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F. Cianetti - Dynamic modeling of wind turbines. Experimental tuning of a multibody model Società Scientifica Italiana di Progettazione Meccanica e Costruzione di Macchine 46° Convegno Nazionale AIAS Università degli Studi di Pisa Pisa, 6-9 Settembre 2017 “Dynamic modeling of wind turbines. Experimental tuning of a multibody model” A. Cetrini, F. Cianetti, M. Becchetti, F. Castellani, C. Braccesi Dipartimento di Ingegneria Industriale, Università degli Studi di Perugia Via G. Duranti 67, 06125 Perugia E-mail: [email protected]

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F. Cianetti - Dynamic modeling of wind turbines. Experimental tuning of a multibody model

Società Scientifica Italiana diProgettazione Meccanica e Costruzione di Macchine46° Convegno Nazionale AIAS

Università degli Studi di Pisa

Pisa, 6-9 Settembre 2017

“Dynamic modeling of wind turbines.Experimental tuning of a multibody model”

A. Cetrini, F. Cianetti, M. Becchetti, F. Castellani, C. Braccesi

Dipartimento di Ingegneria Industriale, Università degli Studi di PerugiaVia G. Duranti 67, 06125 Perugia

E-mail: [email protected]

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Agenda presentazione

• PRIN 2015 ”Smart Optimized Fault Tolerant WIND turbines”

• Descrizione Progetto di Ricerca

• Obiettivi ed Attività svolta nel lavoro

• Wind Turbines and Multibody Modeling

• Le turbine eoliche

• La modellazione multicorpo e NREL-FAST

• La modellazione della flessibilità distribuita in FAST

• Test case

• Descrizione turbina

• Modellazione MBS

• Modellazione del corpo flessibile

• Identificazione e tuning numerico sperimentale (analisi modale)

• Prove sperimentali in galleria del vento

• Simulazioni delle prove in galleria

• Confronto numerico sperimentale

• Conclusioni

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PRIN 2015 – Smart Optimized Fault Tolerant WIND turbines

Titolo: Smart Optimized Fault Tolerant WIND turbines

Obiettivi: sviluppare innovativi sistemi di controllo delle turbine eoliche di grandi dimensioni finalizzato allaminimizzazione del danneggiamento strutturale (carichi) dei suoi componenti. Obiettivi paralleli sono la ideazione,progettazione e realizzazione di materiali innovativi e sistemi di misura on-board per la realizzazione ed il monitoraggiodelle pale.

Finanziamento erogato: 400 KEuro

Descrizione Progetto di Ricerca

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Descrizione Progetto di Ricerca

Coordinatrice: Prof.ssa Corradini(Univ. Camerino)

PRIN 2015 – Smart Optimized Fault Tolerant WIND turbines

Unità di Camerino: ING-INF/04, ING-IND/14,ING-IND/22, MAT/05, MAT/07

Prof.ssa Corradini

Unità di Perugia: ING-IND/14, ING-IND/13

Prof. Cianetti

Unità di Ancona: ING-INF/04

Prof. Orlando

Unità di Lecce: ING-IND/14

Prof. Nobile

(www.softwind.it)

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PRIN 2015 – Smart Optimized Fault Tolerant WIND turbines

Obiettivi ed attività svolta

Obiettivi: All’interno di questo progetto l’unità di ricerca dell’Università degli Studi di Perugia ha l’obiettivo disviluppare metodologie di modellazione e simulazione dinamica e di valutazione del comportamento a faticadelle turbine nel loro complesso. Lo sviluppo di tali metodologie sarà finalizzato alla ottimizzazione del loro controllo,finalizzato appunto alla riduzione delle condizioni di crisi di queste macchine.

Altra specificità dell’attività del gruppo di ricerca è la possibilità di verificare sperimentalmente le metodologie dimodellazione e i sistemi di controllo sviluppati mediante l’utilizzo della galleria del vento «Raffaele Balli» delDipartimento di Ingegneria e tutta una serie di facilities sviluppate in questi anni dal Dipartimento.

