Lifting line analysis with wake alignment and blade element momentum method of the MEXICO horizontal axis wind turbine rotor

The thesis has the principal aim to test the Lifting Line analysis with Wake Alignment model (LL-WA) on the HAWT designed for the MEXICO experiment, performed in the German Dutch Wind Tunnels (DNW). The model and the experimental data are also compared with the Blade Element Momentum method (BEM). The originality of the thesis is to consider the Wake Alignment extension, a correction on the Lifting Line theory that permits to have a better physical description of the aerodynamic and geometrical parameters on the blades and along the wake. With this model, the wind velocity is aligned with the wake direction. The test is performed for three different wind speed at a constant rotational speed (10, 15 and 24 m/s). This extension permits to have a better description of the aerodynamic parameters and loads on the blade (e.g. torque, thrust, angle of attack, pitch angle, etc) and of the wake geometry. This aspect is important when the turbine is installed in a wind farm. However, this model presents some difficulties when the analysis is not performed at optimal working conditions.

La tesi si pone come obiettivo principale quello di testare il modello “Lifting Line con Wake Alignment” (LL-WA) sulla turbina ad asse orizzontale MEXICO. Tale macchina è stata installata presso la galleria del vento "German Dutch Wind Tunnels“. Dopo aver svolto l'analisi con il modello LL-WA, i dati MEXICO e i risultati di tale analisi sono stati confrontati con il modello “Blade Element Momentum” (BEM). L’originalità della tesi consiste nel considerare il modello WA come estensione alla teoria Lifting Line. Tale modello permette di ottenere una migliore descrizione fisica dell’aerodinamica e della geometria delle pale e della scia. Vengono considerate diverse sezioni lungo la scia, su di esse la velocità del fluido viene allineata con la direzione della scia stessa. Le analisi sono svolte in diverse condizioni di lavoro, a tre velocità del vento diverse (10, 15 e 24 m/s), tenendo costante la velocità di rotazione. Il modello LL-WA permette di ottenere una descrizione precisa della struttura della scia della turbina, di particolare importanza se la macchina è installata in un parco eolico. Tale modello però presenta alcune difficoltà quando le condizioni di lavoro sono lontane da quelle di design.