Vingedesign EFP-95. Slutrapport for aerodynamik/aeroelasticitet

(1)

Ris{R{1027(DA)

Vingedesign EFP-95

Slutrapport for Aerodynamik/Aeroelasticitet Kenneth Thomsen, Peter Fuglsang,

Kristian S. Dahl

Forskningscenter Ris, Roskilde

Marts 1998

(2)

Resume

I denne rapport { som er en af to slutrapporter { opsummeres hovedresultaterne fra omradet Aerodynamik/Aeroelasticitet under projektet

EFP-95 Vingedesign

. Resultaterne omhandler delprojekterne a) Eksperimentel verikation af tykke proler, b) Udvikling af ny prolserie, c) Aerodynamisk stj, d) Ekstremlaster og e) Parametervariation og udbygning af optimeringsvrktjer.

For hvert delprojekt er i rapporten beskrevet henholdsvis aktiviteter, resultater og perspektiver.

Den eksperimentelle verikation af tykke proler tager udgangspunkt i industrielt anvendte proler, og metoden er vericeret ved sammenligning med andres malinger pa et NACA 63-215 prol. Der er gennemfrt malinger pa tre proler med stor relativ tykkelse: NACA 63-430, FFA-W3-241 og FFA-W3-301. I sammenligningen af malinger med beregninger har det vist sig, at der er god overensstemmelse, safremt beregningerne gennemfres med transitionspunktet pa forkanten.

Der er etableret et designvrktj til proludvikling, og dette vrktj er afprvet pa et 24% prol og benyttet til design af en ny prolserie, RIS-A-XX, med tykkelser fra 12% til 24%. Denne prolserie har et tydeligt stall, god aerodynamik og er ruhedsuflsomt.

I delprojektet vedrrende aerodynamisk stj er der gennemfrt en rkke malinger, hvor stjen lokaliseres og sammenholdes med malinger af strmningsparametre.

I den forbindelse er et konkret stjproblem pa forsgsmllen identiceret og ud- bedret.

Arbejdet med ekstremlaster har illustreret en betydelig variation i beregnede ekstremlaster, nar tidssimulering benyttes. Ved at kombinere tidssimulering med tra- ditionelle statistiske metoder kan variationen i estimerede ekstremlaster reduceres med en faktor re, og pa den baggrund er en forbedret metode anvist.

I optimeringskomplekset til rotordesign er implementeret en model for aerodynamisk stj og modellen er fundet i overensstemmelse med malinger. Der er desuden gennemfrt en rkke studier af mulighederne for at minimere stjen samtidig med at energiproduktionen maksimeres. Optimeringskomplekset er endvidere benyttet til optimering af mller til forskellige vindklimaer, blandt andet en o-shore vindmllepark. Resultaterne fra dette har vist, at et optimalt mlledesign afhnger af vindklimaet og opstillingsbetingelserne.

ISBN 87{550{2359{2 ISSN 0106{2840

Afdelingen for Informationsservice Ris 1998

(3)

Indhold

Forord

⁴

1 Indledning

⁵

2 Eksperimentel verikation af tykke proler

⁶

2.1 Aktiviteter 6 2.2 Resultater 7 2.3 Perspektiver 9

3 Udvikling af prolserie

¹⁰

4 Reduktion af aerodynamisk stj

¹⁴

5 Reduktion af ekstremlaster

15 5.1 Aktiviteter 15

5.2 Resultater 16 5.3 Perspektiver 18

6 Udbygning af optimeringsvrktjerne

19 6.1 Aktiviteter 19

6.2 Resultater 20 6.3 Perspektiver 22

Litteratur

23

(4)

Forord

Arbejdet er udfrt under kontrakt med Energistyrelsen i projektet EFP-95 Vinge- design, ENS 1363/95-0001, som er et samarbejdsprojekt mellem vingefabrikanter, elvrker og forskningsinstitutioner. Adskillige personer fra de deltagende institutioner har bidraget til projektet og resultaterne. For nogle af disse vil bidragene fremga af litteraturlisten bagest i rapporten, mens det ikke vil vre tilfldet for andre. Under et takkes derfor alle personer, som har deltaget i projektet.

Rapporten har gennemgaet et internt gennemsyn pa Ris af:

Flemming Rasmussen Helge Aagaard Madsen

(5)

1 Indledning

Denne rapport er en del af slutrapporteringen for projektet EFP-95 Vingede- sign, ENS 1363/95-0001. Projektets resultater er beskrevet i en rkke selvstn- dige publikationer (litteraturlisten bagest i rapporten er en liste over publikationer fra dette projekt alene) og hovedresultaterne er opsummeret i to slutrapporter, hvoraf denne rapport indeholder hovedresultaterne indenfor Aerodyna- mik/Aeroelasticitet. Den anden slutrapport indeholder hovedresultaterne indenfor omradet Materialer.

Det overordnede formal med projektet har vret generelt at forbedre grundlaget industri, forskere og elvrker har vret med

for vingedesign igennem en kombineret forsknings- og udviklingsindsats. Projektet er udfrt i et samarbejde imellem LM Glasber, Vestas Wind Systems, Elkraft, Elsamprojekt, Danmarks Tekniske Universitet samt Afd. for Materialeforskning og Afd. for Vindenergi og Atmosfrefysik, Ris.

Projektets frste fase - der forlb i projektets frste ar (1995) - bestod af en frste ar var en forundersgelse

bred undersgelse af mulighederne indenfor vingedesign og -produktion. Til gen- nemfrelse af forundersgelsen blev etableret re arbejdsgruppper som med udgangspunkt i projektbeskrivelsen indenfor deres respektive fagomrader gennemgik omradet. De re omrader var aerodynamik [1], strukturdynamik [2], strukturdesign [3] og materialer [4]. Pa baggrund af resultaterne fra forundersgelsen blev indholdet i projektets anden fase (1996 og 1997) formuleret [5] og denne fase har indeholdt detaljerede undersgelser i otte delprojekter fordelt pato hovedomrader, Aerodynamik/Aeroelasticitet og Materialer. Disse delprojekter er flgende:

Aerodynamik/Aeroelasticitet:

Eksperimentel verikation af tykke proler aerodynamik, aeroelasticitet og materialer er be- handlet

Udvikling af prolserie med hj ^CL;max, lav stjemission og lav ruhedsflsomhed

Reduktion af den aerodynamiske stj

Reduktion af ekstremlaster

Parametervariation og udbygning af optimeringsvrktjerne Materialer:

Stivhed, styrke og stabilitet af kompositmaterialer og paneler

Udmattelse og levetid af kompositmaterialer til brug ved design af vindmllevinger

Dmpning i kompositmaterialer i relation til stabilitet af vinger under selv- inducerede svingninger

Som nvnt indeholder denne rapport en resultatopsummering for de frste fem delprojekter. Strukturen i rapporten er - for hvert delprojekt - en opsummering af henholdsvis aktiviteter, resultater og perspektiver. Der er sidst i rapporten givet en litteraturliste for samtlige publikationer fra delprojekterne under Aerodyna- mik/Aeroelasticitet.

