Jäätymisen vaikutuksia tuulivoimalan aerodynamiikkaan ja kuormituksiin

Translated title of the contribution: The effects of icing on the aerodynamics and loads of a wind turbine

Antikainen Petteri

Research output: Book/ReportReport

Abstract

Raportissa tarkasteltiin mittausten ja simulointien avulla jään vaikutusta tuulivoimalan aerodynamiikkaan ja kuormituksiin. Jään kertyessä tuulivoimalan lapoihin voimalan tuotanto pienenee, koska noste- ja vastusvoimat muuttuvat. Jäätymisen edetessä noste pienenee ja vastus kasvaa. Lapa sakkaa pienemmällä tuulennopeudella kuin puhtaalla lavalla, mutta ei yhtä jyrkästi.Pyhätunturin koevoimalan kuormitusmittauksissa käsiteltiin kahta tuulioloiltaan samanlaista jaksoa, joista toisessa voimala oli jäinen ja toisessa jäätön. Lavan kuormituksia tarkasteltiin kahteen suuntaan, jänteen suuntaan ja flap-suuntaan. Flap-suuntaisen momentin keskihajonta pieneni jään vaikutuksesta 50 % ja 1P-taajuuspiikki (kerran kierroksessa tapahtuva ilmiö) pieneni kertoimella 6. Jänteen suuntaisen momentin tehospektri osoitti 1P-piikin kasvaneen jäämassan vaikutuksesta. Lavan ominaistaajuudella piikin kasvu oli viisinkertainen. Tämä viittaa siihen, että jään kertyminen lavan pinnalle pienentää vaimennusta. Tornin värähtelyt kasvoivat jäätyneessä tilanteessa sekä ominaistaajuudella että 1P-taajuudella erittäin voimakkaiksi. 1P-muutos aiheutunee roottorin massaepätasapainosta, mutta värähtelyiden kasvua ominaistaajuudella ei pystytä toistaiseksi selittämään. Sen vuorokauden aikana, jolloin jäätyneen tapauksen kuormituksia mitattiin, oli voimalan teho pienentynyt merkittävästi jään vaikutuksesta. Kun oletetaan tuulen olevan Weibull-jakautunut, pienenee energian tuotanto puoleen havaitun kaltaisella jäätymisellä. Tuotettu teho oli pienentynyt, mutta tehon keskihajonta pysyi ennallaan eikä pienentynyt kuten oli odotettu muiden mittausten perusteella.Tuulivoimalan dynamiikan mallinnus- ja analyysiohjelmistoa ADAMS/WT:a kehitettiin VTT:ssä muutamalla lisäpiirteellä, joita ovat pääakselin kallistuskulma (tilt), kärkijarru ja simuloinnin transienttisen käynnistyksen vaimennin. Myös aerodynamiikan laskevaan ohjelmaan tehtiin lisäyksiä. Simuloinneissa saatiin samansuuntaisia tuloksia kuin mittauksissa. Simulointitulosten tarkentaminen edellyttää lisätuntemusta jäätymisen aiheuttamista muutoksista voimalan toiminnassa. Jatkossa aiotaankin tehdä lisää mittauksia täydennetyllä mittausjärjestelmällä.
Original languageFinnish
Place of PublicationEspoo
PublisherVTT Technical Research Centre of Finland
Number of pages39
ISBN (Electronic)951-38-5307-1
ISBN (Print)951-38-5306-3
Publication statusPublished - 1998
MoE publication typeNot Eligible

Publication series

SeriesVTT Tiedotteita - Meddelanden - Research Notes
Number1909
ISSN1235-0605

Keywords

  • wind power generation
  • low temperatures
  • ice
  • windmills
  • turbine blades

