Structural testing and mechatronic design of a large-scale floating wind turbine model rotor

Oggigiorno le piattaforme galleggianti multiuso stanno emergendo come un concetto promettente nelle applicazioni di ingegneria oceanica in qualità di sistemi in grado di integrare più dispositivi, consentendo la riduzione dei costi e il miglioramento sinergico delle prestazioni dei sottosistemi. Tuttavia, durante la progettazione di sistemi così complessi sorgono sfide difficili e l'UE e altri Paesi si impegnano a fondo per promuovere la ricerca in questo settore. Il progetto europeo Blue Growth Farm (BGF) prende parte a questa sfida con l'obiettivo di sviluppare una piattaforma multifunzionale automatizzata, modulare ed ecocompatibile per le installazioni agricole in mare aperto. Questa tesi affronta la parte del progetto BGF relativa allo sviluppo del modello di turbina eolica da esterno DTU10MW in scala 1:15. Le pale in composito del modello vengono testate al fine di verificare le ipotesi strutturali fatte durante la fase di progettazione che è stata supportata solo dall'analisi numerica. Le loro proprietà di rigidità strutturale locale e globale vengono studiate mediante test di carico concentrato. Vengono eseguite più prove delle forze relative ai casi di carico di progetto per valutare la resistenza della pala ai carichi stimati durante il funzionamento. Viene creato un modello sperimentale per la stima del carico in servizio sfruttando le prove sperimentali. Le frequenze naturali delle pale e le forme modali vengono studiate sperimentalmente per verificarne la congruenza con la frequenza di eccitazione operativa relativa alla rotazione del rotore. Viene proposta una strategia di affinamento del modello numerico al fine di abbinare le effettive caratteristiche dinamiche della pala. Il comportamento modale del rotore viene indagato attraverso l'analisi numerica e il design del mozzo del rotore viene affinato ottenendo la configurazione finale da installare sulla turbina. Infine, viene affrontato il design meccatronico. La logica di controllo è progettata e messa a punto per il prototipo da esterno BGF. Attuatori, sensori e strategie di monitoraggio vengono scelti. Vengono effettuati test sul controllore per valutarne il corretto funzionamento.

Nowadays floating multi purpose platforms are emerging as a promising concept in ocean engineering applications as systems able to integrate multiple devices, allowing cost reduction and synergic improvement of subsystems performances. However, hardous challenges arises when designing such complex systems and strong efforts are made by EU and other Countries in order to boost research about this topic. The Blue Growth Farm (BGF) EU project takes part in this dare aiming to develop an automated, modular and environmentally friendly multi-functional platform for open sea farm installations. This thesis deals with the part of the BGF project concerning the design of the DTU10MW 1:15 scaled outdoor wind turbine model. The model composite blades are tested in order to verify the relative structural properties assumptions done during the design phase which was supported only by numerical analysis. Their structural local and global stiffness properties are investigated through concentrated load tests. Multiple forces tests related to the design load cases are performed assessing blade resistance to in-operation estimated loads. An experimental model for in-service load estimation is set up taking advantage of experimental evidence. Blade natural frequencies and mode shapes are investigated experimentally in order to verify their congruence with the operative exciting frequency related to rotor rotation. A numerical model refinement strategy is proposed in order to match the actual blade dynamic characteristics. Rotor modal behaviour is investigated through numerical analysis and the rotor hub design is refined obtaining the final configuration to be installed on the turbine. Finally, mechatronic design is issued. Control logic is designed and tuned for BGF outdoor prototype. The actuators, sensors and monitoring strategies are chosen. Tests on controller are carried out to assess the correct functioning.