Aerodynamic and mechanical design of a 1:15 scale floating wind turbine rotor

Quality of life is measured according to lots of indexes, among which health and environment are regarded as totally connected. In particular an unspoiled environment is a source of mental and physical welfare and air pollution and green house gases (GHG) directly affect the level of quality of the environment. EU Commission reported a reduction of GHG emission of 23% from 1990 to 2018, a decrease that can be mainly attributed to the sectors covered by the EU ETS and in particular to power plants. WindEurope supports this topic and pins his hopes in wind energy, a fast growing clean and renewable energy source. The vast majority of wind power is generated from onshore farms while offshore is considered to be the next frontier. Design of floating offshore wind turbine is very challenging, hence model testing is of fundamental importance to explore wind-wave loads interactions. The EU Blue Growth Farm (TBGF) takes part in this dare aiming to develop an automated, modular and environmentally friendly multi-functional platform for open sea farm installations. This thesis is part of TBGF project and deals with the design of the outdoor platform prototype, more specifically of the wind turbine rotor. The blades are adjusted for the faithful reproduction of a 1:15 scaled thrust force of the DTU-10MW wind turbine. The selected airfoil profile (SG6040) is experimentally tested to investigate and justify the choice; the 3D aerodynamic design is developed and numerically tested to ascertain the accuracy of the matching strategy. Subsequently, the structural sizing is explored for the blades and the rotor hub. The blades structural stability is evaluated numerically and an experimental campaign is investigated in order to validate the Finite Element (FE) model. The main goal of the rotor hub structural design is to get a Plug&Play solution. The components are verified in conformity with Standards and then numerically tested in FEA Software. Finally, future developments are discussed together with the missing steps for the completion of the outdoor prototype of the wind turbine.

La qualità della vita viene misurata in base a divirsi indici, tra cui la salute e l'ambiente possono essere considerati interconnessi. Nello specifico un ambiente incontaminato è frutto di benessere psico-fisico. Un esempio di contaminazione è la qualità dell'aria, la quale è influenzata da sostanze inquinanti e gas serra. La Commissione Europea ha riportato una riduzione di emissioni di gas serra del 23% dal 1990 al 2018, della quele una gran parte è attribuita ai settori coperti da EU ETS, tra cui sono presenti gli impianti energetici. WindEurope collabora a questo miglioramento e ripone le sue speranze nell'energia eolica, una risorsa pulita e rinnovabile caratterizzata da uno sviluppo rapido. Oggigiorno, la maggior parte di questa energia viene prodotta mediante parchi eolici onshore (sulla terraferma) ma lo sviluppo di parchi in mare aperto sta suscitando grande interesse per le future installazioni. Diverse complicazioni insorgono durante la progettazione delle turbine eoliche galleggianti, per questo motivo dei modelli in scala vengono studiati al fine di comprendere le interazioni delle forze del vento con quelle delle onde. The Blue Growth Farm (TBGF), con l'intento di partecipare a questa sfida, ha avviato un progetto atto a mettere a punto una piattaforma multifunzionale automatizzata, modulare e a basso impatto ambientale che sarà installata in mare aperto. Questa tesi rientra nel progetto definito e si occupa della progettazione del rotore della turbina eolica che verrà installata sulla piattaforma. La geometria delle pale ha come obiettivo la riproduzione della massima forza assiale (thrust) in proporzione 1:15 con quella della turbina di riferimento DTU-10MW. Il profilo selezionato (SG6040) viene indagato sperimentalmente con un modello bidimensionale al fine di caratterizzare le prestazioni aerodinamiche e giustificare la scelta; la progettazione aerodinamica tridimensionale è definita e, nello stesso momento, è testata tramite modelli numerici così da verificare se la strategia di scala selezionata è scelta accuratamente. Inoltre vengono esaminate le caratteristiche strutturali delle pale e del mozzo del rotore. La resistenza strutturale delle pale è verificata tramite analisi ad elementi finiti; viene inoltre studiata una campagna sperimentale che ha lo scopo di verificare l'affidabilità del modello utilizzato. La struttura interna del rotore viene definita in modo da avere una soluzione Plug&Play. Tutti i componenti sono dimensionati seguendo le rispettive normative e vengono riprodotti e testati con modelli ad elementi finiti. Infine sono riassunti conclusioni e lavori futuri utili per il completamento della progettazione della turbina.