Cite this

Petteri, A. (1998). Jäätymisen vaikutuksia tuulivoimalan aerodynamiikkaan ja kuormituksiin. Espoo: VTT Technical Research Centre of Finland. VTT Tiedotteita - Meddelanden - Research Notes, No. 1909
Petteri, Antikainen. / Jäätymisen vaikutuksia tuulivoimalan aerodynamiikkaan ja kuormituksiin. Espoo : VTT Technical Research Centre of Finland, 1998. 39 p. (VTT Tiedotteita - Meddelanden - Research Notes; No. 1909).
@book{bacb1e5d03164aecb08bc5871282f580,
title = "J{\"a}{\"a}tymisen vaikutuksia tuulivoimalan aerodynamiikkaan ja kuormituksiin",
abstract = "Raportissa tarkasteltiin mittausten ja simulointien avulla j{\"a}{\"a}n vaikutusta tuulivoimalan aerodynamiikkaan ja kuormituksiin. J{\"a}{\"a}n kertyess{\"a} tuulivoimalan lapoihin voimalan tuotanto pienenee, koska noste- ja vastusvoimat muuttuvat. J{\"a}{\"a}tymisen edetess{\"a} noste pienenee ja vastus kasvaa. Lapa sakkaa pienemm{\"a}ll{\"a} tuulennopeudella kuin puhtaalla lavalla, mutta ei yht{\"a} jyrk{\"a}sti.Pyh{\"a}tunturin koevoimalan kuormitusmittauksissa k{\"a}siteltiin kahta tuulioloiltaan samanlaista jaksoa, joista toisessa voimala oli j{\"a}inen ja toisessa j{\"a}{\"a}t{\"o}n. Lavan kuormituksia tarkasteltiin kahteen suuntaan, j{\"a}nteen suuntaan ja flap-suuntaan. Flap-suuntaisen momentin keskihajonta pieneni j{\"a}{\"a}n vaikutuksesta 50 {\%} ja 1P-taajuuspiikki (kerran kierroksessa tapahtuva ilmi{\"o}) pieneni kertoimella 6. J{\"a}nteen suuntaisen momentin tehospektri osoitti 1P-piikin kasvaneen j{\"a}{\"a}massan vaikutuksesta. Lavan ominaistaajuudella piikin kasvu oli viisinkertainen. T{\"a}m{\"a} viittaa siihen, ett{\"a} j{\"a}{\"a}n kertyminen lavan pinnalle pienent{\"a}{\"a} vaimennusta. Tornin v{\"a}r{\"a}htelyt kasvoivat j{\"a}{\"a}tyneess{\"a} tilanteessa sek{\"a} ominaistaajuudella ett{\"a} 1P-taajuudella eritt{\"a}in voimakkaiksi. 1P-muutos aiheutunee roottorin massaep{\"a}tasapainosta, mutta v{\"a}r{\"a}htelyiden kasvua ominaistaajuudella ei pystyt{\"a} toistaiseksi selitt{\"a}m{\"a}{\"a}n. Sen vuorokauden aikana, jolloin j{\"a}{\"a}tyneen tapauksen kuormituksia mitattiin, oli voimalan teho pienentynyt merkitt{\"a}v{\"a}sti j{\"a}{\"a}n vaikutuksesta. Kun oletetaan tuulen olevan Weibull-jakautunut, pienenee energian tuotanto puoleen havaitun kaltaisella j{\"a}{\"a}tymisell{\"a}. Tuotettu teho oli pienentynyt, mutta tehon keskihajonta pysyi ennallaan eik{\"a} pienentynyt kuten oli odotettu muiden mittausten perusteella.Tuulivoimalan dynamiikan mallinnus- ja analyysiohjelmistoa ADAMS/WT:a kehitettiin VTT:ss{\"a} muutamalla lis{\"a}piirteell{\"a}, joita ovat p{\"a}{\"a}akselin kallistuskulma (tilt), k{\"a}rkijarru ja simuloinnin transienttisen k{\"a}ynnistyksen vaimennin. My{\"o}s aerodynamiikan laskevaan ohjelmaan tehtiin lis{\"a}yksi{\"a}. Simuloinneissa saatiin samansuuntaisia tuloksia kuin mittauksissa. Simulointitulosten tarkentaminen edellytt{\"a}{\"a} lis{\"a}tuntemusta j{\"a}{\"a}tymisen aiheuttamista muutoksista voimalan toiminnassa. Jatkossa aiotaankin tehd{\"a} lis{\"a}{\"a} mittauksia t{\"a}ydennetyll{\"a} mittausj{\"a}rjestelm{\"a}ll{\"a}.",
keywords = "wind power generation, low temperatures, ice, windmills, turbine blades",
author = "Antikainen Petteri",
year = "1998",
language = "Finnish",
isbn = "951-38-5306-3",
series = "VTT Tiedotteita - Meddelanden - Research Notes",
publisher = "VTT Technical Research Centre of Finland",
number = "1909",
address = "Finland",

