Aeromechanical evaluation of large HAWT’s blades

Abstract

Este artículo presenta la evaluación aeromecánica de una pala (longitud, 50 m) de aerogeneradores de eje horizontal (HAWT). El módulo aerodinámico combina el enfoque de la teoría de la superficie de elevación no lineal tridimensional y un método de panel bidimensional para un flujo simétrico axial constante. Proporciona una velocidad de incidencia y un ángulo de ataque efectivos en cada sección de la pala y distribución de presión 3D en la pala como datos de entrada para el paquete de análisis de elementos finitos (FEA). FEA proporciona deformaciones, deformaciones y distribuciones de tensión a lo largo de la fatiga inducida por la hoja y el material. El modelo de acumulación lineal de degradación se utilizó en el estudio de fatiga bajo un millón de ciclos de carga. El daño acumulado calculado se encontró por debajo del valor crítico. Introducción En funcionamiento normal, las palas de una turbina eólica deben resistir fuerzas centrífugas, momentos flectores causados ​​por fuerzas aerodinámicas de presión y efectos giroscópicos. Para mejorar el diseño de palas de aerogeneradores de eje horizontal (HAWT), la optimización del diseño requiere estimaciones de cargas más precisas y, por lo tanto, modelos más elaborados que incorporen acoplamiento de aerodinámica, dinámica estructural y turbulencia eólica. Las hojas HAWT modernas son estructuras delgadas compuestas con una distribución bastante sofisticada de resinas laminadas a lo largo y a lo ancho. La optimización mecánica de tales dispositivos debe realizarse modelando la hoja como un conjunto de elementos de capa delgada en lugar de utilizar el enfoque de elementos de viga. La evaluación precisa de las fuerzas interlaminares requiere una evaluación detallada del campo de fuerza externo, es decir, el campo de presión, que se supone que proporciona una mejor estimación del rendimiento del rotor que las teorías simplificadas del momento. utilizando fuerzas globales de elevación y arrastre en cada sección. Este artículo presenta una combinación de módulo aerodinámico, basado en el método Lifting Surface (LSM) y método de panel 2D, y módulo estructural, basado en el paquete de elementos finitos ANSYS, que se aplica para analizar un HAWT 1 grande (longitud de pala, 50 m; y potencia nominal, 3 MW).

This paper presents aeromechanical evaluation of a blade (length, 50 m) of horizontal axis wind turbines (HAWT). Aerodynamic module combines three-dimensional non-linear lifting surface theory approach and a two-dimensional panel method for steady axisymmetric flow. It provides effective incident velocity and angle of attack at each blade section and 3D pressure distribution on blade as an input data for finite element analysis (FEA) package. FEA provides deformations, strains and stress distributions along blade and material induced fatigue. Degradation linear accumulation model was used in fatigue study under one million cycles of loading. Calculated accumulated damage was found below critical value