Five hole pressure probe for local inflow study on a horizontal axis wind turbine

Understanding local inflow conditions to a wind turbine blade can help predict loads on the turbine. Those are generally designed with 2D steady approach, however the real wind conditions are highly 3D and unsteady. Detailed measurements do not exist for validating aerodynamic models. The aim of this theoretical and experimental study is to build, calibrate, install and test a five hole pressure probe system to be used to retrieve these measurements. Wind tunnel calibration of the five hole pressure probe has been successfully carried out, thanks to the partly automated traversing system built, over a ±45° range, with 5°.steps. Error analysis showed that the multi-zone pressure coefficient data reduction approach is the most suitable for wind turbine application. This not only extends the measurable local inflow angles up to ±70°, furthermore it accepts any reference pressure for differential pressure readings. A new data acquisition system and wind turbine blade section had to be developed. Space limitation resulted in a custom built DAQ of very contained dimensions, this included, among others, 5 pressure transducers on a printed circuit board, a 16 bit analog to digital converter chip, Arduino microcontroller, and a Bluetooth transreceiver to transmit the data to the main computer. The new blade section was designed and 3D-printed in a way that the DAQ instrumentation could be easily accessed and, at the same time, to have an acceptable structural solidity. A series of test was conducted on the test rig (a 3m diameter wind turbine positioned in a large scale wind tunnel at the University of Waterloo) in order to assess the correct functioning of the probe system. As expected, the inflow measurement performed, while the turbine was under yawed conditions, showed a periodically oscillating inflow vector, the period of this variation was the same as the period of the rotor’s rotation.

Capire le condizioni locali di afflusso alla pala di una turbina eolica aiuta a prevedere gli sforzi agenti sulla stessa. Queste sono generalmente progettate con approcci 2D e stazionari, anche se le reali condizioni del vento sul campo sono 3D e variabili. Misurazioni dettagliate non esistono per la creazione e validazione di modelli aerodinamici. Lo scopo di questo lavoro è di costruire, calibrare, installare e testare un sistema di sonda di pressione a cinque fori che sarà usato per ottenere queste misurazioni. La calibrazione in galleria del vento di questo strumento è stata portata a termine con successo, grazie al sistema di posizionamento parzialmente automatizzato costruito, su un range di ±45° con steps di 5°. Un analisi degli errori ha dimostrato che il sistema di riduzione dati basato sull’approccio multi-zona è il più indicato per l’applicazione a turbine eoliche, questo estende gli angoli di afflusso misurabili fino a ±70°, inoltre accetta qualsiasi pressione di riferimento per le misurazioni. Un nuovo sistema di acquisizione dati e una nuova sezione della pala sono stati contestualmente sviluppati. Limitazioni nello spazio disponibile hanno costretto a ricorrere a un sistema di acquisizioni dati appositamente costruito, questo include, tra l’altro, 5 trasduttori di pressione alloggiati su un circuito stampato, un chip per la conversione analogico digitale da 16 bit, un microcontrollore Arduino e un trasmettitore Bluetooth per inviare i dati al computer principale. La nuove sezione della pala è stata progettata e stampata in 3D in maniera tale da rendere facilmente accessibile la strumentazione al suo interno e allo stesso tempo per essere strutturalmente solida. Una serie di test è stata condotta sull’apparato sperimentale (una turbine di 3 m di diametro posizionata in una galleria del vento di grossa taglia) per testare il corretto funzionamento della sonda e dei sistemi correlati. Come previsto le misurazioni condotte quando la turbina presentava un angolo di imbardata mostrano un vettore di afflusso locale dell’aria con variazioni periodiche, il periodo di queste variazioni è lo stesso che quello della rotazione del rotore.