(6)

2 Eksperimentel verikation af tykke proler

Et af de vsentligste usikkerhedsmomenter ved design af nye prototypevinger er de anvendte prolers egenskaber. Dette er formentlig hovedarsagen til, at der pa en stor del af nutidens vindmllevinger anvendes proler, som er udviklet for ca.

40 til 50ar siden. Imidlertid var der i begyndelsen af 1990'erne en designudvikling i retning mod at benytte proler specielt udviklet til vindmllevinger, samtidig med at rodenden af vingerne blev gjort slankere, hvorved den relative proltykkelse blev stor - helt op til 50%. Da ydelsen af disse vinger ikke levede helt op til forventningerne har det i de senere ar medfrt en del fokus pa disse prolers egenskaber, og det blev bl.a. i dette projekts forundersgelse papeget, at der usikkerhed om prolers

egenskaber br foretages forsg med de tykke proler for at mindske usikkerheden ved deres anvendelse.

I de senere ar er beregningsnjagtigheden pa prolstrmningen blevet forbedret vsentligt, og moderne vindmlleproler er for en stor dels vedkommende udviklet alene ud fra numeriske beregninger. Visse strmningsforhold er imidlertid fortsat svre at forudsige alene ud fra beregninger. Dette glder blandt andet beregninger alene kan ikke

gre det strmningens asning ved hje indfaldsvinkler og laminare transitionsbobler ved omslag fra laminart til turbulent grnselag. Det er derfor vigtigt at afprve nyud- viklede proler fr de anvendes pavindmllevinger. En sadan afprvning vil oftest forega under kontrollerede strmningsforhold i en vindtunnel.

Afprvning af nye vindmlleproler har siden midten af 80'erne vret foretaget af en rkke udenlandske forskningsinstitutioner, bl.a. NREL (USA), FFA (S) og Delft Universitetet (NL). En tt tilknytning til rumfart og yindustri, samt uni- versiteter med gode afprvningsfaciliteter har gjort, at velegnede vindtunneler har vret til radighed for disse institutioner. Danmark har ikke haft tilsvarende vindtunneler, hvor strmningsforhold svarende til vindmllens har kunnet opnas, f.eks.

med hensyn til nsket om et Reynolds tal strre end 1-1.5 millioner.

I efteraret 1993 blev en vindtunnel imidlertid opfrt hos rmaet Velux¹, og en ny facilitet i Danmark

mulighed for at kunne foretage forsg med proler til vindmller opstod. Vind- tunnelen har en sakaldt open{jet strmning med recirkulation og malesektionens tvrsnit er ca. 3.4 3.4 m. Den maksimale vindhastighed i tunnelen er ca. 43 m/s.

2.1 Aktiviteter

Under et tidligere EFP-stttet projekt, EFP93 Rotoraerodynamik blev udviklin- gen af en prvestand til prolsektioner igangsat. Dette arbejde fortsatte og blev frdiggjort i nrvrende projekt.

For at kunne fortolke maleresultaterne og udfre sammenligninger med bereg- vigtigt at kende tunnelen

ninger og andre eksisterende malinger er vindtunnelens strmningsforhold blevet opmalt og kortlagt. Desuden er der blevet udfrt et litteraturstudium paden aktuelle type vindtunnel for at kunne opstille vindtunnelkorrektioner og dermed tage

Firmaet Velux arbejder med ovenlysvinduer, ogsa her er vind vigtig

(7)

hjde for de ndringer i strmningen, som selve tunnelens udformning forarsager [8, 9].

For at kontrollere forsgsforholdene er der ydermere foretaget malinger pa en - og sammenligne med tidligere malinger

NACA 63-215 prolsektion [8], som er fremstillet og instrumenteret af FFA i Sverige. Resultaterne er sammenlignet bade med malinger udfrt af FFA pa den samme prolsektion og beregninger med programmerne^XFOILog^EllipSys2D. Disse sammenligninger er brugt til at eftervise gyldigheden af malingerne og dermed eftervise anvendeligheden af den udviklede afprvningsfacilitet.

Et vigtigt element i forsgene er fremstillingen og instrumenteringen af selve modellen. Der er i projektet udviklet metoder til dette, og disse metoder er blevet afprvet ved fremstilling af en model af Ris-1 prolet, som der ogsablev foretaget malinger pa [9, 10].

Ud fra de opnaede erfaringer blev der hos LM Glasber fremstillet tre tykke prol-

sektioner, FFA-W3-241, FFA-W3-301 og NACA 63-430. Disse proler er anvendt udgangspunkt i industrielt anvendte proler

inderst inde pa stort set alle nyere danske vindmllevinger. Prolsektionerne blev afprvet, og resultaterne er blandt andet brugt til verikation af beregninger pa sadanne tykke prolsektioner. Desuden blev anvendelsen af vortex-generatorer undersgt, og tilsmudsning af prolsektionernes forkant blev simuleret ved hjlp af triptape [11].

2.2 Resultater

Undersgelserne af strmningen i vindtunnelen har vist, at kvaliteten er tilstrkkelig god til at benytte den til prolmalinger. Det vil blandt andet sige, at turbulensen i tunnelen ikke er for hj, og at strmningen i selve malesektionen er tilstrkkelig uforstyrret og ensartet.

Derudover viser forsgene med NACA 63-215 prolet gode resultater, sammenlignet med tidligere FFA malinger. Padette prol { som er fremstillet og instrumenteret af FFA { er der udfrt bade statiske og dynamiske malinger. En malt statisk trykfordeling for NACA 63-215 er i Figur 1 sammenlignet med malinger udfrt af FFA og beregninger med^XFOIL. Der er tydeligvis god overensstemmelse. Stag- nationstrykket (^Cp= 1) rammes pnt, og sugespidsen pa oversiden oplses godt.

Imod bagkanten er der en lille uoverensstemmelse imellem^XFOIL-beregningen og malingerne. Dette skyldes formodentlig bagkanttykkelsen pa prolsektionen, som var nul i beregningen.

Sammenligninger af opdrifts- og modstandskoecienterne viser tilsvarende gode gode resultater pa NACA 63-215

resultater. Koecientvariationen med indfaldsvinklen er i god overensstemmelse, men modstanden er generelt hjere end i FFA-malinger og ^XFOIL-beregninger.

Dette skyldes, at turbulensen i vindtunnelen er hjere end ved FFA-forsgene, og at det generelt er vanskeligt at kalibrere malingerne af modstandskoecienten.

Denne del af malingerne vil fortsat sges forbedret. Alt i alt viser malingerne pa NACA 63-215 prolet, at kvaliteten af malingerne er tilstrkkelig god.

Malinger paden i projektet fremstillede Ris-1 prolsektion viser, at bade fremstil- - og pa et prol vi selv fremstiller

lingskvaliteten og kvaliteten af instrumenteringen er god nok til at sikre palidelige maleresultater. Pa dette prol blev der foretaget bade statiske og dynamiske malinger. Overensstemmelsen med ^EllipSys2D beregninger er god, og som et ek-

(8)

-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

-CP

Profilkorde

RISOE aoa = 5.9 Re = 1.3*10^6 FFA aoa = 5.7 Re = 1.7*10^6 XFOIL aoa = 5.9 Re = 1.3*10^6

Figur 1. Malt trykfordeling for NACA 63-215 sammenlignet med malinger fra FFA og beregninger med^XFOIL.

sempel pa de foretagne malinger er hysteresekurver for opdriftskoecienten som flge af cyklisk pitchbevgelse vist i Figur 2. Retningen pa de dynamiske hystereselkker og deres natur kan eftervises med beregninger.

