Investigation of Different Airfoils on Outer Sections of Large ...

118
Bachelor Thesis in Aeronautical Engineering 15 credits, Basic level 300 School of Innovation, Design and Engineering Investigation of Different Airfoils on Outer Sections of Large Rotor Blades Authors: Torstein Hiorth Soland and Sebastian Thuné Report code: MDH.IDT.FLYG.0254.2012.GN300.15HP.Ae

Transcript of Investigation of Different Airfoils on Outer Sections of Large ...

 

 

Bachelor Thesis in Aeronautical Engineering

15 credits, Basic level 300

School of Innovation, Design and Engineering

Investigation of Different Airfoils on Outer Sections of Large Rotor Blades

         

Authors: Torstein Hiorth Soland and Sebastian Thuné Report code: MDH.IDT.FLYG.0254.2012.GN300.15HP.Ae

   

Sammanfattning      Vindkraft  står  för  ca  3  %  av  jordens  produktion  av  elektricitet.  I  jakten  på  grönare  kraft,  så  ligger  mycket  av  uppmärksamheten  på  att  få  mer  elektricitet  från  vindens  kinetiska  energi  med  hjälp  av  vindturbiner.    Vindturbiner  har  använts  för  elektricitetsproduktion  sedan  1887  och  sedan  dess  så  har  turbinerna  blivit  signifikant  större  och  med  högre  verkningsgrad.      Driftsförhållandena  förändras  avsevärt  över  en  rotors  längd.  Inre  delen  är  oftast  utsatt  för  mer  komplexa  driftsförhållanden  än  den  yttre  delen.  Den  yttre  delen  har  emellertid  mycket  större  inverkan  på  kraft  och  lastalstring.  Här  är  efterfrågan  på  god  aerodynamisk  prestanda  mycket  stor.    Vingprofiler  för  mitten/yttersektionen  har  undersökts  för  att  passa  till  en  7.0  MW  rotor  med  diametern  165  meter.  Kriterier  för  bladprestanda  ställdes  upp  och  sensitivitetsanalys  gjordes.  Med  hjälp  av  programmen  XFLR5  (XFoil)  och  Qblade  så  sattes  ett  blad  ihop  av  varierande  vingprofiler  som  sedan  testades  med  bladelement  momentum  teorin.  Huvuduppgiften  var  att  göra  en  simulering  av  rotorn  med  en  aero-­‐elastisk  kod  som  gav  information  beträffande  driftsbelastningar  på  rotorbladet  för  olika  vingprofiler.  Dessa  resultat  validerades  i  ett  professionellt  program  för  aeroelasticitet  (Flex5)  som  simulerar  steady  state,  turbulent  och  wind  shear.    De  bästa  vingprofilerna  från  denna  rapportens  profilkatalog  är  NACA  63-­‐6XX  och  NACA  64-­‐6XX.  Genom  att  implementera  dessa  vingprofiler  på  blad  design  2  och  3  så  erhölls  en  mycket  hög  prestanda  jämfört  med  stora  kommersiella  HAWT  rotorer.                                      

   

Abstract    Wind  power  counts  for  roughly  3  %  of  the  global  electricity  production.  In  the  chase  to  produce  greener  power,  much  attention  lies  on  getting  more  electricity  from  the  wind,  extraction  of  kinetic  energy,  with  help  of  wind  turbines.    Wind  turbines  have  been  used  for  electricity  production  since  1887  and  have  since  then  developed  into  more  efficient  designs  and  become  significantly  bigger  and  with  a  higher  efficiency.      The  operational  conditions  change  considerably  over  the  rotor  length.  Inner  sections  are  typically  exposed  to  more  complex  operational  conditions  than  the  outer  sections.  However,  the  outer  blade  sections  have  a  much  larger  impact  on  the  power  and  load  generation.  Especially  here  the  demand  for  good  aerodynamic  performance  is  large.      Airfoils  have  to  be  identified  and  investigated  on  mid/outer  sections  of  a  7.0  MW  rotor  with  165  m  diameter.  Blade  performance  criteria  were  determined  and  investigations  like  sensitivity  analysis  were  made.  With  the  use  of  XFLR5  (XFoil)  and  Qblade,  the  airfoils  were  made  into  a  blade  and  tested  with  the  blade  element  momentum  theory.  This  simulation  gave  detailed  information  regarding  performance  and  operational  loads  depending  on  the  different  airfoils  used.  These  results  were  then  validated  in  a  professional  aero-­‐elastic  code  (Flex5),  simulating  steady  state,  turbulent  and  wind  shear  conditions.      The  best  airfoils  to  use  from  this  reports  airfoil  catalogue  are  the  NACA  63-­‐6XX  and  NACA  64-­‐6XX.  With  the  implementation  of  these  airfoils,  blade  design  2  and  3  have  a  very  high  performance  coefficient  compared  to  large  commercial  HAWT  rotors.          

                         

   

             

Carried  out  at:    Statoil  ASA,  R&D  NEH  OWI    

Advisor  at  MDH:  Sten  Wiedling  (KTH)    

Advisor  at  Statoil  ASA:  Andreas  Knauer,  Dr.-­‐Ing.    

Examiner:  Mirko  Senkovski    

   

 

 

 

 

   

           

   

Nomenclature      B  –  Number  of  Blades    BEM  –  Blade  Element  Momentum  theory      c  –  Chord  length  (m)    Cd  –  Section  Drag  Coefficient      CD  –  Total  Drag  Coefficient          Cl  –  Section  Lift  Coefficient      CL  –  Total  Lift  Coefficient      Cl/Cd  –  L/D  –  Lift  to  drag  ratio      Cm  –  Pitching  Moment  Coefficient      CP  –  Pressure  Coefficient  /  Performance  Coefficient      H12,  H32  –  Shape  factor      HAWT  –  Horizontal-­‐Axis  Wind  Turbine      M  –  Mach  number    NACA  –  National  Advisory  Committee  for  Aeronautics      P  –  Power  output  (W)    p  –  Pressure  (Pa)    R  –  Global  radius  (m)    r  –  Local  radius  (m)    RPM  –  Revolutions  Per  Minute      S.U.,  S.L.  –  Separation  Upper  and  Separation  Lower      T.U.,  T.L  –  Transition  Upper  and  Transition  Lower      t/c  –  Thickness  to  chord  ratio  (%)    V  –  Free  stream  wind  speed  (m/s)    W  –  Relative  blade  velocity  (m/s)  

   

 x/c  –  Location  along  the  chord  (m)    α  –  AoA  –  Angle  of  Attack  (degrees  °)    β  –  Inflow  angle  (degrees  °)    Γ  –  Circulation      γ  –  Twist  angle  (degrees  °)    δ1,  δ2,  δ3  –  Displacement,  Momentum  and  Energy  thickness    η  –  Efficiency      λ  -­‐  TSR  –  Tip  Speed  Ratio        μ  –  Dynamic  viscosity  (𝑃𝑎 ⋅ 𝑠)    ρ  –  density  (kg/m3)    Ω  –  Angular  velocity  (rad/s)  

 

                                               

   

SAMMANFATTNING   2  

ABSTRACT   3  

NOMENCLATURE   5  

1.  INTRODUCTION   9  

2.  HISTORICAL  PERSPECTIVE   10  

3.  AIRFOILS   15  3.1  National  Advisory  Committee  for  Aeronautics  (NACA)   15  3.2  National  Renewable  Energy  Laboratory  (NREL)   17  

4.  METHODS   18  

4.1  Historical  Turbines   18  

4.2  General  Blade  Design  Criteria   18  4.2.1  Blade  Performance  Criteria   19  4.2.2  Inner  Root  Section  Criteria   20  4.2.3  Middle  Section  Criteria   21  4.2.4  Outer  Section  Criteria   21  4.2.5  Blade  Section  Calculation   21  4.2.6  Specific  Blade  Design   22  4.2.7  Blade  Design  Procedure   23  

4.3  Airfoil  Catalogue  and  Roughness  Insensitivity  Analysis   24  4.3.1  Airfoil  Design  for  Wind  Turbines  With  Roughness  Insensitivity   25  4.3.2  Boundary  Layer  Theory   28  

4.4  Blade  Element  Momentum  (BEM)  Theory   32  4.4.1  Momentum  Theory   32  4.4.2  Blade  Element  Theory   33  

4.5  Qblade   38  4.5.1  General  Validation  of  Simulation  Results   38  

4.6  Javafoil   39  4.6.1  Roughness  analyses   39  4.6.2  Limitations   40  

4.7  Flex5   41  

5.  RESULTS   42  

5.1  Historical  Turbines   42  5.1.1  Gedser  Wind  Turbine   42  5.1.2  MOD-­‐2  Turbine   44  

5.2  Blade  Design  Criteria   47  

5.3  Roughness  Insensitivity  Analysis   48  

   

5.4  Qblade  Blade  Design  and  Turbine  Simulation   50  5.4.1  Blade  Design  1   50  5.4.2  Blade  Design  2   56  5.4.3  Blade  Design  3   61  

5.5  Flex5   66  5.5.1  Blade  Design  2   67  5.5.2  Blade  Design  3   71  

6.  DISCUSSION   74  

6.1  Historical  Turbines   74  6.1.1  Gedser  Wind  Turbine   74  6.1.2  MOD-­‐2  Turbine   74  

6.2  Roughness  Insensitivity  Analysis   76  

6.3  Qblade   76  6.3.1  Blade  Design  1   76  6.3.2  Blade  Design  2   77  6.3.3  Blade  Design  3   78  

6.4  Flex5   79  6.4.1  Blade  Design  2   80  6.4.2  Blade  Design  3   81  

6.5  Comparison  of  Qblade  and  Flex5   82  

7.  CONCLUSION   83  

8.  FURTHER  WORK   84  

APPENDIX  A   85  Airfoil  Catalogue   85  

APPENDIX  B   104  Use  of  Qblade   104  

APPENDIX  C   108  Airfoil  Catalogue   108  

APPENDIX  D   111  Example  of  Aerodynamic  Data  and  Blade  Geometry  Input  for  Flex5   111  

APPENDIX  E   113  Wind  Shear  Simulation  in  Flex5   113  Turbulence  Simulation  in  Flex5   115  

REFERENCES   117  

   9  

1.  Introduction        The  selection  of  airfoil  shape  directly  influences  the  efficiency  and  loading  of  wind  turbine  rotors.  In  this  graduate  project  at  Mälardalens  Högskola  and  carried  out  at  Statoil  Research  Center  in  Bergen,  Norway,  several  airfoils  have  been  investigated  for  use  in  offshore  wind  turbine  operation.  The  selected  airfoils  are  for  the  use  on  a  7.0  MW  turbine  with  a  diameter  of  165  m.  Statoil,  primary  an  oil  company,  is  also  involved  in  the  offshore  wind  turbine  industry,  especially  as  an  operator  of  wind  farms.  Statoil  has  an  interest  in  the  trends  in  turbine  size  and  airfoils  being  used.      The  first  part  of  the  report  is  a  study  of  performance  criteria  for  airfoils  and  blade  design.  Since  wind  turbine  operation  is  somewhat  different  to  aircraft  operation,  a  literature  study  was  performed.  An  introduction  to  the  history  of  wind  energy  and  development  trends  is  also  included.  Historical  wind  turbine  blades  were  studied  and  analyzed,  so  that  operational/test  data  and  software  data  could  be  compared  to  newer  turbines.        The  second  part  consists  of  airfoil  analyses,  primarily  for  the  middle  and  outer  sections  of  a  large  rotor  blade,  based  on  performance  criteria.  An  airfoil  catalogue  was  developed  including  aerodynamic  performance  data  and  roughness  insensitivity.  Experimental  data  and  analysis  tools,  such  as  XFoil  (XFLR5)  and  Javafoil  were  used.        The  third  part  of  the  report  is  the  main  part.  Blade  design  optimization  was  developed  in  Qblade.  By  combining  2D  airfoil  aerodynamic  performance  coupled  with  the  Blade  element  momentum  theory  and  a  3D  correction,  a  viable  result  was  achieved.      The  last  part  is  a  rotor  investigation  of  the  results  from  part  three.  This  was  done  in  aero-­‐elastic  simulation  with  Flex5.  The  blade  optimized  in  Qblade  was  verified  by  employing  professional  software.    Since  this  is  a  public  report  in  collaboration  with  industry,  there  were  certain  limitations  to  the  use  of  airfoil  geometry.  Because  of  license  and  other  limitations,  only  airfoil  geometry  found  easily  on  the  Internet  was  investigated.  Therefore,  a  handful  of  different  airfoils  have  not  been  studied  in  this  project  and  entire  airfoil  families  have  been  excluded,  especially  the  Risøe  A-­‐  family,  which  is  licensed,  tailored  wind  turbine  airfoils.      Since  the  airfoils  used  were  open  source,  there  was  no  opportunity  to  validate  the  correctness  of  the  airfoil  geometry.  An  assumption  was  made  that  they  are.    XFoil,  Qblade  and  Javafoil  only  account  for  steady  state,  incompressible  laminar  flow  while  the  real  operational  state  would  differ  from  this.  Compressibility  was  not  taken  account  of,  since  the  blade  rotation  will  be  less  than  Mach  0.3.  As  for  

   10  

turbulent  flow  and  wind  shear,  which  a  real  turbine  will  encounter  during  normal  operation,  this  is  checked  in  Flex5.      A  wind  turbine  blade  designer  has  to  take  account  of  structural  limitations.  Because  of  the  limited  time,  the  project  did  not  include  a  structural  investigation  of  the  blades.  Avoiding  very  sophisticated  blade  structures  and  keeping  to  industry  standards,  the  structural  limitations  would  presumably  not  need  detailed  investigation.      General  losses  due  to  mechanical  and  electrical  efficiencies  have  not  been  analyzed.  Losses  have  been  set  at  3  %  for  calculations,  except  when  other  values  were  given.      

2.  Historical  Perspective    A  wind  turbine  is  a  machine  that  converts  kinetic  energy  into  mechanical  energy  and  the  mechanical  energy  is  then  usually  converted  into  electrical  energy  through  a  generator.  There  are  two  major  types  of  wind  turbines:1  Horizontal-­‐axis  and  Vertical-­‐axis,  the  horizontal  being  the  primary  type  used.      The  first  use  of  windmills  where  in  old  Persia  in  the  7th  century,  introduced  in  Europe  during  the  15th  century.  The  windmills  got  towers,  twisted  blades,  tapered  planforms  and  control  devices  to  point  the  mill  into  the  wind  in  the  17th  century.  The  Dutch  brought  the  windmill  expertise  to  North  America  in  the  18th  century,  where  wind  energy  was  used  to  pump  water.          The  first  horizontal-­‐axis  wind  turbine  (HAWT)  for  generating  electricity  was  built  in  Scotland,  in  1887.  In  the  early  1890s,  the  Danish  scientist  Poul  la  Cour  was  the  first  to  discover  that  fast  rotating  turbines  with  fewer  rotor  blades  were  more  efficient  in  generating  electricity  over  slow  rotating  drag  or  impulse  wind  turbines.      In  1931  in  Yalta,  in  the  Soviet  Union,  a  predecessor  to  the  modern  HAWT  was  built.  It  had  a  30  m  high  tower  producing  100  kW.  The  wind  turbine  had  a  maximum  efficiency  of  32  %,  which  is  still  respectable  at  today’s  standards.      Ten  years  later,  the  pioneering  Smith  Putman  wind  turbine  was  built  in  Pennsylvania  and  ran  for  four  years,  until  it  encountered  a  blade  failure.  The  device  had  a  two-­‐bladed  variable  pitch  rotor  working  downwind  of  the  tower.  The  rotor  was  53  meters  in  diameter  with  a  rotational  speed  of  28  rpm,  giving  a  peak  output  rating  of  1.25  MW  and  was  therefore  the  first  producing  in  excess  of  1  MW.  The  blades  were  untwisted  and  rectangular  with  a  chord  of  3.7m  and  consisted  of  NACA  4418  airfoil.      Ulrich  Hütter  pioneered  the  industry  in  Germany  during  the  1950´s  using  innovative  materials  and  designs  for  several  different  horizontal  axis  wind  turbines.  The  turbines  were  medium  sized  with  rotors  made  of  glass  fiber  

   11  

reinforced  plastic  and  had  an  airfoil  shape.  This,  combined  with  variable  pitch  system,  resulted  in  a  lightweight  and  efficient  wind  turbine.  Hütter  also  developed  a  load  shedding  design  (teeter  hinge)  that  decouples  the  gyroscopic  force  from  the  turbine,  which  is  still  being  employed  today.  Through  the  work  of  Ulrich  Hütter  the  European  wind  turbine  industry  had  a  great  advantage  over  the  rest  of  the  world  for  several  years.      Johannes  Juul  developed  and  built  the  Gedser  wind  turbine  (Figure  1)  in  Denmark  in  the  early  1950s2.  It  operated  for  eleven  years  and  was  shut  down  in  1966.  During  these  years  it  generated  an  annual  average  of  450  MWh.  At  the  request  of  NASA,  the  turbine  was  repaired  and  ran  for  another  three  years  in  the  1980´s  for  testing  purposes.  3        

 Figure  1:  Gedser  wind  turbine4  

 

   12  

The  Gedser  turbine  had  three  twisted  fixed  pitch  rotor  blades  mounted  upwind  of  the  tower  with  a  diameter  of  24  m  where  the  outer  9  m  of  each  blade  was  of  useful  surface  having  the  NACA  4312  and  later  the  CLARK  Y  airfoil  shape.    An  asynchronous  generator  held  the  nominal  rotation  speed  of  the  rotor.  In  case  of  disconnection  from  the  grid  and  racing,  ailerons  placed  at  the  tip  turned  60  degrees  by  the  action  of  a  servomotor  controlled  by  a  flywheel  regulator.  The  Gedser  turbine  was  at  that  time  the  largest  turbine  in  the  world  and  operated  without  any  significant  maintenance  for  eleven  years.  More  specifications  are  found  in  Table  1.      

Table  1:  Gedser  wind  turbine  specifications  

 After  the  Smith  Putman  wind  turbine  was  decommissioned  due  to  economies  and  the  failure  of  a  rotor  blade,  development  in  wind  energy  in  the  US  laid  dormant  until  the  oil  crisis  in  1973.  Since  1940  the  development  in  the  aerospace  sector  had  skyrocketed  with  the  introduction  of  jet  airliners.  With  more  powerful  computers,  better  materials  and  better  general  engineering  skills  in  designing  large  aluminum  structures,  the  wind  energy  industry  had  better  opportunities  for  success.      The  MOD  turbine  family5  (Table  2)  developed  in  cooperation  between  NASA  and  aircraft  makers,  was  a  two  bladed  design  with  blade  diameters  and  design  power  ranging  from  37.5  m  and  0.1  MW  to  128  m  and  7.2  MW.  This  family  of  turbines  did  not  result  in  sufficient  reliability  and  an  economic  producer  of  electricity.  They  were  merely  used  to  understand  what  was  going  to  work  and  what  was  not.  The  first  design  only  lasted  four  weeks,  before  failure,  as  opposed  to  the  earlier  Smith  Putman  design,  that  lasted  four  years.                      

Gedser  Wind  Turbine    Rotor  blades   Three  fixed  twisted  blade  Rotor  position     Upwind  Airfoil   NACA  4312,  CLARK  Y  Useful  blade  length     9  meters  Diameter   24  meters  Blade  chord   1.54  meters  Rotational  speed,  rpm   30    Design  tip  speed  ratio,  TSR   4.4  Twist     16  degrees  at  root,  3  degrees  at  tip    Cut-­‐in  wind  speed     Self  starting  at  5  m/s    Cut-­‐out  wind  speed     20  m/s  Rated  power   200  kW  at  15  m/s  

   13  

Table  2:  MOD  turbine  family  specifications    

Problems  Boeing  and  NASA  encountered  during  the  development  were  the  weight  of  the  turbines  and  the  cost  of  producing  them.  Also,  the  MOD-­‐1  turbine  produced  audible  vibrations,  because  of  the  interaction  between  rotor  and  tower.  Therefore,  the  next  generation  turbine  model  MOD-­‐2  (Figure  2)  was  built  with  the  rotor  upstream  of  the  tower.      General  Electric  and  Boeing  designed  the  third  generation  MOD-­‐5A  and  MOD-­‐5B  having  diameters  of  122  m  and  128  m  respectively  giving  6.2  and  7.2  MW  output.  The  5B  version  also  used  a  variable  speed  generator  instead  of  constant  speed  generators,  as  used  on  earlier  models.  After  this  model  the  MOD  project  was  terminated  due  to  ending  of  government  funding  in  the  mid  1980s.  During  the  MOD  period,  a  lot  of  smaller  wind  turbine  producers  gained  experience  in  smaller  scale  wind  turbines  powering  50  –  100  kW  generators.            

 Figure  2:  Mod-­‐2  turbine  

 

  MOD-­‐0   MOD-­‐0A   MOD-­‐1   MOD-­‐2  Number  of  rotor  blades     2   2   2   2  Rotor  position     Downwind   Downwind   Downwind   Upwind  Rotational  speed,  rpm   40   40   34.7   17.5  Generator  output,  MW   0.1   0.2   2.0   2.5  Airfoil  section     NACA-­‐23000   NACA-­‐23000   NACA-­‐44XX   NACA-­‐23024  Effective  swept  area,  m2  

1.072   1.140   2.920   6.560  

Rotor  diameter,  m   37.5   37.5   61   91.5  Max  rotor  performance  coefficient,  Cp,  max  

0.375   0.375   0.375   0.382  

   14  

From  the  end  of  the  1980s  until  today,  engineering  in  general  has  had  a  huge  evolution,  especially  computing  power  and  computer  simulations.  With  computer  tools  wind  turbines  are  easier,  more  cost  effective  to  design  and  are  therefore  less  expensive  to  develop  and  produce.  Some  of  the  largest  wind  turbine  manufacturers  are  as  of  today:6  Vestas,  Sinovel,  Goldwind,  Gamesa,  Enercon,  GE  Wind  Energy,  Suzlon  and  Vestas/Siemens.      Wind  turbines  have  also  been  situated  offshore  for  better  wind  resource,  thus  creating  more  energy.  These  wind  turbines  are  put  on  concrete  casings  that  are  attached  to  the  seabed.  Statoil  was  the  first  to  put  a  wind  turbine  onto  a  floating  device  in  2009.  This  turbine,  named  Hywind,7  has  a  2.3  MW  Siemens  turbine  on  top  of  a  floating  element  that  extends  100  m  beneath  the  water  surface.  The  rotor  diameter  is  82.4  m  and  Hywind  can  be  placed  anywhere  as  long  as  the  ocean  depth  is  between  120  and  700  m.      Vestas  is  currently  developing  the  largest  onshore/offshore  wind  turbine.  It  is  a  7.0  MW  turbine  with  a  rotor  diameter  of  164  m.8  The  prototype  is  expected  operational  in  the  fourth  quarter  of  2012  and  series  production  to  begin  in  the  first  quarter  of  2015.  The  largest  wind  turbine  in  use  today,  by  rotor  diameter,  is  the  G10X  by  Gamesa,9  which  has  a  diameter  of  128  m.      Table  3  shows  configuration  types  used  on  wind  turbines.  In  the  early  1980s  wind  turbines  were  merely  stall  regulated,  fixed  speed  and  employed  a  gearbox.    The  stall  regulated  type  encountered  vibrations  and  oscillations  when  stall  occurred,  which  decreased  the  turbine  life.  Also,  a  fixed  speed  and  a  gearbox  meant  that  the  turbine  had  to  speed  up  before  connecting  to  the  electrical  grid  and  therefore  could  only  produce  in  a  certain  wind  speed  range.        

