《Advanced Engineering Models for Wind Turbine》Curran A. Crawford

温特彬

英文书籍。
Table of Contents
1 Introduction 1
1.1 Wind Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Scoping the Coning Rotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 Thesis Outline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
I Wind Energy in Context
2 System Considerations 9
2.1 The Resource . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.1 Scales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.2 Characterisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.3 Metrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2 The Grid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2.1 System Constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2.2 Supporting the Grid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.3 Decentralization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.3 The End User . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.3.1 Locale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3.2 Further Impacts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3 Variations on a Theme 15
3.1 Chasing Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.1.1 Design Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.2 COE and CF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.3 To Lift or Drag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.3.1 Governing Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.3.2 Lift-Drag Comparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.3.3 Operational Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.4 VAWT or HAWT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.5 Scale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.6 Control Strategy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.6.1 Goals and Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.6.2 Dynamic Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.7 Adapting Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.7.1 Dynamic Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.7.2 Load Matching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.7.3 Soft Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.7.4 Coning Rotor Adaptation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.8 Function to Form . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.8.1 Historical Context . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.8.2 Topology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.8.3 Pitch Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.9 Coning Rotor Challenges and Opportunities . . . . . . . . . . . . . 36
II Analysis
4 Analytic Development 41
4.1 Industry Standard Comparison (BLADEDTM) . . . . . . . . . . . 42
4.2 Coordinate Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.3 Coned Rotor Performance Metrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.4 Aerodynamic Modelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.4.1 Back to Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.4.2 Flow Field Kinematics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.4.3 Momentum Balances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.4.4 Blade Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.4.5 Wake Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.4.6 Relating Disc to Far Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.4.7 Azimuthal Induced Velocity . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.4.8 Stall Delay and Centrifugal Pumping . . . . . . . . . . . . . 60
4.4.9 Spanwise Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.4.10 Closed Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.4.11 Expanding Wake . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.4.12 Additional Wake Geometries . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.4.13 Aerodynamic Analytic Optimum . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.4.14 Dynamic BEM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.5 Acoustic Modelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4.5.1 Aerodynamic Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.5.2 Modelling Approaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.5.3 Low-Frequency Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.5.4 Post-Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
4.6 Structural Modelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
4.6.1 Sectional Modelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
4.6.2 Kinetostatics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
4.6.3 Dynamic Modelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
4.6.4 Centrifugally Stiffened Beam . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
4.7 Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
4.7.1 Steady State Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
4.7.2 Dynamic Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
4.8 Generator Modelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
4.8.1 Shear Stress Generator Model . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
4.8.2 Analytic Magnetic Circuit Generator Model . . . . . . . . . 143
4.9 Cost Modelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
4.9.1 Proxy Cost Metric . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
4.9.2 Magnetic Materials Cost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
5 Validation 147
5.1 Aerodynamic Validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
5.1.1 Uniformly Loaded Rotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
5.1.2 Uniform Loading Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
5.1.3 Fundamental Model Deficiencies . . . . . . . . . . . . . . . 153
5.1.4 Radial and Far-Field Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
5.1.5 Tjaereborg Rotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
5.1.6 NREL UAE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
5.1.7 Dynamic Inflow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
5.1.8 Yawed Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
5.2 Acoustics Validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
5.3 Structural Validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
5.3.1 Sectional Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
5.3.2 Beam Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
5.4 BLADEDTM Validation and Suitability . . . . . . . . . . . . . . . 177
5.4.1 Aerodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
5.4.2 Steady State Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
5.4.3 Flapping Hinge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
5.4.4 Mode Shape Modification by Coning . . . . . . . . . . . . . 181
5.5 Generator Model Validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
III Design
6 Rotor Optimization 185
6.1 Initial Comparison and Updating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
6.1.1 Shifting Benchmarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
6.1.2 Up-Scaling CONE-450 Results . . . . . . . . . . . . . . . . 186
6.1.3 Parked Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
6.2 COE and CF Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
6.3 Aerodynamic Behaviour . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
6.4 Rotor Optimization Challenge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
6.4.1 Conventional Rotors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
6.4.2 Coning Rotor Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
6.4.3 CONE-450 Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
6.5 Parametric Study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
6.5.1 Design Variables and Parameters . . . . . . . . . . . . . . . 197
6.5.2 Optimizer Tuning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
6.5.3 Stepwise Optimization Approach . . . . . . . . . . . . . . . 201
6.5.4 Aerodynamic Optimum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
6.5.5 Blade Length . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
6.5.6 Control Strategy Impacts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
6.5.7 Aerodynamic Uncertainty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
7 Design Considerations 217
7.1 Dynamic Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
7.1.1 Fundamental Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
7.1.2 Aerodynamic Damping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
7.2 Tower Thump . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
7.2.1 Variation with Wind Speed . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
7.2.2 Wake Profile Influence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
7.2.3 Mitigation by Offset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
7.2.4 Control Strategy Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
7.2.5 Dynamic Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
7.2.6 Remaining Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
8 Conclusions 241
8.1 Analytical Contributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
8.2 Design Refinements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
8.3 The Next Steps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
Bibliography 245
A Geometric Transformations A-1
B Cross Section Analysis B-1
C Reference Machine Specifications C-1
C.1 Tjaereborg Machine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C-1
C.2 NREL UAE Phase IV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C-4
C.3 1.5 MW Reference Machine (REF-1500) . . . . . . . . . . . . . . . C-7
C.4 GH Demo Machine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C-10
C.5 CONE-450 Concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C-12
C.6 Coning Rotor Study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C-12
D Historical Machines D-1
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