-0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6

-5 0 5 10 15 20 25

CL

Indfaldsvinkel (grader) RISOE-1 Airfoil, Re = 1.5*10^6, k=0.11

Figur 2. Malte hystereselkker i opdriftskoecienten ved en amplitude pa2 i indfaldsvinklen.

Malinger er foretaget pa de tre tykke prolsektioner, FFA-W3-241, FFA-W3-301 og NACA 63-430. Figur 3 viser opdriftskoecienten for FFA-W3-241 sammenlignet med^XFOILog^EllipSys2Dberegninger. Beregningerne er baseret pa turbulent malinger pa tykke proler

passer med beregninger strmning, hvor omslaget fra laminart til turbulent grnselag er kseret pa forkanten. Det er endnu ikke muligt at forudsige transitionspunktet prcist ved hjlp af beregninger. Det er en vigtig erkendelse med hensyn til opbygning af erfaring pa dette punkt, at beregningerne kun giver rigtigt resultat, hvis transitionspunktet er placeret ved forkanten. Specielt skal ^XFOIL anvendes med forsigtighed pa tykke proler. Sammenligningen viser, at vi efterhanden er i stand til at forud- - men beregningerne skal

gennemfres med transi-

tionspunktet pa forkanten sige prolernes egenskaber ganske prcist alene ved hjlp af beregninger op til de tykkelser, som har relevans for udregning af mllens eekt.

(9)

0 0.5 1 1.5 2

-5 0 5 10 15 20 25

CL

Indfaldsvinkel (grader) FFA-W3-241 Airfoil, Re = 1.5*10^6

RISOE XFOIL (LE roughness) EllipSys2D (Turbulent)

Figur 3. Malt opdriftskoecient for FFA-W3-241 sammenlignet med ^XFOIL- og

EllipSys2D-beregninger. Beregningerne forudstter turbulent prolstrmning.

2.3 Perspektiver

De overordnede krav til afprvningsfaciliteten var muligheden for statiske og dyna- vigtigt at kunne lave forsg selv

miske prolafprvninger under realistiske strmningsforhold. Vi har opnaet en kort tidsperiode fra design til afprvningen, hvilket inkluderer fremstilling af prolsek-

tion og instrumentering. Den ndvendige ekspertise til instrumentering af prol- perspektiv for konsistente malinger og beregninger sektionerne er opbygget, og der er opnaet erfaring i anvendelse af trykmaleudstyr.

Malingernes kvalitet er fundet god ved sammenligning med andre malinger, og sammenhngen med beregninger udviser forelbig en betydelig grad af konsistens og dermed lovende perspektiver. Saledes gr den udviklede afprvningsfacilitet det muligt at udfre malinger panyudviklede proler, sausikkerheden ved at anvende disse pa nye vindmllevinger mindskes.

Inden for en kort arrkke vil det vre muligt at serieproducere nye vindmllevinger, som er baseret pa specielt designede proler. Det vil desuden vre muligt at eftervise virkningen af de forskellige former for grnselagskontrol, der anvendes pa vindmllevingerne i dag.

(10)

3 Udvikling af prolserie

Hidtil har der til vindmllevinger hovedsagligt vret benyttet proler, der oprindeligt er udviklet til yvinger. Disse proler er ikke ndvendigvis optimale for vindmller. Numeriske parametervariationer udfrt med et optimeringskompleks gode prolegenskaber er

til rotordesign [12] viste i projektets forundersgelse, at der for stall-regulerede mller er et kosteektivitetsmssigt potentiale i at anvende aerodynamiske proler med konstant, maksimal opdriftskoecient^CLmax(1.5{1.7) ud langs vingen.

-hj, konstant^CLmax

De numeriske undersgelser antydede endvidere, at proler med stor relativ -stor relativ tykkelse

tykkelse af strukturelle grunde yderligere kan forge kosteektiviteten for en vindmllerotor. Saledes blev det besluttet, at udvikle en vindmlle-prolserie med en hj^CLmax for bade de tynde og tykkere proler.

Vindmlleproler skal ogsa vre uflsomme overfor ruhed, saledes at faldet i -ruhedsuflsomhed

CLmax begrnses mest muligt, nar snavs med tiden aejres pa vingen og ndrer prolernes overadekarakter.

En anden god egenskab for et vindmlleprol til stallregulerede mller er et veldeneret, men bldt stall. Altsa et linert stigende^CL-forlb indtil^CLmax nas, og -veldeneret stall

derefter et ikke for stejlt faldende^CL-forlb. Det veldenerede stall er vigtigt af hensyn til eektbegrnsningen, og et bldt post-stall er fordelagtigt for reduktion af stall-inducerede svingninger.

3.1 Aktiviteter

Pabasis af erfaringerne fra et allerede eksisterende optimeringskompleks til rotordesign (hele mllen) er der i projektet udviklet et proloptimeringskompleks (kun proltvrsnittet).

En vigtig komponent i dette kompleks er en geometribeskrivelse, som kan be- skrive prolkonturen ud fra et begrnset antal diskrete punkter. I princippet skal alle tnkelige prolformer kunne genereres, saledes at der ikke ligger en skjult begrnsning pa proldesignet i geometribeskrivelsen. Vi fandt, at en sakaldt B- splinekurvekan efterligne en rkke NACA-proler og dedikerede vindmlleproler, sasom prolerne i FFA-W3- og DU-serien, med stor njagtighed.

Optimeringskomplekset er afprvet pa design af et 24% prol med et bedre stall- metoden er afprvet pa

24%-prol forlb og mindre ruhedsflsomhed end NACA 63{424-prolet. Prolet og design- metoden er prsenteret i [13].

Endelig er komplekset brugt til design af en prolfamilie, RIS{A{XX, der kan - og benyttet til design af

prolfamilie tilfredsstille de mange krav, som kan stilles specikt for vindmllevinger [14].

Prolfamilien forventes vericeret og afprvet i vindtunnel i nr fremtid.

(11)

3.2 Resultater

Inden den nrmere beskrivelse af RIS{A{XX-familiens egenskaber, lige et par RIS{A{XX?

ord om navnekonventionen. Prolfamiliens navn, RIS{A{XX bestar af tre felter.

Det frste felt angiver, at prolet er fra Forskningscenter Ris. Det andet felt, A angiver det st af flles designforudstninger, der ligger til grund for prolfamilien. Det tredie og sidste felt, XX angiver den maksimale proltykkelse i procent af korden. RIS{A{18 er saledes et 18% prol baseret pa A-forudstningerne.