Table  3:  Wind  turbine  technology  trend  

 In  the  21st  century,  the  trend  is  to  use  pitch  regulated,  variable  speed  and  direct  drive  wind  turbines  so  it  is  possible  to  extract  energy  through  a  wider  wind  speed  range.      For  wind  energy  to  be  cost  effective,  the  trend  is  towards  larger  turbines,  which  means  a  larger  rotor  sweep  area.  This  is  necessary,  since  the  power  transferred  to  the  generator  is  directly  proportional  to  the  rotor  surface  area.  From  old  trend  estimates,  the  industry  was  to  have  turbines  operational  in  2010  with  a  rotor  diameter  of  150  m  driving  10  MW  generators.10  As  of  2012,  this  estimate  should  

  Early  1980´s   Early  1990´s   Late  1990´s   2000  -­‐  2007  Stall  Regulated   X       X          Active  Stall       X            Fixed  speed   X   X   X     X        Limited  variable  speed           X        Gearbox   X   X   X   X   X   X      Pitch  Regulated     X       X   X   X   X  Variable  Speed         X     X   X   X  Direct  Drive     X       X     X   X  “Multibrid”               X   X  

   15  

have  been  a  bit  lower,  with  the  introduction  of  the  Vestas  V164-­‐7.0  MW  turbine  in  the  fourth  quarter  of  2012.  The  trend  estimate  for  2020  is  for  wind  turbines  up  to  20  MW  with  rotor  diameters  of  250  meters,  which  is  shown  in  Figure  3.  Wind  turbines  rotor  diameter  is  expected  to  increase  by  around  5  m  per  year  starting  the  upcoming  decade.      Wind  energy  power  plants  at  onshore  locations  are  expected  to  prove  viable  as  an  economic  source  of  energy,  as  opposed  to  offshore  wind  power  having  difficulties  to  overcome.  Risø  DTU  (Technical  University  of  Denmark)  set  the  target  for  cost  reduction  to  50  %  for  offshore  wind  power,  to  be  competitive  to  coal-­‐fired  power  by  2020.11      

   

Figure  3:  Wind  turbine  size  trend  estimate  (1980  -­‐  2020)12  

3.  Airfoils    Different  airfoil  shapes  have  been  developed  over  the  years  with  NACA  as  the  first  systematic  numerically  defined  standard  and  numerous  other  designs  later  on.  There  also  exist  airfoils  developed  for  wind  turbines  only.      

3.1  National  Advisory  Committee  for  Aeronautics  (NACA)    Before  NACA  developed  their  famous  airfoil  series,  they  used  theoretical  methods  instead  of  geometrical  methods  to  design  their  profiles.  The  designs  were  rather  arbitrary  with  the  only  thing  to  guide  NACA  being  past  experience  with  known  shapes  and  experimentation  with  modifications  to  those  shapes.    Those  methods  began  to  change  in  the  early  1930s  when  NACA  published  a  report  titled  ‘The  Characteristics  of  78  Related  Airfoil  Sections  from  Tests  in  the  Variable  Density  Wind  Tunnel’.  This  report  noted  that  there  were  many  

   16  

similarities  between  the  airfoils  that  were  most  successful,  and  that  the  two  primary  variables  that  affected  those  were  the  slope  of  the  airfoil  mean  camber  line  and  the  thickness  distribution.  Incorporating  these  two  variables  into  equations,  NACA  generated  entire  families  of  airfoils.  The  first  two  families  were  the  4/5-­‐digit  series  where  the  series  numbers  define  the  shape  of  the  airfoil  in  percentage  of  the  chord  length.  13    For  the  four-­‐digit  series,  the  fist  digit  specifies  the  maximum  camber  (m)  in  percentage  of  the  chord  length,  the  second  digit  indicates  the  position  of  the  maximum  camber  (p)  in  percentage  of  the  chord  multiplied  by  ten,  and  the  last  two  numbers  provide  the  maximum  thickness  (t)  of  the  airfoil  in  percentage  of  the  chord.  Description  of  airfoil  nomenclature  is  shown  in  Figure  4.      

 Figure  4:  Airfoil  nomenclature  for  an  NACA  XXXX14  

 For  a  NACA  4412  with  a  chord  length  of  2  m,  the  maximum  camber  would  be  4%  of  2  m;  the  maximum  camber  would  occur  40  %  behind  the  leading  edge;  and  the  maximum  thickness  of  the  airfoil  would  be  12  %  of  2  m.  By  utilizing  the  m,  p  and  t  values,  it  is  possible  to  compute  the  coordinates  for  an  entire  airfoil.      For  the  five-­‐digit  series,  the  first  and  the  last  two  digits  designate  camber  and  thickness  as  in  the  four-­‐digit  series.  However,  the  second  digit  indicates  the  location  of  maximum  camber  in  the  twentieths  of  a  chord  rather  than  tenth  as  in  the  four-­‐digit  series.    The  middle  digit  is  an  indication  on  whether  it  is  a  straight  mean  camber  line  (0)  or  a  curved  mean  camber  line  (1).        The  6–series  airfoil  family  were  the  first  NACA  airfoils  to  be  developed  through  an  inverse  design.  At  a  later  stage,  the  family  has  also  been  changed,  thus  the  letter  A  can  be  included  in  the  NACA  code.  The  modification  (A)  leads  to  a  less  cusped  trailing  edge  region.  The  6–series  has  a  high  Cl,  max,  very  low  drag  over  a  small  range  of  operating  conditions  and  it  is  optimized  for  high  speeds.  However,  the  airfoil  has  a  high  pitching  moment,  poor  stall  behaviour,  suscseptible  to  roughness  and  has  a  high  drag  outside  of  its  optimum  range  of  operating  conditions.      NACA  632-­‐612    

1. The  first  digit  (6)  represents  the  NACA  family  designation    2. Chordwise  position  of  minimum  pressure  of  thickness  distribution  10  *  

x/c.  

   17  

3. The  subscript  digit  gives  the  range  of  the  lift  coefficient  in  tenths  above  and  below  the  design  lift  coefficient.  Favorable  pressure  gradients  exist  on  both  surfaces.    

4. A  hyphen.    5. One  digit  giving  the  design  lift  coefficients  in  tenths.    6. Two  last  digits  describe  the  maximum  thickness  as  a  percentage  of  the  

chord.      There  are  also  the  7-­‐  and  8-­‐digit  series  where  each  series  were  an  attempt  to  maximize  the  region  of  laminar  flow  on  the  airfoil.15    

3.2  National  Renewable  Energy  Laboratory  (NREL)16    NREL  started  the  development  on  airfoils  that  were  specially  made  for  horizontal-­‐axis  wind  turbines  in  1984.  Since  then  NREL  has  come  up  with  nine  airfoil  families  that  have  been  designed  for  different  rotor  sizes.  The  families  consist  of  twenty-­‐five  airfoils  with  their  designation  starting  at  S801  and  ending  with  S828.  The  designations  represent  the  numerical  order,  which  the  airfoils  were  designed  during  1984-­‐1995.  After  this  period  there  have  been  some  modifications  to  the  airfoils.  Some  of  the  airfoils  have  been  improved  after  wind  tunnel  testing  and  other  have  undergone  more  comprehensive  testing  at  the  Technical  University  of  Delft  (TUDelft),  in  their  low-­‐turbulence  wind  tunnel.      All  these  airfoils,  except  the  early  blade-­‐root  airfoils  (S804,  S807,  S808,  S811),  are  designed  to  have  a  Cl,  max  which  is  relatively  insensitive  to  roughness  effects.17  This  is  accomplished  by  ensuring  that  the  transition  point  from  laminar  to  turbulent  flow  is  near  the  leading  edge  on  the  suction  side  of  the  airfoil,  just  prior  to  reaching  Cl,  max.  At  its  clean  condition,  the  airfoil  achieves  low  drag  through  the  extensive  laminar  flow.  The  tip-­‐region  airfoils  have  close  to  50  %  laminar  flow  on  the  suction  surface  and  over  60%  laminar  flow  on  the  pressure  surface.      The  pitching  moment  coefficient  (Cm)  is  mostly  proportional  to  Cl,  max  for  the  NREL  airfoils.  Therefore,  the  tip  region  airfoils  with  its  low  Cl,  max  exhibits  lower  Cm  than  other  modern  aft-­‐cambered  aircraft  airfoils.      The  NREL  airfoils  are  also  designed  to  have  a  soft-­‐stall  characteristic,  which  is  a  result  from  the  progressive  separation  at  the  trailing  edge.  This  helps  the  blade  in  turbulent  wind  conditions,  by  mitigating  power  and  load  fluctuation.      Other  institutions  have  designed  and  developed  airfoil  families  as  well.  Table  4  displays  these  institutions  and  their  most  popular  airfoils.18      

 Table  4:  Other  wind  turbine  airfoil  families  

FFA  –  Sweden   TU  Delft   RISØE  (Denmark)   NASA  FFA-­‐W3-­‐211   DU91-­‐W2-­‐250   A1-­‐18   LS1-­‐0413  FFA-­‐W3-­‐241   DU93-­‐W-­‐210   A1-­‐21   LS1-­‐0417  FFA-­‐W3-­‐301     A1-­‐24    

   18  

4.  Methods  

4.1  Historical  Turbines    Analyzing  historical  turbines  will  present  an  introduction  and  validation  of  the  Qblade  software.  Comparing  the  results  to  the  real  operational  data,  could  determine  how  trustworthy  and  accurate  the  software  is.  The  MOD-­‐219  and  the  Gedser  turbine  were  selected  for  this  process  due  to  having  the  most  specifications  and  references  to  give  a  valid  comparison.      

4.2  General  Blade  Design  Criteria    The  blade  of  a  wind  turbine  is  the  most  important  part  of  the  structure.  If  the  blade  has  a  poor  aerodynamic  design  it  will  not  be  efficient.  Therefore,  it  is  very  important  that  the  blade  exhibits  good  aerodynamic  extraction  of  energy.  But  the  best  aerodynamic  design  is  certainly  not  always  the  best  solution  for  the  wind  turbine  as  a  whole,  since  a  turbine  that  exhibits  good  aerodynamic  performance  may  not  meet  the  structural  limitations.      For  a  variable  speed  and  variable  pitch  wind  turbine,  the  blade  geometry  is  designed  to  give  the  maximum  power  at  a  given  TSR,  while  also  a  good  off-­‐design.  Good  off-­‐design  provides  a  high  performance  over  a  greater  TSR  interval.  The  variables  for  the  optimization  are  a  fixed  number  of  sectional  airfoil  profiles,  chord  lengths  and  twist  angles  along  the  blade  span.  The  aerodynamic  data  is  extracted  from  the  respective  airfoil  database,  which  has  experimental  and  computed  lift  and  drag  coefficients  and  other  data  for  different  Reynolds  numbers.        There  are  three  different  approaches  to  the  blade  design  for  handling  wind  loads:20    - Withstanding  the  loads  - Shedding/managing  the  loads  - Managing  loads  mechanically/electrically    

 A  design  that  is  built  to  withstand  the  wind  loads  is  the  Paul  la  Cour  turbine  from  1890.  This  design  is  reliable,  has  a  low  TSR  with  three  or  more  blades,  high  solidity  but  non-­‐optimum  blade  pitch.  Design  built  after  the  shedding/managing  of  the  loads  principle  is  optimized  for  performance,  optimum  blade  pitch,  high  TSR  and  a  low  solidity.  The  third  design  principle  has  innovative  mechanical  or  electrical  systems  to  protect  the  turbine.  It  is  optimized  for  control,  either  two-­‐  or  three-­‐bladed  and  has  a  medium  TSR.      IEC  is  a  worldwide  organization  for  standardization,  and  offshore  wind  turbines  have  to  follow  certain  wind  turbine  design  requirements  given  in  IEC  61400-­‐3.21  The  turbines  have  to  withstand  several  of  different  extreme  design  load  cases  for  wind  and  wave  conditions.  For  wind  regime  the  load  and  safety  considerations  are  divided  into  two  groups:  the  normal  wind  conditions  which  will  occur  more  

   19  

frequently  than  once  per  year  during  normal  operation  and  the  extreme  wind  conditions  which  are  defined  as  a  1-­‐year  or  50-­‐year  reoccurrence  period.    The  wind  turbine  rotor  is  designed  to  work  through  a  wind  speed  envelope  and  to  have  a  maximum  power  output  at  a  desired  wind  speed,  usually  in  the  high  region  of  that  speed  envelope.  The  cut-­‐in  speed  is  the  beginning  of  the  envelope  and  the  desired  wind  speed  is  the  rated  wind  speed.  The  turbine  also  has  a  cutout  wind  speed,  which  is  the  maximum  wind  speed  allowed  when  the  turbine  is  operational  (Figure  5).  The  turbine  also  has  to  withstand  increasing  wind  speed  while  the  rotor  is  not  rotating.        

 Figure  5:  Power  curve  versus  wind  speed  (m/s)  

 

4.2.1  Blade  Performance  Criteria    The  major  focus  in  this  project  has  been  on  the  middle  and  outer  sections  of  the  rotor  blade.  The  turbine  is  a  HAWT  design  with  three  blades  upstream  of  the  tower.  The  rotor  diameter  is  given  with  a  length  of  165  m  powering  a  7.0  MW  turbine.  The  turbine  is  a  variable  pitch  and  variable  speed  design,  so  it  can  operate  efficiently  through  a  wind  speed  envelope.  The  inner  section  airfoil  is  predetermined  to  consist  of  FFA-­‐W3-­‐XX1.      Since  this  is  an  offshore  wind  turbine,  the  blade  design  has  to  have  very  low  maintenance  requirements,  resulting  in  220  000  hours  or  25  years  of  operating  time  between  maintenance.22  Therefore,  the  selected  airfoils  for  the  blade  need  to  be  insensitive  to  leading  edge  and  upper  surface  build-­‐ups.  This  build-­‐up  is  particles  in  the  air,  ice,  salt  crystals  and  bugs.23      The  blade  should  also  have  an  airfoil  that  has  a  benign  post-­‐stall  behavior  to  reduce  the  dynamic  loading  on  the  support  structure  during  wind  gusts.  Therefore,  it  is  reasonable  to  look  at  post-­‐stall  behavior  for  different  airfoils,  where  this  is  possible.    

   20  

 Since  the  blade  structure  is  designed  with  the  blade  loading  capabilities  in  mind,  the  aerodynamic  blade  loading  should  be  somewhat  linear  locally  along  the  span.  Random  Cl  peaks  along  the  span  of  the  blade  would  create  stress  loading  along  the  blade.  A  comparison  of  various  airfoil  types  in  a  Cl  –  α  diagram  should  reveal  which  airfoils  have  similar  Cl  at  given  angles  of  attacks.  Twisting  the  blade  can  help  generate  a  loading  that  is  somewhat  linear  along  the  span.  The  downside  is  higher  production  cost  when  twisting  the  blade.  Therefore,  similar  airfoils  should  be  used  over  a  certain  length  of  the  span,  with  minor  amount  of  local  twisting,  so  that  design  CL  for  the  whole  blade  can  be  obtained  through  the  entire  pitching  envelope.24      The  zero-­‐lift  pitching-­‐moment  coefficient  for  the  selected  airfoils  should  be  in  a  reasonably  negative  range  but  not  too  low,  since  it  would  give  the  blade  higher  stress  to  withstand.  Using  an  airfoil  with  an  increased  leading  edge  camber  would  decrease  the  pitching  moment  coefficient.  The  pitching  moment  coefficient  is  however  neglected  in  this  project.        For  onshore  wind  turbines,  the  noise  levels  from  the  blade  should  be  low.  Since  this  blade  is  for  an  offshore  wind  turbine,  the  noise  levels  are  not  taken  into  account.  A  higher  tip  speed  will  increase  noise  levels.    There  are  also  major  limitations  when  designing  a  rotor  blade.  The  forces  acting  on  the  blade  can  not  be  larger  than  the  structural  limitations.  The  bending  of  the  blade  is  limited  to  the  distance  to  the  tower.  If  the  blades  were  designed  for  aerodynamic  efficiency,  which  means  thinner  profiles  towards  the  tip,  the  consequence  would  be  increased  bending,  increased  weight  and  higher  production  cost.  Using  thicker  airfoils  towards  the  tip  can  reduce  these  factors,  but  also  reduced  aerodynamic  efficiency.  Airfoils  with  the  best  Cl/Cd  are  used  for  the  middle  and  outer  section  of  the  rotor  to  get  the  highest  efficiency  within  the  limitations.  Airfoils  with  high  Cl  max  are  used  for  the  inner  section,  since  the  drag  penalty  is  negligible  in  that  area.      

4.2.2  Inner  Root  Section  Criteria      The  inner  section  of  the  rotor  blade  is  the  part  that  takes  up  all  the  forces  put  upon  the  entire  blade  length  and  therefore  has  to  be  designed  to  withstand  these  forces.  A  large  blade  results  in  a  very  thick  root  section  (≈  0.4  t/c),  which  is  not  positive  aerodynamically,  but  the  thickness  also  stiffens  the  blade,  resulting  in  blade  deflection.    The  inner  section  has  a  low  tangential  speed,  since  it  is  near  the  hub  and  with  a  variable  incoming  wind  speed,  the  relative  wind  component  would  have  a  wide  angle  of  attack.  This  variation  of  angle  of  attack  and  a  thick  airfoil  is  a  compromise  because  of  the  design  criteria  to  withstand  the  blade  loads.  Because  of  this  design  compromise  together  with  the  low  tangential  speed,25  the  inner  section  of  the  blade  develops  a  minor  part  of  the  total  bending  moment  for  the  blade.  In  this  section  the  lift-­‐drag  ratio  is  of  less  importance,  but  the  Cl,  max  should  be  high  in  order  to  reduce  the  blade  area.26      

   21  

4.2.3  Middle  Section  Criteria      The  middle  section  has  to  withstand  the  forces  put  upon  itself  and  forces  from  the  outer  section.  This  section  would  consist  of  a  decreasing  thickness  to  cord  ratio  towards  the  outer  section.  At  high  tangential  speed,  the  angle  of  attack  for  the  relative  wind  component  changes  less  than  for  the  inner  section.  Normal  t/c  is  between  18  and  30  %.        

4.2.4  Outer  Section  Criteria      The  most  torque  generated  on  a  wind  turbine  is  at  the  outer  section.  With  a  very  high  tangential  speed  (80  –  90  m/s)  at  the  tip,  the  wind  speed  has  little  effect  on  the  angle  of  which  the  relative  wind  speed  is  attacking  the  blade.  Since  this  section  only  needs  to  take  up  its  own  forces,  which  results  in  a  thinner  structure,  a  good  aerodynamic  design  can  be  achieved.  The  outer  section  is  optimized  with  L/D  at  maximum.  t/c  should  be  somewhere  between  8  and  18  %.      

4.2.5  Blade  Section  Calculation    The  entire  blade  is  divided  into  18  sections  which  gives  around  5  m  spacing  between  them  throughout  the  blade.  Each  station  was  analyzed  before  selecting  suitable  airfoils  for  further  testing.  Known  parameters  at  each  station  is  the  tangential  and  the  incoming  free  stream  wind  speed,  so  the  relative  velocity  of  the  blade  can  be  calculated  through  Pythagoras  equation  and  thus      

𝛼 = arctan  𝑉𝑊   (1)  

 can  be  calculated.  α  is  angle  of  attack  in  degrees,  V  is  the  free  stream  wind  speed  and  W  the  relative  velocity  for  the  blade  at  the  applicable  radius  section.    Reynolds  number  can  be  approximated,  giving  an  estimate  of  the  blade  chord  at  each  section.      

𝑅𝑒 =  𝜌  𝑊  𝑐𝜇   (2)  

   Re  is  dimensionless,  ρ  is  the  density  of  the  air,  c  is  the  chord  and  μ  is  the  dynamic  viscosity  of  the  air.      With  the  known  variables  above  and  an  estimate  of  the  chord  length  at  each  section,  a  number  of  airfoils  can  be  analyzed  for  performance.  With  Cl  max  and  at  which  α  it  occurs  for  airfoils,  a  twist  for  each  section  can  be  selected.  Further  on,  a  study  of  the  selected  airfoil  has  to  be  made  to  check  if  this  is  the  best  solution  for  the  blade.      

   22  

4.2.6  Specific  Blade  Design      In  this  project,  an  offshore  wind  turbine  blade  was  to  be  designed  in  open  source  software  and  verified  in  professional  wind  turbine  software.  With  a  diameter  of  165  meter  the  blade  design  has  to  deliver  7.0  MW.  Since  the  size  of  this  turbine  is  somewhat  similar  to  other  commercial  wind  turbines,  it  was  reasonable  to  use  some  of  these  operational  data,  given  in  Table  5.        

Example  of  commercial  wind  turbine  operational  data  Power  regulation     Pitch  regulated  with  variable  speed    Operational  data      Rated  power   7.0  MW  Cut-­‐in,  cut-­‐out  wind  speed     4  m/s  –  25  m/s  Operational  rotational  speed     4.8  –  12.1  rpm  Nominal  rotational  speed     10.5  rpm  Design  parameters      Wind  Class   IEC  S    Annual  avg.  wind  speed     11  m/s    Weibull  shape  parameter,  k     2.2      Weibull  scale  parameter     12.4  m/s  Turbulence  intensity     IEC  B    Max  inflow  angle  (vertical)   0  degrees    Rotor      Rotor  diameter     164  m  Blade  length     80  m    

Max  chord     5.4  m        

Table  5:  Example  of  turbine  specification  

 

   23  

Figure  6:  Vestas  v164  power  curve  

Using  these  specifications,  a  reasonable  comparison  could  be  made  of  the  power  curve  (Figure  6)  of  professionally  designed  wind  turbines.  There  is  no  information  of  airfoil,  chord  and  twist  distribution  available.      

4.2.7  Blade  Design  Procedure      The  whole  blade  design  procedure  was  done  through  computer  software,  but  essential  initial  values  for  the  procedure  were  calculated  using  an  excel  spreadsheet.      The  following  procedure  shows  a  simple  theoretical  aspect  when  designing  and  optimizing  a  rotor  blade.      

• With  the  given  parameters  and  design  criteria,  the  power  coefficient  can  be  extracted  from  the  following  equation:    

 

𝑃 = 𝐶!𝜂12𝜌𝜋𝑅

!𝑉!   (3)  

 P  is  the  power  output,  Cp  is  the  power  coefficient,  η  is  the  electrical  and  mechanical  efficiencies  where  0.9  is  a  reasonable  number,  ρ  is  the  density,  R  is  the  radius  of  the  rotor  and  V  is  the  design  wind  speed.    

   24  

 Solving  for  CP,  the  whole  rotor  has  to  have  a  power  coefficient  of  0.304  with  a  wind  speed  of  12.5  m/s  or  0.446  at  a  wind  speed  of  11  m/s,  if  it  is  to  produce  7.0  MW.  

 • A  blade  tip  speed  ratio  (TSR)  and  the  number  of  blades  have  to  be  

selected.      

• Airfoils  have  to  be  selected  for  their  respective  radial  blade  section  for  their  respective  performance  and  geometry  so  that  the  overall  performance  requirements  can  be  attained.    

 • The  first  step  is  to  choose  an  initial  chord  distribution  for  the  blade.  The  

following  equation  is  very  susceptible  to  large  chord  lengths  and  is  normally  only  used  on  middle  and  outer  section  for  large  turbines.    

   - 𝐶!"# =

!!"!

!!!!

!!"#$%&!!!

  (4)  

•  • COpt  –  optimum  chord  length  (initial)  • vdesign  –  design  wind  speed  • vr  –  local  effective  velocity  • λ  –  local  tip  speed  ratio  • Cl  –  local  design  lift  coefficient    • r  –  local  blade  length    • B  –  number  of  blades  

 • The  solution  for  the  flow  around  the  blade  is  optimized  employing  the  

blade  element  momentum  theory.      This  procedure  is  only  a  simple  road  map  on  how  to  develop  a  blade.  The  full  design  of  a  rotor  blade,  including  the  twist  and  chord  distribution  has  to  go  through  an  iterative  process  that  is  very  time-­‐consuming.      The  design  of  rotor  blades  is  in  this  project  was  mainly  developed  with  the  freeware  software  Qblade  and  verified  in  the  professional  software  Flex5.    

