Développement d’un modèle structural simplifié d’analyse en fatigue d’une pale d’éolienne de 2.05 MW en conditions nordiques basée sur des données partielles

Chapotard, Vincent (2022). Développement d’un modèle structural simplifié d’analyse en fatigue d’une pale d’éolienne de 2.05 MW en conditions nordiques basée sur des données partielles. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

La transition énergétique est un enjeu qui se décompose sur plusieurs fronts à l’échelle mondiale. Au Canada, une meilleure intégration des énergies renouvelables et, particulièrement de l’éolien, en milieu nordique est nécessaire pour décroître l’empreinte carbone. Ce projet de recherche s’intègre donc dans la caractérisation de l’éolien en milieu nordique en proposant une approche simplifiée d’analyse structurale, basée sur des données partielles, pour évaluer le chargement et la durée de vie en fatigue des pales d’éoliennes pour une période d’opération désirée.

Les méthodes d’analyse structurale d’une pale, lors de la conception, requièrent une multitude de données, qui ne sont généralement pas accessibles aux opérateurs de parcs éoliens. De ce fait, ce travail vise à modéliser une approche simplifiée et accessible qui permettra d’obtenir le chargement perçu par les pales ainsi que l’endommagement sur l’entièreté de la pale pour une période d’opération. Pour ce faire, les généralités du secteur éolien ainsi que la caractérisation de l’éolienne de référence (2.05 MW) utilisée dans ce travail sont d’abord détaillées. L’étude du chargement est faite selon l’approche simplifiée utilisant les données SCADA de l’éolienne, selon la théorie de l’élément de pale et selon la théorie des poutres en flexion. Afin de caractériser la distribution de rigidité en flexion dans les axes principaux de flexion, on s’intéresse par la suite à l’estimation des propriétés élastiques par méthode d’optimisation et par la théorie classique des stratifiés (avec des échantillons provenant d’une pale). La recherche se conclue avec l’étude de durée de vie en fatigue, selon la norme Germanischer Lloyd. L’objectif y est d’étudier la différence d’endommagement entre deux périodes de temps avec un minimum de données.

L’étude du chargement s’avère concluante avec un écart moyen de 15 % pour les moments fléchissants évalués selon l’approche simplifiée et ceux trouvés à l’aide de capteurs. La difficulté à caractériser le coefficient de poussée explique la divergence entre la méthode simplifiée, la théorie de l’élément de pale et l’acquisition dans la pale. Ensuite, pour l’évaluation de la distribution de rigidité en flexion, la méthode d’optimisation numérique, basée sur les propriétés modales, permet de converger vers une multitude de solutions qui satisfont les fréquences propres ciblées en raison du manque de contraintes dans le modèle. L’évaluation de la rigidité en flexion par les échantillons prélevés résulte en un écart respectif pour les trois premières fréquences propres de 19.9 %, 19.5 % et 6.0 %. La reconstruction structurale de la pale mène à une erreur avoisinant les 23 % pour ce qui est de la masse totale de la pale. Finalement, les résultats d’étude pour une période de trois heures tendent à indiquer que la validité de la rigidité en flexion influence grandement la durée de vie en fatigue, dont le point critique est localisé au bord de fuite.

Titre traduit

Development of a simplified structural model for fatigue analysis of a 2.05 MW wind turbine blade under northern conditions based on partial data

Résumé traduit

The energy transition is a multi-pronged issue on a global scale. In Canada, a better integration of renewable energies, and particularly of wind energy in northern conditions, is necessary to decrease the carbon footprint. This research project proposes a simplified structural analysis approach, based on partial data, to evaluate the loading and fatigue life of wind turbine blades used in northern conditions, for a desired period of operation.

The structural analysis methods of a blade, at the design stage, require a multitude of data, which are generally not accessible to wind farm operators. Therefore, this work aims to develop a simplified and accessible approach that will allow to obtain the loading perceived by the blades as well as the cumulative damage on the entire blade for a period of operation. To do so, the generalities of the wind energy sector as well as the characterization of the reference wind turbine (2.05 MW) used in this work are first detailed. The loading study is done according to the simplified approach (using SCADA data), according to the blade element momentum theory and according the bending beam theory. In order to characterize the bending stiffness distribution in the main strain axis, the estimation of the elastic properties by optimization method and by the classical laminate theory (with samples gathered from a blade) is then considered. The research concludes with the study of fatigue life, according to the Germanischer Lloyd standard. The objective is to study the difference in cumulative damage between two time periods with a minimum of data.

The loading analysis is conclusive with an average deviation of 15 % for the bending moments evaluated by the simplified approach compared to the data obtained on sensors. The difficulty in characterizing the thrust coefficient explains the discrepancy between the simplified method, the blade element theory and experimental data. Second, for the evaluation of the bending stiffness distribution, the numerical optimization method, based on modal properties, converges to a multitude of solutions that satisfy the targeted natural frequencies. This array of solutions is problematic and could be avoided by adding more constraints to the model, such as more natural frequencies or local values of bending stiffness. The evaluation of the bending stiffness obtained with the collected samples results in a respective deviation for the first three natural frequencies of 19.9 %, 19.5 % and 6.0 %. The structural reconstruction of the blade leads to an error of about 23 % for the total mass of the blade. The assumptions made about the dimensions of the spar cap and shear webs are considered to be the greatest sources of error in this structural reconstruction. Finally, the study results over a three-hour period tend to indicate that the validity of the bending stiffness greatly influences the fatigue life, and that the critical area is localized at the trailing edge.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	« Mémoire présenté à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention de la maîtrise avec mémoire en génie, énergies renouvelables et efficacité énergétique » Comprend des références bibliographiques (pages 153-157).
Mots-clés libres:	pale d’éolienne, chargement, durée de vie en fatigue, climat nordique
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Joncas, Simon
Codirecteur:	Codirecteur Bégin-Drolet, André Godreau, Charles
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt:	18 nov. 2022 20:15
Dernière modification:	18 nov. 2022 20:15
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3106

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