The aerodynamic characteristics of the scaled wind turbine blade model are investigated to estimate aerodynamic performance and to identify the aeroacoustic noise source of the real scale wind turbine blade. The wind tunnel tests are conducted at the KARI low speed wind tunnel which has $4m \times 3m$ closed type test section. The Reynolds number of the scaled wind turbine blade is $0.1 \times 10^6$ which shows the low Reynolds number characteristics of laminar separation on the suction surface at the low angle of attack.
The aerodynamic performance of the scaled wind turbine blade which results in the poor performance shows the nonlinear characteristics with respect to the angle of attack due to the laminar separation. The ‘turbulence dot’ near the leading edge on the upper and lower surface to prevent the laminar separation is used in this test. Therefore the linear characteristics of the aerodynamic performance represented by torque with respect to the angle of attack are restored, but the torque slope with respect to the angle of attack has still less value compared with ones of the real scale model. A correction method of he scaled effect to estimate the real scale aerodynamic performance based on the scaled model test results is proposed here.
The aeroacoustic wind tunnel test of the scaled wind turbine blade is also conducted in the closed type test section. The microphone array located on the bottom wall of the tunnel is used to identify the dominant noise source position of the blade. A time domain beamforming method is employed for rotationally moving source. Instead of rectangular coordinate system, a cylinderical coordinate system is proposed to reduce the data processing time per revolution. It is founded that the dominant noise source at the frequency above 4kHz is due to the interaction between the turbulent boundary layer and the trailing edge for the scaled wind turbine blade. The position of the noise source is located near the tip of the blade. The most dominant noise source at frequency below 2 kHz seems to be located around 80% of the blade radius, which was known based on the beamforming calculation. It is due to the separated flow at the trailing edge of the blade. For the clean blade without ‘turbulence dot’, the value of the data is higher especially at the frequency below 2kHz compared with the results of the blade with ‘turbulence dot’. It seems to be due to the laminar separation of the clean blade, which causes the early stall.
The correction method of the scaled effect to estimate the aerodynamic performance of the wind turbine blade is proposed here and the noise sources are analyzed in the scaled blade model. The methodology of alanysis can be applied to the real turbine blade.
풍동시험에서 축소모델 풍력터빈 블레이드 공력성능 및 공력소음원의 특성을 파악하기 위한 연구가 수행되었다. 풍동시험은 KARI 중형아음속풍동의 폐쇄형시험부(폭4m, 높이 3m)에서 수행되었다. 풍동시험이 수행된 Re수는 100,000부근 영역으로 이 Re수에서는 낮은 받음각에서도 익형에서 층류박리가 발생되는 것으로 알려져 있다.
이러한 층류박이 현상으로 인해 축소모델 풍력터빈 블레이드의 성능을 나타내는 토크는 받음ㅁ각에 대한 비선형적인 특성과 매우 낮은 성능특성을 나타낸다. 풍동시험에서는 블레이드 앞단에 `turbulence dot`를 부착함으로써 받음각에 대한 토크의 선형적인 특성을 획득하였으나, 모델 축소로 인한 영향으로 풍동시험 측정값은 실물모델 시험결과에 비해 작은값을 나타내고 있다. 본 논문에서는 축소모델 풍동시험에서 나타나는 이러한 축소효과를 보정하기 위한 기법을 제안하였다.
소음원의 특성을 파악하기 위한 시험이 폐쇄형 시험부에서 수행되었다. 시험부 바닥면에 설치된마이크로폰 어레이를 사용하여 풍력터빈 블레이드에서 발생하는 소음원의 위치를 파악하였다. 회전이동하는 소음원을 파악하기 위해 시간영역 빔포밍기법을 사용하였다. 시험결과 해석에 소요되는 시간을 단축하기 위해 원통형 좌표계를 활용한 개선된 회전체 빔포밍 기법을 제안하였다. 빔포밍 시험결과에서 나타난 블레이드 소음원특성은 주파수 4kHz 이상의 영역에서는 난류경계층과 익형끝단의 간섭에 의한 소음이 주소음원이며, 블레이드 끝단 영역에서 가장 크게 나타나고 있다. 주파수 2kHz 이하 영역에서는 층류박리에 의한 소음이 주소음원이며, 블레이드 반경 80% 영역에서 가장 크게 나타나고 있다. 블레이드 표면에 `turbulence dot`를 부착하지 않는 상태에서는 2kHz 부근의 소음값이 매우 크게 나타나며, 이는 층류박리에 의한 실속에 의한 영향을 파악된다.
본 논문에서는 축소모델 풍력터빈 블레이드 풍동시험을 통하여 실속이전 영역의 블레이드의 공력성능을 예측하기 위한 기법을 제안하였으며, 아울러 개선된 빔포밍 기법을 사용하여 축소모델 블레이드에서 발생하는 공력소음원의 특성을 파악하였다. 본 논문에서 사용된 접근법은 실물모델 블레이드의 공력특성을 예측하기 위해 사용될 수 있다.
