Aerodynamic and structural design of a large-scale rotor wind turbine

Floating offshore wind turbines have been recently recognized as a potential solution to lower the wind energy cost, however the development and optimization of this technology implies new engineering challenges. In this context, model testing is of fundamental importance, to gather data for the validation of numerical codes and to directly study the complex interaction between wind and wave loads. The EU’s The Blue Growth Farm project aims at developing a multi-purpose offshore platform, integrating a 10 MW wind turbine and an aquaculture system. As an intermediate step, an outdoor prototype of the platform will be tested at the Natural Ocean Engineering Laboratory in Reggio Calabria. This thesis deals with the aeroelastic design of the blades of the outdoor prototype wind turbine, and is based on the Froude-scaled DTU 10 MW Reference Wind Turbine. The challenge to guarantee Reynolds similitude is introduced, and its consequences on the model scale rotor design are discussed. Moreover, the additional requirement, in the case of floating offshore wind turbines, to match the Froude number is discussed in relationship to the Reynolds matching. The aerodynamic scaling is performed with the aim of satisfying the scaled thrust force constraint on the rotor, since it is the most important factor in dynamic behaviour for offshore operation. The numerical optimization code developed for this purpose is discussed, highlighting its effectiveness and also the potential for very high level of automation in the design process. The choice of the appropriate airfoil is discussed, together with its aerodynamic behaviour. The blades’ 3D geometry is presented, together with the molds employed for manufacturing. The performance of the rigid aerodynamic design is presented, and the pitch control set-points for above-rated operation are suggested. Then, the structural design is addressed, with the main targets being the matching of the first scaled flapwise frequency and mass of the blade. The relevant load cases to assess the ultimate resistance of the blades are presented together with the results of the analyses. In conclusion, the experimental campaign and the sectional model to validate the aerodynamic performances of the chosen airfoil are presented.

Le turbine eoliche galleggianti sono state recentemente riconosciute come una soluzione potenziale per ridurre i costi dell’energia eolica, ma lo sviluppo e l’ottimizzazione di questa tecnologia implicano nuove sfide ingegneristiche. In questo contesto, i test sui modelli sono di fondamentale importanza, dato che rendono possibile la raccolta di dati per la validazione di codici numerici e lo studio diretto delle complesse interazioni tra i carichi di onde e vento. Il progetto dell’Unione Europea The Blue Growth Farm mira a sviluppare una piattaforma galleggiante multi-purpose, che integri una turbina da 10 MW e un sistema di acquacultura. Come passo intermedio, un prototipo sarà testato al Natural Ocean Engineering Laboratory a Reggio Calabria. Questa tesi si occupa della progettazione aeroelastica delle pale del prototipo, ed è basata sulla DTU 10 MW RWT, scalata secondo Froude. Viene introdotta la difficoltà di mantenere una similitudine del numero di Reynolds, e vengono discusse le conseguenze sulla progettazione del rotore del modello. Inoltre, il vincolo aggiuntivo, nel caso di turbine galleggianti, di mantenere il numero di Froude viene discusso in relazione alla similitudine del numero di Reynolds. La scalatura aerodinamica è eseguita con l’obiettivo di ottenere la spinta scalata secondo Froude sul rotore, essendo il fattore determinante del comportamento dinamico del sistema per applicazioni offshore. Viene discusso il codice di ottimizzazione numerica sviluppato per questo obiettivo, evidenziando la sua efficacia e il potenziale per un alto livello di automazione del processo di progettazione. La scelta del profilo aerodinamico più appropriato per l’applicazione viene motivata e discussa. Viene presentata la geometria tridimensionale delle pale, e gli stampi per la produzione. Seguono le prestazioni del rotore rigido, e vengono suggeriti dei set-point appropriati per il controllo del pitch collettivo delle pale in operazioni above-rated. Infine, la progettazione strutturale viene discussa: gli obiettivi principali sono ottenere la massa e la prima frequenza flapwise delle pale. I casi di carico utilizzati per valutare la resistenza delle pale sono presentati insieme ai risultati delle analisi. Per concludere, viene introdotta la campagna sperimentale ed il modello sezionale che avranno l’obiettivo di validare le prestazioni aerodinamiche del profilo scelto.