Ylisoonisen yksivaiheisen aksiaaliturbiinin suunnittelu

Tässä diplomityössä suunnitellaan yksivaiheisen turbiinin ylisooninen staattori ja alisooninen roottori, tulo-osa ja diffuusori. Työn alussa tarkastellaan aksiaaliturbiinin käyttökohteita ja teoriaa, jonka jälkeen esitetään suunnittelun perustana olevat menetelmät ja periaatteet. Perussuunnittelu tehdään Traupelinmenetelmällä WinAxtu 1.1 suunnitteluohjelmalla ja hyötysuhde arvioidaan lisäksiExcel-pohjaisella laskennalla. Ylisooninen staattori suunnitellaan perussuunnittelun tuloksiin perustuen, soveltamalla karakteristikoiden menetelmää suuttimen laajenevaan osaan ja pinta-alasuhteita suppenevaan osaan. Roottorin keskiviiva piirretään Sahlbergin menetelmällä ja siiven muoto määritetään A3K7 paksuusjakauman sekä tiheän siipihilan muotoilun periaatteita yhdistämällä. Tulo-osa suunnitellaan mahdollisimman jouhevaksi geometriatietojen ja kirjallisuuden esimerkkien mukaisesti. Lopuksi tulo-osaa mallinnetaan CFD-laskennalla. Diffuusori suunnitellaan käyttämällä soveltuvin osin kirjallisuudessa esitettyjätietoja, tulo-osan geometriaa ja CFD-laskentaa. Suunnittelutuloksia verrataan lopuksi kirjallisuudessa esitettyihin tuloksiin ja arvioidaan suunnittelun onnistumista sekä mahdollisia ongelmakohtia.

Methodology for wind turbine blade geometry optimization

Nowadays, the upwind three bladed horizontal axis wind turbine is the leading player on the market. It has been found to be the best industrial compromise in the range of different turbine constructions. The current wind industry innovation is conducted in the development of individual turbine components. The blade constitutes 20-25% of the overall turbine budget. Its optimal operation in particular local economic and wind conditions is worth investigating. The blade geometry, namely the chord, twist and airfoil type distributions along the span, responds to the output measures of the blade performance. Therefore, the optimal wind blade geometry can improve the overall turbine performance. The objectives of the dissertation are focused on the development of a methodology and specific tool for the investigation of possible existing wind blade geometry adjustments. The novelty of the methodology presented in the thesis is the multiobjective perspective on wind blade geometry optimization, particularly taking simultaneously into account the local wind conditions and the issue of aerodynamic noise emissions. The presented optimization objective approach has not been investigated previously for the implementation in wind blade design. The possibilities to use different theories for the analysis and search procedures are investigated and sufficient arguments derived for the usage of proposed theories. The tool is used for the test optimization of a particular wind turbine blade. The sensitivity analysis shows the dependence of the outputs on the provided inputs, as well as its relative and absolute divergences and instabilities. The pros and cons of the proposed technique are seen from the practical implementation, which is documented in the results, analysis and conclusion sections.