Designforudstningerne med betegnelsen A dkker over en designindfaldsvinkel Designforudstninger er -^CL1^:53^,1^:55 ved 10 pa 10, ved hvilken^CL skal ligge mellem 1.53 og 1.55. En grad efter designind-

faldsvinklen, altsa ved 11, skal ^CLmax vre 1.65 (iflge^XFOIL). Designvinklen -^CLmax1^:65 skal ligge tt pa^CLmax-vinklen, saledes at der opnas et linert ^CL-forlb helt

op til ^CLmax. Ved strre indfaldsvinkler er der et mindstekrav til ^CL, saledes at prolerne staller bldt.

Yderligere designforudstninger har vret, at omslagspunktet (fra laminar til -omslagspunkt pa forkant turbulent strmning) pasugesiden skal ligge salangt fremme paprolet som muligt

ved vinkler efter^CLmax-vinklen. Det forger ganske vist modstandskoecienten,

CDved lave vinkler, men sikrer, at prolets^CLmaxvil vre uflsom overfor ruhed, da strmningen allerede for det glatte prol vil vre turbulent. Ved lavere vinkler br omslagspunktet ligge langt tilbage pa prolet for at opna laminar strmning pasastor en del af prolet som muligt, hvilket resulterer i strre opdrift og mindre modstand, altsa et hjt glidetal.

Af stjhensyn skal bagkanttykkelsen vre sa lille som mulig, men af praktiske arsager vil den altid have en vis strrelse. Saledes har vi som en strukturel design-

forudstning valgt en bagkanttykkelse pa 1% af korden.

Prolerne er designet ud fra en sammensat objektfunktion, som er den vgtede -hjt glidetal sum af glidetallet (^CL/^CD) ved en rkke indfaldsvinkler fra designvinklen og

nedefter. Glidetallet ved designvinklen har den strste vgt, men ved at give lavere vinkler en vgt sikres god o-design opfrsel.

RIS{A{XX-familien bestar af 5 proler reprsenterende tykkelser fra 12% til

24%, Figur 4. Disse proler er alle designet ud fra ovenstaende forudstninger, tykkelser fra 12% til 24%

RISØ-A-XX

Figur 4. Prolfamilien RIS{A{XX bestaende af 5 proler reprsenterende tyk- kelserne 12%{24%.

men hvert enkelt prol er designet til lige netop det Reynoldstal og Machtal, det

typisk vil operere ved. Vi har brugt vrdier svarende til en 600 kW vindmlle, tilpasset aktuelle driftbe- tingelser

hvor Reynoldstal og Machtal for et 12%-prol (brugt i tipsektionen) typisk er hhv.

3^:0010⁶og 0^:20 og for et 24%-prol (brugt i rodsektionen) 2^:7510⁶ og 0^:05.

Prolfamilien er udover dette ikke tilpasset en specik vinge men sigter imod bred

(12)

anvendelse pa bade pitch- og stall-regulerede mller.

-0.50 -0.25 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 CL

C_D

-4 0 4 8 12 16 20

CL

α NACA 63418, beregnet NACA 63418, eksperimentelt RISØ-A-18, beregnet

Figur 5. Opdrifts- og modstandskoecienter for RIS{A{18 og NACA 63{418 for frit omslagspunkt. Malinger (se fodnote side 13).

Med udgangspunkt i 18%-prolet gennemgas nu RIS{A{XX-familiens egen- RIS{A{XX har andre

egenskaber: skaber. I Figur 5 ses de EllipSys2D-beregnede ^CL-kurver for RIS{A{18 og NACA 63{418. Opdriftskurven for RIS{A{18 er liner nsten helt op til^CLmax

efterfulgt af et tydeligt stall. NACA-prolet staller ved lavere vinkler med en ad -tydeligt stall

CL-kurve efter ^CLmax. (Der er uoverensstemmelse mellem malinger og beregninger, men^CL-kurvens form er ganske godt forudsagt.)

Glidetallet (uden ruhed) for RIS{A{18 ved indfaldsvinklerne 0, 8og 10 er pa hhv. 42, 113 og 105. De tilsvarende glidetal for NACA 63{418 er 58, 83 og -god aerodynamik

69. RIS{A{18 har en lav^CD i et stort indfaldsvinkelinterval, hvilket giver gode glidetal ved o-design. RIS{A{18-prolets aerodynamik er altsa god i hele det linere omrade. NACA 63{418 har en bedre aerodynamik ved de helt lave vinkler, men darligere glidetal ved hjere vinkler.

En ru beregning (omslagspunkt kseret pa forkant af prolet) viser, at de to proler begge er ruhedsuflsomme i den forstand at^CL-kurvens form ikke ndres vsentligt. For NACA-prolet falder^CLmax med ca. 4% og for RIS{A{18 med -ruhedsuflsomt

9%, sa den for begge proler er omkring 1.5.

3.3 Perspektiver

RIS{A{XX-familien er designet ud fra ret generelle forudstninger. Nar prolfamiliens egenskaber er vericeret eksperimentelt kan disse tilpasses specikke vingestrrelser og reguleringsformer. Dette stiller selvflgelig store krav til analy- specialdesign af proler

sevrktjernes njagtighed, som lbende br vericeres ud fra malinger.

(13)

Det udviklede proloptimeringskompleks kombineret med eksperimentel

afprvning, gr det muligt at skabe et katalog for proler specialdesignet vindmlle-prolkatalog til vindmller og dermed { med tiden, nar erfaringerne fra praksis er blevet bedre

{ supplere standardvrket Theory of Wing Sections². Hvis man ikke udelukkende vil forlade sig pa et beregnet prol, kan man tage udgangspunkt i et allerede eksisterende prol, der har vist sit vrd i praksis og lade optimeringskomplekset tilpasse dette til en given rotor.

De seneste resultater fra forskningen i kantsvingningsproblemet har understreget betydningen af de tidligere nvnte post-stall egenskaber for proler. Endvidere har det vist sig, at en lav^CLmax (under 1.2) er nskelig i tipregionen. Design af sadanne proler vil efterflge arbejdet i dette projekt.

2Ira H. Abbott and Albert E. von Doenho, Dover Publications, New York, 1959.

(14)

4 Reduktion af aerodynamisk stj

Aerodynamisk stj er en vigtig parameter, designmssigt savel som konkurren- stjen er vigtig

cemssigt og kan have indydelse pa placeringsmulighederne og afregningsprisen for den producerede energi. Internationalt har en betydelig forskningsindsats i de seneste ar vret koncentreret om aerodynamisk stj uden at det har frt til afgrende forbedringer af designgrundlaget for vinger med lav stjemission.

Det har vret malet med dette delprojekt at inddrage aerodynamisk stj som parameter ved vingedesignprocessen, samt at opstille en eksperimentel metodik, malt stj skal kobles til

strmningen som danner grundlag for at kunne male den totale stjemission fra en prolsektion med en sadan njagtighed, at den kan korreleres til den lokale grnselagsstrmning over et prol. Derved kan mulighederne for reduktion af den aerodynamiske stj fra proler bedre undersges ved eksperimentel parametervariation, f.eks. ndringer af bagkanttykkelsen.