Attività svolta: In questo lavoro è stata analizzata una turbina di piccole dimensioni, realizzata presso il Dipartimentodi Ingegneria dell’Università di Perugia.

E’ stata descritta la tecnica di modellazione multicorpo adottata e l’attività sperimentale condotta in galleria delvento necessaria alla prima sintonizzazione del modello con il comportamento reale.

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Agenda presentazione

• PRIN 2015 ”Smart Optimized Fault Tolerant WIND turbines”

• Descrizione Progetto di Ricerca

• Obiettivi ed Attività svolta nel lavoro

• Wind Turbines and Multibody Modeling

• Le turbine eoliche

• La modellazione multicorpo e NREL-FAST

• La modellazione della flessibilità distribuita in FAST

• Test case

• Descrizione turbina

• Modellazione MBS

• Modellazione del corpo flessibile

• Identificazione e tuning numerico sperimentale (analisi modale)

• Prove sperimentali in galleria del vento

• Simulazioni delle prove in galleria

• Confronto numerico sperimentale

• Conclusioni

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Wind Turbines and Multibody Modeling

Le turbine eoliche

HAWT VAWT

HAWT

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Wind Turbines and Multibody Modeling

La modellazione multicorpo e NREL-FAST

NREL – FASTNational Renewable Energy Laboratory

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Piattaforma di supporto•Corpo rigido •6 gradi di libertà (3 rotazionali e 3 traslazionali)

Torre•Corpo flessibile (trave incastata)•4 gradi di libertà (prime 2 forme modali in direzione FA e SS)

Pala•Corpo flessibile (trave incastrata)•3 gradi di libertà (2 forme modale flapwise ed una edgewise)

Navicella•Corpo rigido•1 gdl rotazionale (imbardata)

Generatore•Corpo rigido •1 gradi di libertà rotazionale (coordinata azimutale)

Trasmissione•Albero equivalente al drivetrain soggetto a torsione•1 gdl

Wind Turbines and Multibody Modeling

La modellazione multicorpo e NREL-FAST

Controllo dello Yaw

Controllo del Pitch

Controllo dei Freni Aerodinamici

Controllo della Coppia

Controllo dell’ HSS (High-Speed-Shaft)

Facilities

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Wind Turbines and Multibody Modeling

La modellazione della flessibilità distribuita

Kane's equations

FAST usa solo gradi di libertàrelativi così da potersi“dimenticare” delle equazioni divincolo.

Le equazioni di Kane derivanodalla applicazione del principiodi D'Alambert

Rayleigh-Ritz method

Il metodo di Rayleigh-Ritz permette diapprossimare le deformate modalicome una sommatoria di funzionichiamate “shape functions”

Flexible Body

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Wind Turbines and Multibody Modeling

La modellazione della flessibilità distribuita

Kane's equations

Flexible body

Rayleigh-Ritz method

FAST approach

Tipiche 1st e 2nd forme modali flessionali

1st 2nd

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Agenda presentazione

• PRIN 2015 ”Smart Optimized Fault Tolerant WIND turbines”

• Descrizione Progetto di Ricerca

• Obiettivi ed Attività svolta nel lavoro

• Wind Turbines and Multibody Modeling

• Le turbine eoliche

• La modellazione multicorpo e NREL-FAST

• La modellazione della flessibilità distribuita in FAST

• Test case

• Descrizione turbina

• Modellazione MBS

• Modellazione del corpo flessibile

• Identificazione e tuning numerico sperimentale (analisi modale)

• Prove sperimentali in galleria del vento

• Simulazioni delle prove in galleria

• Confronto numerico sperimentale

• Conclusioni

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Test case

La galleria del vento

La struttura è dotata di un sistema per testare il micro-eolico (asse verticaleed orizzontale) con dimensioni massime di 2 m di diametro. Validazione delleprestazioni, sistema estensimetrico Wi-Fi per prove strutturali (anche su palein rotazione), ottimizzazione della curva di potenza dell’inverter e calcolo delcoefficiente di potenza (Cp). Generatore di vortici per variazione del livello diturbolenza all'interno della camera di prova.

