Numerical Analysis and Design of Sm

Numerical Analysis and Design of Small Wind Turbine Tower
Chainarong Srikunwong* and Udomkiat Nontakeaw
Department of Mechanical and Aerospace Engineering, Faculty of Engineering,
King Mongkut’s University of Technology North, Bangkok, 10800 Thailand
Abstract
In this paper, a proposed design methodology for the on-shore small wind turbine (SWT) tower is intensively studied
and presented. The finite element analysis technique is used to analyze the static and dynamic structural responses in terms of the
stress distribution, deflection, stability, and modal analysis of the tower structure. The design concept of such a tubular monopole
tower design is based on the international electrotechnical commission code, namely IEC 61400-2, which is commonly used as a
practical guideline for small wind turbine requirement and design load computation. The tubular steel tower formed as a
truncated cone shape is designed in three portions where the individual section length is 10 m. Hub height of the tower is 30 m
above the tower base. It was found from the strength analysis and design process that the base and the top diameter of the tower
were 1.30 and 0.80 m, respectively for the optimal configuration of the involved SWT tower.
Keywords: Wind turbine tower, Finite element analysis, Tower design
1.Introduction
Currently, the provincial electricity authority of
Thailand (PEA) has begun a new effort to develop the
wind technology that will allow wind system to complete
in regions of low wind speed. According to this
sustainable energy resource policy, the contribution of this
paper is to setup a design methodology for a prototype of
small wind turbine steel tower with the hub height of 30
meters. The design approach of the self-supporting tubular
steel tower is based on an international code of practice,
namely the IEC-61400-2 [1] for the small wind turbine
structure.
A tower is the main structure that supports the
nacelle, the transmission system, the generator and the
electronic control system and moreover the elevation of
the rotating blades above the ground boundary layer. A
successful tower structural design should ensure the
safety, the operating efficiency and the reasonable cost of
structural member fabrication.
Lavassas et al. [2] presents the design features of
a large 44-m-tall monopole tower mounted with 1-MW
wind turbine. In this paper, conical tubular steel tower
with the base diameter of 3.30 m and the top diameter of
2.10 m is subjected to the across-wind condition with
reference wind speed of 36 m/s. The wall thickness
decreasing with the height which is 18 mm at the base and
13 mm at the upper portion of the tower. The Stress
distributions and local buckling in the structure are
investigated.
Lanier [3] conducted a feasibility study for the
national renewable energy laboratory of the United States
on different design approaches along with the total cost
estimation in fabricating and erecting the 100 m-monopole
wind turbine towers made of entire steel, concrete, and
also hybrid concrete/steel structural system. However for
the design of SWT structure, it is only IEC-61400-2
document provides detailed design concept covering the
load calculation and structural testing method. A design
methodology according to this guideline is established for
the structural strength assessment in this study as follows.
2.Specification and Applied Loads
2.1 Structural design criteria and loads
Site survey and geographical data for the mean
annual wind speed, the extreme wind speed in a recurrence
period, the direction of seasonal wind, are monitored and
recorded as basic design parameters. It is also revealed in
the feasibility study on the wind energy potential
conducted by the department of alternative energy
development and efficiency (DEDE) of the ministry of
energy for constructing a global wind map of Thailand [4]
that annual mean wind speed for the on-shore region
locating far away from the coastline is relatively low
except some particular mountainous regions where the
wind power potential is effectively profitable and
competitive, e.g. KhaoKho in Petchabun province for a
promising wind energy supply of 60-MW capacity
produced by this wind farm.
Design requirement of the turbine incorporated
with the site meteorological data is given in Table. 1.
Table. 1 Design platform specification
Data for the tower design Unit
ͲHeight of the tower =30.00 m
ͲProj. area of the blades =1.95 m2
ͲMean wind speed [4]
@ 90 m above the ground
< 5.0 m/s
ͲMaximum local wind speed =120 km.hrͲ1
ͲTower head weight =400 kg.
ͲDesign rotor speed =102 rpm

