Perf (NREL) and its results compared with the MATLAB® ones. Hence, the written MATLAB® code will be somehow validated with the existing WT_Perf code.