Design and analysis of a metallic erosion protective solution for wind turbine blades

Abstract

Erosion on wind turbine blades is an ever increasing problem, as more wind power is built and the average size of turbines is growing. Especially when most of the unused capacity is in offshore, where rain erosion is a large issue. Currently issued erosion protective solutions are at their limits and offering only a limited time of protection. Metallic solutions have grown interest in the field, but still no commercial solution has been developed. Objective of this thesis is a preliminary design of such solution and analyses for it are done.

For the structural analyses a wind turbine blade FEA model was recreated and validated. This was done to provide a realistic attachment for the designed shield to do the structural analyses. The blade was put under loading resembling operational conditions and the results of the shield was then observed. An ultimate load and fatigue life cases were defined for the structural analyses. For the aerodynamic analysis, a 2D CFD case for representative airfoil with added shield was defined. Both the linear-elastic 3D FEA and the 2D CFD analyses were done using the commercial software package ANSYS. In more detail ANSYS Mechanical and Composite PrepPost were used for the structural analyses and ANSYS Fluent for the CFD.

The analyses yielded that the designed solution would structurally be a lifetime solution, handling the worst cases of ultimate and fatigue loads. All the stresses for respective cases were under the yield and endurance limits of the selected material. Additionally, the solution only had a minor effect on the structural response of the wind turbine blade. For the aerodynamic analysis the shield has a small, but noticeable effect on the lift coefficient of the airfoil. No changes in the drag coefficient was observed.

Eroosio on kasvava ongelma tuulivoimaloiden lavoissa, kun lisää tuulivoimakapasiteettia rakennetaan ja voimaloiden keskimääräinen koko kasvaa. Etenkin kun valtaosa käyttämättömästä kapasiteetista on merellä, jossa vesisade on iso ongelma. Nykyisin käytetyt ratkaisut eroosiolta suojautumiseen ovat kohdanneet rajoitteensa ja tarjoavat vain väliaikaisen suojan. Metalliset ratkaisut ovat kasvattaneet kiinnostusta alalla, mutta yhtään kaupallista ratkaisua ei silti ole vielä kehitetty. Työn tavoite on luoda alustava malli tällaisesta ratkaisusta ja analysoida se.

Rakenneanalyysejä varten olemassa oleva tuulivoimalan lavan elementtimalli uudelleenmallinnetaan ja validoidaan. Tätä mallia käytetään realistisena kiinnityspisteenä suunitellulle kilpimallille rakenneanalyysejä varten. Lapaan kohdistetaan voimia, jotka kuvastat oikeita olosuhteita tuotannon aikana ja kilpeen aiheutuneita muodonmuutoksia ja jännityksiä havainnoidaan. Kuormitustapaukset maksimikuormalle ja väsymiselle määritellään erikseen analyysejä varten. Aerodynaamista analyysiä varten tehdään 2D virtaussimulaatio sopivalle siipirpofiilille lisätyllä kilvellä. Kaikki analyysit suoritetaan kaupallisella ANSYS-ohjelmistolla. Tarkemmin, rakenneanalyyiseissä käytetään ANSYS Mechanical- ja Composite PrepPost-ohjelmia, ja virtaussimulaatio suoritetaan ANSYS Fluentilla.

Analyysien tulokset näyttävät, että suunniteltu kilpi olisi rakenteellisesti elinikäinen ratkaisu selviytyen määritellyistä maksimi- ja väsymiskuormista. Kaikki jännitykset kullekin tapauksille olivat alle käytetyn materiaalin myötö- ja väsymisrajojen. Lisäksi, metallisella kilvellä oli vain pieni vaikutus lavan mekaanisiin ominaisuuksiin. Aerodynaamisesti kilvellä on pieni, mutta havaittava laskeva vaikutus nostovoimakertoimeen. Mitään muutosta vastuskertoimeen ei havaittu.