Table. 2 Simplified aerodynamic load calculation for the
case of the extreme wind speed according to the IEC-
61400-2
Design load case Unit
HͲParked wind loading Fx,shaft= 5256 N
Tower exposure to Ve50 FW1=18678 N
FW2=17972 N
FW3=12654 N

Note: Wind loads acting on entire tower structure is
calculated only for the case H-the survival wind speed
condition
JRAME Numerical Analysis and Design of Small Wind Turbine Tower
28
Wind loads on the tower structure can be
calculated by using the equations given in the appendix F
of the IEC standard [1].
2.2 Load factors and load combination for ultimate
design wind Load
Simplified load calculation is shown only for the
extreme case and presented in Table.2. The ultimate load
on the structure is the case H – the survival wind speed
which is taken into account for the case of the structure
experiencing the extreme local storm in once per 50-year
period, namely Ve50. Partial safety factor for the wind
turbine load is given from the IEC [1]. Since the tower is
considered as a chimney structure subjected to lateral wind
pressure from the point of view of the civil engineering
design aspect. Partial safety factors for direct wind load on
the tower and the dead load are chosen from the section
2.3 in the ASCE 7-02 [5]. Two ultimate design load
conditions can be given as follows:
-Service or characteristic wind load condition (Extreme
operating load EOG50 or EWM50):
Load total DL  WL  WTL (1)
-Factored load combination for extreme load (EWM50):
Load total J DLDL  J WLWL  J FWTL (2)
where
DL is the dead load (N)
WL is the direct wind load on the tower (N)
WTL is the wind-induced turbine load (N)
DL J is the dead load factorgiven in [5]
WL J is the tower wind load factor reported in [5]
F J is the partial load factor for the turbine given in
[1]
EWM50 is the extreme wind speed model in once per
50-year extreme (m/s)
EOG50 is the operating gust in once per50-year
extreme (m/s)
2.3 Mechanical properties of tower material
Commercial structural steel JIS grade SS400 is
used for fabricating the tubular steel structure. Mechanical
properties of this steel are given in Table. 3.
Table. 3 Mechanical properties of material
Properties of materials Unit
Structural steelͲJIS grade
3101ͲSS400 properties

ͲYield strength of steel =248 MPa
ͲSpecific weight of steel =7,850 kg.mͲ3
ͲModulus of elasticity =200 GPa
ͲPoisson ratio =0.3 Ͳ

3. Methodology of Finite Element Analysis
3.1 Model construction and mesh topology
Mesh topology for the model is the shell element
type defined for the tower wall and the solid element type
employed for the opening frame of the tower. Total
number of elements in the model is 22,773 elements which
yield the stability of the computational result in terms of
the tower deflection, and stress.
3.2 Boundary conditions
Since the fixation of the tower structure to the
concrete foundation is in a similar manner to a cantilever
beam. Constrained conditions are applied for the nodal
displacements at the base of the tower corresponding to
the bolting system attaching the structure to the
foundation. Therefore, the nodal displacements in x, y, and
z directions on the lower surface of the tower are fixed.
3.3 Material behavior model
Stress-strain relationship describing the elastic
behavior of the isotropic material, e.g. steel, can be written
as
¿
¾
½
¯
®
­
 
 ij ij kk ij
E H G Q
Q H Q V 1 1 2
(3)
where
V ij is the stress tensor (Pa)
Eis the Young’s modulus (Pa)
Q is the poisson ratio
ij H , kk H are the strain tensor
G ij
is the Kronecker delta
4. Results and Discussion
Typical results of structural, modal, and stability
analyses for the service load combination as well as the
extreme wind load are shown in Fig. 1 and 2, respectively.
It is disclosed from Fig. 1a and 2a that local safety factor
for the extreme service condition case is 4.2 and for the
structure under the unfavorable extreme load case is 2.3.
Maximum magnitude of axial stress of both cases is
relatively insignificant. Maximum stress can be found on
the wall of the lower portion near the tower base as
depicted in Fig. 1b and 2b.
For the design of a vertical structure against the
wind, the maximum tip displacement, namely sway at free
end, should be maintained as minimum value as possible.
The structural analysis yields the tip deflection of 101.7
mm as shown in Fig. 1c which is less than maximum
permissible sway value calculated by the height per 180.
Local deflection varying non-linearly with the height of
the tower can be visible in the Fig. 3a.
To avoid the structural failure due to extreme
operating gust, the sway and the stability of the tower must
be verified for their combined effect to ensure that this
situation cannot cause the failure to the tower structure.
Strength analysis by employing the static structural
incorporated with the stability analysis is conducted for
this task. It is disclosed that there is no local elastic
buckling appearance in this case as shown in Fig. 1e and
2e. The weight of tower head and structure cannot cause
the structural failure due to local buckling.
Journal of Research and Applications
in Mechanical Engineering (JRAME) Vol.1 No. 4
29
Fig. 1 Results of the static structural, the modal, and stability analyses for the load combination in service.