}

Petteri, A 1998, Jäätymisen vaikutuksia tuulivoimalan aerodynamiikkaan ja kuormituksiin. VTT Tiedotteita - Meddelanden - Research Notes, no. 1909, VTT Technical Research Centre of Finland, Espoo.

Jäätymisen vaikutuksia tuulivoimalan aerodynamiikkaan ja kuormituksiin. / Petteri, Antikainen.

Espoo : VTT Technical Research Centre of Finland, 1998. 39 p. (VTT Tiedotteita - Meddelanden - Research Notes; No. 1909).

Research output: Book/ReportReport

TY - BOOK

T1 - Jäätymisen vaikutuksia tuulivoimalan aerodynamiikkaan ja kuormituksiin

AU - Petteri, Antikainen

PY - 1998

Y1 - 1998

N2 - Raportissa tarkasteltiin mittausten ja simulointien avulla jään vaikutusta tuulivoimalan aerodynamiikkaan ja kuormituksiin. Jään kertyessä tuulivoimalan lapoihin voimalan tuotanto pienenee, koska noste- ja vastusvoimat muuttuvat. Jäätymisen edetessä noste pienenee ja vastus kasvaa. Lapa sakkaa pienemmällä tuulennopeudella kuin puhtaalla lavalla, mutta ei yhtä jyrkästi.Pyhätunturin koevoimalan kuormitusmittauksissa käsiteltiin kahta tuulioloiltaan samanlaista jaksoa, joista toisessa voimala oli jäinen ja toisessa jäätön. Lavan kuormituksia tarkasteltiin kahteen suuntaan, jänteen suuntaan ja flap-suuntaan. Flap-suuntaisen momentin keskihajonta pieneni jään vaikutuksesta 50 % ja 1P-taajuuspiikki (kerran kierroksessa tapahtuva ilmiö) pieneni kertoimella 6. Jänteen suuntaisen momentin tehospektri osoitti 1P-piikin kasvaneen jäämassan vaikutuksesta. Lavan ominaistaajuudella piikin kasvu oli viisinkertainen. Tämä viittaa siihen, että jään kertyminen lavan pinnalle pienentää vaimennusta. Tornin värähtelyt kasvoivat jäätyneessä tilanteessa sekä ominaistaajuudella että 1P-taajuudella erittäin voimakkaiksi. 1P-muutos aiheutunee roottorin massaepätasapainosta, mutta värähtelyiden kasvua ominaistaajuudella ei pystytä toistaiseksi selittämään. Sen vuorokauden aikana, jolloin jäätyneen tapauksen kuormituksia mitattiin, oli voimalan teho pienentynyt merkittävästi jään vaikutuksesta. Kun oletetaan tuulen olevan Weibull-jakautunut, pienenee energian tuotanto puoleen havaitun kaltaisella jäätymisellä. Tuotettu teho oli pienentynyt, mutta tehon keskihajonta pysyi ennallaan eikä pienentynyt kuten oli odotettu muiden mittausten perusteella.Tuulivoimalan dynamiikan mallinnus- ja analyysiohjelmistoa ADAMS/WT:a kehitettiin VTT:ssä muutamalla lisäpiirteellä, joita ovat pääakselin kallistuskulma (tilt), kärkijarru ja simuloinnin transienttisen käynnistyksen vaimennin. Myös aerodynamiikan laskevaan ohjelmaan tehtiin lisäyksiä. Simuloinneissa saatiin samansuuntaisia tuloksia kuin mittauksissa. Simulointitulosten tarkentaminen edellyttää lisätuntemusta jäätymisen aiheuttamista muutoksista voimalan toiminnassa. Jatkossa aiotaankin tehdä lisää mittauksia täydennetyllä mittausjärjestelmällä.

