Quantification of aeroelastic response of blade-tower interaction in multimegawatt wind turbines

Shkara, Yasir; Behr, Marek; Schelenz, Ralf

doi:HT020554833

Quantification of aeroelastic response of blade-tower interaction in multimegawatt wind turbines = Quantifizierung des aeroelastischen Verhaltens der Blatt-Turm Interaktion in Multimegawatt Windenergieanlagen

Shkara, Yasir^RWTH*

2020

VerantwortlichkeitsangabeYasir Shkara

Ausgabe1. Auflage

ImpressumAachen : Verlag Mainz 2020

UmfangXVIII, 99 Seiten : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-95886-361-3

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020

Zweitveröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Schelenz, Ralf (Thesis advisor)^RWTH* ; Behr, Marek (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2020-07-02

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-08331
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/795436/files/795436.pdf

Einrichtungen

Chair for Wind Power Drives (412010)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
aeroelastic wind turbine (frei) ; aeroelastische Windenergieanlage (frei) ; blade-tower interaction (frei) ; Blatt-Turm Interaktion (frei) ; fluid-structure interaction (frei) ; Strömungs-Struktur Interaktion (frei) ; tower excitation (frei) ; Turmanregung (frei) ; wind turbine simulation (frei) ; Windenergieanlage Simulation (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Der Trend der gegenwärtigen Entwicklung moderner horizontalachsiger Wind-energieanlagen (WEA) geht zu leichteren, größeren Rotordurchmessern und längeren Türmen. Die größere, leichtere und flexiblere Struktur ist dynamischer und empfindlicher gegenüber kleineren Anregungen. Darüber hinaus wird mit zunehmender Turmlänge die Turmbasis größer und der Transport wird zu einer Herausforderung. Heutzutage sind die Abmessungen der Türme an die Straßengrenzen gestoßen. Andererseits wird der Einfluss externer Faktoren wie Wind-scherung und Rotor-Turm-Interaktion immer wichtiger. Um sicherzustellen, dass das dynamische Verhalten der Windenergieanlagenstruktur keinen Einfluss auf die Stabilität des Systems hat und um die Strukturabmessungen weiter zu optimieren, ist eine umfassende Analyse der gesamten Windenergieanlagenstruktur unerlässlich. Ziel dieser Arbeit ist es daher, die bidirektionale Blatt-Turm-Interaktion einer multi-megawatt WEA zu untersuchen. Ein aeroelastisches Modell auf der Basis von Fluid-Struktur Interaktion wird vorgestellt. Die Blattaerodynamik wurde durch das Lösen der instationären inkompressiblen Navier-Stokes-Gleichungen mittels Computational Fluid Dynamics (CFD) berechnet, während die Strukturdeformation unter Verwendung von Finiten Elementen (FE) berechnet wurde. Berücksichtigt werden sowohl die elastische Rotorblätter als auch der Turm, wobei die Rotorblätter als Biegebalken modelliert werden, während der Turm in finite Elemente diskretisiert wird. Das numerische Modell gibt einen Einblick in die aerodynamische Leistung und das Strukturverhalten der Windenergieanlagen. Die Studie zeigte, dass das passieren der Rotorblätter vor dem Turm zu einem merklichen Abfall des aerodynamischen Drehmoments des Rotors führt. Darüber hinaus hat der Rotor einen starken Einfluss auf die Frequenz des Wirbelablösens des Turms, was zu unterschiedlichen Nachlaufstrukturen zwischen dem oberen und dem unteren Teil führt. Die Dynamik des Turms ist mit dem Rotordrehwinkel synchronisiert und die Blätter erleiden insbesondere in Schlagrichtung eine oszillierende Verformung. Dadurch entstehen dreimal pro Umdrehung zyklische Ermüdungslasten und Strukturverformungen, die für die Turmauslegung und die Lebensdaueranalyse als wichtig erachtet werden.

The trend in the current development of modern horizontal axis wind turbines (HAWTs) is towards light-weight, bigger rotor diameter and longer towers. The bigger, lighter and more flexible structure is more dynamically active and sensitive to smaller excitations. Furthermore, with increasing tower length the tower base becomes bigger and transportation problems appear. Nowadays, tower dimensions have almost reached roads limits. On the other hand, the influence of external factors such as wind shear and rotor-tower interaction become more important. To ensure that the dynamic behavior of the wind turbine structure will not influence the stability of the system and to further optimize the structure dimensions, a fully detailed analysis of the entire wind turbine structure is essential. Hence, the aim of this work is to investigate the bidirectional blade-tower interaction of a multi-megawatt upwind HAWT. A high-fidelity aeroelastic model based on fluid-structure interaction is presented. The blade aerodynamics was predicted from solving the unsteady incompressible Navier-Stokes equations by means of computational fluid dynamics (CFD), while structure deformation was calculated using finite element (FE). The dynamic response of the wind turbine structure is accomplished in a strongly coupled manner. Both elastic blade and tower are considered, where the blades are modeled as an equivalent cantilever beam while the tower is discretized into finite elements. The numerical model provides insight into wind turbine aerodynamic performance and structure behavior. The study showed that passage of the blade in front of the tower causes a noticeable dip in the rotor aerodynamic torque. Furthermore, the rotor has a strong influence on the tower shedding frequency causing different wake structures between the upper and the lower parts. The dynamic response of the tower is synchronized with azimuthal angle of the rotor and the blades suffer oscillatory deformation particularly in the flapwise direction. This creates cyclic fatigue loads and structure deformation three times per rotation which are considered to be important for the tower design and fatigue-life analyse.

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