Aerodynamic performances of a horizontal axis wind turbine blade in icing conditions

The highest levels of wind power density are found in cold regions, where wind turbines are likely to suffer from icing events. As ice is accreted on a wind turbine blade, the change in shape of its sections modifies the aerodynamic characteristics of the airfoils, leading to degraded performances in both operational and non-operational angles of attack. In this work, after reproducing the aerodynamics of the clean blade, a 3-hour rime icing event is simulated on a wind turbine blade operating in a steady wind. The effect of the different aerodynamic behaviour is analysed in two different scenarios: by assessing power losses in operating conditions, taking into account atmospheric turbulence; and by computing the local quasi-steady aerodynamic damping on a blade section of an idled rotor, to evaluate if icing may introduce new risks of instabilities related to stall-induced vibrations in non-operating conditions. The analysis is carried out on a 5 MW onshore wind turbine. The aeroelastic response in operating conditions is simulated through OpenFAST, an open-source code which models blade aerodynamics through the Blade Element Momentum Theory: thus, the blade is studied through 2D, independent sections. Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) equations are solved using the open-source software SU2, while ice accretion is simulated using PoliMIce, a software suite developed at Politecnico di Milano. Finally, aerodynamic damping is evaluated using ad-hoc analytical relations. First, clean airfoil aerodynamic coefficients are reproduced in the operative angle of attack (AoA) range. Excellent agreement with experimental data is found when flow transition is taken into account, and the power curve in turbulent wind is well reproduced. To analyse non-operating conditions, aerodynamic coefficients of the outermost airfoil are computed up to the deep-stall angles with unsteady RANS equations and extended with an accurate model of the deep-stall region. Compared to the original data, lower values of minimum negative aerodynamic damping are found in the out-of-plane direction, at approximately the same yaw misalignment, while the region of negative damping is confined to a smaller range of yaw angles. Then, ice accretion is simulated on five significant blade sections. Aerodynamics of ice-contaminated airfoils is studied, modelling ice roughness with an equivalent sand-grain approach. In the considered operating conditions and accretion times, the highest power losses after the icing event are found in Region 1.5: here the wind turbine operates at high tip-speed ratios (TSR), where the maximum decrease in power coefficient is found with respect to the clean case. As the wind speed increases and TSR diminishes, the normalized power loss is reduced as well; it becomes negligible at approx. 13 m/s, when the wind turbine operates in Region 3 most of the time. Regarding non-operating conditions, the behaviour of the airfoils at negative stall generates a wide region of non-negative damping in both in-plane and out-of-plane directions; on the other hand, at positive stall, negative aerodynamic damping is found in a wider range of yaw misalignment in the in-plane direction, and at a smaller yaw misalignment in both in-plane and out-of-plane directions, with damping values comparable to those of the clean case evaluated with the original data.

Gli investimenti nell'energia eolica saranno sempre più indirizzati verso regioni fredde, in quanto presentano un potenziale energetico maggiore; tuttavia, proprio in queste regioni, non è raro che sulle pale delle turbine eoliche si formi del ghiaccio. La presenza di ghiaccio su una pala ne modifica la forma, alterandone il comportamento aerodinamico e portando a un degrado delle prestazioni sia negli angoli di incidenza operativi, sia in quelli non operativi. In questo lavoro, dopo aver riprodotto numericamente l'aerodinamica della pala pulita, viene simulato l'accrescimento di ghiaccio sulla pala in condizioni operative considerando un evento della durata di 3 ore in un vento stazionario. Sono quindi valutati gli effetti della presenza di ghiaccio sull'aerodinamica della pala in due scenari differenti: vengono prima considerate diverse condizioni operative in un vento turbolento, così da produrre una curva di potenza e, quindi, valutare le perdite di potenza in funzione della velocità media del vento; in seguito, per analizzare le condizioni non operative, viene calcolato lo smorzamento aerodinamico generato da una sezione di pala di un rotore in idling utilizzando un approccio quasi-stazionario, così da valutare se la presenza del ghiaccio possa portare a nuovi rischi di instabilità legate a vibrazioni indotte dallo stallo dei profili alari. L'analisi viene condotta su una turbina eolica onshore con potenza nominale di 5 MW. La risposta aeroelastica della macchina in condizioni operative è simulata con OpenFAST, un codice open-source che modella l'aerodinamica della pala secondo la Blade Element Momentum Theory: per questo motivo, la pala è studiata considerando sezioni bidimensionali e tra loro indipendenti. Le equazioni mediate di Navier-Stokes (RANS) sono risolte con il codice open-source SU2, mentre l'accrescimento di ghiaccio è simulato con la suite PoliMIce, sviluppata presso il Politecnico di Milano. Infine, lo smorzamento aerodinamico è calcolato attraverso relazioni sviluppate ad-hoc. Per prima cosa, i coefficienti aerodinamici dei profili alari incontaminati sono riprodotti numericamente nel range di angoli di attacco operativi. Quando la transizione del flusso da laminare a turbolento è tenuta in considerazione, i risultati trovano un ottimo riscontro nei dati sperimentali e la curva di potenza in venti turbolenti è riprodotta correttamente. Per l'analisi delle condizioni di idling, le prestazioni aerodinamiche del profilo alare più esterno sono calcolate fino all'inizio dello stallo profondo utilizzando le equazioni RANS instazionarie, mentre per gli angoli di incidenza maggiori viene utilizzato un modello accurato della regione di stallo profondo. I dati originali sono confrontati con quelli prodotti in questo lavoro, applicando le equazioni per il calcolo dello smorzamento aerodinamico quasi-stazionario ai coefficienti aerodinamici. I valori minimi di smorzamento negativo rilevati sono molto minori per vibrazioni fuori dal piano del rotore e si trovano agli stessi angoli di yaw, mentre la regione di smorzamento negativo è limitata a un intervallo di angoli di yaw più piccolo. Viene quindi studiata l'aerodinamica dei profili ghiacciati dopo la simulazione della formazione di calabrosa su cinque sezioni di pala significative. A seguito dell'evento, con i tempi di accrescimento e le condizioni atmosferiche analizzate, le perdite di potenza maggiori avvengono in Regione 1.5: qui la turbina opera con valori di tip-speed ratio (TSR) elevati, a cui corrisponde una notevole diminuzione del coefficiente di potenza rispetto al caso incontaminato. All'aumentare della velocità del vento e alla conseguente riduzione del TSR le perdite di potenza diminuiscono, diventando trascurabili intorno ai 13 m/s, ossia quando la turbina lavora in Regione 3 per la maggior parte del tempo. Riguardo le condizioni non operative, con le forme di ghiaccio ottenute il comportamento delle sezioni allo stallo negativo genera un'ampia regione di smorzamento non negativo per vibrazioni sia nel piano del rotore, sia al di fuori di esso. Al contrario, il comportamento peculiare allo stallo positivo genera uno smorzamento aerodinamico negativo in un intervallo maggiore di angoli di yaw per vibrazioni nel piano del rotore; regioni con smorzamento negativo si trovano per disallineamenti del vento minori, considerando vibrazioni in entrambe le direzioni. In questo caso, i valori di smorzamento prodotti sono paragonabili a quelli del caso incontaminato analizzato con i dati originali.