Fig. 2 Results of the static structural, the modal, and stability analyses for facto

Kết quả (Việt) 1:

Số phân tích và thiết kế nhỏ Wind Turbine thápChainarong Srikunwong * và Udomkiat NontakeawVùng cơ khí và kỹ thuật hàng không vũ trụ, khoa học kỹ thuật,Vua Mongkut của đại học công nghệ Bắc, Bangkok, Thái Lan 10800Tóm tắtTrong bài báo này, một phương pháp được đề xuất thiết kế cho tua bin (SWT) trên bờ gió nhỏ tháp nghiên cứu chuyên sâuvà trình bày. Các phần tử hữu hạn phân tích kỹ thuật được sử dụng để phân tích các phản ứng cấu trúc tĩnh và năng động về cáccăng thẳng phân phối, lệch, ổn định, và phương thức phân tích cấu trúc tháp. Khái niệm thiết kế của một monopole hình ốngthiết kế tháp dựa trên kỹ thuật điện quốc tế Ủy ban mã, cụ thể là IEC 61400-2, mà thường được sử dụng như là mộtCác hướng dẫn thực tế cho gió nhỏ tua bin yêu cầu và thiết kế nạp tính toán. Tháp thép hình ống hình thành như là mộthình cắt ngắn nón được thiết kế trong phần ba chiều dài phần cá nhân đâu 10 m. Hub chiều cao của tháp là 30 mở trên căn cứ tháp. Nó được tìm thấy ở sức mạnh phân tích và thiết kế quá trình mà các cơ sở và đường kính hàng đầu của tháplà 1.30 và 0,80 m, tương ứng cho cấu hình tối ưu của tháp SWT tham gia.Từ khóa: Wind turbine tower, phần tử hữu hạn phân tích, thiết kế tháp1 giới thiệuHiện nay, các cơ quan cấp tỉnh điện củaThái Lan (hạt đậu) đã bắt đầu một nỗ lực mới để phát triển cáccông nghệ gió sẽ cho phép gió hệ thống để hoàn thànhtrong khu vực của tốc độ gió thấp. Theo điều nàychính sách tài nguyên năng lượng bền vững, sự đóng góp nàygiấy là để thiết lập một phương pháp thiết kế cho một nguyên mẫu củaGió nhỏ tua-bin thép tháp với chiều cao trung tâm của 30mét. Cách tiếp cận thiết kế của các tự hỗ trợ hình ốngthép tháp dựa trên một mã quốc tế thực hành,cụ thể là IEC-61400-2 [1] cho các tua bin gió nhỏcấu trúc.Một tháp là cấu trúc chính hỗ trợ cácvỏ, hệ truyền động, các máy phát điện và cácHệ thống điều khiển điện tử và hơn nữa vịCác cánh Luân phiên trên lớp ranh giới đất. Athiết kế cấu trúc thành công tháp phải đảm bảo cácan toàn, hiệu quả hoạt động và chi phí hợp lýchế tạo kết cấu thành viên.Lavassas et al. [2] trình bày các tính năng thiết kế củamột tháp lớn 44-m-cao monopole gắn kết với 1-MWtua bin gió. Trong này giấy, hình nón hình ống thép thápvới đường kính cơ sở của 3,30 m và đường kính hàng đầu2.10 m phải chịu các điều kiện trên gió vớitốc độ gió tham khảo của 36 m/s. Dàygiảm với chiều cao mà là 18 mm tại căn cứ và13 mm ở phần trên của tháp. Sự căng thẳngphân phối và sự oằn địa phương trong cấu trúcđiều tra.Lanier [3] tiến hành một nghiên cứu tính khả thi cho cácnăng