Performance and flow dynamics in cross-flow turbines

Abstract

Aquesta tesi doctoral presenta l'estudi que l'autor va realitzar per comprendre l'efecte de l'angle pitch de la pala sobre les interaccions pala-estela que tenen lloc dins el rotor i, per tant, sobre el rendiment d'una turbina de flux creuat amb tres pales rectes. En primer lloc, hem estudiat experimentalment el rendiment d'aquest tipus de turbina en un túnel de vent de capa límit. Ho vam fer per a diferents pitches fixos de les pales, i amb diferents nombres de Reynolds basats en el diàmetre de la turbina que cobreixen la regió de transició en què el parell produït per les pales va superar el parell resistiu oposat. La forma i els valors de la corba de rendiment van canviar dràsticament amb només un increment de l'angle pitch fix. Com més gran sigui el nombre de Reynolds, menor és el tip speed ratio òptim i més cap al toe-out es mou l'angle pitch ideal. Posteriorment, vam estudiar experimentalment la dinàmica de flux dins el rotor per diferents pitches de la pala en un tanc d'aigua amb carro, usant Digital Particle Image Velocimetry. Els assajos es van realitzar a un nombre de Reynolds basat en el diàmetre de la turbina constant, i per a un rang de tip speed ratios. L'atenció se centra en l'anàlisi de les interaccions pala-estela dins el rotor. Angles toe-in i excessius toe-out s'han associat a baixos rendiments d'aquest tipus de turbines. La investigació ens ha permès relacionar les interaccions pala-estela amb les diferències de rendiment en aquest tipus de turbines, en funció del tip speed ratio i de l'angle pitch de la pala.

Esta tesis doctoral presenta el estudio que el autor realizó para comprender el efecto del ángulo pitch de la pala sobre las interacciones pala-estela que tienen lugar dentro del rotor y, por lo tanto, sobre el rendimiento de una turbina de de flujo cruzado con tres palas rectas. En primer lugar, hemos estudiado experimentalmente el rendimiento de este tipo de turbina en un túnel de viento de capa límite. Lo hicimos para diferentes pitches fijos de las palas, y con diferentes números de Reynolds basados en el diámetro de la turbina que cubren la región de transición en la que el par producido por las palas superó al par resistivo opuesto. La forma y los valores de la curva de rendimiento cambiaron drásticamente con sólo un incremento del ángulo pitch fijo. Cuanto mayor sea el número de Reynolds, menor es el tip speed ratio óptimo y más hacia el toe-out se mueve el ángulo pitch ideal. Posteriormente, estudiamos experimentalmente la dinámica de flujo dentro del rotor para diferentes pitches de la pala en un tanque de agua con carro, usando Digital Particle Image Velocimetry. Los ensayos se realizaron a un número de Reynolds basado en el diámetro de la turbina constante, y para un rango de tip speed ratios. La atención se centra en el análisis de las interacciones pala-estela dentro del rotor. Ángulos toe-in y excesivos toe-out se han asociado a bajos rendimientos de este tipo de turbinas. La investigación nos ha permitido relacionar las interacciones pala-estela con las diferencias de rendimiento en este tipo de turbinas, en función del tip speed ratio operativo y del ángulo pitch de la pala.

This doctoral thesis presents the study that the author have carried out in order to understand the effect of the blade pitch angle on the blade-wake interactions that take place inside the rotor, and hence on the performance of a three straight bladed cross-flow turbine. Firstly, we have experimentally studied the performance of this kind of turbine in a boundary layer wind tunnel. We did it for different fixed blade pitches, and at different turbine diameter Reynolds numbers covering the transitional region in which the torque produced by the blades overtook the opposed resistive torque. Shape and values of the performance curve changed drastically with just an increment of the fixed pitch angle. The higher the Reynolds number, the lower the optimal tip speed ratio and the more towards toe-out the ideal pitch angle is moved. Afterwards, we study experimentally the flow dynamics inside the rotor for different blade pitches in a water towing tank, using planar Digital Particle Image Velocimetry. Tests were made at a constant turbine diameter Reynolds number, and for a range of tip speed ratios. The focus is given to the analysis of the blade-wake interactions inside the rotor. Toe-in and excessive toe-out angles have been associated to low performances of this type of turbines. The investigation has allowed us to relate the blade-wake interactions with the performance differences in this type of turbines, as a function of both the operational tip speed ratio and the blade pitch angle.