Joustavarakenteinen tuuliturbiinin siivistö

Abstract

Tässä työssä tutkittiin joustavan materiaalin käyttömahdollisuutta tuuliturbiinin siivissä. Työssä tutustuttiin lyhyesti tuuliturbiineihin, tuulivoiman historiaan ja sen tulevaisuuteen. Testiturbiineina toimivat Solidworks-ohjelmistolla piirretyt ja 3D-tulostimella tulostetut Savonius-turbiinit. Savonius-turbiini on erittäin yksinkertainen turbiinimalli. Se koostuu kahdesta puolisylinteristä, jotka on asetettu eri päin, pystyssä olevan akselin molemmille puolille. Savonius turbiini on erinomainen turbiinivalinta itsenäiseen toimintaan, mutta sen käynnistysmomentti on heikko.

Työssä pohdittiin joustavan materiaalin vaatimuksia ja ongelmia turbiinikäytössä sekä tutustuttiin joustavan siiven aerodynamiikkaan. Testiturbiineista toinen on perinteinen jäykkäsiipinen malli, joka rakennettiin PLA-muovista ja toinen turbiini rakennettiin osittain kumista. Työssä käytettiin CFD-mallinnusta tukemaan mittauksia. Tuloksista huomattiin, että varsinkin pienemmillä pyörimisnopeuksilla joustavarakenteisen turbiinin hyöty on merkittävä. Suuremmilla nopeuksilla ero oli pienempi ja joustavan turbiinin tärinä kasvoi niin suureksi, että mittaukset piti lopettaa ennenaikaisesti.

This Master’s thesis investigated the use of elastic material in wind turbine blades. This thesis briefly reviewed the history and future of wind power and compared different wind turbine types. Wind turbine type chosen for this experiment was Savonius-turbine. Two prototype turbines were designed by using Solidworks software and printed using a 3D-printer. Savonius-turbine is extremely simple turbine design. The rotor of Savonius-turbine consists of two half-cylinder blades placed to a rotating vertical axis. It is excellent choice for independent turbine, but it lacks starting torque.

Thesis considered requirements and problems caused by flexible rotor blades and investigated the aerodynamics of elastic wings. One of the test turbines was rigid and build from PLA plastic. Another turbine was partially elastic. The elastic parts were built from rubber sheet. Turbines were measured in wind tunnel and results were compared to CFD simulations. Experiment and CFD simulations showed that the elastic wind turbine version generated significantly better tip-speed ratios at lower wind speeds. The difference was smaller at higher speeds, but still noticeable. Higher inlet velocity also resulted in more vibrations in the elastic turbine, so experiment had to be prematurely stopped.