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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]
F. Cianetti - Dynamic modeling of wind turbines. Experimental tuning of a multibody model
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
F. Cianetti - Dynamic modeling of wind turbines. Experimental tuning of a multibody model
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
F. Cianetti - Dynamic modeling of wind turbines. Experimental tuning of a multibody model
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)
F. Cianetti - Dynamic modeling of wind turbines. Experimental tuning of a multibody model
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.
F. Cianetti - Dynamic modeling of wind turbines. Experimental tuning of a multibody model
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
F. Cianetti - Dynamic modeling of wind turbines. Experimental tuning of a multibody model
Wind Turbines and Multibody Modeling
Le turbine eoliche
HAWT VAWT
HAWT
F. Cianetti - Dynamic modeling of wind turbines. Experimental tuning of a multibody model
Wind Turbines and Multibody Modeling
La modellazione multicorpo e NREL-FAST
NREL – FASTNational Renewable Energy Laboratory
F. Cianetti - Dynamic modeling of wind turbines. Experimental tuning of a multibody model
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
F. Cianetti - Dynamic modeling of wind turbines. Experimental tuning of a multibody model
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
F. Cianetti - Dynamic modeling of wind turbines. Experimental tuning of a multibody model
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
F. Cianetti - Dynamic modeling of wind turbines. Experimental tuning of a multibody model
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
F. Cianetti - Dynamic modeling of wind turbines. Experimental tuning of a multibody model
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
F. Cianetti - Dynamic modeling of wind turbines. Experimental tuning of a multibody model
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)
F. Cianetti - Dynamic modeling of wind turbines. Experimental tuning of a multibody model
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
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
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
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
F. Cianetti - Dynamic modeling of wind turbines. Experimental tuning of a multibody model
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.
F. Cianetti - Dynamic modeling of wind turbines. Experimental tuning of a multibody model
Grazie per l’attenzione