4.3  Airfoil  Catalogue  and  Roughness  Insensitivity  Analysis    The  airfoils  under  consideration  for  a  wind  turbine  were  the  NACA  63-­‐XXX,  64-­‐XXX,  DU  and  FFA  profiles,  as  these  are  available  on  the  Internet  and  in  published  airfoil  catalogues.27  The  airfoil  catalogue  therefore  consists  of  almost  40  different  airfoils.  Some  of  them  are  tailored  for  use  on  wind  turbines,28  while  other  were  designed  for  aircraft.      The  roughness  insensitivity  analysis  is  performed  at  two  Reynolds  numbers  and  forced  transition  at  2  %  of  the  chord.  The  first  Reynolds  number  at  4  millions  

   25  

indicates  a  thin  boundary  layer  while  at  500  000  Reynolds  number  indicates  a  thick  turbulent  boundary  layer,  the  latter  one  simulating  a  rough  surface  and  increased  drag.  The  comparison  between  the  two  simulations  was  done  at  Cl,  max.    There  is  also  a  comparison  of  the  roughness  insensitivity  when  the  airfoil  has  the  best  Cl/Cd.  The  difference  in  performance  between  the  results  in  the  first  simulation  would  be  an  indicator  on  how  insensitive  the  airfoils  are  against  surface  roughness.      

4.3.1  Airfoil  Design  for  Wind  Turbines  With  Roughness  Insensitivity    The  desired  behavior  of  an  airfoil  for  wind  turbines  differs  from  the  expected  behavior  for  airfoils  designed  for  airplanes.  As  wind  turbines  are  built  to  operate  over  an  extensive  period  of  time  between  maintenance,  the  airfoil  selected  should  be  insensitive  to  surface  roughness.  Therefore,  the  goal  when  selecting  an  airfoil  for  a  wind  turbine  is  to  pick  a  design  that  gives  a  maximum  lift  coefficient  that  is  relatively  insensitive  to  leading-­‐edge  roughness.    Figure  7  shows  the  drag  polar  that  meets  these  design  requirements.29  The  figure  shows  the  S902  airfoil  design  where  point  A  is  the  lower  limit  of  low  drag,  lift  coefficient  range,  while  B  is  the  upper  limit.  Point  C  however,  is  outside  the  low-­‐drag  range  and  thus  drag  increases,  because  the  boundary  layer  transition  (laminar  to  turbulent  flow)  moves  rapidly  towards  the  leading  edge  with  increasing  (or  decreasing)  lift  coefficient.      By  this  design,  the  profile  produces  a  suction  peak  close  to  the  leading  edge  at  higher  lift  coefficients,  ensuring  that  transition  will  occur  at  the  leading  edge.  Therefore,  point  C  in  Figure  7  shows  the  maximum  lift  coefficient  with  turbulent  flow  along  the  whole  upper  surface.  This  design,  at  max  lift  coefficient,  is  therefore  relatively  insensitive  to  surface  roughness  at  the  leading  edge.    

 Figure  7:  Cl/Cd  for  the  S902  airfoil  

   

   26  

Figure  8  shows  the  pressure  distribution  of  the  same  airfoil  at  operating  point  A.  In  Figure  7,  the  airfoil  has  a  favorable  pressure  gradient  along  the  upper  surface  to  about  45  %  of  the  chord.  Behind  this  point,  the  pressure  has  a  negative  gradient,  which  encourages  the  transition  from  laminar  to  turbulent  flow.  After  this  pressure  gradient  (last  90  %  of  the  chord)  is  an  almost  linear  pressure  recovery.  This  linear  pressure  area  restricts  the  separation  at  high  angles  of  attack,  resulting  in  a  higher  maximum  lift  coefficient  while  maintaining  low  drag.  This  feature  has  added  some  benefit  of  promoting  docile  stall  characteristics.30      At  the  front  of  the  lower  surface  the  pressure  gradient  is  adverse,  then  zero  to  about  65  %  of  the  chord  while  the  pressure  is  favorable  after  this  point.  Therefore,  the  transition  is  imminent  for  the  lower  surface,  which  allows  for  a  wide  low-­‐drag  range  to  be  achieved  and  the  camber  increases  in  the  leading-­‐edge  region.  Increasing  the  camber  results  in  better  balance  with  respect  to  pitching  moment  and  the  aft  camber,  which  both  contribute  to  a  high  maximum  lift  coefficient  and  low  profile  drag.  The  trailing  edge  has  a  concave  pressure  recovery,  which  gives  the  airfoil  lower  drag  and  later  separation.      

 Figure  8:  Pressure  distribution  for  the  S902  airfoil  at  operating  point  A  

 Figure  9  shows  the  pressure  distribution  at  point  B  in  Figure  7.  There  is  no  spike  in  the  pressure  field  at  the  upper  leading  edge,  rather  a  rounded  peak  occurs.  This  allows  an  increase  in  lift  coefficient  with  no  significant  separation.  At  higher  angles  of  attack,  the  peak  becomes  sharper  and  the  transition  starts  to  move  towards  the  leading  edge,  which  results  in  roughness  insensitivity  of  the  maximum  lift  coefficient.          

   27  

 Figure  9:  Pressure  distribution  for  S902  airfoil  at  operating  point  B  

   Figure  10  shows  the  same  S902  profile  results  from  a  wind  tunnel  test  with  a  maximum  lift  coefficient  at  13.9  degrees.  This  is  at  operating  point  C  in  Figure  7.  The  pressure  peak  is  evident  at  the  leading  edge  with  separation  relatively  confined  over  the  last  25  %  of  the  cord.      The  conclusion  is  that  there  is  a  connection  between  airfoil  thickness,  maximum  lift  coefficient  and  the  airfoil  surface  roughness  sensitivity.  The  effect  of  roughness  on  the  maximum  lift  coefficient  increases  with  increasing  airfoil  thickness  and  decreases  slightly  with  increasing  maximum  lift  coefficient.      

   28  

 Figure  10:  Experimental  wind  tunnel  test  of  the  S902  airfoil  at  operating  point  C  

 

4.3.2  Boundary  Layer  Theory    Wind  turbine  blades  have  a  variable  chord  length  which  has  large  impact  on  Reynolds  number  combined  with  the  varying  Mach  numbers,  from  almost  zero  at  the  root  to  0.3  at  the  tip.  Therefore,  a  large  turbine  blade  could  have  Reynolds  numbers  ranging  from  3  to  12  millions  depending  on  the  chord  length.  At  these  speeds  (low  Mach  numbers),  it  is  reasonable  to  neglect  compressibility,  but  the  viscous  effect  has  to  be  considered,  because  of  the  boundary  layer.      There  are  two  types  of  boundary  layers:  Laminar  and  turbulent  (Figure  11),  the  first  one  being  smooth  and  without  any  eddying  motions  and  the  latter  one  being  characterized  by  the  presence  of  a  large  number  of  small  eddying  motions.  These  eddies  produce  a  transfer  of  momentum  from  the  fast  moving  air  at  the  outer  part  of  the  boundary  layer  down  to  the  section  near  the  surface.  A  consequence  of  this  is  a  thicker  boundary  layer  resulting  higher  skin  friction  drag.      

   29  

 Figure  11:  Boundary  Layer  around  an  airfoil  where  the  thickness  is  greatly  exaggerated.31  

 When  the  pressure  increases  in  the  direction  of  flow  along  the  surface  of  the  wing,  a  general  deceleration  takes  place.  For  the  outer  part  of  the  boundary  layer  this  is  in  accordance  with  Bernoulli´s  law.32  For  the  innermost  part  no  simple  law  exists  for  their  behavior  because  of  the  viscous  effects.  The  relative  loss  of  speed  is  somewhat  greater  for  the  particles  of  fluid  closer  to  the  surface  than  for  those  at  the  outer  part  of  the  boundary  layer.  This  is  since  the  reduced  kinetic  energy  of  the  boundary-­‐layer  air  restricts  its  own  ability  to  flow  against  the  adverse  pressure  gradient.    If  the  pressure  in  the  boundary  layer  increases,  the  motion  of  the  fluid  can  be  reversed  and  could  move  upstream  again.  This  causes  a  separation  of  the  turbulent  layer  from  the  surface.  Because  of  the  higher  change  of  momentum  inside  the  turbulent  boundary  layer  than  in  the  laminar,  the  turbulent  layer  is  more  resistant  to  separation.      When  separation  occurs,  the  boundary  layer  can  either  be  separated  or  reattach  again  to  the  surface,  as  a  turbulent  boundary  layer.  Laminar  separation  can  occur33,  usually  on  wing  sections  near  the  leading  edge  at  maximum  lift.  This  local  separation  decreases  in  size  when  the  Reynolds  number  increases.      Smooth  airfoils  used  on  airplanes  with  low  and  moderate  lift  coefficients  under  normal  flight  conditions,  normally  has  a  laminar  boundary  layer  from  the  leading  edge  and  back  to  approximately  the  location  of  the  first  minimum-­‐pressure  point.  This  is  for  both  surfaces  (upper  and  lower).  If  the  laminar  region  is  extensive,  separation  occurs  immediately  downstream  of  the  minimum-­‐pressure  point.    The  boundary  layer  then  returns  to  the  surface  as  a  turbulent  layer  almost  immediately.  If  the  surface  is  not  smooth  enough,  the  air  is  turbulent  or  has  a  high  Reynolds  number,  transition  from  laminar  to  turbulent  flow  may  occur  anywhere  upstream  of  the  calculated  laminar  separation  point.34      For  airfoils  where  low  and  moderate  lift  coefficients  and  non-­‐appreciable  separation  occurs,  the  main  part  of  the  profile  drag  is  caused  by  skin  friction.  Therefore,  the  drag  coefficients  depend  on  the  amount  of  laminar  and  turbulent  flow.  If  the  transition  point  is  known,  the  drag  coefficient  can  be  calculated  from  boundary-­‐layer  theory.    For  airfoils  with  increasing  lift  coefficients  due  to  a  positive  change  in  angle  of  attack,  the  minimum-­‐pressure  point  shifts  upstream  towards  the  leading  edge,  thus  reducing  the  amount  of  laminar  boundary  layer  and  increasing  the  amount  

   30  

of  turbulent  flow.  The  combination  of  increasing  flow  velocity  over  the  surface  and  the  turbulent  layer  results  in  an  increased  drag  coefficient.    When  developing  high  lift  coefficients,  the  form  drag  resulting  from  separation  of  the  flow  from  the  surface  is  the  main  part  of  the  drag.    Laminar  separation  occurs  near  the  leading  edge  with  a  returning  turbulent  boundary  layer.  A  high  Reynolds  number  is  favorable  when  trying  to  develop  the  turbulent  boundary  layer.35  Low  Reynolds  numbers  is  a  factor  when  the  turbulent  layer  separates  from  the  surface,  resulting  in  a  loss  in  lift  and  increased  drag,  stall  occurs.      Figure  12  shows  three  different  equations,  which  show  relations  between  laminar  and  turbulent  flow  for  a  range  of  Reynolds  number  and  the  resulting  skin  friction.  These  equations  are  outside  the  scope  of  this  report  so  the  figure  only  shows  an  indication  on  the  relationship.      

 Figure  12:  Turbulent  and  laminar  boundary  layer  for  skin  friction  and  Reynolds  numbers  

 Since  the  profile  drag  on  an  airfoil  is  strongly  connected  to  the  thickness  of  the  boundary  layer,  it  is  desirable  to  know  where  transition  and  separation  occur  and  the  thickness  of  the  boundary  layer.  It  is  also  desirable  to  know  how  stable  the  boundary  layer  is.  Therefore  it  is  reasonable  to  look  at  the  shape  factor36  when  comparing  the  size  and  shape  of  boundary  layer  for  different  airfoils.  The  shape  factor  H12  and  H32  (first  and  second  shape  factor)  for  the  boundary  layer  increases  towards  the  separation  point.  H  is  given  by  displacement  thickness  δ1  (m)  over  the  momentum  thickness  δ2  (m)  and  energy  thickness  of  boundary  layer  δ3  (m).    

𝐻!" =  𝛿!𝛿!,  𝐻!" =  

𝛿!𝛿!  

 (5)  

 The  displacement  thickness  is  a  measure  how  far  the  streamlines  are  pushed  away  from  the  solid  surface  compared  to  a  frictionless  potential  flow  for  the  same  configuration,  while  the  momentum  thickness  is  a  measure  of  how  much  

   31  

momentum  is  lost  through  friction  compared  to  a  frictionless  potential  flow  for  the  same  configuration.    For  laminar  boundary  layers,  the  first  shape  factor,  H12,  is  between  3.5  and  2.3.  Transition  brings  a  considerable  drop  in  H12  resulting  in  a  turbulent  boundary  layer  with  H12  between  1.3  and  2.2.  Laminar  separation  takes  place  at  a  value  of  H12  near  3.5  while  turbulent  separation  takes  place  at  a  value  of  H12  near  2.2.    For  airfoils  used  on  airplanes  it  is  normal  to  try  delay  the  transition  from  laminar  to  turbulent  flow  as  long  as  possible  to  make  drag  coefficient  as  low  possible.  For  higher  values  of  Reynolds  numbers  the  only  way  to  delay  this  transition  is  to  reduce  all  disturbances  such  as  stream  turbulence,  unsteadiness  and  surface  roughness.      With  this  knowledge  of  the  relation  of  the  shape  factor  as  an  indication  of  laminar  and  turbulent  flows,  it  is  possible  to  extract  data  from  Javafoil  diagrams,  where  the  shape  factor  over  the  chord  is  plotted.  T.U  and  S.U  are  transition  and  separation  upper  while  T.L  and  S.L  are  the  lower  transition  and  separation.    As  an  example,  Figure  13  shows  an  NACA  63-­‐612  profile  at  an  α  of  2  degrees,  Reynolds  number  of  4  millions  and  free  transition.  H12  drops  at  40  %  of  the  chord  from  3.75  to  1.4,  which  indicates  a  transition  from  laminar  to  turbulent  boundary  layer.  For  the  last  10  %  of  the  chord,  the  shape  factor  increases  again,  indicating  a  separation  in  the  area.      

 Figure  13:  Shape  factor  H  vs.  x/c  in  Javafoil.    

 

   

   32  

4.4  Blade  Element  Momentum  (BEM)  Theory    The  blade  element  momentum  theory  is  a  well-­‐used  theory  to  easily  calculate  the  effect  and  efficiency  of  wind  turbines.  The  theory  is  very  simple  compared  to  the  complex  flow  in  the  turbine,  but  gives  somewhat  accurate  numbers  compared  to  experimental  data.  Because  of  the  simplicity  and  good  results,  this  theory  is  widely  used  in  both  free  and  in  professional  wind  turbine  software.    

4.4.1  Momentum  Theory      Consider  a  stream  tube  around  a  wind  turbine  as  shown  in  Figure  14.  There  are  four  stations  in  the  figure,  1-­‐4.37  Energy  is  extracted  from  the  wind  between  stations  2  and  3,  resulting  in  a  change  in  pressure.  With  the  assumption  that  station  1  is  placed  some  distance  upstream  and  station  4  is  placed  some  distance  downstream  in  the  undisturbed  free  stream,  it  can  be  assumed  that  pressure  p1  =  p4.  Velocity  V2  =  V3  can  also  be  assumed.  The  third  and  final  assumption  is  that  the  flow  is  frictionless  between  stations  1  to  2  and  3  to  4.  With  this  final  assumption,  Bernoulli’s  equation  can  be  applied  and  note  that  𝐹 = 𝑃𝐴,  where  P  is  pressure  and  A  is  area.  This  yields    

 Figure  14:  Stream  tube  around  a  wind  turbine  

   

𝑑𝐹! =12𝜌 𝑉!! − 𝑉!! 𝑑𝐴  

(6)  

 By  defining  a  (the  axial  induction  factor)  as      

𝑎 =𝑉! − 𝑉!𝑉!

 

or      𝑉! = 𝑉!(1− 𝑎)  𝑉! = 𝑉!(1− 2𝑎)  

(7)        

(8)  (9)  

 Substitution  yields    

Wind Turbine Blade Analysis Durham University

1 2 3 4

V1 V

4

Hub

Blades

Figure 1: Axial Stream tube around a Wind Turbine

1 Introduction

This short document describes a calculation method for wind turbine blades, thismethod can be used for either analysis of existing machines or the design of newones. More sophisticated treatments are available but this method has the advan-tage of being simple and easy to understand.

This design method uses blade element momentum (or BEM) theory to com-plete the design and can be carried out using a spreadsheet and lift and drag curvesfor the chosen aerofoil.

The latest version of this document should be available from the author’s website1Any comments on the document would be gratefully received. Further details onWind Turbine Design can be found in Manwell et al. (2002) which provides com-preshensive coverage of all aspects of wind energy. Walker and Jenkins (1997) alsoprovide a comprehensive but much briefer overview of Wind Energy.

2 Blade Element Momentum Theory

Blade Element Momentum Theory equates two methods of examining how a windturbine operates. The first method is to use a momentum balance on a rotatingannular stream tube passing through a turbine. The second is to examine the forcesgenerated by the aerofoil lift and drag coefficients at various sections along theblade. These two methods then give a series of equations that can be solved itera-tively.

3 Momentum Theory

3.1 Axial Force

Consider the stream tube around a wind turbine shown in Figure 1. Four stationsare shown in the diagram 1, some way upstream of the turbine, 2 just before the

1http://www.dur.ac.uk/g.l.ingram

5

   33  

𝑑𝐹! =12𝜌𝑉!

! 4𝑎(1− 𝑎) 2𝜋𝑑𝑟   (10)  

 Consider  that  the  annular  stream  tube  receives  a  rotation  from  the  turbine  between  stations  2  and  3  that  imparts  rotation  onto  the  blade  wake.  If  the  angular  momentum  in  the  annular  stream  tube  is  conserved,  the  blade  wake  rotates  by  the  angular  velocity  ω  and  the  blade  rotates  at  an  angular  velocity  Ω.  Then  torque  will  be    𝑑𝑇 = 𝜌𝑉!𝜔𝑟!2𝜋𝑑𝑟   (11)    By  defining  a’  (the  angular  induction  factor)  as      𝑎! =

𝜔2Ω  

(12)  

 Substitution  with  equation  6  yields      𝑑𝑇 = 4𝜋𝑟!𝜌𝑉Ω 1− 𝑎 𝑎′𝑑𝑟   (13)    Thus  the  momentum  theory  provides  equations  for  the  axial  (equation  8)  and  tangential  forces  (equation  11)    

4.4.2  Blade  Element  Theory      This  theory  relies  on  two  assumptions:  There  are  no  aerodynamic  interactions  between  different  blade  elements  and  the  forces  on  the  blade  elements  are  only  determined  by  the  lift  and  drag  coefficients.      Consider  a  blade  divided  into  N  elements  along  the  span.  Each  of  the  elements  will  experience  a  different  flow  because  they  have  a  different  tangential  speed  (Ωr),  chord  (c)  and  a  different  twist  angle  (γ).  Let  the  wind  speed  be  V.  The  theory  involves  dividing  the  blade  into  a  sufficient  number  of  elements  and  calculating  the  flow  for  each  one.  The  overall  performance  characteristics  are  determined  by  numerical  integrations  along  the  blade  span.      Figure  15  shows  how  the  blade  rotation  and  wake  rotation  together  with  V2  (wind  speed)  yield  the  relative  wind  speed  W.      

   34  

 Figure  15:  Relative,  rotational  and  incoming  wind  speed  

   

𝑡𝑎𝑛 𝛽 =𝛺𝑟 1+ 𝑎!

𝑉 1− 𝑎  

 relative  velocity  W    is      

 (14)  

𝑊 =V(1− 𝑎)cos𝛽   (15)  

   In  Figure  16  the  lift  and  drag  forces  are  by  definition  perpendicular  and  parallel  to  the  incoming  flow.  The  forces  on  the  blade  elements  are  also  shown,  and  for  each  blade  element  the  forces  will  be  

 Figure  16:  Forces  on  a  turbine  blade  

 𝑑𝐹! = 𝑑𝐿 sin𝛽 − 𝑑𝐷 cos𝛽  𝑑𝐹! = 𝑑𝐿 cos𝛽 + 𝑑𝐷 sin𝛽  

(16)  (17)  

 dL  and  dD  are  lift  and  drag  forces  on  the  blade  element.  By  applying  the  definition  of  L  and  D,  adding  the  number  of  blades  B  to  these  equations  and  making  the  equation  more  useful  by  expressing  W  in  the  terms  of  induction  factors  yield    

Wind Turbine Blade Analysis Durham University

V(1-a)W

r

r r

2

x

r

blade rotation

wake rotation

Figure 5: Flow onto the turbine blade

4.1 Relative Flow

Lift and drag coefficient data area available for a variety of aerofoils from windtunnel data. Since most wind tunnel testing is done with the aerofoil stationary weneed to relate the flow over the moving aerofoil to that of the stationary test. To dothis we use the relative velocity over the aerofoil. More details on the aerodynam-ics of wind turbines and aerofoil selection can be found in Hansen and Butterfield(1993).

In practice the flow is turned slightly as it passes over the aerofoil so in orderto obtain a more accurate estimate of aerofoil performance an average of inlet andexit flow conditions is used to estimate performance.

The flow around the blades starts at station 2 in Figures 2 and 1 and ends atstation 3. At inlet to the blade the flow is not rotating, at exit from the blade rowthe flow rotates at rotational speed ω. That is over the blade row wake rotation hasbeen introduced. The average rotational flow over the blade due to wake rotation istherefore ω/2. The blade is rotating with speed Ω. The average tangential velocitythat the blade experiences is therefore Ωr+ 1

2ωr. This is shown in Figure 5.Examining Figure 5 we can immediately note that:

Ωr+ωr2

=Ωr(1+a!) (18)

Recall that (Equation 5): V2 =V1(1"a) and so:

tanβ=Ωr(1+a!)V (1"a)

(19)

WhereV is used to represent the incoming flow velocityV1. The value of βwillvary from blade element to blade element. The local tip speed ratio λr is definedas:

λr =ΩrV

(20)

9

Wind Turbine Blade Analysis Durham University

L

x

F

Fx

i

D

Figure 6: Forces on the turbine blade.

So the expression for tanβ can be further simplified:

tanβ=λr(1+a!)(1"a)

(21)

From Figure 5 the following relation is apparent:

W =V (1"a)cosβ

(22)

4.2 Blade Elements

The forces on the blade element are shown in Figure 6, note that by definition thelift and drag forces are perpendicular and parallel to the incoming flow. For eachblade element one can see:

dFθ = dLcosβ"dDsinβ (23)dFx = dLsinβ+dDcosβ (24)

where dL and dD are the lift and drag forces on the blade element respectively.dL and dD can be found from the definition of the lift and drag coefficients asfollows:

dL=CL12ρW 2cdr (25)

dD=CD12ρW 2cdr (26)

Lift and Drag coefficients for a NACA 0012 aerofoil are shown in Figure 7, thisgraph shows that for low values of incidence the aerofoil successfully produces a

10

   35  

𝑑𝐹! = 𝜎′𝜋𝜌𝑉!(1− 𝑎)!

cos!𝛽 𝐶! sin𝛽 + 𝐶! cos𝛽 𝑟𝑑𝑟    

(18)    

𝑑𝑇 =  𝜎′𝜋𝜌𝑉!(1− 𝑎)!

cos!𝛽 𝐶! cos𝛽 − 𝐶! sin𝛽 𝑟𝑑𝑟    

(19)    σ’  is  called  the  local  solidity  factor  and  is  defined  as    

𝜎! =𝐵𝑐2𝜋𝑟  

(20)  

   The  axial  induction  factor  a  is  obtained  by  equalizing  two  dFx  equations,  equation  (8)  and  (16)      

𝑎 =1

4sin!𝛽𝜎𝐶!

+ 1  

 

 (21)  

 a’  is  obtained  by  equalizing  two  dT  equations,  equation  (11)  and  (17)        

𝑎′ =1

4 sin𝛽 cos𝛽𝜎𝐶!

− 1  

 

 (22)  

Where    𝐶! = 𝐶! sin𝛽 − 𝐶! cos𝛽    

(23)  

 𝐶! = 𝐶! cos𝛽 + 𝐶! sin𝛽   (24)    These  are  the  basics  of  the  BEM  theory.  However,  before  the  system  of  equations  can  be  solved,  several  corrections  to  the  theory  have  to  be  taken  in  for  account.  These  corrections  include  tip-­‐  and  hub-­‐loss  to  account  for  vortices  shed  at  these  locations,  the  Glauert  correction  to  account  for  large  induced  velocities  (a>0.4),  and  the  skewed  wake  correction  to  model  the  effect  of  incoming  flow  that  is  not  perpendicular  to  the  rotor  plane.      