Diametro esterno pale 2800 mmPressione totale 118 mm H2OVelocita di rotazione 745 rpmCorda del profilo alare 270 mmNumero di pale 11Rendimento 0.78Potenza richiesta 365 kWVelocità massima 47.4 m/s

Caratteristiche Motore/Fan

Caratteristiche Generali

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Test case

Descrizione Turbina

HAWT micro turbina a tre pale

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Test case

Modellazione MBS

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Test case

Modellazione del corpo flessibile

f1FA 5 Hz

f2FA 50 Hz

FA 1st e 2nd forme modali flessionali

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Test case

Modellazione del corpo flessibile

f1FA 5 Hz

f2FA 50 Hz

FA 1st e 2nd forme modali flessionali

Least square method

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Test case

Identificazione e tuning numerico sperimentale (analisi modale)

Experimental

Numerical SS from FE

(force input equal to acquired hammer input)

Numerical MBS by artificial impulse analysis

(Wind Shot time history input)

101

102

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0.035

0.04

Frequency [Hz]

Out

put

FF

T A

mpl

itude

[m

/s2 ]

Exp. Hammer

101

102

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0.035

0.04

Frequency [Hz]

Out

put

FF

T A

mpl

itude

[m

/s2 ]

Num. State-Space Hammer

101

102

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0.035

0.04

Frequency [Hz]

Out

put

FF

T A

mpl

itude

[m

/s2 ]

Num. MBS Wind Shot

101

102

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0.035

0.04

Frequency [Hz]

Out

put

FF

T A

mpl

itude

[m

/s2 ]

Exp. Hammer

Num. State-Space HammerNum. MBS Wind Shot

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Test case

Prove sperimentali in galleria del ventoProve condotte con velocità costante (steady state)

Tipologie di prove realizzabili

Steady state

Unsteady state

Ramp test

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Test case

Prove sperimentali in galleria del vento

Misura velocità vento (es. Steady state 5 m/s) Misura tachimetrica (es. Steady state 5 m/s)

Misura acceloremetrica FA (es. Steady state 5 m/s)

Accelerometro in testa torre

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10 20 30 40 50 60 70 80 9010

-6

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

Frequency [Hz]

Out

put

FF

T A

mpl

itude

[m

/s2 ]

5 m/s (270 rpm) 6 m/s (340 rpm) 7 m/s (400 rpm) 9 m/s (540 rpm)10 m/s (610 rpm)

1Pcyclic load

3Pcyclic load

6Pcyclic load

Test case

Analisi risultati sperimentali

Velocità (m/s)

Velocità (rpm)

1P(Hz)

3P(Hz)

6P(Hz)

9P(Hz)

5 270 4.5 13.5 27 40.5

6 340 5.67 17 34 51

7 400 6.67 20 40 60

9 540 9 27 54 81

10 610 10.17 30.5 61 91.5

1P ...riconducibili a sbilanciamento del rotore

3P, 6P, 9P, ... riconducibili ad effetti aerodinamici

Carichi ciclici

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Test case

Simulazione delle prove in galleria

Routines sviluppate in Matlab per simulare qualsiasi condizione di carico del vento sia nel dominio dello spazio (distribuzione verticale) sia del tempo

0 2 4 60

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

v [m/s]

z [

m]

(esempi di distribuzioni spaziali modellabili)

20 25 30 35 401

1.5

2

2.5

3

3.5

4

time [s]

v [

m/s

]

(esempi di TH modellabili)

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Test case

Simulazione delle prove in galleria

0 10 20 30 40 50 60 704

5

6

7

8

9

10

11

Time [s]

Win

d sp

eed

[m/s

]

10 m/s

9 m/s

7 m/s

6 m/s

5 m/s

Condizioni di carico acquisite sperimentalmente e adottatecome ingressi TH nelle simulazioni numeriche (flat spatial distribution)

Simulazioni steady statecondotte in replica a quelle sperimentali

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F. Cianetti - Dynamic modeling of wind turbines. Experimental tuning of a multibody model

