3D Blade model updating by coupling HAWC2 and ABAQUS

Abstract

El sector de la energía eólica se ha desarrollado considerablemente en cuanto a mejoras tecnológicas, reducción de costes e implantación. Cada vez se construyen más aerogeneradores en las zonas costeras, donde hay una gran demanda de energía y un amplio recurso eólico. Como consecuencia, las condiciones extremas de viento, como tifones o huracanes, suponen un peligro importante para la integridad estructural de los aerogeneradores. En condiciones meteorológicas extremas, pueden inducirse daños en las palas de los aerogeneradores y sus propiedades estructurales pueden experimentar una degradación significativa. En el contexto aeroelástico de un aerogenerador, es importante considerar los efectos mutuos de las cargas aerodinámicas y las propiedades estructurales. Este trabajo presenta el acople de la herramienta de simulación aeroelástica HAWC2 y el software 3D ABAQUS de elementos finitos a través de una interfaz desarrollada en MATLAB. Esta interfaz utilizará las cargas aerodinámicas calculadas por la herramienta aeroelástica HAWC2 para calcular las propiedades estructurales en secciones de la pala modeladas en elementos finitos. Si se producen daños en la sección de la pala, las propiedades estructurales se actualizarán en la herramienta aeroelástica para calcular las nuevas cargas aerodinámicas. De este modo, la interfaz considera la degradación de las propiedades estructurales de las palas en los cálculos de las cargas aerodinámicas, teniendo en cuenta las no linealidades estructurales asociadas a la geometría y a la composición del material compuesto que no se tienen en cuenta en el modelo utilizado por la herramienta aeroelástica HAWC2. En otras palabras, con esta interfaz se tienen en cuenta las interacciones entre las cargas aerodinámicas y las propiedades estructurales de las palas en la respuesta temporal de un aerogenerador. Para este estudio se ha modelado un perfil de viento extremo basado en datos reales, y se ha empleado el aerogenerador de referencia de 10 MW de la DTU (Universidad Técnica de Dinamarca).

The wind energy sector has developed considerably in terms of technology improvements, cost reductions, and implementation. More wind turbines are being constructed in coastal areas where there is a high energy demand and an ample wind resource. As a result, extreme wind conditions such as typhoons and hurricanes pose a significant danger to the structural integrity of wind turbines. Under extreme weather conditions, damage may be induced in wind turbine blades and their stiffness properties may experience significant degradation. In the aeroelastic context of a wind turbine, it is important to consider the mutual effects of the aerodynamic loads and the structural properties. An approach to improve the analysis of a wind turbine blade's behaviour under extreme wind conditions is to couple software for aeroelastic and structural simulations. This work presents the coupling of the aeroelastic simulation tool HAWC2 and the 3D FE software ABAQUS through an interface developed in MATLAB. This interface will link the aerodynamic loads computed by the aeroelastic tool HAWC2 and use them as an input to calculate the structural properties on 3D FE blade sections. If damage is encountered on the 3D blade structure, the stiffness properties will be updated into the aeroelastic tool to compute the new aerodynamic loads. This way, the interface considers the degradation of the stiffness properties of wind turbine blade structures in the calculations of aerodynamic loads, taking into account structural non-linearities associated with geometry and composite layup that are neglected in the beam theory model used by the aeroelastic tool HAWC2. In other words, interactions between aerodynamic loads and structural properties of blade structures in the time response of a wind turbine are achieved with this interface. An extreme wind profile based on real wind turbulence measurements has been modelled for this study, and the DTU 10 MW Reference Wind Turbine has been employed.