4.4.3  Prandtl’s  Tip  Loss  Factor      Prandtl’s  tip  loss  factor  corrects  the  assumption  of  an  infinite  number  of  blades.  The  vortex  system  in  a  wake  differs  as  to  a  finite  number  of  blades  in  comparison  to  a  rotor  with  an  infinite  number  of  blades.  Prandtl  derived  a  correction  factor  F  to  equations  (8)  and  (11).      

   36  

   𝑑𝐹! = 4𝜋𝑟𝜌𝑉!(1− 𝑎)𝑎𝐹𝑑𝑟      

(25)  

𝑑𝑇 = 4𝜋𝑟!𝜌𝑉!Ω 1− 𝑎 𝑎′𝐹𝑑𝑟   (26)      where    

𝐹 =2𝜋 cos

!!(𝑒!!)   (27)  

 and    

𝑓 =𝐵2𝑅 − 𝑟𝑟 sin𝛽  

(28)  

 B  is  the  number  of  blades,  R  is  the  radius  of  the  rotor,  r  is  the  local  radius  for  the  element  and  β  is  the  inflow  angle.      

4.4.4  Glauert  correction      The  Glauert  correction  for  high  values  of  a  is  a  correction  that  comes  into  place  when  the  axial  induction  factor  becomes  larger  than  approximately  0.4.  This  means  that  the  simple  momentum  theory  breaks  down.  Different  relations  between  the  thrust  coefficient  CF  and  a  can  be  made  to  fit  with  measurement    

𝐶! =4𝑎 1− 𝑎 𝐹                                            𝑎 ≤ 𝑎!4(𝑎!! + 1− 2𝑎! 𝑎)𝐹        𝑎 > 𝑎!

   (29)  

   ac    is  approximately  0.2  and  F  is  Prandtl’s  tip  loss  factor.  Through  definitions  and  equation  CF  therefore  becomes    

𝐶! =(1− 𝑎)!𝜎𝐶!

sin!𝛽  (30)  

   The  expression  for  CF  can  now  be  equated  into  expression  (27).  The  corrected  equation  for  a  is:      If  a<ac:    

𝑎 =1

4𝐹sin!𝛽𝜎𝐶!

+ 1  

 

   

(31)  

   37  

 which  is  equation  (19)  with  the  tip  loss  correction        If  a>ac:    

𝑎 =12 2+ 𝐾 1− 2𝑎! − (𝐾 1− 2𝑎! + 2)! + 4(𝐾𝑎!! − 1)  

 where    

𝐾 =4𝐹sin!𝛽𝜎𝐶!

 

   

(32)          

(33)  

   All  the  necessary  equations  for  the  BEM  theory  are  now  displayed.  The  algorithm  can  now  be  summarized  as  the  eight  steps  below        (1)   Initialize  a  and  a’,  typically  a  =  a’  =  0    (2)   Compute  the  inflow  angle  β   Equation  (12)  (3)   Compute  the  local  angle  of  attack    (4)   Read  Cl  (α)  and  Cd  (α)  from  table    (5)   Compute  Cn  and  Ct     Equation  (21)  and  (22)  (6)   Calculate  a  and  a’     Equation  (30)  and  (31)  (7)   If  a  and  a’  have  changed  more  than  a  certain  

tolerance,  go  to  step  (2)  or  else  finish    

(8)   Compute  the  local  loads  on  the  segment  of  the  blades      After  applying  the  BEM  algorithm  to  all  control  volumes,  the  tangential  and  axial  load  distributions  are  known  and  global  parameters  such  as  the  mechanical  power,  thrust  and  root  bending  moment  can  be  computed.  The  power  coefficient  CP  for  the  whole  turbine  without  general  losses  such  as  generator  loss,  can  be  calculated  through  the  following  equation:  

𝐶!   = (8𝜆!) 𝜆!!  𝑎

!

!!´(1− 𝑎) 1−

𝐶!𝐶!

cot𝜃 𝑑𝜆!  (34)  

λh  is  the  local  tip  speed  ratio  at  the  hub,  λ  is  the  global  tip  speed  ratio  and  λr  is  the  tip  speed  ratio  at  radius  r  from  the  hub.    

Figure  17  shows  the  relation  between  the  power  coefficient  and  the  tip  speed  ratio.  An  increase  of  the  tip  speed  ratio  is  favorable  until  a  certain  limit  is  reached.  Betz’  limit  says  that  an  ideal  wind  turbine  with  no  losses  has  a  theoretical  maximum  efficiency  of  0.593.  The  most  modern  and  efficient  wind  turbines  today  can  reach  around  0.45  to  0.49.  Everything  over  0.5  is  considered  very  good.        

   38  

 Figure  17:  Power  coefficient  versus  tip-­‐speed  ratio  

 

4.5  Qblade    Qblade  is  a  wind  turbine  blade  design  software,  which  uses  Xfoil  coupled  with  the  blade  element  momentum  theory.  XFoil  is  a  code  for  design  analysis  of  subsonic  airfoils.  When  given  airfoil  coordinates,  Reynolds  and  Mach  numbers,  the  software  can  for  example  calculate  the  pressure  distribution  as  well  as  lift  and  drag  characteristics.38        Qblade  allows  for  a  quickly  import  and  design  of  custom  airfoils  and  determine  their  polar,  and  extrapolate  the  polar  data  to  a  range  of  360°.39  With  the  airfoils  and  360°  polar  it  is  possible  to  design  a  blade  and  run  it  in  a  rotor  and  turbine  simulation.  Results  regarding  local  and  global  positions  on  the  blade  are  possible  to  extract  and  compare  for  different  blades.      The  blade  element  momentum  theory  computes  all  the  necessary  aerodynamic  and  load  factors  for  various  Tip  Speed  Ratios  (TSR)  and/or  wind  speeds.  Correction  such  as  the  standard  Prandtl  tip  and  root  loss  corrections  as  well  as  3D  correction  for  blade  cross  flow  effects  have  been  implemented  into  the  BEM  code.  Qblade  also  employ  new  tip  loss  and  new  root  loss  and  foil  interpolation  algorithms.    Introducing  a  Weibull  wind  speed  distribution,  it  is  possible  to  calculate  the  annual  energy  output  of  the  desired  turbines.      

4.5.1  General  Validation  of  Simulation  Results      It  is  important  to  check  the  validity  of  the  simulation  results,  since  the  BEM  method  starts  with  setting  a  number  (usually  zero)  for  the  angular  induction  factor  (a´)  and  the  axial  induction  factor  (a).  For  the  BEM  method,  it  is  assumed  that  the  blade  element  has  radial  independence  and  that  there  is  no  cross  flow  from  one  element  to  another.  To  validate  this  assumption,  the  annulus  averaged  axial  induction  factor  F*a  and  the  circulation  Γ  have  to  be  relatively  constant  along  the  blade.  If  the  annulus  averaged  axial  induction  factor  has  a  large  

   39  

gradient  it  means  that  a  cross  flow  exists  while  a  large  gradient  in  circulation  causes  a  radial  dependent  downwash.  This  validation  should  especially  be  checked  at  the  outer  part  of  the  blade  while  the  turbine  is  operated  at  rated  power.    It  is  also  important  to  check  the  validity  of  the  airfoil  polars.  If  a  polar  made  for  a  different  Reynolds  number  is  used,  the  simulation  results  could  be  inconsistent  with  reality.  If  the  difference  in  Reynolds  number  is  higher  than  10!,  then  a  polar  closer  to  the  Reynolds  number  obtained  in  the  simulation  should  be  used.      

4.6  Javafoil    The  Javafoil  program  is  built  up  using  two  main  methods:    

• Potential  flow  analysis  • Boundary  layer  analysis  

 The  potential  flow  analysis  is  done  through  a  higher  order  panel  method.  When  given  a  set  of  airfoil  coordinates,  the  program  calculates  the  local  and  inviscid  flow  velocities  along  the  surface  of  the  airfoil  at  any  angle  of  attack.    The  boundary  layer  analysis  module  starts  from  the  stagnation  point  and  steps  along  the  upper  and  lower  surfaces  of  the  airfoil.  It  solves  a  set  of  differential  equations  to  find  the  various  boundary  layer  parameters  (integral  method).  The  equations  and  criteria  for  separation  and  transition  are  based  on  the  procedures  described  by  Eppler.    When  supplied  with  an  airfoil  or  coordinates  to  an  airfoil,  the  program  will  examine  it.  It  will  first  calculate  the  distribution  of  the  velocity  on  the  airfoil  surface  to  get  the  lift  and  moment  coefficients.  Then  it  will  calculate  the  behavior  of  the  boundary  layer.  These  data  can  be  used  to  calculate  the  friction  drag.      Javafoil  also  has  a  helpful  function  where  it  is  possible  to  create  an  airfoil  getting  the  airfoil  coordinates,  since  the  program  has  equations  and  functions  to  extract  the  coordinates  from  several  airfoil  families.    

4.6.1  Roughness  analyses      In  Javafoil  it  is  possible  to  perform  a  sensitivity  analysis  of  an  airfoil  where  the  surfaces  are  either  smooth,  NACA  standard  or  rough.  This  roughness  effect  analysis  is  executed  based  on  two  different  models.    

-­‐ Laminar  flow  on  a  rough  surface  will  be  stabilized  leading  to  premature  transition  

-­‐ Laminar  as  well  as  turbulent  flow  on  rough  surfaces  produce  a  higher  skin  friction  drag.    

 

   40  

 The  global  effect  of  roughness  on  the  drag  is  calculated  into  the  total  drag  coefficient      𝐶! =  𝐶!  (1+

𝑟10)  

(35)  

 r  is  the  roughness  factor.  For  a  perfectly  smooth  surface  r  equals  0.  For  a  smooth  but  not  perfect  surface  r  equals  1.  NACA  standard  equals  2  and  for  a  dirty  surface  r  equals  3.    Figure  18  shows  an  example  of  roughness  analysis  where  the  green  line  corresponds  to  a  smooth  surface,  while  the  purple  corresponds  to  a  dirty  surface  (r  =  3).        

 Figure  18:  Influence  of  roughness  on  CL  vs.  Cd  for  an  NACA  4312  airfoil  

 

4.6.2  Limitations40    Javafoil  does  not  model  laminar  separation  bubbles  and  flow  separation,  and  the  results  will  be  inaccurate  if  such  effects  occur.  Since  flow  separation  occurs  at  stall,  it  is  modeled  at  some  extent  with  empirical  corrections  so  that  maximum  lift  can  be  estimated.  Analyses  beyond  stall  will  give  an  inaccurate  result.      When  using  this  roughness  analysis  it  is  reasonable  to  compare  these  results  with  experimental  results.  Javafoil  does  tend  to  show  a  more  positive  lift  coefficient  (as  with  XFoil)  compared  to  experimental  results,  shown  in  Figure  18.  This  is  also  visible  in  the  equation  for  the  drag  coefficient.  Therefore  this  software  was  not  used  in  this  study.  The  reason  for  this  discrepancy  is  that  Javafoil  is  based  on  strictly  empirical  values  when  separation  occurs.  This  can  be  easily  seen  in  Figure  18  as  there  is  no  drop  in  Cl  when  simulated  for  roughness.  

   41  

In  this  project  the  software  was  used  to  build  airfoils  and  check  the  transition  and  separation  points  along  the  chord,  when  analyzing  the  roughness  insensitivity.      

4.7  Flex5        Flex5  is  a  highly  protected  and  licensed  software  developed  by  Stig  Øye  and  DTU.  Therefore,  Statoil  employee,  Andreas  Knauer,  has  performed  all  simulations  presented  in  this  report.  The  authors  of  this  report  have  set  up  all  the  input  files  for  flex5,  after  a  template  given  by  Statoil.      Flex5  is  an  advanced  wind  turbine  simulator  that  accounts  for  every  aspect  of  the  turbine  and  its  surroundings.  For  aerodynamic  calculations,  it  employs  a  heavy  BEM  code.      Flex5  is  dependent  on  input  of  aerodynamic  data,  so  360  degrees  polar  from  Qblade  for  Cl,  Cd  and  Cm  for  each  airfoil  used  in  the  blade  has  to  be  extracted.  Qblade  does  not  calculate  Cm  outside  the  proper  lift  curve,  typically  -­‐2  to  25  degrees,  so  a  standard  value  (flat  plate)  has  to  be  set  for  the  rest  of  the  polar  range.  Flex5  is  also  very  sensitive,  so  all  the  different  airfoils  must  have  the  exact  same  amount  of  polar  points  at  the  same  angle  for  the  360  degrees  polar.      A  text  file  with  the  blade  geometry  has  to  be  created  containing  span  position,  twist  and  chord  for  the  different  airfoils  used  in  the  blade  design.    These  files  are  used  in  Flex5  to  create  the  blade  used  in  Qblade.  An  example  of  a  text  file  geometry  is  shown  in  Appendix  D.      In  Flex5,  simulations  are  executed  with  an  aero-­‐elastic  code  with  conditions  set  by  the  user.  The  time  period  for  the  simulations  is  set  to  either  3600  seconds  (1  hour)  because  of  the  offshore  conditions  or  600  seconds  when  in  turbulence  or  wind  shear.  These  intervals  are  IEC  standards.  The  60  minutes  simulation  is  performed  because  the  largest  significant  wave  height  can  occur  in  this  time  period.  If  the  simulation  period  is  decreased,  these  waves  could  then  easily  be  missed.  For  onshore  wind  turbines,  the  simulation  period  is  shorter.        Design  load  cases  are  simulated  with  different  wind  shear  and  turbulence  intensity.  For  wind  shear,  the  power  exponent  (a)  is  used  to  simulate  different  locations  and  stability  of  the  air.  Different  locations  and  wind  stability  is  shown  for  the  power  exponent  in  Table  6.  

Location   a  Unstable  air  above  open  water  surface   0.06  Neutral  air  above  open  water  surface     0.10  Unstable  air  above  flat  open  coast     0.11  Neutral  air  above  flat  open  coast   0.16  Stable  air  above  open  water  surface   0.27  Unstable  air  above  human  inhabited  areas   0.27  Neutral  air  above  human  inhabited  areas   0.34  Stable  air  above  flat  open  coast   0.40  Stable  air  above  human  inhabited  areas   0.60  

Table  6:  Wind  shear  power  exponent  

   42  

5.  Results    

5.1  Historical  Turbines    With  the  introduction  to  the  historical  aspect  of  wind  turbines,  two  turbines  were  thoroughly  investigated  in  a  literature  study  and  reconstructed  in  Qblade.  With  real  operational  information  about  these  wind  turbines,  a  comparison  between  real  operation  and  Qblade  could  be  made.        

5.1.1  Gedser  Wind  Turbine      Since  the  Gedser  turbine  was  refurbished  in  the  early  1980´s  there  exist  a  lot  of  different  information  about  the  type  of  airfoils  used,  operational  speed  and  power  output.  So  this  simulation  and  corresponding  results  consists  off  the  NACA  4312  and  the  CLARK  Y  airfoils,  which  is  given  in  Figure  19.  The  blade  has  a  length  of  12  m  but  only  9  m  are  used  to  produce  power  as  shown  in  Figure  20.  With  a  chord  of  1.54  m  and  a  linear  twist  from  16  degrees  at  the  root  to  3  degrees  at  the  tip,  the  blade  is  relatively  easy  to  design  and  produce.      

 Figure  19:  NACA  4312  in  red  and  CLARK  Y  in  blue  

 

 

Figure  20:  Gedser  rotor  blade  design  

 

   43  

When  comparing  the  Gedser  turbine  real  operational  numbers  with  results  from  Qblade,  there  were  some  discrepancies.  Table  7  shows  the  difference  between  operational  data  for  the  turbine  and  Qblade  simulations.      

Table  7:  Results  from  Gedser  simulation  

Table  7  shows  that  for  the  simulations,  where  the  airfoil  had  a  smooth  surface,  the  results  are  off  by  9  and  15  %.  Simulations  where  the  airfoil  had  a  rough  surface:  Simulated  roughness  with  a  decreased  Reynolds  number  from  610  000  to  660  000  derived  from  real  Reynolds  numbers  and  forced  transition  at  2  %  of  the  chord,  the  difference  between  operational  power  output  and  simulated  were  5  %  and  1  %.  This  is  a  reasonable  difference  since  there  is  no  information  about  fixed  (mechanical)  and  variable  (electrical)  losses.    The  simulations  ran  with  variable  losses  at  20  %  and  1  kW  in  fixed  losses,  which  is  reasonable  due  to  the  old  technology  and  rotor  design.  CP,  max    given  in  Table  7  includes  losses.      

 Figure  21:  Simulation  of  the  Gedser  turbine  at  15  m/s  

 

Airfoil   Operational     No  roughness     Roughness   Difference     TSR   CP,  max   Wind  speed  m/s  Operational   200  kW         4.4   0.32   8.5  NACA  4312     235  kW   210  kW   15  %,  5  %   4.4,  4.4   0.36,  0.34   8.5,  8.5  CLARK  Y     218  kW   202  kW   9  %,  1  %   4.4,  4.4   0.33,  0.33   8.5,  8.5    

   44  

The  blue  outlined  line  in  the  lower  graph  of  Figure  21  shows  that  the  entire  blade  is  in  stall  at  15  m/s  except  the  blade  tip  (1  m).  At  design  TSR  it  is  only  the  first  meter  of  the  inner  section  that  is  at  stall.  This  is  shown  in  Figure  22  as  the  green  line  increasing  from  3  to  4  m  and  then  decreasing  out  to  the  tip  of  the  blade.      The  blade  has  an  angle  of  attack  ranging  from  14  to  1  degree  (root  to  tip)  at  optimum  TSR  and  from  30  to  5  degrees  at  15  m/s.      As  a  validation  of  the  results  the  circulation  Γ  and  annulus  averaged  axial  induction  were  checked  and  they  stay  somewhat  linear  at  optimum  TSR.    At  15  m/s  the  circulation  is  increasing  and  that  could  be  an  indication  of  a  radial  dependent  downwash  and  that  cross  flow  exists.      

 Figure  22:    Gedser  simulation  at  optimal  TSR  

 

5.1.2  MOD-­‐2  Turbine      The  42.72  meter  long  MOD-­‐2  turbine  blade  consists  of  three  primary  sections:  The  hub,  mid  and  tip  section.  The  mid  and  tip  sections  are  built  using  two  airfoils:  NACA  23028  and  NACA  23012.  The  hub  section  consists  of  an  oval  cross-­‐section.      

   45  

Figure  23  contains  more  profiles  than  the  three  mentioned  above.  Since  the  thickness  and  distance  between  the  two  main  airfoils  is  quite  large,  which  results  in  an  increased  interpolation  and  different  Reynolds  number  along  the  blade,  more  sections  along  the  blade  have  to  be  calculated  for  a  better  result.  Therefore  four  more  sections  were  created  by  manually  interpolating  airfoils  that  resulted  in  section  6,  section  7,  section  8  and  section  9.  Figure  24  shows  the  finished  blade  in  Qblade.            

 Figure  23:  Airfoil  profiles  that  will  make  up  the  design  of  the  blade.  

 Figure  24:  MOD-­‐2  blade  design  

 Comparing  the  results  in  Qblade  with  real  operational  data  for  MOD-­‐2  turbine  there  were  some  differences.  Table  8  shows  that  simulations  where  the  airfoil  had  a  smooth  surface,  the  result  is  off  by  7.5  %  in  power  output,  seen  in  Table  8.  The  simulation  with  a  rough  surface:  simulated  roughness  with  downscaled  Reynolds  number  from  673  000  to  692  000  and  forced  transition  at  2%  of  the  chord,  the  difference  between  the  design  power  and  the  simulated  was  4.8%.  The  simulations  ran  with  5%  variable  losses.      

  Design  power     No  roughness     Roughness   Wind  speed  m/s  

Difference   CP,  max   TSR  

Design   1.06  MW       8.9     0.38   9.41  Qblade     1.14  MW   1.01  MW   8.9,  8.9   7.5%,  4.8%   0.43,  0.38   9.41,  9.41  

   46  

Table  8:  Results  from  simulation  of  MOD-­‐2  turbine  in  Qblade  

 The  Mod-­‐2  simulation  shown  in  grey  in  Figure  25,  is  a  simulation  made  to  get  the  right  rated  power  output  of  2.5  MW  at  the  right  wind  speed  of  12.5  m/s  according  to  references.  The  roughness  and  no  roughness  simulations  under-­‐  and  over-­‐shot  the  rated  power  output  at  the  given  rated  wind  speed:  No  roughness  12  m/s,  roughness  13  m/s.    

 Figure  25:  Simulation  of  MOD-­‐2  turbine  at  8.9  m/s  

   The  graph  located  in  the  lower  right  corner  of  Figure  26  shows  that  the  blade  has  a  Cl/Cd  maximum  at  the  rated  wind  speed,  12.5  m/s.  After  reaching  the  rated  power  output,  the  pitch  regulator  starts  pitching  the  blade  to  keep  the  power  output  stable.        For  the  optimum  TSR  at  8.9  m/s,  the  blade  has  an  angle  of  attack  ranging  from  28  to  0  degrees.      

   47  

 Figure  26:  Simulation  of  the  MOD-­‐2  turbine  at  12.5  m/s  

 

5.2  Blade  Design  Criteria    As  a  standard  base  during  the  blade  design  procedure,  a  spreadsheet  was  developed  (Table  9)  with  stations  at  every  5  m  along  the  span  of  the  blade.  The  resulting  table  is  shown  beneath  with  a  rotational  speed  of  10.5,  a  wind  speed  at  11  m/s  and  an  air  density  of  1.225  kg/m3.  When  developing  the  blades  in  Qblade,  the  only  variables  were  Reynolds  number  and  the  chord,  because  of  constant  wind,  pressure  and  rotational  speed.  The  inflow  angle  minus  the  optimum  AoA  for  each  airfoil  gives  an  accurate  indication  on  how  much  twist  is  needed  at  each  station.  The  initial  chord  length  is  given  by  equation  (34)  and  an  initial  Cl  is  set  for  this  function.                      