30 40 50 60 70 80 9010

-6

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

Out

put

FF

T A

mpl

itude

[m

/s2 ]

Frequency [Hz]

TS=0.7

TS=0.3TS=0.0

3P cyclic load6P cyclic load

9P cyclic load

Test case

Confronto numerico sperimentale

Influenza del Tower Shadow (TS)

Dolan, D., & Lehn, P. (2006)

Simulation Model of Wind Turbine3p Torque Oscillations due toWind Shear and Tower Shadow

IEEE Transactions On EnergyConversion, 21(3), 717-724

In FAST l’effetto ombra della torreè presentato per essere utilizzatosolo per rotori Downwind.

Nel nostro caso è stato adottatoanche se in configurazioneUpwind.

Esempi di alcuni risultati ottenuti nella condizione di6 m/s di vento e per alcuni valori di TS

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30 40 50 60 70 80 9010

-6

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

Out

put

FF

T A

mpl

itude

[m

/s2 ]

Frequency [Hz]

TS=0.7

TS=0.3TS=0.0

3P cyclic load6P cyclic load

9P cyclic load

30 40 50 60 70 80 9010

-6

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

Frequency [Hz]

Out

put

FF

T A

mpl

itude

[m

/s2 ]

Exp.

MBS

9P cyclic load

3P cyclic load

6P cyclic load

Test case

Confronto numerico sperimentale

Esempi di alcuni risultati ottenuti nella condizione di6 m/s di vento e per alcuni valori di TS

Confronto Numerico/Sperimentale nella condizione di10 m/s di vento (TS = 0.65, valore di ottimo)

Modello con valore di TS di ottimo (TS = 0.65)Influenza del Tower Shadow (TS)

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• PRIN 2015 ”Smart Optimized Fault Tolerant WIND turbines”

• Descrizione Progetto di Ricerca

• Obiettivi ed Attività svolta nel lavoro

• Wind Turbines and Multibody Modeling

• Le turbine eoliche

• La modellazione multicorpo e NREL-FAST

• La modellazione della flessibilità distribuita in FAST

• Test case

• Descrizione turbina

• Modellazione MBS

• Modellazione del corpo flessibile

• Identificazione e tuning numerico sperimentale (analisi modale)

• Prove sperimentali in galleria del vento

• Simulazioni delle prove in galleria

• Confronto numerico sperimentale

• Conclusioni

Agenda presentazione

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Conclusioni

• Questo lavoro rappresenta il primo passo verso il raggiungimento dei principali obiettivi del progetto PRIN ottenendo conquesta attività la certificazione della bontà del modello di simulazione di riferimento che verrà adottato per la valutazione delcomportamento a fatica dei principali componenti delle HWTs.

• L’attività ha rivolto particolare attenzione alle metodologie di modellazione dei corpi flessibili ed in particolare della torre. E’stata sviluppata e verificata una semplice procedura che facilmente ottiene dal FEM esporta e post processa i dati necessariall’ottenimento della rappresentazione analitica delle forme modali richieste dal codice MBS.

• I risultati ottenuti dalle simulazioni confrontati con analoghe analisi sperimentali hanno confermato la bontà del modello diturbina realizzabile con FAST ed integrato da elementi flessibili. Si è però individuata la necessità di introdurre per questotipo di turbine sebbene Upwind il coefficiente di copertura (tower shadow) definito ed adottato dal codice per turbine sempreorizzontali ma di tipo Downwind.

Sviluppi Futuri

• Sviluppo di una procedura parallela di modellazione MBS in ADAMS.

• Sviluppo ed utilizzo della cosimulazione SIMULINK per i modelli MBS di turbina realizzati sia in FAST che in ADAMS al finedi testare i sistemi di controllo sviluppati dal PRIN.

• Sviluppo di modelli on board di previsioni del danneggiamento potenziale a fatica basati sui rilevamenti sperimentalistandard condotti sulle HAWTs.

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Grazie per l’attenzione