4.1 Aktiviteter

Der er gennemfrt en rkke forsg pa en Vestas V47 mlle med et mikrofonk- deudstyr, som er udviklet af Elsamprojekt og tidligere afprvet i samarbejde med LM Glasber pa en LM 12 m vinge. Derudover er benyttet et pitotrrsudstyr udviklet af Ris til samtidig maling af inow til vingen. Ved hjlp af udstyret er det muligt at bestemme stjemissionen fra forskellige positioner pa vingen, og sammenholde malingerne af stj med malinger af strmningsparametre (indfaldsvinkel, relativ hastighed, turbulens).

4.2 Resultater

Ved indkring af mikrofonkdemaleudstyret paVestas V47 mllen blev der obser- veret et markant stjniveau i det hjfrekvente omrade ved lave vindhastigheder.

Udstyret blev benyttet til at identicere og stedfste kilden til denne stj, og konkret stjproblem ud-

bedret igennem en modikation af vingernes bagkant blev stjen reduceret vsentligt.

Der foreligger en rkke maleserier, hvor stjmalinger er sammenkrt med malingerne af strmningsparametre. Disse malinger kan danne grundlag for videreudvikling af semi-empiriske stjmodeller.

4.3 Perspektiver

Mikrofonkdemaleudstyret har vist sig som et meget eektivt vrktj til undersgelse af vingestj. Med dette vrktj kan konkrete stjproblemer lokaliseres og deres arsag dermed identiceres. Forslag til stjdmpende tiltag udviklet pa baggrund af teoretiske modeller kan saledes pa en eektiv made afprves pa en moderne mlle.

(15)

5 Reduktion af ekstremlaster

Numeriske optimeringsundersgelser udfrt i projektets forundersgelse viste, at der er et betydeligt potentiale for en reduktion af energiproduktionsprisen, hvis det er muligt at reducere de ekstreme laster pa specielt tarn, vinger og krjesystem.

Samtidig viste forundersgelsen, at der generelt er en del usikkerhed omkring be- ekstremlaster er vigtige - men usikre

regningsgrundlaget ved udregning af ekstremlaster - selv for velkendte koncepter.

Pa den baggrund blev det besluttet, at dette delprojekt skulle sigte pa en forbedring af grundlaget for beregning af ekstremlaster.

Ekstreme belastninger kan generelt optrde i ere forskellige situationer. Det kan vre ved den strste vindhastighed i mllens levetid (ofte den hjeste hastighed i en 50ars periode), hvor mllen er stoppet. Det kan vre under drift, hvor vingerne vil opleve en stor periodisk last kombineret med turbulensbelastninger, eller det kan vre under specielle transiente forhold som start, stop eller ved krjning.

Forskellige komponenter vil typisk opleve den ekstreme belastning under forskellige forhold.

I dette delprojekt har der primrt vret fokuseret pa to lastsituationer: stilstand ved en ekstrem vindhastighed og produktionskrsel ved kombineret hj vindhastighed og stor krjefejl.

For alle lastsituationer er det ndvendigt at kende dels vindforhold, dels mllekonguration (f.eks. rotor- og krjeposition) for at kunne bestemme de tilhrende laster. Samtidigt er det ndvendigt at kende varigheden af lastsitua- tionerne, idet den forventede ekstremvrdi af lasterne vokser med varigheden af en lastsituation. Den strste ekstremlast fra alle forskellige lastsituationer er den karakteristiske ekstremlast, der skal benyttes i en designsituation.

5.1 Aktiviteter

Der er foretaget en omfattende undersgelse af metoder til fastlggelse af ekstreme vsentlige usikkerheder ved beregningsmetoder er identiceret

laster pa vindmller, herunder en undersgelse af de metoder, som industrien benytter. Pabaggrund af undersgelsen er vsentlige usikkerheder ved metoderne identiceret - blandt andet ved hjlp af aeroelastiske beregninger - og der er etableret forslag til forbedrede metoder for bestemmelse af ekstreme laster.

Til beregning af ekstreme laster for vindmller under stilstand benyttes to for- to metoder kan benyttes skellige metoder i industrien. Den ene metode er en statistisk metode oprindeligt

udviklet for bygningskonstruktioner og senere tilpasset vindmllekonstruktioner.

Denne metode er angivet i den danske vindmllenorm. Den anden metode er baseret pa en aeroelastisk tidssimulering ved ekstreme vindforhold. Sidstnvnte metode benyttes i vid udstrkning til bestemmelse af ekstreme laster under drift.

Begge metoder har fordele og ulemper. Aerodynamikken og strukturdynamikken er simpelt modelleret i den statistiske metode, mens de estimerede ekstremvrdier er statistisk relativt sikre. I en aeroelastisk tidssimulering benyttes avancerede modeller for aerodynamikken og strukturdynamikken. Til gengld er der stor variation i simulerede ekstremlaster - primrt pa grund af turbulensgenereringen.

Som input til en aeroelastisk tidssimulering genereres et stokastisk turbulensfelt,

(16)

som indeholder vindhastigheden til et bestemt tidspunkt og et bestemt punkt pa rotorskiven. Ved genereringen af dette turbulensfelt initieres "tilfldigheden" med en seed-parameter, som (i princippet) vlges vilkarligt. Dermed opnas en tilfldig tidshistorie af turbulensen. Alt efter sammenhngen imellem denne tidshistorie og en vindmlles aktuelle svingningstilstand kan en simuleret ekstremlast variere fra en simulering til en anden.

5.2 Resultater

For at kvanticere den variation i estimerede ekstremlaster, der opstar pagrund af den statistiske variation af turbulensen, er der foretaget en lang rkke aeroelastiske simuleringer med forskellige tidshistorier af turbulensen. Dette er foretaget for bade stilstandsituationen og driftsituationen. Resultatet er illustreret i Figur 6.

stor variation i simulerede

laster De simulerede ekstremlaster varierer betragteligt, hvilket i praksis vil sige, at et relativt stort antal simuleringer er ndvendige for at opna en tilstrkkelig lille usikkerhed pa en ekstremlast.

180 200 220 240 260 280 300

1 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Max. last [kNm]

Simulering nr.

500 550 600 650 700 750

1 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Max. last [kNm]

Simulering nr.

Figur 6. Ekstrem apvis bladrodsmoment fra 100 aeroelastiske beregninger. verste kurve viser stilstandsituationen, nederste driftsituationen

Idet der er foretaget et relativt stort antal simuleringer, er det muligt at nde fordelingen af de simulerede ekstremlaster. Dette har isr relevans for situationen under drift, da en kendt fordeling betyder, at det er muligt at forudsige ekstremlasten for en betydelig lngere tidsperiode end den i simuleringerne benyttede.

F.eks. er varigheden af de enkelte simuleringer 5 minutter, mens varigheden af lastsituation kan vre 50 timer, hvor den forventede ekstreme last vil vre v- sentlig hjere. For bade situationen under stilstand og under drift har det vist sig, at de simulerede ekstremvrdier flger en ekstrem vrdi type 1 fordeling (ogsa kaldet en Gumbel-fordeling).

For driftsituationen er den identicerede fordeling benyttet til at estimere ekstremlasten for lngere tidsperioder, Figur 7. Den estimerede ekstremlast er her illustreret som et kondensinterval med kondensgraden 0.95. Det vil sige, at det er 95% sikkert, at den "sande" ekstremlast ligger indenfor det optegnede interval.