   48  

Section  (m)  

Section  number  

V  rel  (m/s)   Rotational  speed  (m/s)  

Inflow  Angle,  β  

Chord    (m)  

Reynolds  number  

Local  TSR    

Cl  (estimated)  

Mach  

2.00   1   11.22   2.20   78.69   12.18   9  399  362   0.20   1.50   0.03  5.00   2   12.30   5.50   63.44   11.11   4  202  169   0.50   1.50   0.04  

10.00   3   15.55   11.00   45.01   8.78   9  399  362   1.00   1.50   0.05  15.00   4   19.83   16.49   33.70   6.89   7  819  773   1.50   1.50   0.06  20.00   5   24.59   21.99   26.57   4.06   6  875  856   2.00   1.50   0.07  25.00   6   29.61   27.49   21.81   4.61   8  726  604   2.50   1.50   0.09  30.00   7   34.77   32.99   18.44   3.93   9  399  362   3.00   1.50   0.10  35.00   8   40.03   38.48   15.95   3.41   9  037  437   3.50   1.50   0.12  40.00   9   45.34   43.98   14.04   3.01   9  399  362   4.00   1.50   0.13  45.00   10   50.69   49.48   12.53   2.69   9  175  362   4.50   1.50   0.15  50.00   11   56.07   54.98   11.31   2.44   9  399  362   5.00   1.50   0.16  55.00   12   61.47   60.48   10.31   2.22   9  247  630   5.50   1.50   0.18  60.00   13   66.88   65.97   9.47   2.19   10  070  745   6.00   1.40   0.20  65.00   14   72.31   71.47   8.75   1.89   9  289  977   6.50   1.50   0.21  70.00   15   77.75   76.97   8.13   1.65   8  723  267   7.00   1.60   0.23  75.00   16   83.20   82.47   7.60   1.45   8  220  745   7.50   1.70   0.24  80.00   17   88.65   87.96   7.13   1.28   7  832  802   8.00   1.80   0.26  

         82.50   18   91.38   90.71   6.91   1.25   7  832  802   8.25   1.80   0.27  Table  9:  Basic  spreadsheet  for  blade  optimization  

 

5.3  Roughness  Insensitivity  Analysis    Table  10  and  Table  11  show  some  of  the  result  from  the  roughness  insensitivity  analysis  with  the  most  relevant  airfoils  ranging  from  smallest  decrease  in  efficiency  to  the  highest  decrease  due  to  roughness  sensitivity.  The  full  sensitivity  analysis  is  shown  in  Appendix  C,  while  all  the  diagrams  for  each  airfoil  can  be  found  in  Appendix  A.    When  the  relevant  airfoils  were  at  Cl,  max  the  wind  turbine  tailored  airfoils  had  a  loss  between  7.09  %  and  22.3  %  while  NACA  airfoils  had  a  loss  between  16.5  %  and  21.6  %.        AIRFOIL   Alfa   Cl,  max   Cd   Cl/Cd  at  Clmax   T.U.,  Clmax   Delta  Cl,max   Reynolds  

FFA-­‐W3-­‐241   27.00   1.61   0.18   8,86   0.02     4  000  000  FFA-­‐W3-­‐241   34.00   1.50   0.28   5,41   0.02   -­‐7.09  %   500  000  FFA-­‐W3-­‐211   16.50   1.71   0.05   32,23   0.02     4  000  000  FFA-­‐W3-­‐211   29.00   1.53   0.25   6,20   0.02   -­‐10.15  %   500  000  FFA-­‐W3-­‐351   39.00   1.56   0.27   5.68   0.02     4  000  000  FFA-­‐W3-­‐351   36.00   1.37   0.28   4.98   0.02   -­‐11.89  %   500  000  FFA-­‐W3-­‐301   37.50   1.60   0.27   6.02   0.03     4  000  000  FFA-­‐W3-­‐301   35.50   1.41   0.28   5.02   0.02   -­‐12.22  %   500  000  NACA  64-­‐621   22.50   1.78   0.13   14.03   0.01     4  000  000  NACA  64-­‐621   23.50   1.48   0.18   8.34   0.02   -­‐16.54  %   500  000  NACA  64-­‐618   20.00   1.84   0.09   20.61   0.01     4  000  000  NACA  64-­‐618   23.00   1.53   0.16   9.34   0.02   -­‐16.67  %   500  000  NACA  63-­‐618   18.50   1.85   0.07   26.58   0.01     4  000  000  NACA  63-­‐618   25.00   1.53   0.20   7.64   0.01   -­‐17.21  %   500  000  NACA  64-­‐612   18.50   1.90   0.06   30.82   0.00     4  000  000  NACA  64-­‐612   16.00   1.49   0.08   19.19   0.02   -­‐21.60  %   500  000  NACA  63-­‐612   17.00   1.90   0.05   40.85   0.00     4  000  000  NACA  63-­‐612   14.50   1.49   0.06   23.43   0.01   -­‐21.63  %   500  000  FFA-­‐W3-­‐401   41.00   1.61   0.22   7.23   0.09     4  000  000  FFA-­‐W3-­‐401   36.00   1.25   0.26   4.74   0.02   -­‐22.31  %   500  000  

Table  10:  Airfoil  roughness  insensitivity  analysis  at  Cl  max  

   49  

At  best  L/D,  the  tailored  wind  turbine  airfoils  had  a  reduction  in  L/D  between  29.9  and  67.6  %  while  the  NACA  airfoils  encountered  a  loss  between  41.3  and  47.3  %.    AIRFOIL   Reynolds                                Alfa  L/D  max                  L/D  max                          T.U.,  L/D  max          Delta  L/D  max  

FFA-­‐W3-­‐401   4  000  000   0.50   13.43   0.28    FFA-­‐W3-­‐401   500  000   -­‐0.50   9.41   0.02   -­‐29.90  %  NACA  63-­‐612   4  000  000   9.00   113.11   0.01    NACA  63-­‐612   500  000   7.00   66.41   0.02   -­‐41.29  %  NACA  64-­‐612   4  000  000   9.00   111.97   0.01    NACA  64-­‐612   500  000   6.50   65.47   0.02   -­‐41.53  %  NACA  63-­‐618   4  000  000   9.50   96.04   0.41    NACA  63-­‐618   500  000   6.00   53.44   0.02   -­‐44.36  %  FFA-­‐W3-­‐211   4  000  000   9.00   96.68   0.30    FFA-­‐W3-­‐211   500  000   7.00   52.17   0.02   -­‐46.03  %  NACA  64-­‐618   4  000  000   8.50   97.61   0.43    NACA  64-­‐618   500  000   5.50   51.62   0.02   -­‐47.12  %  FFA-­‐W3-­‐241   4  000  000   8.50   87.82   0.23    FFA-­‐W3-­‐241   500  000   6.50   42.78   0.02   -­‐51.29  %  FFA-­‐W3-­‐301   4  000  000   7.50   57.27   0.23    FFA-­‐W3-­‐301   500  000   7.00   25.07   0.02   -­‐56.23  %  FFA-­‐W3-­‐351   4  000  000   6.50   31.95   0.02    FFA-­‐W3-­‐351   500  000   7.50   10.35   0.02   -­‐67.60  %  

Table  11:  Roughness  insensitivity  analysis  at  optimal  L/D  

 As  a  result  from  this  airfoil  roughness  insensitivity  analysis,  two  airfoil  families,  the  NACA  63-­‐6XX  and  NACA  64-­‐6XX,  were  chosen  for  further  implementation  in  rotor  blade  design.  These  two  were  chosen,  since  they  have  been  used  on  wind  turbine  blades  before  and  gave  reasonable  results  in  the  roughness  insensitivity  analysis.        

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

   50  

5.4  Qblade  Blade  Design  and  Turbine  Simulation    Three  different  blade  designs  were  developed  with  Qblade.  All  three  blade  designs  consists  of  either  the  NACA  63-­‐6XX  or  the  NACA  64-­‐6XX  airfoil  family  at  the  middle  and  outer  section.  The  difference  in  these  three  designs  is  chord  length,  twist  and  thickness.  

5.4.1  Blade  Design  1      

 Figure  27:  Blade  design  1  showing  profile-­‐,  top-­‐,  iso-­‐  and  top/root-­‐view.  

     Section   Position   Chord   Offset   Twist   Foil   Re/Mach  1   2,000   4,000   0   13,00   Circle   -­‐  2   10,000   5,000   0   8,00   FFA-­‐W3-­‐401   5/0,06  3   20,000   5,500   0   3,00   FFA-­‐W3-­‐351   8/0,07  4   30,000   5,000   0   2,00   FFA-­‐W3-­‐301   10/0,10  5   40,000   4,200   0   1,00   FFA-­‐W3-­‐241   11/0,13  6   50,000   3,600   0   1,00   FFA-­‐W3-­‐211   11/0,17  7   60,000   3,200   0   0,96   NACA64-­‐618   12/0,20  8   70,000   2,830   0   -­‐0,09   NACA64-­‐618   12/0,23  9   75,000   2,660   0   -­‐0,52   NACA64-­‐618   12/0,23  10   80,000   2,410   0   -­‐0,89   NACA64-­‐618   12/0,26  11   80,625   2,292   0   -­‐0,93   NACA64-­‐618   12/0,26  12   81,250   2,000   0   -­‐0,98   NACA64-­‐618   10/0,26  13   81,875   1,500   0   -­‐1,52   NACA64-­‐618   8/0,26  

14   82,500   0,500   0   -­‐1,52   NACA64-­‐618   3/0,26  

Table  12:  Blade  design  1  with  NACA  64-­‐618  and  FFA-­‐W3-­‐XX1.  Position  and  chord  in  meters,  twist  in  degrees,  Re  in  millions.  

     

   51  

   Section   Position   Chord   Offset   Twist   Foil   Re/Mach  1   2.000   4.000   0   13.00   Circle   -­‐  2   10.000   5.000   0   8.00   FFA-­‐W3-­‐401   5/0.06  3   20.000   5.500   0   3.00   FFA-­‐W3-­‐351   8/0.07  4   30.000   5.000   0   2.00   FFA-­‐W3-­‐301   10/0.10  5   40.000   4.200   0   1.00   FFA-­‐W3-­‐241   11/0.13  6   50.000   3.600   0   1.00   FFA-­‐W3-­‐211   11/0.17  7   60.000   3.200   0   -­‐0.04   NACA63-­‐618   12/0.20  8   70.000   2.830   0   -­‐1.1   NACA63-­‐618   12/0.23  9   75.000   2.660   0   -­‐1.52   NACA63-­‐618   13/0.23  10   80.000   2.410   0   -­‐1.89   NACA63-­‐618   12/0.26  11   80.625   2.292   0   -­‐1.93   NACA63-­‐618   12/0.26  12   81.250   2.000   0   -­‐1.98   NACA63-­‐618   10/0.26  13   81.875   1.500   0   -­‐2.52   NACA63-­‐618   8/0.26  

14   82.500   0.500   0   -­‐2.52   NACA63-­‐618   3/0.26  

Table  13:  Blade  design  1  With  NACA  63-­‐618  and  FFA-­‐W3-­‐XX1.  Position  and  chord  in  meters,  Twist  in  degrees,  Re  in  millions.  

 The  blade  starts  (section  1)  at  2  meters,  since  the  hub  radius  is  2  meters.    The  root  (section  1-­‐4)  has  a  design  twist  for  Cl,  max  and  the  rest  of  the  blade  (section  5-­‐14)  a  twist  designed  for  the  optimum  L/D.      The  root  and  mid  chord  are  determined  by  analyzing  available  standard  blade  geometries,  both  visually  and  by  description.  An  empirical  chord  equation  was  also  used  to  determine  the  chord  length  distribution.  The  final  design  is  seen  in  Figure  27.    Blade  design  1  was  tested  with  two  different  airfoils  at  the  mid  and  outer  section  is:  NACA  64-­‐618  (Table  12)  and  NACA  63-­‐618  (Table  13).      Both  of  these  designs  employ  the  FFA  family  at  the  root  and  at  the  opening  mid  section.      The  difference  in  airfoil  selection  at  the  mid  and  outer  section  is  performed  so  it  is  possible  to  see  a  comparison  in  performance  of  a  blade  design  with  NACA  64-­‐618  and  NACA  63-­‐618.  

 

   52  

 Figure  28:  TSR  vs.  CP  rotor  simulation  

 Figure  28  displays  the  blade  with  NACA  64-­‐618  and  NACA  63-­‐618  airfoils  TSR  versus  Cp  in  a  rotor  simulation.    Blade   CP   TSR  NACA  64-­‐618  blade     0.481   7.0  NACA  63-­‐618  blade     0.480   6.8      The  NACA  64-­‐618  blade  is,  as  shown,  outperforming  the  NACA  63-­‐618  blade.  Further,  in  this  report  only  the  NACA  64-­‐618  blade  will  be  displayed  because  of  the  better  performance.    Figure  29  displays  the  lift  coefficient  distribution  along  the  blade  span  for  different  TSR.  The  thick  line  in  Figure  29  is  the  lift  coefficient  for  the  highest  CP  the  blade  reaches.  There  occurs  a  dip  in  the  lift  distribution  at  10  meters  because  of  the  compromise  in  twist  angle.  The  maximum  Cl  is  1.5  and  at  20  m  of  the  blade  span.      

 Figure  29:  Lift  coefficient  distribution  in  rotor  simulation  for  blade  1  with  NACA  64-­‐618  airfoil  

   53  

   Figure  30  displays  the  lift  to  drag  ratio  distribution  over  the  blade  span  in  a  rotor  simulation.  Since  the  blade  is  designed  to  operate  at  Cl,  max  along  the  inner  section,  the  L/D  ratio  at  those  sections  will  be  lower  and  start  to  increase  further  out  along  the  blade  and  stay  reasonably  linear  until  the  tip.  Because  of  tip  loss,  corrected  with  Prandtl’s  tip  loss  correction,  there  is  a  decrease  in  L/D  ratio  at  the  tip.  The  highest  L/D  is  122  and  is  reached  at  65  meters.      

 Figure  30:  L/D  ratio  distribution  in  rotor  simulation  for  blade  1  with  NACA  64-­‐618  airfoil  

 The  Cl/Cd  distribution  displayed  in  Figure  31  has  a  similar  curve  to  the  L/D  ratio  in  Figure  30.  The  difference  between  the  curves  is  because  in  turbine  simulation,  there  is  a  pitch  variable  simulated.      

 

Figure  31:  Cl/Cd  along  the  span  of  the  blade  in  turbine  simulation  for  blade  1  NACA  64-­‐618  airfoil  

The  power  curve  in  Figure  32  displays  how  the  power  is  increasing  until  it  reaches  the  limit  set  at  7  MW  where  the  variable  pitch  starts  to  compensate,  to  

   54  

keep  the  power  output  constant.  The  maximum  power  is  reached  at  wind  speed  11  m/s.  The  pitching  starts  at  10.5  m/s  and  pitches  to  4.5  degrees  at  11  m/s.      

 Figure  32:  Power  output  for  different  wind  speeds  in  turbine  simulation  

 By  simulating  roughness  on  the  blade,  the  Reynolds  number  is  lowered  to    800  000  and  compared  with  the  original  blade.  The  comparisons  are  shown  in  Figure  33  and  Figure  34.      The  bending  moment  on  the  blade  is  displayed  in  Figure  33.  The  highest  bending  moment  for  the  blade  without  any  roughness  simulated  is  22.1  MNm  at  a  wind  speed  at  10.5  m/s.  For  the  rough  simulation  the  bending  moment  is  21.5  MNm  at  11  m/s.    

 Figure  33:  Bending  moment  on  the  blade  at  different  wind  speeds  in  turbine  simulation  

         

   55  

 Figure  34  shows  a  reduction  of  CP  when  roughness  is  simulated  and  also  at  what  TSR  the  maximum  CP  occurs.      

 Figure  34:  CP  vs.  TSR  rotor  simulation  with  and  without  simulated  roughness  on  the  NACA  64-­‐618  

blade  

 The  roughness  simulation  (NACA  64-­‐618  Rough)  has  a  CP  of  0.415  at  7.4  TSR.      To  analyze  the  difference  in  power  output  for  the  two  turbines,  the  annual  yield  is  calculated  from  Qblade.    Turbine   Annual  yield     Loss  due  to  roughness  NACA  63-­‐618  Turbine     40.18  GWh    NACA  63-­‐618  Rough  Turbine     38.40  GWh   -­‐  4.43%        NACA  64-­‐618  Turbine     40.30  GWh    NACA  64-­‐618  Rough  Turbine     38.43  GWh   -­‐  4.59%      

 

                       

   56  

5.4.2  Blade  Design  2          

 Figure  35:  Blade  design  2  showing  profile-­‐,  top-­‐,  iso-­‐  and  2D  profile-­‐view  

     Section   Position   Chord   Offset   Twist   Foil   Re/Mach  1   2.000   4.000   0   13   Circle   -­‐  2   10.000   5.000   0   8   FFA-­‐W3-­‐401   5/0.06  3   20.000   5.500   0   3.00   FFA-­‐W3-­‐351   8/0.07  4   30.000   5.000   0   2.00   FFA-­‐W3-­‐301   10/0.10  5   40.000   4.200   0   1.00   FFA-­‐W3-­‐241   11/0.13  6   50.000   3.633   0   1.00   FFA-­‐W3-­‐211   11/0.17  7   60.000   3.066   0   0.56   NACA64-­‐618   12/0.20  8   70.000   2.500   0   -­‐0.97   NACA64-­‐618   11/0.23  9   75.000   2.200   0   -­‐1.38   NACA64-­‐618   11/0.23  10   80.000   1.600   0   -­‐2.25   NACA64-­‐618   9/0.26  11   80.625   1.400   0   -­‐2.29   NACA64-­‐618   7/0.26  12   81.250   1.200   0   -­‐2.33   NACA64-­‐618   6/0.26  13   81.875   1.000   0   -­‐2.37   NACA64-­‐618   5/0.26  

14   82.500   0.500   0   -­‐2.40   NACA64-­‐618   3/0.26  

Table  14:  Blade  design  2  geometry  with  position  and  chord  in  meters,  twist  in  degrees  and  Reynolds  number  in  millions  

 Blade  2  is  designed  with  the  FFA-­‐W3-­‐XX1  family  at  the  root  and  beginning  of  the  middle  section.  The  rest  of  the  blade  consists  of  the  NACA  64-­‐618  airfoil.  NACA  64-­‐618  was  selected  based  on  the  results  and  comparisons  made  in  Blade  design  1  between  NACA  64-­‐618  and  NACA  63-­‐618.      Since  the  hub  radius  is  2  meters,  the  first  section  begins  at  2  meters  with  a  circular  profile.      

   57  

The  geometry  of  the  chord  is  based  on  standards  from  very  large  commercial  wind  turbine  specification.  The  final  design  is  seen  in  Figure  35.    The  root  section  is  designed  with  a  twist  for  Cl,  max  and  the  rest  of  the  blade  is  twisted  to  get  the  best  L/D  ratio.      Figure  36  show  CP  vs.  TSR  curve  with  a  slight  peak  at  optimum.    

   

Figure  36:  CP  vs.  TSR  rotor  simulation  

 The  blade  has  a  maximum  power  coefficient  CP  of  0.489  at  a  TSR  of  7.40.      Displayed  in  Figure  37  is  the  lift  coefficient  distribution  over  the  blade  span  for  different  TSR.  The  thicker  line  in  Figure  37  is  the  distribution  at  the  highest  TSR  the  blade  reaches.  Maximum  Cl  is  1.5  at  the  radial  position  of  20  m.        

 Figure  37:  Lift  coefficient  distribution  over  the  blade  span  in  rotor  simulation  

   58  

Figure  38  shows  the  lift  to  drag  ratio  distribution  over  the  blade  span.  Since  the  blade  is  designed  to  operate  at  Cl,  max  at  the  inner  section,  the  L/D  ratio  at  those  sections  will  be  lower  and  start  to  increase  further  out  along  the  blade  and  stay  reasonably  linear  until  the  tip.  Because  of  tip  loss,  corrected  with  Prandtl’s  tip  loss  correction,  there  is  a  decrease  in  L/D  ratio  at  the  tip.  The  highest  L/D  is  122  at  62  meters.    

 Figure  38:  L/D  distribution  over  the  blade  span  in  rotor  simulation  

 The  Cl/Cd  distribution  displayed  in  Figure  39  has  a  similar  curve  as  the  L/D  ratio  in  Figure  38.  The  difference  is  that  Figure  39  is  a  turbine  simulation  that  simulates  a  variable  pitch.      

 Figure  39:  Cl/Cd  distribution  over  the  blade  span  in  turbine  simulation  

 The  power  curve  in  Figure  40  increases  until  it  reaches  the  satisfied  power  output  of  7  MW.  At  that  time,  variable  pitch  is  applied  to  keep  a  constant  power  output  and  reduce  the  loads.  The  maximum  power  is  reached  at  a  wind  speed  of  11  m/s.  The  variable  pitch  is  applied  at  10.5  m/s  and  at  11  m/s  it  has  pitched  to  4.4  degrees.    

   59  

 

 Figure  40:  Power  output  for  different  wind  speeds  in  turbine  simulation  

 By  simulating  roughness  on  the  blade,  the  Reynolds  number  is  lowered  to    800  000  and  compared  to  the  original  blade.  The  comparisons  are  shown  in  Figure  41  and  Figure  42.    The  bending  moment  on  the  blade  is  displayed  in  Figure  41.  The  highest  bending  moment  for  the  blade  without  any  roughness  simulated  is  21.0  MNm  at  wind  speed  10.5  m/s.  For  the  rough  simulation  it  is  21.3  MNm  at  11  m/s.        

 Figure  41:  Bending  moment  on  the  blade  with  and  without  roughness  simulated  

   60  

 Figure  42:  CP  vs.  TSR  rotor  simulation  with  and  without  simulated  roughness    

 The  Roughness  simulation  has  a  performance  coefficient  of  0.431  at  8.2  TSR.    That  is  a  decrease  of  13.97%      To  analyze  the  loss  in  power  output  due  to  roughness,  the  annual  yield  is  calculated  with  Qblade.    Turbine   Annual  yield     Loss  due  to  roughness  Blade  turbine     40.48  GWh    Blade  Rough  turbine     38.56  GWh   -­‐  4,74%      

 

                       

     

   61  

5.4.3  Blade  Design  3      A  blade  was  developed  with  two  different  airfoils  at  the  middle  and  outer  sections  due  to  the  need  to  check  the  difference  in  performance  between  NACA  63-­‐6XX  and  64-­‐6XX  series.  The  root  section  consisted  of  the  FFA-­‐W3-­‐XXX  airfoil  family.  For  better  aerodynamic  results,  the  airfoil  thickness  was  decreased  to  12  t/c  for  the  outer  section.  The  final  blade  geometry  is  shown  in  Figure  43.      

 Figure  43:  Blade  and  airfoil  geometry  

 The  chord  geometry  was  designed  after  the  outlines  of  a  standard  large  commercial  rotor  blade  and  the  initial  empirical  chord  equation.  The  final  design  is  seen  in  Figure  43.  The  inner  section  (sections  1-­‐4)  is  optimized  for  Cl,  max  while  the  rest  of  the  blade  (sections  4-­‐20),  is  optimized  for  best  L/D.  The  inner  twists  are  calculated  through  a  spreadsheet  while  the  middle  and  outer  sections  were  initially  optimized  with  the  twist  tool  in  Qblade  and  changed  after  numerous  user  inputs.    Compromises  were  made  regarding  the  change  in  twist  for  L/D  and  Cl,  max  and  the  structural  side  for  an  overall  best  solution.  The  blade  geometry  is  displayed  in  Table  15.                      

   62  

 Section   Position   Chord       Offset   Twist   Foil   Re  /  M  1   2.000   4000   0   40   Circle   -­‐  2   10.000   5500   0   36.5   FFA-­‐W3-­‐401   5  /0.06  3   20.000   5300   0   11.8   FFA-­‐W3-­‐351   8/0.07  4   30.000   4550   0   2.8   FFA-­‐W3-­‐301   10/0.10  5   35.000   4250   0   2.0   FFA-­‐W3-­‐241   11/0.13  6   40.000   4000   0   1.8   FFA-­‐W3-­‐211   11/0.17  7   50.000   3550   0   1.7   NACA  64-­‐618   12/0.20  8   55.000   3300   0   1.5   NACA  64-­‐618   12/0.23  9   60.000   3000   0   0.86   NACA  64-­‐618   12/0.23  10   70.000   2450   0   0.8   NACA  64-­‐612   11/0.26  11   73.000   2280   0   0.8   NACA  64-­‐612   11/0.26  12   76.250   2050   0   0.8   NACA  64-­‐612   10/0.26  13   78.750   1800   0   0.6   NACA  64-­‐612   9/0.26  14   80.000   1600   0   0.6   NACA  64-­‐612   8/0.26  15   81.000   1400   0   0.6   NACA  64-­‐612   7/0.26  16   81.500   1200   0   0.6   NACA  64-­‐612   6/0.26  17   82.200   800   0   0.6   NACA  64-­‐612   5/0.26  18   82.400   400   0   0.6   NACA  64-­‐612   3/0.26  19   82.500   0  

 0   0.6   NACA  64-­‐612   1/0.26  

Table  15:  Blade  geometry  for  the  NACA  64-­‐6XX  where  position,  chord  is  in  meters,  twist  in  degrees  and  Reynolds  number  in  millions  

 The  first  position  on  the  blade  starts  at  2  meters  since  the  hub  is  4  meters  in  diameter.  Figure  44  shows  the  comparison  of  the  two  blades  with  the  64-­‐6XX  airfoils  being  most  efficient  when  comparing  CP  but  this  could  differ  when  comparing  the  annual  yield.        

 Figure  44:  TSR  -­‐  Cp  curve  from  Rotor  simulation    

 Blade   CP   TSR  NACA  64-­‐6XX  blade     0.513   7.6  NACA  63-­‐6XX  blade     0.509   7.6    Since  the  difference  between  the  blades  is  very  small,  only  results  from  the  NACA  64-­‐6XX  blade  will  be  shown.  

