Numerical investigation of a large composite wind turbine with different spar profiles using finite-element method

Étude numérique d'une grande éolienne composite avec des profils différents de longeron en utilisant la méthode des éléments finis

ENSTA-Bretagne, MSN/LBMS/DFMS, 2 rue François Verny, 29806 Brest Cedex - France
mostapha.tarfaoui@ensta-bretagne.fr

Abstract

We currently notice a substantial growth in the wind energy sector worldwide. This growth is expected to be even faster in the coming years. This means that a massive number of wind turbine blades will be produced in the forthcoming years. There is a large potential for materials savings in these blades. The analysis of designed blade is done in dynamic loading. Five types of spars cross-section are taken in this work. The blade and spar are of composite material. The Finite element modal analysis of designed blade is done in ABAQUS. The scope of the present work is to investigate the structural modal analysis of full-scale 48m fiberglass composite wind turbine blades for 5MW horizontal axis wind turbine and through this to assess the potential for materials savings and consequent reductions of the rotor weight. The entire wind turbine can benefit from such weight reductions through decreased dynamics loads and thus leave room for further optimization. A numerical work has been used to address the most adequate spar shape and to get an understanding of the complex structural behavior of wind turbine blades. Five different types of structural reinforcements helping to prevent undesired structural elastic mechanisms are presented. Comparisons of the eigenfrequencies observed in the full-scale tests are presented and conclusions are drawn based on the mechanisms found.

Résumé

Nous notons actuellement une croissance substantielle du secteur de l'énergie éolienne dans le monde entier. On s'attend à ce que cette croissance soit encore plus rapide dans les années à venir. Ceci signifie qu'un nombre massif de pales de turbines seront produites pendant les prochaines années. Il y a un grand potentiel pour la réduction de matériaux dans ces pales. L'analyse dynamique de la pale est réalisée. Cinq types de section transversale de longerons sont étudiés dans ce travail. La pale et le longeron sont conçus à base de matériaux composites. L'analyse modale de la pale par la méthode des éléments finis est réalisée par le code de calcul ABAQUS. L'objectif principal de ce travail est le développement d'un modèle numérique pour l'analyse modale d'une pale composite de 48m à base de fibres de verre noyées dans une résine époxy pour une éolienne flottante de 5 MW. Une attention sera portée au gain de masse pour les différentes configurations. La turbine peut tirer bénéfice de telles réductions de poids par la diminution des chargements dynamiques et par la suite travailler davantage sur l'optimisation. Un travail numérique a été mis en place pour trouver la forme de longeron la plus appropriée et pour comprendre le comportement structurel complexe des pales d'éolienne. Cinq types de renforts structurels aidant à empêcher les mécanismes d'endommagement sont présentés. Des comparaisons des valeurs propres sont présentées et des conclusions sont énoncées.