ABSTRACT

A detailed comprehensive study of a proposed V-shaped turbine rotor is performed in order to examine its structural and aerodynamic characteristics. The structural analysis section of this work determined the most structurally sound blade geometry from 3 different blade geometries. Using the chosen blade profile, 8 rotor models are developed and are tested numerically. These rotor models are of different configurations, focusing on an inclination angle of 45 and 60 degrees, blade twist angle of 0 and 5 degrees and number of blades. Four rotor models are taken from the initial tests for further study, 3B45D which is a three-bladed rotor with a 45 degree inclination angle, 5B45D which is a five-bladed rotor with a 45 degree inclination angle, 5B45D (5deg) which is a five-bladed rotor with a 45 degree inclination angle and a 5 degree blade twist angle, and 5B60D which is a five-bladed rotor with a 60 degree inclination angle. From the structural study, blade design 2 held the best structural characteristics. The design showed an excellent Von-Mises at 8.8 MPa for static structural and 22.2 MPa for fatigue stress response which is well below the yield strength of ABS Plastic. Both experimental and numerical data have relatively good agreement that is within 15% difference. Overall, maximum power coefficient achieved in this study is about 0.259 numerically and 0.213 experimentally. The best performance is seen by the 3B45D rotor in both static and dynamic study considering experimental and numerical corroboration of results.

摘要

对拟议的 V 形涡轮转子进行了详细的综合研究，以检查其结构和空气动力学特性。这项工作的结构分析部分从 3 种不同的叶片几何形状中确定了结构最合理的叶片几何形状。使用所选的叶片轮廓，开发了 8 个转子模型并进行了数值测试。这些转子模型具有不同的配置，重点是45度和60度的倾角，0度和5度的叶片扭转角以及叶片数量。四个转子模型从初始测试中提取以供进一步研究，3B45D 是具有 45 度倾角的三叶转子，5B45D 是具有 45 度倾角的五叶转子，5B45D (5deg) 是具有 45 度倾角和 5 度叶片扭转角的五叶旋翼，以及 5B60D 是具有 60 度倾角的五叶旋翼。从结构研究来看，叶片设计 2 具有最好的结构特性。该设计显示了出色的 Von-Mises，静态结构为 8.8 MPa，疲劳应力响应为 22.2 MPa，远低于 ABS 塑料的屈服强度。实验数据和数值数据都具有较好的一致性，差异在 15% 以内。总体而言，本研究中实现的最大功率系数在数值上约为 0.259，在实验上约为 0.213。考虑到结果的实验​​和数值验证，3B45D 转子在静态和动态研究中都表现出最佳性能。和 5B60D 是一个具有 60 度倾角的五叶转子。从结构研究来看，叶片设计 2 具有最好的结构特性。该设计显示了出色的 Von-Mises，静态结构为 8.8 MPa，疲劳应力响应为 22.2 MPa，远低于 ABS 塑料的屈服强度。实验数据和数值数据都具有较好的一致性，差异在 15% 以内。总体而言，本研究中实现的最大功率系数在数值上约为 0.259，在实验上约为 0.213。考虑到结果的实验​​和数值验证，3B45D 转子在静态和动态研究中都表现出最佳性能。和 5B60D 是一个具有 60 度倾角的五叶转子。从结构研究来看，叶片设计 2 具有最好的结构特性。该设计显示了出色的 Von-Mises，静态结构为 8.8 MPa，疲劳应力响应为 22.2 MPa，远低于 ABS 塑料的屈服强度。实验数据和数值数据都具有较好的一致性，差异在 15% 以内。总体而言，本研究中实现的最大功率系数在数值上约为 0.259，在实验上约为 0.213。考虑到结果的实验​​和数值验证，3B45D 转子在静态和动态研究中都表现出最佳性能。静态结构为 8 MPa，疲劳应力响应为 22.2 MPa，远低于 ABS 塑料的屈服强度。实验数据和数值数据都具有较好的一致性，差异在 15% 以内。总体而言，本研究中实现的最大功率系数在数值上约为 0.259，在实验上约为 0.213。考虑到结果的实验​​和数值验证，3B45D 转子在静态和动态研究中都表现出最佳性能。静态结构为 8 MPa，疲劳应力响应为 22.2 MPa，远低于 ABS 塑料的屈服强度。实验数据和数值数据都具有较好的一致性，差异在 15% 以内。总体而言，本研究中实现的最大功率系数在数值上约为 0.259，在实验上约为 0.213。考虑到结果的实验​​和数值验证，3B45D 转子在静态和动态研究中都表现出最佳性能。