Modeling the fatigue behavior of wind turbine under the extreme fluctuations aerodynamic load impact

Abstract

الملخص: في هذه األطروحة، قمنا باتخاذ نهج متعدد األوجه لتحسين أداء ريش توربينات الرياح. يشمل تحقيقنا كال من التصميم للجوانب الهيكلية للشفرة لمعالجة الديناميكي الهوائي للشفرات، الذي يهدف إلى زيادة إنتاج الطاقة، وفح ًصا شامالً المشكالت المتعلقة باالهتزاز والتعب والتشقق. ومن خالل التحليل الشامل للخصائص الهيكلية للشفرة وخصائص المواد، قمنا بتطوير استراتيجيات لتعزيز متانتها وموثوقيتها وكفاءتها الشاملة. من خالل تحسين المظهر الديناميكي الهوائي للشفرة ومعالجة التحديات المحتملة مثل االهتزاز والتعب والتشقق، ساهمت أطروحتنا في تط وير شفرات توربينات الرياح األكثر كفاءة واستدامة ألنظمة الطاقة المتجددة. في أطروحتنا، وضعنا األساس من خالل تقديم مراجعة شاملة لألدبيات حول شفرات التوربينات ذات المحور األفقي. قدمنا المنهجية المستخدمة في تصميم شفرات توربينات الرياح الصغيرة، ودمج النظريات من زخم عنصر الشفرة )BEM )وديناميكيات الموائع الحسابية )CFD)، مما يوضح كيف يمكن تسخير هذه األساليب لتحليل شفرات توربينات الرياح. تم أي ًضا إجراء فحص متعمق الهتزازات الشفرة، بما في ذلك تحديد الترددات الطبيعية وأشكال الوضع لتعزيز أداء الشفرة. من خالل الخوض في المخاوف المتعلقة باالهتزاز، سعى هذا الفصل إلى إعالم التحسينات في تصميم وتشغيل شفرات توربينات الرياح. في أطروحتنا، ركزنا أي ًضا على للتعب، خاصة فيما يتعلق بشفرات توربينات الرياح. لقد قدمنا تطورات موضوع التعب الحاسم. لقد قدمنا فهًما شامالً في تصميم الشفرات موجهة نحو إطالة عمر الكالل ومعادالت الكالل المبسطة لشفرات توربينات الرياح الصغيرة، وإدخال طريقة نموذج الحمل الطيفي )SLM )واستخدام أداة FAST الستنتاج الكالل. أجرينا تحلي ًال تفصيليًا للشقوق في شفرات توربينات الرياح الناتجة عن التشغيل لفترة طويلة تحت أحمال وظروف جوية مختلفة، وقمنا بتقديم طريقة العناصر المحدودة الممتدة ) XFEM)، وهي تقنية متخصصة لدراسة الشقوق، للحصول على نظرة ثاقبة حول توقيت ومدى الشقوق البدء واالنتشار داخل هيكل النصل. وأخيرا، قمنا بتجميع النتائج التي تم الحصول عليها من التحليالت التي تمت مناقشتها في أطروحتنا. لقد هدفنا إلى دمج هذه النتائج في إطار متماسك ومفهوم، مما يعزز وضوحها وأهميتها بشكل عام. وقد أتاح لنا هذا النهج المتكامل المساهمة برؤى قيمة في تحسين أداء شفرات توربينات الرياح، وبالتالي النهوض بمجال الطاقة المتجددة.

In this thesis, we have undertaken a multifaceted approach to enhance the performance of wind turbine blades. Our investigation encompasses both the aerodynamic design of the blades, aimed at increasing power output, and a comprehensive examination of the blade's structural aspects to address issues about vibration, fatigue, and cracking. Through a thorough analysis of the blade's structural properties and material characteristics, we have developed strategies to bolster its durability, reliability, and overall efficiency. By optimizing the aerodynamic profile of the blade and tackling potential challenges like vibration, fatigue, and cracking, our thesis has contributed to the advancement of more efficient and sustainable wind turbine blades for renewable energy systems. in our thesis, we laid the foundation by offering a comprehensive literature review on horizontal-axis turbine blades. We introduced the methodology employed in designing small wind turbine blades, incorporating theories from Blade Element Momentum (BEM) and Computational Fluid Dynamics (CFD), illustrating how these methods can be harnessed to analyze wind turbine blades. An in-depth examination was also conducted of blade vibrations, encompassing the determination of natural frequencies and mode shapes to enhance blade performance. By delving into vibration-related concerns, this chapter sought to inform improvements in wind turbine blade design and operation. In our thesis, we also focused on the crucial topic of fatigue. We provided a comprehensive understanding of fatigue, particularly as it pertains to wind turbine blades. We presented advancements in blade design geared towards extending fatigue life and simplified fatigue equations for small wind turbine blades, introducing the Spectral Load Model (SLM) method and utilizing the FAST tool to infer fatigue. we conducted a detailed analysis of cracks in wind turbine blades resulting from prolonged operation under varying loads and weather conditions, we introduced the Extended Finite Element Method (XFEM), a specialized technique for studying cracks, to gain insights into the timing and extent of crack initiation and propagation within the blade structure. Finally, we synthesized the results obtained from the analyses discussed in our thesis. We aimed to consolidate these findings into a coherent and comprehensible framework, enhancing their overall clarity and significance. This integrated approach allowed us to contribute valuable insights into the improvement of wind turbine blade performance, thereby advancing the field of renewable energy.