Seismic analysis of horizontal axis wind turbines

Abstract

The wind energy industry has seen a substantial growth in several industrialized countries in recent years. Traditionally, territories in northern Europe, with a low level of seismicity, have been the leaders in the use of this technology, but nowadays its growth has extended to other regions susceptible to earthquakes, such as the US, China, and India. In order to improve the reliability of the system under these adverse conditions, there is a need to perform a detailed assessment of the seismic response of wind turbines. This dissertation presents the development of a new analytical model for the seismic response of a three-bladed horizontal axis wind turbine. The proposed model allows assessment of the likelihood of yielding or buckling failure of the structure. The proposed model involves a multi-body system with 16 degrees of freedom that account for flexibilities in the flap direction of the blades and the twisting and flexure motions of the tower. The equations of motion of the rotor were developed based on Lagrange equations. They were subsequently coupled with the equations of motion of the tower which was modeled with beam elements. The model considers aerodynamic and structural damping, as well as gyroscopic effects due to the rotational nature of the system. The proposed model was applied to a specific example involving the Vestas V82 wind turbine. This turbine was analyzed under several historical earthquake records using the three components of motion. The analysis of the results revealed that in seismic regions some aspects of the tower design, specifically at the tower top end section, may be controlled by the combination of earthquake loads and mean steady wind loads rather than by the extreme wind load conditions.

Recientemente la industria de la energía eólica ha visto un crecimiento substancial en muchos países industrializados. Históricamente, territorios con poca actividad sísmica ubicados al norte de Europa han sido los líderes en el uso de esta tecnología, pero ahora el mercado está creciendo en países con mayor actividad sísmica como los Estados Unidos, China e India. Esta situación hace necesaria la evaluación de la respuesta sísmica de las turbinas eólicas con el fin de mejorar la confiabilidad de estos sistemas bajo estas condiciones adversas. Esta disertación presenta el desarrollo de un nuevo modelo analítico para una turbina eólica de tres aspas en un eje horizontal. El modelo propuesto permite la evaluación de su respuesta sísmica y la posibilidad de que sufra algún daño estructural por plasticidad o por pandeo local. El modelo propuesto consiste de un sistema compuesto de múltiples cuerpos con 16 grados de libertad que considera la flexibilidad de las aspas en la dirección frontal y el movimiento torsional y de flexión de la torre. Las ecuaciones de movimiento del rotor fueron derivadas mediante las ecuaciones de Lagrange y luego acopladas con las ecuaciones de movimiento de la torre modelada con tres elementos de vigas. El modelo consideró el amortiguamiento aerodinámico y estructural, así como los efectos giroscópicos debido a la naturaleza rotacional del sistema. El modelo fue evaluado en un ejemplo que incluye la turbina Vestas V82. Esta turbina fue analizada bajo varios registros históricos de terremotos usando las tres componentes de movimiento. Del análisis de resultados se desprende que, en lugares de alta sismicidad, algunos aspectos del diseño de la torre, específicamente el diseño de la sección superior de la torre, pueden estar controlados por la combinación de cargas de terremoto y de viento promedio constante en vez de por cargas de viento extremo.