(17)

550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 1050 1100

1 10 100 1000

Flapvis last [kNm]

Tidsperiode [timer]

n=100

n=20

n=5

Figur 7. Estimerede 95% kondensintervaller for forskellige varigheder af lastsituationen under drift.

Bredden af intervallet afhnger af bade tidsperioden og antallet af simuleringer.

Igen ses en meget stor variation af ekstremlasten. Baseres ekstremlasten f.eks. pa fem simuleringer og er varigheden af lastsituationen 100 timer i mllens levetid, er kondensintervallet 600 kNm til 950 kNm. En mulighed for at reducere variationen af simulerede ekstremlaster vil vre at benytte et stort antal simuleringer. I praksis er denne metode dog ikke srlig attraktiv pagrund af det store antal lasttilflde, som indgar i lastgrundlaget for mller.

En anden mulighed er at undga at basere en estimeret ekstremlast pa en "til- de to metoder kan med for- del kombineres

fldig" maksimalvrdi i en simulering og i stedet basere ekstremlasten pa andre og mere robuste parametre end blot maksimalvrdien. Dette svarer i princippet til den fremgangsmade, der benyttes i den tidligere omtalte statistiske metode.

Her estimeres en ekstremlast udfra middelvrdien af lasten, standardafvigelsen af lasten samt en peakfaktor, som i visse tilflde kan bestemmes ud fra frekvensind- holdet i signalet og tidsperioden. Alle disse parametre er relativt robuste overfor den tilfldige tidshistorie i turbulensen og kan dermed bestemmes prcist med en aeroelastisk tidssimulering. Derved kombineres det bedste fra de to metoder.

Den ny metode er benyttet for de to lastsituationer med de gennemfrte simulerin-

ger, og resulterne viser, at variationen i de estimerede ekstremlaster kan reduceres variationen bliver 4 gange mindre

betydeligt. Variationskoecienten (standard afvigelse i forhold til middelvrdien) reduceres med en faktor re i forhold til metoden, hvor den maksimale simulerede vrdi vlges som ekstremvrdi.

Dette betyder, at det antal simuleringer, der er ndvendige for at opna en nsket sikkerhed pa en ekstremlast, kan reduceres markant, safremt denne metode benyttes. I praksis vil det betyde, at sikkerheden pa de ekstremlaster, der indgar i designgrundlaget for vindmller, vil blive vsentligt forbedret.

(18)

5.3 Perspektiver

Usikkerheden pa de laster, der indgar i designgrundlaget for vindmller, er vigtig af ere arsager. For det frste er det vigtigt at kunne kvanticere usikkerheden, idet den indgar i den formelle svigtsandsynlighed for hele konstruktionen. Dermed er det muligt at foretage en realistisk vurdering af svigtsandsynligheden. For det andet er det med en veldeneret usikkerhed palasterne muligt at foretage prcise designoptimeringer.

Igennem delprojektet er usikkerheden af ekstremlaster under bade drift og stil- usikkerheden er kendt - og

kan reduceres stand blevet kvanticeret, og der er ydermere foreslaet en metode, hvormed usikkerheden kan reduceres. Disse resultater vil i fremtiden blive benyttet af industrien i designsituationer, og det vurderes som sandsynligt, at der ved fremtidige revisioner af internationale sikkerhedsnormer indfres partialkoecienter, som afhnger af beregningsvrktjernes evne til at simulere prcise laster. Dermed vil en kvanticering af usikkerheden pa en last have direkte konomisk betydning for usikkerhed koster

et konkret vindmlledesign.

(19)

6 Udbygning af

optimeringsvrktjerne

En af de vsentlige aktiviteter i projektets forundersgelse var videreudviklingen rotoroptimering omhandler hele mllen

af optimeringskomplekset,^ROTOR, til optimalt rotordesign. En numerisk optime- ringsalgoritme anvendes sammen med forskellige beregningsmodeller for aerodynamik, struktur, aeroelastisk respons mv. [1, 12].

I forundersgelsen blev der udviklet en kostfunktion for en 1.5 MW vindmlle.

Kostfunktionen beskriver hele vindmllens pris som funktion af en rkke belast-

ninger pa mllen. Saledes kan energiprisen for en given vindmlle udregnes ud fra det er vigtigt at prisstte belastninger

energiproduktionen og de totale anlgsomkostninger fra indkb og installation. I tilknytning til kostfunktionen blev der udviklet koblinger til eksisterende program- mel til udregning af ekstremlaster og til aeroelastisk tidssimulering vha. ^FLEX4³ for estimering af udmattelsesbelastninger. Det er saledes muligt at optimere rotorens geometri inden for rammerne af forskellige krav til bl.a. generatoreekt, belastninger, geometriske rammer mv. Optimeringsmalet er oftest lav kWh-pris, men kan eksempelvis ogsa vre maksimal arsproduktion.

Optimeringskomplekset blev i forundersgelsen anvendt til at undersge mulighederne for en vsentlig reduktion af kWh-prisen. To 1.5 MW vindmlleprototyper blev modelleret, og en parametervariation blev udfrt for en 1.5 MW stallregule- ret prototype. Pa baggrund af resultaterne fra denne parametervariation blev det fundet relevant at udvide optimeringskomplekset med to vsentlige modeller:

1. En aeroakustisk model til forudsigelse af lydtrykket fra rotoren forskellige steder i forhold til rotorplanet

2. En videreudvikling af anvendelsen af aeroelastiske beregninger saen detaljeret beskrivelse af vindklimaet indgar direkte i beregningen af levetidsforbrug og i beregningen af ekstremlaster

6.1 Aktiviteter

Der ndes generelt meget fa modeller til forudsigelse af aerodynamisk stj fra vindmller. Den aerodynamiske stj opdeles ofte i stjen fra den indkommende turbulens og stjen fra grnselaget pavingerne. De anvendelige modeller er semi- empiriske og baserer sig pafundamentale afhngigheder af overordnede parametre sa som hastigheder, grnselagstykkelser og lngdeskalaer. En stor ulempe ved de tilgngelige modeller er, at de ikke afhnger af valget af proler.

Til brug med optimeringskomplekset blev en model af Brooks, Pope og Marcolini forskellige stjbidrag adde- res

tilpasset til vindmller sammen med en model af Lowson, [12], [17]. Den totale aerodynamiske stj kan udregnes ved at addere bidragene fra forskellige stjkilder ud langs vingerne. Beregningen er retningsafhngig, sa stjen kan udregnes i forskellige positioner i forhold til rotoren.

Der er foretaget et studium af overensstemmelsen imellem stjmodellen og

3Det aeroelastiske program^FLEX4er udviklet af Stig ye, Danmarks Tekniske Universitet

(20)

malinger foretaget pa forskellige vindmller. Desuden er der udfrt et optimeringsstudium for at undersge sammenhngen imellem minimal stj og maksimal energiproduktion [17, 18].