   63  

 Figure  45  shows  the  lift  coefficient  along  the  blade  for  the  rotor  simulation  at  different  TSR  and  the  yellow  line  indicates  the  lift  coefficient  at  maximum  CP.  The  drop  in  lift  coefficient  in  the  root  area  is  a  compromise  between  thickness,  inflow  angle  and  twist.        

 Figure  45:  Lift  Coefficient  along  the  NACA  64-­‐6XX  blade  3  rotor  simulation    

 The  yellow  line  in  Figure  46  shows  the  L/D  ratio  at  maximum  CP  along  the  blade  in  rotor  simulation.  From  15  m  the  L/D  increase  from  around  zero  to  118  at    40  m  and  increase  slightly  to  127  towards  the  tip,  before  decreasing  due  to  tip  loss.        

 Figure  46:  L/D  ratio  along  the  span  of  the  NACA  64-­‐6XX  blade  in  rotor  simulation  

   

   64  

The  Cl/Cd  along  the  blade  is  shown  in  Figure  47.  At  70  m  the  blade  has  an  L/D  of  127.  From  40  m  and  out,  the  Cl/Cd  is  somewhat  linear.      

 Figure  47:  Cl/Cd  along  the  blade  span  in  turbine  simulator  

 Figure  48  shows  the  power  curve  for  the  two  blades  in  the  turbine  simulation  with  variable  speed  and  variable  pitch.  The  turbine  produces  energy  at  cut  in  wind  speed,  produces  maximum  output  at  10.4  m/s  until  cut-­‐out  at  25  m/s.  Maximum  CP  is  reached  at  5.4  m/s  and  is  sustained  until  10.3  m/s,  before  decreasing  with  increasing  wind  speed.  The  pitching  of  the  blade  starts  when  CP  decreases  and  just  before  the  turbine  reaches  full  power  output.      

 Figure  48:  Power  curve  in  turbine  simulator  

 The  bending  moment  for  the  blade  is  around  20  MNm  in  the  root  section  at    10.4  m/s,  while  the  roughness  simulated  blade  has  a  slight  increase  in  the  bending  moment.  The  bending  moment  is  measured  where  the  root  is  connected  to  the  hub.  

   65  

 

 Figure  49:  Comparison  of  bending  moment  in  the  root/hub  area  for  blade  with  two  different  airfoil  

families    

 Figure  50  shows  the  difference  with  normal  Reynolds  number  and  forced  transition  at  0.05  %  of  the  chord,  while  the  roughness  simulated  blade  has  Reynolds  number  at  800  000  and  the  same  forced  transition.      

 Figure  50:  Simulations  for  blade  3  with  NACA  63-­‐6XX  and  NACA  64-­‐6XX  airfoil  

 With  Weibull  parameters  k  =  2.2  and  annual  wind  at  12.1  m/s,  the  turbine  produces  40.93  GWh  of  electricity  annually  with  the  NACA  64-­‐6XX  blade.                

   66  

Turbine   Annual  yield     Loss  due  to  roughness  NACA  63-­‐6XX  Turbine     40.914  GWh    NACA  63-­‐6XX  Rough  Turbine     39.05  GWh   -­‐  4.55%        NACA  64-­‐6XX  Turbine     40.93  GWh    NACA  64-­‐6XX  Rough  Turbine     38.98  GWh   -­‐  4.77%      The  NACA  64-­‐6XX  is  therefore  0.3  %  more  efficient  annually  than  the  NACA  63-­‐6XX  blade.  The  roughness  simulation  encountered  a  drop  in  annual  power  generation  of  4.55  %  and  4.77%  for  the  two  blades.        

 

5.5  Flex5    The  simulations  were  performed  to  simulate  normal  operating  conditions  for  offshore  wind  turbines  and  therefore  the  simulations  will  show  significant  differences  in  power  output  compared  to  steady  state  conditions.    For  wind  shear,  the  simulations  were  performed  at  10  m/s,  turbulence  intensity  at  14%  and  with  different  wind  shear  power  exponent  (a),  which  describes  the  location  (terrain)  and  the  stability  of  the  wind.      The  turbulent  simulations  were  performed  at  10  m/s,  wind  shear  power  exponent  (a)  at  0.08  and  turbulence  intensity  at  8  %,  14  %  and  20  %.                                              

   67  

5.5.1  Blade  Design  2    Figure  51  shows  the  power  curve  for  Blade  2  from  steady  state  simulation  in  Flex5.  The  turbine  produces  power  at  4  m/s  and  full  power  output  at  11  m/s.        

 Figure  51:  Power  curve  for  Blade  2  in  Flex5  simulation  

 Figure  52  displays  the  bending  moment  in  the  flap  wise  direction  for  one  blade  on  the  turbine.  The  bending  moment  has  a  maximum  of  24  MNm  at  11  m/s.      

 Figure  52:  Flap-­‐wise  bending  moment  during  a  time  period.    

 

   68  

Figure  53  displays  power  output  with  wind  shear  simulation  at  different  wind  shear  power  exponents  ranging  from  0.08  to  0.20.41  The  wind  speed    (around  10  m/s)  for  the  same  time  period  is  displayed  in  the  graph  as  well  to  give  an  indication  on  how  the  wind  is  behaving  during  different  wind  shear.  The  value  of  the  wind  speed  is  displayed  on  the  right  y-­‐axis,  and  the  value  of  the  power  is  displayed  along  the  left  y-­‐axis.  The  turbine  is  producing  a  maximum  of  7000  kW  but  has  a  maximum  decrease  of  3800  kW  during  heavy  wind  shear.      

 Figure  53:  Wind  shear  simulation  for  power  generation  during  a  time  period  (t)  with  different  wind  

shear  power  exponents  (a)  

 Figure  54  shows  the  bending  moment  flap-­‐wise  over  a  timer  period  with  different  wind  shear  ranging  from  0.08  to  0.20.  The  wind  speed  for  the  same  period  of  time  is  also  displayed  in  the  graph  to  indicate  how  the  wind  is  behaving  during  the  wind  shear.  The  bending  moment  and  wind  speed  are  respectively  given  in  the  left  and  right  y-­‐axis.  The  maximum  bending  moment  almost  reaches  30  000  kNm,  while  the  minimum  bending  is  less  than    9  000  kNm.    

   69  

 Figure  54:  Wind  shear  simulation  for  bending  moment  flap-­‐wise  during  a  time  period  (t)  at  different  

wind  shear  power  exponents  (a)  

 Figure  55  shows  the  power  output  during  turbulence  simulation  over  a  time  period  of  600  seconds.  The  simulation  was  made  at  turbulence  intensities  of  8  %,  14  %  and  20  %.  The  wind  speed  for  the  same  time  period  is  also  displayed  in  the  graph,  to  indicate  how  the  wind  speed  behaves  during  turbulence.  The  power  output  and  wind  speed  are  respectively  displayed  on  the  left  and  right  y-­‐axis.    The  power  output  is  almost  reduced  to  maximum  power  output  (7000  kW)  with  a  significant  reduction  in  power  output  when  the  wind  speed  decreases  due  to  turbulence.  The  largest  reduction  in  power  output  is  for  a  turbulence  intensity  of  20  %  with  a  reduction  of  around  4000  kW,  while  the  8  %  turbulence  intensity  only  decreases  the  power  output  by  around  2700  kW.      

   70  

 Figure  55:  Turbulence  simulation  for  power  output  during  a  time  period  (t)  with  varying  turbulence  

intensities  

 Figure  56  shows  the  flap-­‐wise  bending  moment  during  a  time  period  of  600  seconds.  The  simulation  was  performed  with  turbulence  intensities  of  8  %,  14  %  and  20  %.  The  largest  bending  moment  is  reached  at  31  000  kNm  while  the  smallest  is  around  2500  kNm.      

 Figure  56:  Turbulence  simulation  of  bending  moment  flap-­‐wise  during  a  period  of  time  (t)  with  

varying  turbulence,  compared  to  the  wind  speed  at  the  same  period  of  time  

     

   71  

5.5.2  Blade  Design  3    Figure  57  shows  the  power  curve  for  blade  3  in  Qblade  and  Flex5  and  blade  2  from  Flex5.  The  three  power  curves  follow  the  same  pattern  where  results  from  Qblade  are  more  positive  than  Flex5  results.  At  4  m/s  they  all  give  the  same  power  output  while  they  reach  full  power  output  at  slightly  different  wind  speeds.          

 Figure  57:  Comparison  of  power  curve  of  blade  2  and  3  from  Qblade  and  Flex  5  

 Figure  58  shows  the  power  output  at  different  turbulence  intensities.  When  the  wind  speed  increases,  the  power  output  will  be  reduced  to  7000  kW  by  pitching,  while  when  the  wind  speed  decreases,  the  power  output  is  reduced.  The  highest  turbulence  intensity  decreases  the  power  output  by  almost  4000  kW  while  the  lowest  turbulence  intensity  only  decreases  the  power  output  by  3000  kW.      

   72  

 Figure  58:  Power  output  for  blade  3  for  different  turbulence  intensities  

 Figure  59  shows  the  power  output  for  different  wind  shear  simulations.  As  with  the  turbulence  simulation,  the  maximum  power  output  is  reduced  to  7000  kW.  When  the  wind  speed  is  reduced,  the  power  output  decreases.  The  largest  decrease  is  similar  for  all  wind  shear  power  exponents,  with  a  decrease  of  almost  3000  kW.      

 Figure  59:  Power  output  for  blade  3  for  different  wind  shear  

 Figure  60  shows  the  flap-­‐wise  bending  moment  for  different  turbulence  intensities.  For  a  turbulence  intensity  of  20  %  the  bending  moment  peaks  at    30  000  kNm  and  with  the  lowest  bending  moment  at  5  000  kNm.    

   73  

 Figure  60:  Flap  wise  bending  moment  for  different  turbulence  intensities  

 Figure  61  shows  the  flap-­‐wise  bending  moment  for  different  wind  shear  power  exponents.  The  largest  bending  moment  is  at  27  000  kNm  while  the  smallest  is  around  9  000  kNm.      

 Figure  61:  Flap-­‐wise  bending  moment  for  different  wind  shear  simulations  

         

   74  

6.  Discussion  

6.1  Historical  Turbines    The  historical  turbines  show  a  similar  production  of  electricity  compared  to  existing  operational  data  and  also  show  that  Qblade  is  a  reliable  wind  turbine  simulator  with  somewhat  accurate  results.    

6.1.1  Gedser  Wind  Turbine    The  results  from  Qblade  compared  to  actual  operational  figures  from  the  Gedser  wind  turbine  prove  sufficient  when  roughness  is  taken  into  account.  At  15  m/s  the  roughness  decreases  the  power  output  by  25  kW  for  the  NACA  4312  while  the  roughness  on  the  CLARK-­‐Y  airfoil  decreases  power  by  16  kW.  At  optimum  TSR,  the  loss  in  power  output  due  to  roughness  is  minimal.      With  roughness  both  airfoils  have  acceptable  solutions  compared  to  operational  data  and  it  is  therefore  reasonable  to  conclude  that  the  real  life  turbine  ran  with  surface  roughness,  which  decreased  the  power  output.  What  also  decreased  its  efficiency  were  the  stays  that  held  the  turbine  blades  together  and  probably  the  low  aspect  ratio  of  the  blade  resulting  in  more  induced  drag.  The  stays  that  held  the  rotor  together  are  comparable  to  struts  that  support  airplane  wings  attached  to  the  fuselage,  and  are  an  important  drag  factor,  which  has  been  taken  into  account  for  in  variable  losses.      

6.1.2  MOD-­‐2  Turbine      Dividing  the  blade  into  more  sections  than  just  the  airfoil  sections  in  the  design  allowed  a  better  result,  because  of  the  increased  amount  of  Xfoil  analysis  being  executed  for  the  different,  now  increased,  sections  of  the  blade.  In  this  case,  where  the  chord  and  twist  are  decreasing/increasing  linearly  with  span,  the  differences  in  the  results  between  the  blade  with  more  sections  and  the  blade  with  fewer  sections  was  not  that  large  (Figure  62).  The  increased  accuracy  of  the  result  was  not  significant  enough  compared  to  the  time  spent  making  the  sections  and  the  multiple  extra  analyses  in  Xfoil.    

   75  

 Figure  62:  Simulation  of  MOD-­‐2  with  and  without  interpolated  sections    

 The  hub  section  with  the  oval  cross-­‐section  profile  was  not  a  normal  airfoil  and  had  to  be  customized  in  Javafoil  and  Qblade  after  the  description  in  MOD-­‐2  reference  document.42  The  accuracy  of  the  design  of  this  profile  can  not  be  assured  and  might  have  altercations  in  the  final  results.      The  result  from  Qblade  compared  to  the  actual  designed  results  from  the  MOD-­‐2  turbine  proves  to  be  sufficient  when  taking  the  roughness  into  account.  The  power  output  does  not  vary  that  much  between  the  simulations  with  and  without  roughness.  The  same  goes  for  the  difference  in  the  rated  wind  speed.  The  maximum  system  power  coefficient,  CP,max,  has  a  notable  difference:  Roughness:  0.38,  no  roughness  0.43  and  the  design  result  is  0.38.      A  difference  between  the  simulations  and  the  real  turbine  is  that  the  real  turbine  pitch  regulation  only  regulated  30%  of  the  outer  portion  of  the  blade,  while  the  simulations  were  done  with  the  whole  blade  pitching  to  perform  at  the  rated  power  through  to  the  cut  out  wind  speed.  This  may  have  some  altercations  on  the  blade  performance  and  power  output  and  it  does  not  seem  to  be  a  function  to  just  regulate  the  tip  of  the  blade  in  Qblade.      

   76  

The  results  from  Qblade  were  also  validated  through  analyzing  the  circulation  and  annulus  average  axial  induction  confirming  that  they  were  somewhat  linear  and  had  no  excessive  irregularities.      

6.2  Roughness  Insensitivity  Analysis      For  the  roughness  insensitivity  analysis  there  were  no  data  to  compare  the  results  with,  merely  since  roughness  analysis  is  a  very  experimental  part  of  aerodynamics  and  the  theoretical  aspect  is  done  with  empirical  values.  With  this  in  mind,  two  different  values  for  Reynolds  number  were  chosen  for  all  the  airfoils  with  a  forced  transition  at  5  %  of  the  chord.  Since  all  the  airfoils  then  had  the  same  parameter  input,  it  was  possible  to  see  the  difference  in  sensitivity  and  thus  see  which  had  the  best  roughness  insensitivity.  Therefore,  these  simulations  shall  not  be  compared  to  real  experimental  testing  with  actual  roughness  incorporated  on  the  airfoil.    It  is  only  an  estimate  on  the  airfoils  behavior  with  a  thicker  boundary  layer,  simulating  a  rough  surface.      What  the  results  show  is  only  the  difference  between  the  airfoils  that  were  investigated  and  can  not  be  compared  to  any  operational  conditions.  For  real  operational  conditions,  the  decrease  in  efficiency  can  either  be  more  or  less  than  the  predictions  from  the  simulations  with  low  Reynolds  number  and  forced  transition.      

6.3  Qblade    

6.3.1  Blade  Design  1      The  blade  was  designed  to  be  cost  friendly  and  as  efficient  and  stable  as  possible.  Designing  the  blade  with  a  longer  chord  length  at  the  tip,  it  will  reduce  cost  by  not  being  necessary  to  reinforce  the  blade  structurally,  since  it  is  thicker  allowing  it  to  withstand  a  higher  bending  moment.  A  standard  commercial  blade  design  inspired  the  rest  of  the  blade  chord  geometry.    The  twist  was  determined  by  selecting  the  blade  to  reach  Cl,max  from  section  1-­‐4  and  to  optimize  the  rest  of  the  blade  for  the  highest  L/D  ratio.  Making  the  optimization  in  Qblade  for  these  sections,  the  blade  had  a  tendency  to  get  a  wavy  twist,  since  the  twist  for  every  section  was  very  inconsistent.  Making  the  blade  as  realistic  and  constructible  as  possible,  the  twist  hade  to  be  compromised  and  changed  to  get  an  even  and  smooth  twist  as  displayed  in  Table  12.  The  consequence  of  this  compromise  is  shown  in  Figure  29,  were  the  lift  coefficient  dips.  The  same  consequence  can  be  seen  in  the  L/D  ratio  (Figure  30)  and  Cl/Cd  graph  (Figure  31).  Another  solution  could  be  to  change  to  another  airfoil  that  would  have  another  Cl,max  at  the  twist  set  for  the  blade.  But  limitations  in  available  airfoils  made  this  impossible,  without  losing  thickness  in  the  root  or  getting  an  enormous  chord  length.      Between  radial  sections  7  and  14  the  airfoil  NACA  64-­‐618  was  selected  to  be  the  best  fit,  by  analyzing  Table  11.  The  NACA  64-­‐618  and  NACA  63-­‐618  had  a  similar  characteristic  and  performance,  so  both  these  airfoils  were  tested  for  this  blade  

   77  

design.  After  the  Qblade  simulations  the  result  was  that  NACA  64-­‐618  was  a  better  fit  for  this  design  and  NACA  63-­‐618  was  excluded  from  the  graph  results.      The  difference  in  the  L/D  and  Cl/Cd  maximum  is  because  of  the  different  simulations  modes  they  were  extracted  from.  The  L/D  is  simulated  in  the  rotor  simulation  and  compared  to  the  highest  TSR,  while  the  Cl/Cd,  simulated  in  the  turbine  simulation,  is  compared  to  the  wind  speed  at  maximum  power  output.  Since  the  power  output  is  set  to  be  maximum  7  MW,  the  variable  pitch  is  applied  when  reaching  this  output.  Instead  of  the  blade  accelerating,  the  variable  pitch  twists  the  blade  to  the  decreased  Cl/Cd  that  keeps  the  blade  at  the  7  MW  limit  (Figure  31  and  Figure  32).    If  the  variable  pitch  were  not  used,  the  blade  would  have  to  be  stall  regulated  or  shut  down  to  not  reach  too  high  rotational  speeds,  which  would  increase  the  stress  on  the  blade  structure  and  eventually  lead  to  failure.      The  variable  pitch  also  starts  to  pitch  the  blade  before  the  rated  wind  speed  of    11  m/s  is  reached,  to  avoid  high  thrust.      The  blade  station  polar  curves  were  changed  to  a  Reynolds  number  of  800  000  in  order  to  simulate  roughness.  The  blade  was  then  compared  to  the  original  blade  to  check  how  sensitive  the  blade  design  was  to  roughness.  This  comparison  was  also  made  for  the  NACA  63-­‐618  blade.  The  roughness  simulation  gave  the  blade  a  lower  performance  coefficient,  lower  bending  moment  and  a  lower  annual  yield.  The  rough  blade  also  reached  the  7  MW  limit  at  a  higher  wind  speed,  11.5  m/s.      These  are  obvious  outcomes,  since  a  lower  Reynolds  number  increases  the  thickness  of  the  boundary  layer,  thus  simulating  rough  surface,  which  leads  to  a  reduction  in  L/D  and  Cp.  The  difference  in  annual  yield  between  the  rough  blade  and  the  original  blade  is  4.74%.  Noticeable  is  that  the  NACA  63-­‐618  blade  has  a  lower  decrease  when  simulating  roughness.  It  had  a  decrease  of  4.43%  in  annual  yield  when  simulating  roughness.      From  this  perspective,  the  NACA  63-­‐618  blade  is  preferable,  but  it  still  has  a  0.2  %  lower  annual  yield,  a  higher  bending  moment  requiring  the  blade  to  be  more  structurally  reinforced,  thereby  getting  a  higher  weight  and  load  including  a  higher  cost  to  build  the  blade.    

6.3.2  Blade  Design  2    This  blade  design  is  a  modification  of  blade  design  1.    The  whole  blade  geometry  design  is  inspired  by  standard  commercial  rotor  design.  Reducing  the  chord  length  at  the  outer  sections  (section  10-­‐14)  presented  a  blade  with  a  sharper  more  distinguished  tip  (Figure  35).  43  Since  the  tip  only  has  to  take  up  its  own  bending  moment  and  forces  there  was  no  need  to  keep  the  chord  as  long  as  in  blade  1.        

   78  

As  in  blade  design,  1  the  twist  is  set  to  come  as  close  to  Cl,  max  as  possible  at  the  inner  sections  and  to  give  a  maximum  L/D  ratio  at  the  rest  of  the  blade.  There  had  to  be  some  compromises  with  the  twist  angle  at  the  inner  sections  to  get  an  as  smooth  and  realistic  twist  as  possible.  The  consequence  of  this  compromise  can  be  seen  in  Figure  37,  were  there  occurs  a  dip  in  the  lift  coefficient  at  10  meter  span  length.      Since  the  NACA  64-­‐618  in  blade  design  1  was  outperforming  the  NACA  63-­‐618,  the  decision  was  made  to  stay  with  NACA  64-­‐618  in  this  blade  design.      By  reducing  the  chord  at  the  tip,  the  performance  coefficient  increased  to  0.489.  However,  instead  of  having  smooth  performance  to  tip  speed  ratio  curve,  the  curve  gets  a  little  peak  at  TSR  7.2  –  7.6.  The  reason  for  the  sudden  peak  in  performance  is  the  reduction  in  chord  lengths  at  the  tip,  which  will  decrease  the  Reynolds  number  according  to  equation  2.  Altering  the  twist  held  the  peak  down  to  a  minimum  but  at  a  cost  of  a  lower  CP.  Eliminating  a  peak  will  allow  the  blade  to  have  a  larger  interval  of  TSR  to  be  active  without  any  power  peaks,  and  it  would  therefore  be  more  insensitive  to  wind  gusts.        Blade  2  has  its  advantages  and  disadvantages  comparing  it  to  blade  1.  Blade  2  has  a  higher  annual  yield,  higher  performance  coefficient,  lower  bending  moment  and  lower  thrust,  which  all  play  in  the  advantages  of  blade  2.  However,  when  analyzing  the  roughness  simulation,  blade  2  has  a  bigger  decrease  in  annual  yield  (5.06  %)  than  blade  1  (4.74  %).    This  indicates  that  blade  1  has  better  roughness  insensitivity,  but  blade  2  is  still  outperforming  blade  1  nonetheless.      

6.3.3  Blade  Design  3    The  CP  –  TSR  curve  shows  a  peak  around  7.6  TSR.  The  reason  for  this  is  a  rapid  increase  in  performance  at  this  certain  TSR.  Where  this  sudden  rise  of  performance  happens  along  the  blade  span  is  not  known  and  this  increase  can  therefore  be  considered  all  along  the  blade.  Also,  the  chord  distribution  along  the  span  could  have  a  large  impact  on  the  CP  -­‐TSR.  A  longer  chord  towards  the  tip  would  probably  make  the  CP  –  TSR  line  a  lot  smoother,  but  the  peak  would  then  be  decreased.      Why  this  blade  has  a  high  annual  yield  is  because  of  the  steady  state  simulations.  A  real  turbine  will  probably  encounter  problems  keeping  the  blade  at  its  optimum  TSR,  because  of  varying  wind  speeds,  so  the  real  performance  would  probably  be  lower.      The  power  curve  (Figure  48)  looks  quite  similar  to  conventional  commercial  power  curves  seen  in  Figure  6  but  the  difference  is  that  the  commercial  power  curve  is  not  so  steep  towards  rated  power.  This  is  probably  because  the  turbine  starts  to  pitch  somewhere  before  it  reaches  full  power  output  in  order  to  decrease  loading.      