AB - Raportissa tarkasteltiin mittausten ja simulointien avulla jään vaikutusta tuulivoimalan aerodynamiikkaan ja kuormituksiin. Jään kertyessä tuulivoimalan lapoihin voimalan tuotanto pienenee, koska noste- ja vastusvoimat muuttuvat. Jäätymisen edetessä noste pienenee ja vastus kasvaa. Lapa sakkaa pienemmällä tuulennopeudella kuin puhtaalla lavalla, mutta ei yhtä jyrkästi.Pyhätunturin koevoimalan kuormitusmittauksissa käsiteltiin kahta tuulioloiltaan samanlaista jaksoa, joista toisessa voimala oli jäinen ja toisessa jäätön. Lavan kuormituksia tarkasteltiin kahteen suuntaan, jänteen suuntaan ja flap-suuntaan. Flap-suuntaisen momentin keskihajonta pieneni jään vaikutuksesta 50 % ja 1P-taajuuspiikki (kerran kierroksessa tapahtuva ilmiö) pieneni kertoimella 6. Jänteen suuntaisen momentin tehospektri osoitti 1P-piikin kasvaneen jäämassan vaikutuksesta. Lavan ominaistaajuudella piikin kasvu oli viisinkertainen. Tämä viittaa siihen, että jään kertyminen lavan pinnalle pienentää vaimennusta. Tornin värähtelyt kasvoivat jäätyneessä tilanteessa sekä ominaistaajuudella että 1P-taajuudella erittäin voimakkaiksi. 1P-muutos aiheutunee roottorin massaepätasapainosta, mutta värähtelyiden kasvua ominaistaajuudella ei pystytä toistaiseksi selittämään. Sen vuorokauden aikana, jolloin jäätyneen tapauksen kuormituksia mitattiin, oli voimalan teho pienentynyt merkittävästi jään vaikutuksesta. Kun oletetaan tuulen olevan Weibull-jakautunut, pienenee energian tuotanto puoleen havaitun kaltaisella jäätymisellä. Tuotettu teho oli pienentynyt, mutta tehon keskihajonta pysyi ennallaan eikä pienentynyt kuten oli odotettu muiden mittausten perusteella.Tuulivoimalan dynamiikan mallinnus- ja analyysiohjelmistoa ADAMS/WT:a kehitettiin VTT:ssä muutamalla lisäpiirteellä, joita ovat pääakselin kallistuskulma (tilt), kärkijarru ja simuloinnin transienttisen käynnistyksen vaimennin. Myös aerodynamiikan laskevaan ohjelmaan tehtiin lisäyksiä. Simuloinneissa saatiin samansuuntaisia tuloksia kuin mittauksissa. Simulointitulosten tarkentaminen edellyttää lisätuntemusta jäätymisen aiheuttamista muutoksista voimalan toiminnassa. Jatkossa aiotaankin tehdä lisää mittauksia täydennetyllä mittausjärjestelmällä.

KW - wind power generation

KW - low temperatures

KW - ice

KW - windmills

KW - turbine blades

M3 - Report

SN - 951-38-5306-3

T3 - VTT Tiedotteita - Meddelanden - Research Notes

BT - Jäätymisen vaikutuksia tuulivoimalan aerodynamiikkaan ja kuormituksiin

PB - VTT Technical Research Centre of Finland

CY - Espoo

ER -

Petteri A. Jäätymisen vaikutuksia tuulivoimalan aerodynamiikkaan ja kuormituksiin. Espoo: VTT Technical Research Centre of Finland, 1998. 39 p. (VTT Tiedotteita - Meddelanden - Research Notes; No. 1909).