Pa grund af savel nationale som europiske forskningsprojekter, ndes der efterhanden god viden omkring vindforholdene i bjergrigt terrn og i o-shore andre vindforhold ndrer

forudstningerne for opti-

meringen vindmlleparker. Optimeringskomplekset er derfor udvidet til at kunne anvende en detaljeret beskrivelse af vindforholdende i form af turbulens og hyppighed for en rkke vindretningssektorer, samt forskellige middelvindklimaer. Desuden kan der ogsa tages hensyn til ndringer i vindklimaet som flge af drift i skygge af foranstaende mller.

Som et eksempel pa en undersgelse af design til specikke vindforhold, er der foretaget et optimeringsstudium af en vindmlle til en o-shore vindmllepark. En detaljeret beskrivelse af vindklimaet indgar sammen med en detaljeret opdeling af vindmllens driftstid i henholdsvis fri vind og i parkdrift, [19], [20].

6.2 Resultater

Den semi-empiriske stjmodels forudsigelser af den aerodynamiske stj er sam- stjmodellen passer med

malinger menlignet med malinger for en Bonus Kombi 300 kW og en Vestas V27- 225 kW.

Den totale stj kan forudsiges inden for afvigelser pa 1.5 dB(A), og formen pa stjspektret er i god overensstemmelse med malinger, Figur 8.

50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100

65 100 160 250 400 630 1000 1600 2500 4000 6300 10000

Sound Power Level (dB(A))

Frequency (Hz)

Total Noise - Untripped (dB(A)) Total Noise - Tripped (dB(A)) Measurements (dB(A))

Figur 8. Beregnet lydtryk i dB(A) sammenlignet med malinger for Vestas V27 ved 8 m/s, tip vinkel 0.5

Undersgelser ved forskellige vindhastigheder, forskellige tippitchvinkler og forskellige rotor omdrejningshastigheder viser alle god overensstemmelser. Det er meget vigtigt, for det vil sige, at modellens relative opfrsel ved variation af de vigtigste hovedparametre er god. Modellen vil derfor vre velegnet til designstu- dier, hvor ndringer i forskellige designparametre afvejes, og ndringen i stj og energiproduktion sammenlignes.

Direktiviteten af stjen er kvalitativt undersgt ved at udregne ud- stralingsmnstret for Vestas V27. God overensstemmelse med malinger er fundet, hvor lydtrykket er strst ned- og opstrms for rotoren, hvorimod det er lavere i selve rotorplanet.

(21)

Et optimeringsstudium af en rotor for minimal stj har vist, at stjen kan reduceres med 3 dB(A) ved samme rotorstrrelse uden at reducere generatorstrrelse og arsproduktion. Det resulterer dog i en dyrere rotor, idet omdrejningshastigheden er reduceret, og rotorens soliditet er forget. Dermed forges ekstrem- og udmattelseslaster, og mere materiale er ndvendigt.

En optimering af en rotor for maksimal energiproduktion til samme rotorstrrelse har vist en mulig forgelse af energiproduktionen pa 2% uden at forge stjen.

Alt i alt viser optimeringsstudiet, at stjhensyn er meget vigtige ved optimering, og at den udviklede stjmodel er velegnet til at tage overordnede hensyn til stjen.

En anden anvendelse af numerisk optimering til rotordesign er i en undersgelse

af mlledesignets ndring ved forskellige vindforhold. Vindklimaet er modelleret Optimeringskomplekset er benyttet pa en o-shore mllepark

for en o-shore vindmllepark ved Rdsand, Gedser. Der er taget hensyn til de overordnede vindforhold og deres retningsafhngighed, samt til skyggeeekter fra foranstaende mller. En kostfunktion, der tager hensyn til o-shore forhold er opstillet for en 1.5 - 2.0 MW vindmlle. Kostfunktionen er forskellig for fundament og nettilslutning sammenlignet med en landbaseret vindmlle.

Sammenligninger af designlaster for normalt adt terrn og for o-shore vindmlleparken har vist, at der er en potentiel stigning i energiproduktionen pa 28% til nsten identiske bladlaster, hvorimod udmattelseslaster pa tarn og fundament er vsentligt forgede, Figur 9. Fundaments- og nettilslutningsom- kostninger er strre og kWh-prisen er derfor hjere for o-shore vindmllen, selvom energiproduktionen ligeledes er hjere. Derudover ma desuden paregnes, at vedligeholdelsesomkostningerne er strre for o-shore vindmller.

0 5 10 15 20 25 30

Tårnbund bøjnings moment Rotor aksial trykkraft Rotor tilt moment Rotor yaw moment

Design last

Procentvis ændring (%)

0 5 10 15 20 25 30

Udmattelseslaster Ekstremlaster

Energiproduktion

Bladrods bøjnings moment

Tårnbund bøjnings moment Rotor aksial trykkraft Rotor tilt moment Rotor yaw moment

Design last

Bladrods bøjnings moment

Procentvis ændring (%)

Procentvis ændring (%) Energi-

produktion

Figur 9. Procentvis forskel i designlaster og energiproduktion mellem normalt adt terrn og for en o-shore vindmllepark. Mllen er den samme, kun vindforhold er ndret.

Optimeringsstudiet viser en mulig reduktion i kWh prisen pa knap 11%, hvilket

gr o-shore vindmllen konkurrencedygtig sammenlignet med en vindmlle til 11% lavere o-shore kWh- pris

normalt dansk terrn. Det optimale design for o-shore mllen er anderledes sammenlignet med en optimal vindmlle til normalt terrn, idet tarnhjden er reduceret som flge af det anderledes vindklima. En reduceret tarnhjde mindsker

(22)

belastningen af tarnbund og fundament. Pa grund af den lave ruhed bevares en hj vindhastighed selv ved lavere tarnhjder, og energiproduktionen opretholdes nsten.

Optimeringsstudiet viser, at der er forskelle i den optimale vindmlle ved de for- mllerne skal se anderle-

des ud skellige vindbetingelser, og at energiprisen for o-shore vindmller kan reduceres signikant sammenlignet med dagens vindmller. Optimeringskomplekset kan saledes med viden om vindforholdende direkte bruges til at minimere energiprisen og kan vre medvirkende til at gre vindkraft under forskellige terrn-betingelser konkurrencedygtig.

6.3 Perspektiver

Den nuvrende udbygning af optimeringskomplekset muliggr design af vindmllerotorer, hvor der tages hensyn til den aerodynamiske stj fra rotoren.

Det er derfor muligt at afveje en eventuel forgelse af energiproduktionen med eventuelle stjomkostninger, fremfor blot at begrnse omdrejningshastigheden.

Det er muligt at optimere vindmllen til en ganske bestemt placering safremt vindforholdene pa placeringen er kendte. Vindforholdene indgar direkte i beregningen af udmattelses- og ekstremlaster. Det er desuden muligt at tage hensyn til eventuelle parkeekter. Optimeringskomplekset er hermed kldt patil at foretage fundamentale undersgelser af betydningen af ndringen i vindforhold for f.eks.

o-shore vindmller og vindmller i bjerge.

Det vil vre naturligt at udvide optimeringskomplekset til at indeholde optimering af vindmllens dynamik og dmpningsforhold. Stivheder og dmpning forskellige steder i konstruktionen kan optimeres, sa belastninger minimeres og stabiliteten under drift forges.