   79  

When  the  twist  of  the  blade  was  calculated  some  limitations  occurred.  Qblade  only  optimizes  for  the  best  L/D  and  stall  at  a  given  TSR.  With  the  middle  and  outer  blade  optimized  for  L/D,  the  inner  section  had  no  good  solution  for  optimization.  The  root  section  was  therefore  optimized  with  calculations  from  the  spreadsheet  and  a  usable  solution  was  chosen  for  the  blade  with  concerns  for  the  structural  and  cost  limitations  to  twist.  The  middle  and  outer  sections  have  a  very  linear  twist  and  this  blade  is  therefore  very  cost  and  design  friendly,  while  having  a  very  good  aerodynamic  efficiency.      L/D  does  tend  to  vary  a  bit  along  the  span  of  the  blade.  The  reason  for  these  changes  is  different  airfoil  geometry  and  different  Reynolds  number  interpolating  between  each  other.  Trying  to  get  these  to  be  linear  along  the  span  is  very  iterative  and  time  consuming.  The  final  result  is  therefore  acceptable.      The  bending  moment  is  somewhat  high,  but  in  line  with  other  blades  that  have  been  investigated.      With  the  industry  operating  with  a  blade  performance  between  0.45  and  0.5,  blade  design  3  shows  a  very  promising  performance  coefficient  at  0.513,  which  is  higher  than  for  blade  designs  1  and  2.      

6.4  Flex5      Flex5  is  very  sensitive  regarding  the  input  parameters  of  aerodynamic  data.  When  developing  airfoil  polars  in  Qblade,  there  was  no  convergence  for  certain  angles,  and  this  happened  at  different  angles  for  different  airfoils.  Therefore,  if  one  airfoil  did  not  have  a  certain  angle,  the  same  angle  sshad  to  be  deleted  from  the  other  airfoils.  This  resulted  in  less  accurate  aerodynamic  data,  especially  in  the  -­‐2  to  25  degree  range  where  this  is  very  important.      The  inner  airfoils,  FFA-­‐W3-­‐401  and  FFA-­‐W3-­‐351,  never  seemed  to  work  in  Flex5  and  were  therefore  skipped  during  the  simulations.  Instead,  the  simulations  ran  with  30  t/c  interpolating  with  the  cylinder  at  the  root.  This  solution  was  acceptable  since  the  power  production  is  minimal  at  this  area  of  the  blade.  The  reason  why  the  airfoils  were  not  approved  is  uncertain,  but  since  they  were  up-­‐scaled  from  24  t/c,  there  could  be  some  faulty  geometry.      Flex5  allows  for  simulations  with  wind  shear  and  turbulence,  which  Qblade  did  not.  This  would  give  an  indication  on  how  the  turbine  and  the  blades  would  behave  during  a  more  realistic  state.  These  graphs  are  displayed  in  Flex5  results  and  in  Appendix  E.      Figure  63  shows  the  performance  coefficient  versus  the  wind  speed  for  blade  2  and  3.  The  performance  coefficient  has  a  narrow  peak  with  blade  2  actually  having  a  higher  CP  than  blade  3.  For  Qblade,  the  results  were  opposite.  The  reason  for  this  sudden  change  is  because  of  the  generator  used  in  the  Flex5  simulation.  A  normal  5  MW  generator  were  up-­‐scaled  to  7  MW  and  variable  and  fixed  losses  do  tend  to  make  some  discrepancies  in  the  results.  Figure  63,  which  

   80  

rely  on  the  generator  power  output,  will  then  show  results  that  are  not  correct.  Since  the  power  curve  for  blade  2  shows  a  peak  above  7  MW,  because  of  generator  misbehavior,  it  will  then  also  have  better  performance.  In  reality,  blade  3  will  have  a  better  performance,  as  stated  in  Qblade.      

 Figure  63:  Cp  vs  wind  speed  for  blades  2  and  3  in  Flex5  

 

6.4.1  Blade  Design  2    The  power  curve  in  Figure  51  shows  a  detailed  and  accurate  picture  of  the  turbine  behavior.  The  power  curve  shows  a  slight  overproduction  when  the  turbine  reaches  maximum  power  output.  The  simulations  are  run  with  an  up-­‐scaled  5  MW  generator  with  fixed  and  variable  losses.  Because  of  this  up-­‐scale  of  the  generator,  it  will  generate  discrepancies  in  the  power  curve,  such-­‐as  rapid  power  increase  and  overproduction.  A  real  overproduction  could  damage  the  generator  and  put  more  loading  on  the  whole  turbine.  An  easy  way  to  decrease  a  real  overproduction  is  to  start  pitching  the  blades  a  bit  earlier.        The  flap  wise  bending  moment  for  the  steady  state  simulation  in  Figure  52  shows  a  maximum  moment  of  24  MNm  at  11  m/s,  which  differs  compared  to  the  simulation  in  Qblade.  In  the  Qblade  simulation,  the  bending  moment  reached  a  maximum  of  21  MNm  at  10.5  m/s  and  17  MNm  at  11  m/s.  The  reason  for  this  difference  is  that  in  Qblade,  the  variable  pitch  starts  to  pitch  the  blade  at    10.5  m/s  to  avoid  peaks  in  the  power  output,  but  in  Flex5  it  seems  to  not  start  pitching  until  the  rated  wind  speed  is  reached,  and  therefore  getting  a  peak  in  power  output  (Figure  51),  and  the  maximum  bending  moment  at  that  wind  speed.  The  oscillations  that  occur  in  Figure  52  are  probably  because  of  tower  shadow  and/or  wind  shear  being  simulated.  Tower  shadow  is  a  more  common  problem  for  a  downwind  turbine,  nonetheless  it  occur  on  an  upwind  turbine  as  well.  It  occurs  when  the  wind  starts  to  bend  upstream  of  the  tower  before  passing  it.  The  theory  is  backed  up  by  the  fact  that  the  oscillation  occurs  10  to  11  

   81  

times  per  minute  at  rated  wind  speed,  which  is  the  rotational  speed  of  the  turbine.    Since  this  graph  only  covers  one  of  the  three  blades,  it  seems  to  coincide  with  this  theory.      Comparing  Figure  53  to  the  power  output  from  the  steady  state  in  Figure  51,  it  is  clear  that  wind  shear  has  a  big  effect  on  the  power  output.  When  the  wind  speed  decreases  due  to  wind  shear,  the  power  output  decreases  as  well  with  a  small  delay  between  the  two.  However,  as  long  as  the  wind  is  over  the  rated  wind  speed  of  11  m/s,  the  power  output  is  somewhat  stable  as  seen  in  the  simulation  at  280  to  320  sec.      Different  wind  shear  power  exponents  for  the  different  wind  shear  simulations  did  not  have  any  major  effects  on  the  power  output  but  there  would  be  a  considerable  difference  in  power  output  when  the  blade  is  at  the  top  rotor  position  versus  the  bottom  position.      Wind  shear  in  Figure  54  shows  that  the  variety  in  different  wind  speeds  has  a  major  effect  on  the  flap  wise  bending  moment,  which  is  frequently  changing  during  the  simulation  between  10  and  30  MNm.      The  turbulence  simulations  had,  as  well  as  the  wind  shear  simulation,  a  major  effect  on  the  power  output,  compared  to  the  steady  state  power  output  in  Figure  51.  Very  seldom  was  the  turbine  producing  a  steady  power  output,  which  became  even  more  rare  when  the  turbulence  intensity  increased  from  8  to  20  %.  The  turbulence  simulation  differs  from  the  wind  shear  in  how  the  different  turbulence  intensities  seem  to  give  very  different  power  outputs.      

6.4.2  Blade  Design  3    As  blade  design  2,  this  design  also  used  the  up-­‐scaled  5  MW  generator,  which  gave  some  discrepancies  in  the  results.  In  the  power  curves  for  steady  state,  the  power  curve  looks  good  until  it  nearly  reaches  full  power  output.  The  power  starts  to  oscillate  before  it  produces  full  power  output.  This  is  probably  due  to  of  the  generator  as  it  is  not  a  normal  physical  behavior.      For  the  power  curve  from  the  turbulence  simulations  there  exist  short  periods  of  overproduction,  when  turbulence  rapidly  increases  the  wind  speed.  This  overproduction  is  probably  because  the  simulation  used  a  standard  pitch  controller,  which  did  not  react  fast  enough  to  the  change  in  wind  speed.  For  a  turbulence  intensity  at  8  %,  a  reasonable  maximum  constant  power  output  was  achieved,  but  at  a  higher  turbulence  intensity,  the  turbine  had  difficulties  keeping  a  constant  output.      For  the  wind  shear  simulation  the  results  did  not  differ  between  the  different  wind  shear  simulations,  as  opposed  to  the  turbulence  simulation.  The  turbine  has  certain  short  periods  of  overproduction  and  this  could,  as  with  the  turbulence  case,  be  because  of  the  standard  pitch  controller  used.    

   82  

The  flap-­‐wise  bending  moment  was  as  high  as  30  000  kNm  during  the  turbulence  simulation  while  only  27  000  kNm  for  the  wind  shear  simulation.  This  high  bending  moment  is  reasonable  but  could  be  higher  than  normal  because  of  the  slow  pitch  controller  and  the  resulting  overproduction.  The  smallest  bending  moment  occurred  during  turbulence  simulation,  at  almost  5000  kNm.    The  thrust  during  steady  state  at  10  m/s  is  around  1300  kN  while  for  wind  shear  it  had  a  minimum  of  950  kN  and  maximum  of  1550  kN.  The  thrust  also  encountered  high  fluctuations  during  wind  shear.  This  is  probably  because  of  the  different  wind  speeds  on  the  top  of  the  rotor  in  respect  to  the  lower  area.  The  thrust  for  turbulence  simulation  reached  1650  kN,  also  with  high  fluctuations  over  the  wind  speed.      The  torque  produced  during  steady  state  conditions  (10  m/s)  was  5250  kNm  while  during  turbulence  and  wind  shear  simulations  the  turbine  kept  a  steady  torque  around  6600  kNm.      

6.5  Comparison  of  Qblade  and  Flex5    Table  16  shows  the  difference  between  the  output  from  Qblade  and  Flex5.  This  table  indicates  that  Flex5  and  Qblade  give  fairly  the  same  output  during  simulations,  but  it  has  to  be  kept  in  mind  that  the  difference  is  because  of  the  differences  in  steady  state,  turbulence  and  wind  shear  simulation.  The  thrust  and  bending  moment  are  a  bit  higher  in  Flex5,  probably  because  of  the  up-­‐scaled  generator  giving  a  higher  CP  for  blade  2  and  a  bit  lower  CP  for  blade  3  and  because  of  turbulence  and  wind  shear  simulation.      The  only  numbers  that  have  an  extraordinary  difference  is  the  torque.  These  numbers  are  off  by  around  6  millions.  This  is  a  significant  value  and  could  indicate  exponent  fault  in  Qblade  output,  because  of  the  similar  value  or  an  extreme  difference  in  torque.    

 Blade  2    

   Blade  3    

   

Qblade     Flex5      

Qblade   Flex5  Power    output  (MW)   7   7  

 7   7  

Thrust  (MN)   1.13   1.6    

1.1   1.5  Torque  (MNm)   0.8   6.8  

 0.79   6.8  

Bending  moment  (MNm)   21   28    

20   27  Annual  Yield  (GWh)   40.48   -­‐  

 40.93   -­‐  

Cp  max   0.489   0.51    

0.513   0.5  

                       Table  16:  Qblade  and  Flex5  output  comparison  

     

   83  

7.  Conclusion      Qblade  has  proved  to  be  accurate  as  a  wind  turbine  simulation  tool,  comparing  it  to  historical  turbines  and  comparing  new  blade  designs  with  professional  software.  There  exist  some  differences  compared  to  Flex5  but  this  is  expected  from  free  software.      The  NACA  63-­‐6XX  and  especially  the  64-­‐6XX  were  selected  as  the  best  airfoils,  since  they  had  the  best  L/D  ratio  and  reasonable  roughness  insensitivity.      The  blades  designed  in  this  project  can  be  seen  as  an  initial  design  for  a  blade  design  for  a  large  wind  turbine.  They  give  a  fairly  good  indication  on  how  they  would  perform  during  steady  state,  turbulence  and  wind  shear  operation.    The  blades  generate  enough  power  to  produce  7  MW  and  blade  2  and  3  have  a  very  high  performance  coefficient  (0.49  to  0.5)  compared  to  large  commercial  wind  turbines  (0.45  to  0.48).  

 

 

 

 

 

 

 

 

   

   84  

8.  Further  work      These  blade  designs  were  made  with  limited  time  available.  It  should  be  noted  that  these  designs  would  only  prove  as  an  initial  design  for  further  analyses.  Further  iterations  should  be  performed  to  get  the  best  possible  result.    The  airfoil  catalogue  should  be  extended  to  include  more  high  performance  airfoil  families  and  the  missing  tailored  airfoil  families.  Many  of  the  thick  airfoils  are  up-­‐scaled  versions  and  should  be  replaced  with  the  original  geometry.      Experimental  tests  should  be  performed  on  the  selected  airfoils  for  further  investigations  on  roughness  insensitivity,  in  order  to  validate  the  analytic  results  from  the  airfoil  catalogue.      During  the  design  of  these  blades,  no  structural  limitations  for  the  design  have  been  considered.  An  extensive  structure  analysis  has  to  be  performed  for  the  blades.        The  blades  should  also  be  tested  to  withstand  the  offshore  IEC  design  load  cases.                                                            

   85  

Appendix  A  

 Airfoil  Catalogue      

 A  1:  DU91-­‐W2-­‐250  

       

 A  2:  DU91-­‐W2-­‐210  

 

   86  

 A  3:  DU91-­‐W2-­‐300  

     

 A  4:  DU91-­‐W2-­‐400  

   87  

 A  5:  DU93-­‐W-­‐210  

       

 A  6:  DU93-­‐W-­‐300  

 

   88  

 A  7:  DU93-­‐W-­‐400  

         

 A  8:  FFA-­‐W3-­‐211  

   89  

 A  9:  FFA-­‐W3-­‐241  

       

 A  10:  FFA-­‐W3-­‐301  

   90  

 A  11:  FFA-­‐W3-­‐351  

         

 A  12:  FFA-­‐W3-­‐401  

   91  

 A  13:  NACA  63-­‐612  

       

 A  14:  NACA  63-­‐614  

   92  

 A  15:  NACA  63-­‐615  

         

 A  16:  NACA  63-­‐616  

   93  

 A  17:  NACA  63-­‐618  

       

 A  18:  NACA  63-­‐621  

   94  

 A  19:  NACA  63-­‐624  

       

 A  20:  NACA  63(2)-­‐615  

   95  

 A  21:  NACA  63(2)A-­‐015  

       

 A  22:  NACA  63(3)-­‐618  

   96  

 A  23:  NACA  63(4)-­‐421  

         

 A  24:  NACA  64-­‐612  

   97  

 A  25:  NACA  64-­‐614  

         

 A  26:  NACA  64-­‐615  

   98  

 A  27:  NACA  64-­‐616  

         

 A  28:  NACA  64-­‐618  

   99  

 A  29:  NACA  64-­‐621  

         

 A  30:  NACA  64(1)-­‐212  

   100  

    A  31:  NACA  64(2)-­‐215    

         

 A  32:  NACA  64(2)-­‐415  

   101  

 A  33:  NACA  64(3)-­‐218  

       

 A  34:  NACA  64(3)-­‐418  

   102  

 A  35:  NACA  64(3)-­‐618  

         

 A  36:  NACA  64(4)-­‐421  

   103  

 A  37:  NACA  63-­‐430(V)  

         

 A  38:  DU93-­‐W-­‐350  

 

   104  

Appendix  B    

Use  of  Qblade    Before  the  blade  can  be  designed,  the  different  airfoils  have  to  be  imported  into  Direct  Foil  Design.  In  the  program  it  is  possible  to  use  the  automatic  NACA  airfoil  generator  or  import  airfoils  via  .DAT  files.  A  lot  of  different  parameters  for  the  airfoils  can  be  changed  in  the  menu.      

 B  1:  NACA  4312  in  Direct  Foil  Design  

 After  the  chosen  airfoils  has  been  loaded  into  Qblade  as  B  1  show,  it  is  possible  to  start  calculating  lift  and  drag  polar  for  each  of  them  through  the  use  of  XFoil  Direct  Analysis.  It  is  possible  to  use  a  batch  analyses  for  different  airfoils,  Reynolds  and  Mach  numbers.  An  analysis  will  converge  for  a  certain  amount  of  angle  of  attacks,  usually  between  -­‐5  and  25  degrees.  In  XFoil  it  is  possible  to  compare  a  lot  of  variables  for  the  airfoils  (B  2).  Qblade  also  has  an  XFoil  Inverse  Design  where  the  user  builds  an  airfoil  from  a  selected  pressure  gradient.        

   105  

 B  2:  NACA  4312  polar  diagram  for  different  Reynolds  numbers  

 The  airfoil  polar  has  to  be  extrapolated  for  the  whole  360  degrees  instead  of  the  usual  -­‐5  to  25  degrees  range  because  of  the  BEM  code.  This  is  done  in  the  Rotor  and  turbine  design  360°  polar  view  (B  3).    The  sliders  on  the  left  in  the  figure  are  used  so  the  extrapolations  match  with  the  polar  for  the  airfoil.      

 B  3:  NACA  4312  360  polar  view  

 In  blade  view  (B  4)  the  blade  can  now  be  designed.  It  is  possible  to  set  the  blade  pitch,  choose  the  section  position,  chord  length,  offset,  twist,  airfoil  and  the  airfoil  polar.  It  is  possible  to  optimize  the  blade  for  the  tip-­‐speed  ratio,  linear  

   106  

twist,  twist  for  optimal  lift/drag  or  for  stall  at  a  given  Tip  Speed  Ratio.  It  is  also  possible  to  optimize  the  chord  with  Schmitz,  Betz  or  a  linear  method.      

 B  4:  Blade  design  

 B  5  shows  the  blade  view  graphs  with  different  variables.  The  two  upper  graphs  are  for  the  whole  blade  (global)  while  the  lower  graph  shows  local  information  on  the  blade.      

 B  5:  Rotor  view  

 

   107  

In  B  6  the  turbine  simulation  is  shown.  Different  modes  for  different  turbines  are  possible  whether  the  turbine  simulated  is  stall  or  pitch  regulated,  different  gearbox  types,  cut-­‐in  and  cut-­‐out  speed,  and  generator  loss  as  examples.  The  results  are  shown  in  three  graphs  with  different  variables  dependent  on  which  information  is  sought.    

 B  6:    Turbine  simulation  view  

                                     

   

   108  

Appendix  C  

Airfoil  Catalogue      Table  C  1  and  table  C  2  show  the  full  result  of  the  sensitivity  analysis  for  airfoils  at  Cl,  max  and  at  best  L/D.  The  list  ranks  from  the  least  decrease  in  efficiency  to  highest  decrease  in  efficiency,  show  in  percentage.        AIRFOIL   Alfa   Cl,  max   Cd   Cl/Cd  at  Clmax   T.U.,  Clmax   Delta  Cl,max   Reynolds  

DU91-­‐W2-­‐300   31.50   1.68   0.22   7,64   0.11     4  000  000  DU91-­‐W2-­‐300   36.50   1.61   0.27   5,91   0.02   -­‐4.35  %   500  000  FFA-­‐W3-­‐241   27.00   1.61   0.18   8,86   0.02     4  000  000  FFA-­‐W3-­‐241   34.00   1.50   0.28   5,41   0.02   -­‐7.09  %   500  000  DU93-­‐W-­‐350   38.00   1.66   0.26   6,32   0.01     4  000  000  DU93-­‐W-­‐350   38.00   1.52   0.28   5,44   0.02   -­‐8.15  %   500  000  NACA  63-­‐624   26.50   1.75   0.18   9,74   0.01     4  000  000  NACA  63-­‐624   33.50   1.60   0.28   5,72   0.01   -­‐8.90  %   500  000  NACA  63-­‐430(V)   33.00   1.54   0.22   7,10   0.02     4  000  000  NACA  63-­‐430(V)   37.50   1.40   0.24   5,75   0.02   -­‐9.47  %   500  000  DU91-­‐W2-­‐250   26.50   1.71   0.17   9,84   0.01     4  000  000  DU91-­‐W2-­‐250   28.00   1.55   0.21   7,35   0.02   -­‐9.49  %   500  000  FFA-­‐W3-­‐211   16.50   1.71   0.05   32,23   0.02     4  000  000  FFA-­‐W3-­‐211   29.00   1.53   0.25   6,20   0.02   -­‐10.15  %   500  000  DU91-­‐W2-­‐400   40.50   1.64   0.26   6.21   0.02     4  000  000  DU91-­‐W2-­‐400   38.00   1.45   0.27   5.34   0.02   -­‐11.64  %   500  000  FFA-­‐W3-­‐351   39.00   1.56   0.27   5.68   0.02     4  000  000  FFA-­‐W3-­‐351   36.00   1.37   0.28   4.98   0.02   -­‐11.89  %   500  000  FFA-­‐W3-­‐301   37.50   1.60   0.27   6.02   0.03     4  000  000  FFA-­‐W3-­‐301   35.50   1.41   0.28   5.02   0.02   -­‐12.22  %   500  000  NACA  64(4)-­‐421   23.50   1.65   0.13   13.19   0.01     4  000  000  NACA  64(4)-­‐421   26.50   1.44   0.19   7.49   0.02   -­‐12.90  %   500  000  NACA  63-­‐621   19.00   1.77   0.09   19.93   0.01     4  000  000  NACA  63-­‐621   29.00   1.54   0.25   6.12   0.02   -­‐13.42  %   500  000  NACA  63(3)-­‐618   20.00   1.79   0.09   19.55   0.01     4  000  000  NACA  63(3)-­‐618   26.00   1.53   0.21   7.26   0.01   -­‐14.52  %   500  000  DU93-­‐W-­‐300   36.00   1.71   0.24   7.09   0.02     4  000  000  DU93-­‐W-­‐300   37.50   1.46   0.29   5.10   0.02   -­‐14.60  %   500  000  NACA  64(3)-­‐618   21.00   1.78   0.10   17.50   0.01     4  000  000  NACA  64(3)-­‐618   23.50   1.51   0.17   8.92   0.02   -­‐14.74  %   500  000  DU91-­‐W2-­‐350   40.00   1.68   0.26   6.53   0.02     4  000  000  DU91-­‐W2-­‐350   36.50   1.43   0.26   5.50   0.02   -­‐15.15  %   500  000  NACA  63(4)-­‐421   21.00   1.66   0.10   16.88   0.01     4  000  000  NACA  63(4)-­‐421   25.00   1.40   0.19   7.36   0.19   -­‐15.60  %   500  000  DU93-­‐W-­‐210   26.00   1.75   0.15   11.53   0.01     4  000  000  DU93-­‐W-­‐210   28.50   1.48   0.23   6.51   0.02   -­‐15.72  %   500  000  NACA  64(1)-­‐212   16.00   1.51   0.04   40.00   0.00     4  000  000  NACA  64(1)-­‐212   14.50   1.27   0.05   25.75   0.01   -­‐15.83  %   500  000  DU93-­‐W-­‐400   41.50   1.66   0.26   6.43   0.03     4  000  000  DU93-­‐W-­‐400   38.50   1.39   0.27   5.25   0.02   -­‐16.05  %   500  000  DU91-­‐W2-­‐210   19.50   1.75   0.07   24.85   0.11     4  000  000  DU91-­‐W2-­‐210   22.00   1.47   0.15   9.49   0.15   -­‐16.17  %   500  000  NACA  64-­‐621   22.50   1.78   0.13   14.03   0.01     4  000  000  NACA  64-­‐621   23.50   1.48   0.18   8.34   0.02   -­‐16.54  %   500  000  NACA  64-­‐618   20.00   1.84   0.09   20.61   0.01     4  000  000  NACA  64-­‐618   23.00   1.53   0.16   9.34   0.02   -­‐16.67  %   500  000  NACA  64(3)-­‐418   21.50   1.70   0.10   17.36   0.01     4  000  000  NACA  64(3)-­‐418   21.00   1.41   0.13   10.88   0.02   -­‐16.92  %   500  000  NACA  63-­‐618   18.50   1.85   0.07   26.58   0.01     4  000  000  NACA  63-­‐618   25.00   1.53   0.20   7.64   0.01   -­‐17.21  %   500  000  NACA  63(2)-­‐615   19.00   1.84   0.07   24.86   0.01     4  000  000  NACA  63(2)-­‐615   21.00   1.51   0.15   10.22   0.01   -­‐17.77  %   500  000  NACA  64(2)-­‐415   19.50   1.73   0.07   25.36   0.01     4  000  000  NACA  64(2)-­‐415   17.00   1.41   0.08   17.71   0.02   -­‐18.38  %   500  000  NACA  64(3)-­‐218   21.00   1.62   0.08   20.08   0.01     4  000  000  NACA  64(3)-­‐218   21.00   1.32   0.12   10.85   0.02   -­‐18.57  %   500  000  

