Aeroelastic Analysis of Actively Controlled Smart Wind Turbine Blades. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF (Aeroelastic Analysis of Actively Controlled Smart Wind Turbine Blades) final_thesis_MS.PDF - Accepted Version Download (3MB) | Preview

Arabic Abstract

أثبتت طاقة الرياح نفسها كمصدر متجدد لا يقدر بثمن، وبديل للوقود الأحفوري. والهدف من هذاالبحث هو تقديم نموذج للمرونة الهوائية لشفرات دوارات الرياح وقوى الحركية الهوائية عليهابحيث يكون أكثر واقعية، وذلك من أجل التحكم بطريقة نشطة في الاهتزازات في اتجاه حافة شفرة الدوار بطريقة أكثر كفاءة من خلال استخدام المواد الذكية. يتمثل التحدي الذي يواجهه المجتمع البحثي في تطوير نموذج واقعي للمرونة الهوائية، حيث تعتمد كفاءة التحكم على مدى اقتراب النموذج المقترح من تمثيل القوى والظروف في الوقت الفعلي.إن المنهجية التي اتبعت للتحكم النشط في دوارات الرياح مبنية أسا ً سا على المحاكاة، وركزت على تبني نموذج مرونة هوائية لشفرة الدوار، هذا النموذج المقترح هو نموذج مرونة هوائية معدل، معروف في البداية باسم نموذج بيترز هي، ويتضمن نموذ ً جا حركيا إنشائياً، ونموذجاً للتدفق المستحث، مع نموذج للأحمال الهوائية. وتعتمد الحركية الهوائية وتأثيرات مقطع الشفرة على نموذج من نوع أونيرا وعلى تكامل حركيات الهيكل مع أحمال الهواء بما يسمح لهذا النموذج بتضمين التاريخ السابق لحركات الشفرة، استخدم الأسلوب أيضاً طرقًا تحليلية تقريبية مختلفة، مثل طريقة العناصر المحدودة، و طريقة رايلي-ريتز للحصول على مصفوفتي الجساءة والكتلة، وتم حل معادلة أويلر-بيرنولي للعوارض لإيجاد الاستجابة الحرة والقسرية بعد تحويلها إلى شكل مصفوفة فضاء الحالة، وذلك للحصول على أشكال الوضع والترددات الطبيعية، كما تم استخدام عارضة منتظمة كنقطة أولية للتحقق من صحة برنامج ماتلاب لطرق تحليلية مختلفة، وتمت مقارنة النتائج من برنامج ماتلاب مع تلك الواردة في المواد المطبوعة، ووجد أن النتائج الخاصة بمصفوفتي الجساءة والكتلة متقاربة، وتم الحصول على نموذج فضاء الحالة لاستخدامه في تطوير آلية تحكم في الاهتزاز موثوق بها باستخدام التحكم بالمنظم التربيعي الخطي، وتم تعديل نموذج فضاء الحالة ليأخذ في الاعتبار الرقعة الكهروإجهادية الملتصقة بالعارضة لقمع الاهتزاز، وتظهر النتائج تحسناً في اهتزازات الحافة لنموذج دوارة الرياح، حيث يعزز هذا الأسلوب الفعالية الحقيقية للتحكم، ويدمج القوى والظروف الجوية بشكل فعال، وتوضح النتائج تحسنًا في التحكم في الاهتزاز الحاد لشفرة دوارات الرياح. كلمات البحث: اهتزازات الحافة ، نموذج للمرونة الهوائية ، دوارات الرياح ، التحكم بالمنظم التربيعي الخطي

English Abstract

Wind energy has established itself as an invaluable renewable source and a replacement for fossil fuels. The objective of this research is to present a more realistic aeroelastic model of wind turbine blade and the aerodynamic forces in order to actively control the Wind Turbine edge-wise vibrations in a more effective way by utilizing smart materials. The challenge faced by research community is to develop a realistic aeroelastic model as the control effectiveness depends on how closely the proposed model emulates the real time forces and conditions. The methodology adopted for the active control of Wind Turbines was mainly simulation based and focused on adopting an aeroelastic model for a rotating wind turbine blade. This proposed model is the modified aeroelastic model, initially known as Peters-He Model, which includes structural-dynamic model, induced flow model along with the airloads model. The aerodynamics and airfoil effects are based on a ONERA type model and the integration of structural-dynamics with airloads allow this model to include the past history of blade motions. The technique also employed various approximate analytical methods such as FEM and Rayleigh-Ritz method to obtain stiffness and mass matrix. The Euler-Bernoulli beam equation was solved for the free and forced response after its conversion into State Space Matrix form to obtain mode shape and natural frequencies. The uniform cantilever beam was used as an initial point to validate MATLAB code for different analytical methods and the results from the MATLAB code were compared with those given in the literature. The results for stiffness and mass matrix were found to be comparable and the state space model was obtained which was used to develop a reliable vibration control mechanism using LQR control. The state space model was modified to account for piezoelectric patch attached to beam for vibration suppression. The results show improvement in edgewise vibration of a wind turbine model. The technique enhances the real control effectiveness and effectively incorporates forces and atmospheric conditions. The results depict improvement in controlling the edgewise vibration of a wind turbine blade. Keywords: edge-wise vibrations, Aeroelastic model, Wind Turbines, LQR Control

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Aerospace
Department:	College of Engineering and Physics > Aerospace Engineering
Committee Advisor:	Abdelrahman, Wael G
Committee Co-Advisor:	Al-Garni, Ahmed Z.
Committee Members:	Edi, Prasetyo and Khulief, Yehia A. and Duffuaa, Salih O.
Depositing User:	HAMZA MIR (g201407860)
Date Deposited:	24 Jun 2018 10:38
Last Modified:	30 Dec 2020 12:46
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/140691