Experimental observations on efficiency difference between helical and straight bladed vertical axis wind turbines

Abstract

While in operation, the straight bladed vertical axis wind turbines (VAWTs) are affected by the variations in loadings that result in torque and power oscillations. This problem is considered to be solved by adopting helical blades. However, the way this solution affects the turbine’s efficiency is not entirely clear thus this aspect was studied and the results are presented in this paper. Four small scale VAWTs were investigated. A set consisting of one straight bladed turbine and one helical bladed turbine was tested. The airfoil used for this case was the symmetrical NACA 0018. Except for the helical angle, the two turbines were defined by the same key parameters that refer to the: swept area, aspect ratio, solidity, chord length, number of blades, airfoil type and pitch angle. The results revealed that the helical turbine was more efficient than the straight bladed one, generating 53% more power at 12 m/s. Another set of helical and straight bladed versions was tested, this time based on the asymmetrical FX 63-137 airfoil camber out mode. Contrary to the first case, here the straight bladed turbine was more efficient than the helical version, generating 2 times more power at 11 and 12 m/s.

În timpul rotației, turbinele eoliene cu ax vertical sunt supuse solicitărilor ciclice care au drept rezultat variații ale momentului de torsiune și puterii. Această problemă este considerată a fi rezolvată într-o anumită măsură prin adoptarea palelor elicoidale. Totuși modul în care această soluție afectează performanța turbinei nu este pe deplin clar, astfel acest aspect a fost studiat experimental iar rezultatele sunt prezentate în acest articol. Au fost pregătite patru turbine cu ax vertical de scară mică. Pentru început a fost testat un set compus dintr-o turbină cu pale drepte și alta cu pale elicoidale, ambele fiind definite de profilul aerodinamic NACA 0018. Cu excepția unghiului elicoidal, cele două turbine au fost caracterizate de aceiași parametri constructivi care se referă la: aria baleiată, raportul de aspect al rotorului, soliditate, lungime a corzii, numărul de pale, profil aerodinamic și unghi de înclinație. Rezultatele au favorizat palele elicoidale care la viteza vântului de 12 m/s au fost cu 53% mai productive decât palele drepte.Un alt set format din aceleași două configurații de turbine a fost testat, de această dată fiind utilizat profilul aerodinamic FX 63-137 orientată în mod curbură exterior. Contrar primului caz, aici turbina cu pale drepte a fost mai productivă decât cea cu pale elicoidale generând de două ori mai multă energie la vitezele de 11 și 12 m/s.