   109  

NACA  63-­‐616   18.50   1.88   0.07   27.72   0.01     4  000  000  NACA  63-­‐616   14.50   1.52   0.06   24.80   0.02   -­‐19.55  %   500  000  NACA  64-­‐616   19.50   1.88   0.08   24.08   0.01     4  000  000  NACA  64-­‐616   18.50   1.50   0.11   13.88   0.02   -­‐19.79  %   500  000  NACA  64-­‐615   19.00   1.89   0.07   27.42   0.01     4  000  000  NACA  64-­‐615   18.50   1.50   0.11   13.83   0.01   -­‐20.63  %   500  000  NACA  63-­‐615   18.50   1.90   0.07   28.89   0.01     4  000  000  NACA  63-­‐615   13.00   1.50   0.05   33.18   0.02   -­‐20.82  %   500  000  NACA  63(2)A-­‐015   19.50   1.64   0.05   32.43   0.01     4  000  000  NACA  63(2)A-­‐015   16.50   1.29   0.06   23.35   0.02   -­‐21.51  %   500  000  NACA  63-­‐614   18.00   1.91   0.06   32.89   0.00     4  000  000  NACA  63-­‐614   16.00   1.50   0.08   18.37   0.02   -­‐21.54  %   500  000  NACA  64(2)-­‐215   19.50   1.67   0.06   27.94   0.01     4  000  000  NACA  64(2)-­‐215   15.50   1.31   0.06   22.84   0.02   -­‐21.59  %   500  000  NACA  64-­‐612   18.50   1.90   0.06   30.82   0.00     4  000  000  NACA  64-­‐612   16.00   1.49   0.08   19.19   0.02   -­‐21.60  %   500  000  NACA  63-­‐612   17.00   1.90   0.05   40.85   0.00     4  000  000  NACA  63-­‐612   14.50   1.49   0.06   23.43   0.01   -­‐21.63  %   500  000  NACA  64-­‐612   17.50   1.89   0.05   36.82   0.00     4  000  000  NACA  64-­‐612   14.50   1.48   0.06   23.60   0.01   -­‐21.68  %   500  000  FFA-­‐W3-­‐401   41.00   1.61   0.22   7.23   0.09     4  000  000  FFA-­‐W3-­‐401   36.00   1.25   0.26   4.74   0.02   -­‐22.31  %   500  000  

Table  C  1:  Airfoil  roughness  insensitivity  analysis  at  Cl  max  

 AIRFOIL   Reynolds   Alfa  L/D  max   L/D  max   T.U.,  L/D  max   Delta  L/D  max  

DU93-­‐W-­‐400   4  000  000   27.50   6.70   0.42    DU93-­‐W-­‐400   500  000   29.50   5.48   0.02   -­‐18.28  %  FFA-­‐W3-­‐401   4  000  000   0.50   13.43   0.28    FFA-­‐W3-­‐401   500  000   -­‐0.50   9.41   0.02   -­‐29.90  %  NACA  63-­‐612   4  000  000   9.00   113.11   0.01    NACA  63-­‐612   500  000   7.00   66.41   0.02   -­‐41.29  %  NACA  64-­‐612   4  000  000   9.00   111.97   0.01    NACA  64-­‐612   500  000   6.50   65.47   0.02   -­‐41.53  %  NACA  63-­‐614   4  000  000   9.00   110.98   0.02    NACA  63-­‐614   500  000   7.00   63.28   0.02   -­‐42.98  %  NACA  64(1)-­‐212   4  000  000   9.00   95.01   0.00    NACA  64(1)-­‐212   500  000   6.50   53.57   0.02   -­‐43.62  %  NACA  64-­‐612   4  000  000   8.50   110.49   0.02    NACA  64-­‐612   500  000   6.50   62.12   0.02   -­‐43.78  %  NACA  63-­‐615   4  000  000   9.00   109.65   0.43    NACA  63-­‐615   500  000   6.50   61.23   0.02   -­‐44.16  %  NACA  63-­‐618   4  000  000   9.50   96.04   0.41    NACA  63-­‐618   500  000   6.00   53.44   0.02   -­‐44.36  %  NACA  64-­‐615   4  000  000   8.50   108.71   0.44    NACA  64-­‐615   500  000   6.50   59.85   0.02   -­‐44.95  %  NACA  63(2)-­‐615   4  000  000   8.50   109.43   0.42    NACA  63(2)-­‐615   500  000   6.50   60.12   0.02   -­‐45.06  %  NACA  64(3)-­‐618   4  000  000   7.00   90.12   0.44    NACA  64(3)-­‐618   500  000   5.50   49.35   0.02   -­‐45.24  %  NACA  63-­‐616   4  000  000   8.50   107.79   0.02    NACA  63-­‐616   500  000   6.50   58.88   0.02   -­‐45.38  %  NACA  64(2)-­‐415   4  000  000   9.00   104.28   0.45    NACA  64(2)-­‐415   500  000   7.50   56.61   0.02   -­‐45.72  %  NACA  63(3)-­‐618   4  000  000   9.00   95.28   0.41    NACA  63(3)-­‐618   500  000   5.50   51.49   0.02   -­‐45.96  %  NACA  64-­‐616   4  000  000   8.50   106.14   0.02    NACA  64-­‐616   500  000   6.00   57.35   0.02   -­‐45.97  %  FFA-­‐W3-­‐211   4  000  000   9.00   96.68   0.30    FFA-­‐W3-­‐211   500  000   7.00   52.17   0.02   -­‐46.03  %  NACA  64(2)-­‐215   4  000  000   9.00   100.22   0.02    NACA  64(2)-­‐215   500  000   8.00   53.28   0.02   -­‐46.84  %  NACA  64-­‐618   4  000  000   8.50   97.61   0.43    NACA  64-­‐618   500  000   5.50   51.62   0.02   -­‐47.12  %  NACA  63-­‐621   4  000  000   6.50   83.79   0.38    NACA  63-­‐621   500  000   5.00   44.16   0.02   -­‐47.30  %  DU91-­‐W2-­‐210   4  000  000   8.50   100.18   0.34    DU91-­‐W2-­‐210   500  000   8.50   52.64   0.02   -­‐47.45  %  DU93-­‐W-­‐210   4  000  000   9.00   86.66   0.36    DU93-­‐W-­‐210   500  000   6.00   45.52   0.02   -­‐47.48  %  

   110  

NACA  63(2)A-­‐015   4  000  000   10.00   102.28   0.11    NACA  63(2)A-­‐015   500  000   1100   52.76   0.02   -­‐48.41  %  NACA  64-­‐621   4  000  000   6.00   81.79   0.43    NACA  64-­‐621   500  000   4.50   42.03   0.02   -­‐48.62  %  NACA  63(4)-­‐421   4  000  000   7.00   78.37   0.36    NACA  63(4)-­‐421   500  000   5.50   40.00   0.02   -­‐48.96  %  NACA  64(3)-­‐418   4  000  000   9.00   94.50   0.41    NACA  64(3)-­‐418   500  000   6.00   47.99   0.02   -­‐49.22  %  DU91-­‐W2-­‐350   4  000  000   4.50   12.90   0.02    DU91-­‐W2-­‐350   500  000   19.00   6.53   0.02   -­‐49.40  %  NACA  64(4)-­‐421   4  000  000   7.00   74.86   0.42    NACA  64(4)-­‐421   500  000   5.50   37.61   0.02   -­‐49.76  %  NACA  64(3)-­‐218   4  000  000   9.00   93.37   0.42    NACA  64(3)-­‐218   500  000   7.00   46.00   0.02   -­‐50.74  %  FFA-­‐W3-­‐241   4  000  000   8.50   87.82   0.23    FFA-­‐W3-­‐241   500  000   6.50   42.78   0.02   -­‐51.29  %  NACA  63-­‐624   4  000  000   5.50   70.62   0.36    NACA  63-­‐624   500  000   4.00   34.16   0.02   -­‐51.62  %  DU91-­‐W2-­‐250   4  000  000   8.00   87.08   0.36    DU91-­‐W2-­‐250   500  000   6.50   39.73   0.02   -­‐54.38  %  DU91-­‐W2-­‐400   4  000  000   -­‐0.50   12.91   0.39    DU91-­‐W2-­‐400   500  000   24.00   5.86   0.02   -­‐54.64  %  FFA-­‐W3-­‐301   4  000  000   7.50   57.27   0.23    FFA-­‐W3-­‐301   500  000   7.00   25.07   0.02   -­‐56.23  %  NACA  63-­‐430(V)   4  000  000   5.00   28.90   0.40    NACA  63-­‐430(V)   500  000   7.00   11.91   0.02   -­‐58.79  %  DU91-­‐W2-­‐300   4  000  000   6.00   52.05   0.36    DU91-­‐W2-­‐300   500  000   6.00   19.77   0.02   -­‐62.01  %  DU93-­‐W-­‐300   4  000  000   4.00   36.58   0.40    DU93-­‐W-­‐300   500  000   5.00   13.49   0.02   -­‐63.11  %  DU93-­‐W-­‐350   4  000  000   6.00   23.43   0.02    DU93-­‐W-­‐350   500  000   13.00   8.10   0.02   -­‐65.44  %  FFA-­‐W3-­‐351   4  000  000   6.50   31.95   0.02    FFA-­‐W3-­‐351   500  000   7.50   10.35   0.02   -­‐67.60  %  

Table  C  2:  Roughness  insensitivity  analysis  at  optimal  L/D  

 

 

 

 

         

       

   111  

Appendix  D    

Example  of  Aerodynamic  Data  and  Blade  Geometry  Input  for  Flex5    Blade  2    5  18,  21,  24,  30,  35,  40  71  NACA  64-­‐618.  smooth.  RE=5*10'6    (Deg.    Cl     Cd     Cm        )        -­‐180   -­‐0.1250788   0.006000056   0.325  -­‐159   0.3831801   0.2180615   0.325  -­‐141   0.4270214   0.654766     0.325  -­‐120   0.2421725   1.226002     0.325  -­‐99   0.03830536   1.587112     0.325  -­‐81   -­‐0.1033781   1.58708     0.325  -­‐69   -­‐0.2014147   1.420823     0.295  -­‐60   -­‐0.2776408   1.225848     0.260  -­‐51   -­‐0.346577     0.9907645   0.260  -­‐39   -­‐0.4009653   0.6541356   0.1550  -­‐30   -­‐0.3938147   0.4156265   0.1025  -­‐21   -­‐0.352422     0.212931     0.1025  -­‐9   -­‐0.5532973   0.01479677   0.05  -­‐6   -­‐0.2011824   0.01335126   0.05  -­‐3   0.1618244   0.01267563   0.05  -­‐2   0.2796756   0.009386175   -­‐0.1138  -­‐1.5   0.3412325   0.00944181   -­‐0.1147  -­‐1   0.4026242   0.009512872   -­‐0.1156  -­‐0.5   0.4638307   0.009599575   -­‐0.1165  0   0.5248312   0.009701951   -­‐0.1173  0.5   0.585602     0.009820162   -­‐0.1181  1   0.646116     0.00995447   -­‐0.1188  1.5   0.7063345    0.01010573   -­‐0.1195  2   0.76622     0.01027434   -­‐0.1201  2.5   0.8257298    0.01046072   -­‐0.1207  3   0.8848084    0.01066573   -­‐0.1211  3.5   0.9433816     0.01089072   -­‐0.1215  4   1.00137     0.01113662   -­‐0.1217  4.5   1.058662     0.01140525   -­‐0.1218  5   1.115119     0.01169856   -­‐0.1217  5.5   1.170548     0.01201933   -­‐0.1214  6   1.224682     0.01237135   -­‐0.1209  6.5   1.277014     0.0127593   -­‐0.1200  7   1.321181     0.01316524   -­‐0.1176  7.5   1.369285     0.01370539   -­‐0.1161  8   1.406685     0.01474331   -­‐0.1131  8.5   1.43896     0.01610591   -­‐0.1097  9   1.473226     0.01752336   -­‐0.170  9.5   1.507514     0.01908432   -­‐0.1045  10   1.539971     0.02088544   -­‐0.1021  10.5   1.57036     0.02293636   -­‐0.0997  11   1.597892     0.02528177   -­‐0.0972  11.5   1.623946     0.02782228   -­‐0.0949  12   1.64693     0.03066938   -­‐0.0924  12.5   1.666656     0.03387739   -­‐0.0900  13   1.686632     0.03720267   -­‐0.0878  13.5   1.70258     0.04099067   -­‐0.0857  14.5   1.732168     0.04911886   -­‐0.0819  15   1.745131     0.05349698   -­‐0.0803  15.5   1.756209     0.05814423   -­‐0.0788  17   1.800151     0.07371913   -­‐0.0798  18   1.804206     0.08577262   -­‐0.0785  18.5   1.805107     0.09207211   -­‐0.0784  19   1.803729     0.09874987   -­‐0.0787  20   1.797874     0.112817     -­‐0.0806  22   1.777218     0.150704     -­‐0.1137  25   1.736221     0.2158807   -­‐0.1137  28   1.696202     0.290764     -­‐0.1137  

   112  

31   1.66387     0.3730351   -­‐0.1625  34   1.640206     0.4607482   -­‐0.1625  37   1.623247     0.5523155   -­‐0.1625  40   1.609902     0.6464085   -­‐0.1625  52   1.532437     1.025955     -­‐0.260  61   1.390591     1.286376     -­‐0.2925  70   1.148432     1.499372     -­‐0.2925  79   0.8094009    1.645347     -­‐0.325  100   -­‐0.1964295    1.664437     -­‐0.325  121   -­‐1.06679     1.2602     -­‐0.325  139   -­‐1.261789     0.73708     -­‐0.325  160   -­‐0.861352     0.2030205   -­‐0.325  178   -­‐0.3186824     0.008052249   -­‐0.325    Blade  2  NACA  64-­‐618,  3-­‐blades,  L=8,  ng=110,  cl_opt=1.4  14                                                                                        NS      2.00  20.0E9  20.0E9  4500         0      1      0    0  X  EI1  EI2  m  fi  Iuskr  Uf0  Uk0      10.00  20.0E9  20.0E9  1500         0      0      0    0      20.00  6.0E9      6.0E9      500         0      0      0    0      30.00  3.0E9      4.0E9      400         0      0      0    0      40.00  2.0E9      4.0E9      380         0      0      0    0      50.00  7.0E8      3.0E9      340         0      0      0    0      60.00  6.0E8      2.0E9      300         0      0      0    0      70.00  4.0E8      1.5E9      250         0      0      0    0      75.00  2.0E8      7.0E8      220         0      0      0    0      80.00  1.5E8      5.0E8      200         0      0      0    0      80.63  7.0E7      3.0E8      180         0      0      0    0      81.25  3.0E7      1.5E8      130         0      0      0    0      81.88  7.0E6      7.0E7   90           0      0      0    0      82.50  1.5E5      3.0E5   50   0      0      0    0  1                                                            betac  (average  structural  pitch,  deg)  0.03    0.03    0.03    0.03                  struct.damp.  log.decr.  blade-­‐mode  1F  2F  1K  2K      2.00  4.000  13       100.0     0       X    c    beta    t/c    yac/c    (m,m,deg,%,-­‐)      10.00  5.000    8     40.0   0      20.00  5.500    3       35.0     0      30.0  5.000  2     30.0     0      40.0  4.200     1       24.0     0      50.0  3.633     1     21.0     0      60.0  3.066     0.56     18.0     0      70.0  2.500     -­‐0.97     18.0     0      75.0  2.200     -­‐1.38     18.0     0      80.0  1.600     -­‐2.25   18.0     0      80.63  1.400     -­‐2.29     18.0     0      81.25  1.200     -­‐2.33     18.0     0      81.88  1.000     -­‐2.37       18.0     0      82.5     0.500     -­‐2.40     18.0     0  B2N64.pro              airfoil  data  filename  71                                                      X-­‐tipbrake  (  >  R_tip  =>  none)    

 

 

 

     

   113  

Appendix  E    

Wind  Shear  Simulation  in  Flex5  

 E  1:    Blade  2  wind  shear  simulation  for  torque  (kNm)  during  a  period  of  time  at  different  wind  shear,  

compared  to  wind  speed  for  the  same  time  period  (right  y-­‐axis)  

   

 E  2:  Blade  2  wind  shear  simulation  for  thrust  (kN)  over  a  duration  of  time  (t)  for  different  wind  

shear,  compared  to  wind  speed  for  the  same  time  period  (right  y-­‐axis)  

 

   114  

 Figure  64:  Thrust  for  blade  3  for  different  wind  shear  

         

 Figure  65:  Torque  for  blade  3  for  different  wind  shear  

               

   115  

Turbulence  Simulation  in  Flex5    

 E  3:  Blade  2  turbulence  simulation  for  torque  (kNm)  during  a  time  period  (t)  with  different  

turbulence  intensities  

 

 E  4:  Blade  2  turbulence  simulation  for  thrust  (kN)  during  a  period  of  time  (t)  for  different  turbulence  

intensities  

   116  

 E  5:  Thrust  for  Blade  3  at  different  turbulence  intensities  

         

 Figure  66:  Torque  for  blade  3  at  different  turbulence  intensities  

 

 

   

   117  

References                                                                                                                      1  https://engineering.purdue.edu/~aerodyn/AAE515/Chapter13-­‐10.pdf  (05/06-­‐2012)    2    Lundsager,  P.,  Frandsen,  S.,  Christensen,  C.  J.,  (1980),  Analysis  of  data  from  the  Gedser  wind  turbine,  Risø-­‐m-­‐2242,  ISBN  –  87-­‐550-­‐0693-­‐0    3https://netfiles.uiuc.edu/mragheb/www/NPRE%20475%20Wind%20Power%20Systems/Historical%20Wind%20Generators%20Machines.pdf  (15/05-­‐2012)    4http://www.motiva.fi/myllarin_tuulivoima/windpower%20web/res/gedser2.jpg  (05/06-­‐2012)    5http://www.boeing.com/history/boeing/windturbine.html  (22/05-­‐2012)    6http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_wind_turbine_manufacturers  (05/06-­‐2012)    7http://www.statoil.com/en/TechnologyInnovation/NewEnergy/RenewablePowerProduction/Offshore/Hywind/Pages/HywindPuttingWindPowerToTheTest.aspx  (05/06-­‐2012)    8http://nozebra.ipapercms.dk/Vestas/Communication/Productbrochure/V16470MW/V16470MW/  (05/06-­‐2012)    9  http://en.wikipedia.org/wiki/Wind_turbine  (05/06-­‐2012)    10http://www.folkecenter.dk/mediafiles/folkecenter/pdf/Market_and_Manufacturer_Trends.pdf  (05/06-­‐2012)    11http://www.ewec2011.info/fileadmin/ewec2011_files/images/conference/Side_Events/Research_over_from_Risoe_-­‐_P.H._Madsen.ppt  (11/06-­‐2012)  12http://dancass.com/static/files/assets/653e5f65/Increase_in_the_rotor_size_of_Wind_blades_over_the_years.png    (15/05-­‐2012)    13http://www.centennialofflight.gov/essay/Evolution_of_Technology/airfoils/Tech5.htm  (15/05-­‐2012)    14http://twoscenarios.typepad.com/.a/6a00d8341c1ad753ef011570169b50970b-­‐450wi  (15/05-­‐2012)  15http://people.clarkson.edu/~pmarzocc/AE429/The%20NACA%20airfoil%20series.pdf  (15/05-­‐2012)      17  Tangler,  J.  L.,  Somers,  D.  M.,  (1995),  NREL  Airfoil  Families  for  HAWT´S,  NREL,  TP-­‐442-­‐7109    18http://www.risoe.dtu.dk/Research/sustainable_energy/wind_energy/projects/Profcat/airfoil_index.aspx?sc_lang=en  (15/05-­‐2012)    19http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19830025072_1983025072.pdf    20  http://www.worldscibooks.com/etextbook/7489/7489_chap01.pdf  (05/06-­‐2012)    21  IEC,  (2007),  IEC  61400-­‐3  Ed.1:  Wind  turbines  –  Part  3:  Design  requirements  for  offshore  wind  turbines.  IEC,  88/308/CDV    22  Jonkman,  J.,  Butterfield,  S.,  Musial,  W.,  Scott,  G.,  (2009),  Definition  of  a  5-­‐MW  Reference  Wind  Turbine  for  Offshore  Systems  Development,  NREL,  TP-­‐500-­‐38060    

   118  

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                             23  Manwell,  J.F.,  et.  al.,  (2009),  Wind  Energy  Explained,  Theory,  Design  and  Application  2nd  edition,  Wiley,  West  Sussex,  ISBN-­‐978-­‐0-­‐470-­‐01500-­‐1    24  Hansen,  M.  O.  L.,  (2008),  Aerodynamics  of  Wind  Turbines,  2nd  edition,  Earthscan,  London    25  Eppler,  R.,  Somers,  D.M.,  Low  Speed  Airfoil  Design  and  Analysis,  NASA  Langley  Research  Center,  N79-­‐20036    26  Dahl,  K.  S.,  Fuglsang,  P.,  (1998),  Design  of  the  Wind  Turbine  Airfoil  Family  RISØ-­‐A-­‐XX,  Risø-­‐R-­‐1024    27  Bertagnolio,  F.,  Sørensen,  N.N.,  Johansen,  J.,  Fuglsang,  P.,  (2001),  Wind  Turbine  Airfoil  Catalogue,  Risø-­‐R-­‐1280    28  Bertagnolio,  F.,  Sørensen,  N.  N.,  Johansen,  J.,  (2006),  Profile  Catalogue  for  Airfoil  Sections  Based  on  3D  Computations,  Risø-­‐R-­‐1581    29  Somers,  D.  M.,  (2005),  Effects  of  Airfoil  Thickness  and  Maximum  Lift  Coefficient  on  Roughness  Sensitivity,  National  Renewable  Energy  Laboratory  (NREL),  SR-­‐500-­‐36336    30  Somers,  D.  M.,  (2005),  Design  and  Experimental  Results  for  the  S827  Airfoil,  NREL,  SR-­‐500-­‐36345    31http://www.centennialofflight.gov/essay/Theories_of_Flight/Skin_Friction/TH11G3.htm  (05/06-­‐2012)    32  Abbot,  I.  H.,  Von  Doenhoff,  A.  E.,  (1949),  Theory  of  Wing  Sections,  including  a  Summary  of  Airfoil  Data,  Dover  Publications,  New  York    33  http://www.mh-­‐aerotools.de/airfoils/bubbles.htm  (15/05-­‐2012)    34  Kraemer,  K.,  (1973),  Airfoil  Profiles  in  a  Critical  Reynolds  Number  Region,  NASA,  TT  F-­‐14,  959      35  Sommers,  D.M.,  Tangler,  J.  L.,  (2000),  Wind-­‐Tunnel  Tests  of  Two  Airfoils  for  Wind  Turbines  Operating  at  High  Reynolds  Number,  NREL,  CP-­‐500-­‐27891    36http://www.aer.mw.tum.de/fileadmin/tumwaer/www/pdf/lehre/grenzschicht/lectures/lecture_03.pdf  (05/06-­‐2012)    37  http://www.dur.ac.uk/g.l.ingram/download/wind_turbine_design.pdf  (15/05-­‐2012)    38  http://web.mit.edu/drela/Public/web/xfoil/  (15/05-­‐2012)    39  http://qblade.de.to/  (15/05-­‐2012)    40http://www.mh-­‐aerotools.de/airfoils/javafoil.htm  (15/05-­‐2012)    41  http://en.wikipedia.org/wiki/Wind_gradient  (10/05-­‐2012)    42  http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19830025072_1983025072.pdf    (15/04-­‐2012)    43  Johansen,  J.,  Sørensen,  N.  N.,  (2002),  Numerical  Investigation  of  Three  Wind  Turbine  Blade  Tips,  Risø-­‐R-­‐1353