I takt med den lbende forbedring af optimeringskomplekset kan der udvikles vindmller, der er stadigt mere optimerede til forskellige forhold.

(23)

Litteratur

[1] Madsen, H. Aa., P. Fuglsang, S. ye, C. H. Westergaard, M. Friedrich, L. Jen- sen (1995). Vingedesign EFP 95 -Forprojekt Aerodynamik. Ris-I-931(DA), Ris.

[2] Thomsen, K., J.T. Petersen, F. Rasmussen, O. Jrgensen, B. Pedersen, S.

ye, M. Friedrich, C. Westergaard (1995). Vingedesign EFP 95 -Forprojekt Strukturdynamik. Ris-I-930(DA), Ris.

[3] Elsamprojekt-rapport, Delprojekt C. Strukturdesign (1995), EP 2212.0.0, No- tat EP95/856.

[4] Andersen, S.I., P. Brnsted, O. Jrgensen, J.J. Kristensen, H. Lilholt, L.

Lilleheden, Aa. Lystrup (1995). EFP 95: Vingedesign, Gruppe D: Materialer forprojekt. Ris.

[5] Thomsen, K. (Red.) Vingedesign EFP 95 - Hovedrapport for forprojekt (1995). Ris-I-932(DA), Ris.

[6] EFP-95 Vingedesign, delprojektbeskrivelser (1996). Upubliseret projektnotat af 19. januar, 1996.

[7] Notat vedrrende Forslag til plan for fortsttelsen af det energipolitiske ngleprojekt EFP-95 Vingedesign (1995). Upubliseret. Prvestationen for Vindmller, Ris, 28. november 1995.

[8] Peter Fuglsang, Ioannis Antoniou, Niels N. Srensen, Helge A. Madsen, Vali- dation of a Wind Tunnel Testing Facility for Blade Surface Pressure Measu- rements, Ris-R-981(EN), Udgives 1998.

[9] Ioannis Antoniou, Peter Fuglsang og Helge Aagaard Madsen, Wind Tunnel Verication of a New 14% Thick Wind Turbine Airfoil, Proc. EWEC'97, Dublin, Irland, 1997.

[10] Peter Fuglsang, Ioannis Antoniou, Christian Bak, Wind Tunnel Tests of the Ris-1 Airfoil, Ris-R-999(EN), Udgives 1998.

[11] Peter Fuglsang, Ioannis Antoniou, Kristian S. Dahl, Helge A. Madsen, Wind Tunnel Tests of the FFA-W3-241, FFA-W3-301 and NACA 63-430 airfoils, Ris-R-1041(EN), Udgives 1998 .

[12] Peter Fuglsang og Helge Aagaard Madsen Numerical Optimization of Wind Turbine Rotors. European Union Wind Energy Conference, Goteborg, Sve- rige, 20.-24. maj 1996.

[13] Peter Fuglsang og Kristian S. Dahl. Multipoint Optimization of Thick High Lift Airfoil for Wind Turbines. European Wind Energy Conference & Exhi- bition, Dublin, Irland, 6.-9. oktober 1997.

[14] Kristian S. Dahl and Peter Fuglsang Design of the Wind Turbine Airfoil Family Ris{A{XX, Ris{R{1024(EN), Ris National Laboratory, 1998.

[15] Kenneth Thomsen (1997). Statistiske metoder br benyttes ved beregning af ekstremlaster. Resultatblad AED-RB-4, Aeroelastisk Design, Ris.

[16] Kenneth Thomsen, and P. H. Madsen (1997). Application of Statistical Met- hods to Extreme Loads for Wind Turbines. European Wind Energy Confe- rence & Exhibition, Dublin, Irland, 6.-9. oktober 1997.

(24)

[17] Peter Fuglsang og Helge A. Madsen, Implementation and Verication of an Aeroacoustic Noise Prediction Model for Wind Turbines, Ris-R-867(EN), 1996.

[18] Peter Fuglsang og Helge A. Madsen, Application of aeroacoustic models to design of wind turbine rotors, Proc. 1997 IEA meeting on aeroacoustics, Milano, Italy, 1997.

[19] Peter Fuglsang og Kenneth Thomsen, Cost Optimization of Wind Turbines for Large-scale O-shore Wind Farms, Ris-R-1000(EN), 1998.

[20] Peter Fuglsang og Kenneth Thomsen, Site Specic Design Optimization of Wind Turbines, Udgives i Proc. 36th Aerospace Sciences Meeting, Wind Energy, AIAA98-0059, Reno, USA, 1998.

(25)

Bibliographic Data Sheet Ris{R{1027(DA)

Title and author(s)

Wind Turbine Blade Design. Summary report for Aerodynamics/Aeroelasticity (in Danish)

Kenneth Thomsen, Peter Fuglsang, Kristian S. Dahl

ISBN87{550{2359{2 ^ISSN0106{2840

Dept. or group

Wind Energy and Atmospheric Physics ^DateMarch 1998 Groups own reg. number(s)

AED 04305-01 Project/contract No.

ENS-1363/95-0001 Pages

25 ^Tables0 Illustrations

9 ^References20

Abstract (Max. 2000 char.)

The main results from investigations relating to Aerodynamics/Aeroelasticity in the project

"EFP-95 Blade Design" are summarized in this report. The report covers results from investigations concerning a) Experimental verication of thick airfoils, b) Development of a new airfoil series, c) Aerodynamic noise, d) Extreme loads and e) Development of optimization tools. For each of these topics, the activities, results and future perspectives are described.

In the work concerning experimental verication of thick airfoils, the focus has been on airfoils used by the industry. The method has been veried with measurements on a NACA 63-215 airfoil. Measurements have been carried out for three airfoils: NACA 63-430, FFA-W3-241 and FFA-W3-301. Furthermore, a ne agreement with calculations are found { if the calculations are carried out with the transition point at the leading edge.

A design tool for development of airfoils has been established and tested for a 24% airfoil.

The tool has been used for the development of the prole series RIS-A-XX, which has a distinct stall, good aerodynamic performance and low sensitivity to roughness.

Several measurements of aerodynamic noise has been correlated to simultaneously measured inow characteristics. Furthermore, a high-frequency noise problem has been solved for the test turbine.

A signicant variation in simulated extreme loads has been illustrated, when time domain models are used. A new method of combining the time domain approach with statistical methods reduces the variation by a factor of four.

The numerical tool for optimum rotor design has been extended and used in two ways. First, a model for aerodynamic noise has been implemented and the eects of constraints to the noise have been illustrated. Secondly, optimizations for turbines operating in dierent wind climate have been carried out. The results illustrate the dierences in the optimum design for turbines at dierent sites.

Descriptors INIS/EDB

AERODYNAMICS; AIRFOILS; FATIGUE; HORIZONTAL AXIS TURBINES;

ROTORS; SAFETY; WIND LOADS Available on request from:

Information Service Department, Ris National Laboratory (Afdelingen for Informationsservice, Forskningscenter Ris) P.O. Box 49, DK{4000 Roskilde, Denmark

Phone (+45) 46 77 46 77, ext. 4004/4005Fax (+45) 46 77 40 13