lượng tái tạo quốc gia phòng thí nghiệm của Hoa Kỳtrên phương pháp tiếp cận khác nhau thiết kế cùng với tổng chi phíCác dự toán trong chế tạo và cách dựng 100 m-monopoleGió tuabin tháp bằng toàn bộ thép, bê tông, vàcũng bê tông/thép cấu trúc hệ thống hybrid. Tuy nhiên choviệc thiết kế cấu trúc SWT, nó chỉ là IEC-61400-2tài liệu cung cấp chi tiết thiết kế khái niệm bao gồm cáctải tính toán và phương pháp thử nghiệm cấu trúc. Một thiết kếCác phương pháp theo phương châm này được thành lập chođánh giá cấu trúc sức mạnh trong nghiên cứu này như sau.2 đặc điểm kỹ thuật và ứng dụng tải2.1 các tiêu chuẩn thiết kế cấu trúc và tảiTrang web khảo sát và dữ liệu địa lý trung bìnhhàng năm tốc độ gió, tốc độ gió cực trong tái phátkhoảng thời gian, hướng theo mùa gió, được giám sát vàghi lại dưới dạng tham số cơ bản thiết kế. Nó cũng được tiết lộ trongnghiên cứu khả thi về năng lượng gió tiềm năngthực hiện bởi bộ phận năng lượng thay thếphát triển và hiệu quả (DEDE) của bộnăng lượng để xây dựng bản đồ toàn cầu gió của Thái Lan [4]tốc độ gió trung bình hàng năm cho khu vực trên bờ biểnvị trí xa từ bờ biển là tương đối thấpNgoại trừ một số khu vực miền núi cụ thể nơi cácGió năng lượng tiềm năng là có hiệu quả có lợi nhuận vàcạnh tranh, ví dụ như KhaoKho Petchabun tỉnh cho mộthứa hẹn cung cấp năng lượng gió của 60-MW công suấtsản xuất bởi trang trại gió này.Yêu cầu thiết kế của tuabin kết hợpvới các trang web khí tượng dữ liệu được đưa ra trong bảng. 1.Bảng. 1 thiết kế nền tảng đặc điểm kỹ thuậtDữ liệu cho tháp thiết kế đơn vịͲHeight tháp = 30.00 mͲProj. các khu vực của lưỡi = 1,95 m2Tốc độ gió ͲMean [4]@ 90 m so với mặt đất< 5.0 m/sTốc độ gió địa phương ͲMaximum = 120 km.hrͲ1Trọng lượng đầu ͲTower = 400 kg.ͲDesign cánh quạt tốc độ = 102 vòng/phútBảng. 2 đơn giản hóa khí động học tải tính toán cho cáctrường hợp của tốc độ gió cực theo IEC-61400-2Trường hợp tải thiết kế đơn vịHͲParked gió tải Fx, trục = 5256 NTháp tiếp xúc với Ve50 FW1 = 18678 NFW2 = 17972 NFW3 = 12654 NLưu ý: Gió tải tác động lên toàn bộ tháp cấu trúc làtính toán chỉ dành cho các trường hợp tốc độ gió H-the sự sống cònđiều kiện JRAME số phân tích và thiết kế nhỏ Wind Turbine tháp28Gió tải về cấu trúc tháp có thểtính toán bằng cách sử dụng các phương trình được đưa ra trong phụ lục Ftiêu chuẩn IEC [1].2.2 tải yếu tố và tải kết hợp cho cuối cùngthiết kế gió tảiTính toán đơn giản tải Hiển thị chỉ dành cho cáccực trường hợp và trình bày trong Table.2. Tải cuối cùngvề cấu trúc là trường hợp H-tốc độ gió tồn tạiđó đưa vào tài khoản cho các trường hợp cấu trúctrải qua cơn bão cực địa phương trong một lần mỗi 50 nămgiai đoạn, cụ thể là Ve50. Yếu tố an toàn một phần cho Giótua-bin tải được đưa ra từ IEC [1]. Kể từ khi tháp làcoi như là một cấu trúc ống khói chịu bên Gióáp lực từ quan điểm của kỹ thuật xây dựngkhía cạnh thiết kế. Một phần an toàn yếu tố cho gió trực tiếp tải vềtháp và chết tải được lựa chọn từ phần2.3 trong ASCE 7-02 [5]. Tải trọng thiết kế cuối cùng haiđiều kiện có thể được cung cấp như sau:-Dịch vụ hoặc đặc trưng gió tải tình trạng (Extremehoạt động tải EOG50 hoặc EWM50):Tải tất cả DL WL WTL (1)-Yếu tố xác tải các kết hợp cho cực tải (EWM50):Tải tất cả J DLDL J WLWL J FWTL (2)nơiDL là chết tải (N)WL là tải trực tiếp gió trên tháp (N)WTL là tua-bin gió gây ra tải (N)DL J là factorgiven chết tải [5]WL J là hệ tải gió tháp báo cáo trong [5]F J là yếu tố một phần tải tuabin được đưa ra trong[1]EWM50 là các mô hình tốc độ gió cực trong một lần cho một50 năm cực (m/s)EOG50 là cơn gió mạnh hoạt động trong một per50 nămcực (m/s)2.3 các tính chất cơ học của vật liệu thápThương mại kết cấu thép JIS lớp SS400 làđược sử dụng để chế tạo kết cấu thép hình ống. Cơ khíthuộc tính này thép được đưa ra trong bảng. 3.Bảng. 3 các tính chất cơ học của vật liệuTính chất của vật liệu đơn vịCấu trúc steelͲJIS lớp3101ͲSS400 thuộc tínhͲYield sức mạnh của thép = 248 MPaͲSpecific trọng lượng thép = 7.850 kg.mͲ3ͲModulus đàn hồi = 200 GPaͲPoisson tỷ lệ = Ͳ cách 0.33. phương pháp phần tử hữu hạn phân tích3.1 cấu trúc liên kết xây dựng và lưới mẫuLưới cấu trúc liên kết cho các mô hình là các phần tử vỏloại được xác định cho thành tháp và các loại rắn nguyên tốlàm việc cho khung mở của tháp. Tổng cộngsố lượng các yếu tố trong mô hình là 22,773 yếu tố màmang lại sự ổn định của kết quả tính toán vềtháp độ lệch, và căng thẳng.3.2 điều kiện biênKể từ khi cố định của các cấu trúc tháp để cácnền tảng cụ thể là một cách tương tự với một cần cẩu côngxonchùm. Điều kiện hạn chế được áp dụng cho các nútdisplacements tại các cơ sở của tháp tương ứng vớiHệ thống bolting gắn các cấu trúc để cácnền tảng. Do đó, các displacements nút trong x, y, vàz chỉ dẫn trên bề mặt dưới của tháp được cố định.3.3 tài liệu hành vi mô hìnhMối quan hệ căng thẳng căng thẳng mô tả đàn hồihành vi vật đẳng hướng, ví dụ như thép, có thể được ghinhư¿¾½¯®­ IJ ij kk ijE H G QQ H Q V 1 1 2 (3)nơiV ij là tensor căng thẳng (Pa)EIS trẻ của mô đun (Pa)Q là tỷ lệ poissonIJ H, kk H là tensor căng thẳngG ijlà Kronecker delta4. kết quả và thảo luậnCác kết quả điển hình của kết cấu, phương thức, và sự ổn địnhphân tích cho các dịch vụ tải kết hợp cũng nhưtải trọng cực gió được hiển thị trong hình 1 và 2, tương ứng.Nó tiết lộ từ hình 1a và 2a rằng yếu tố an toàn địa phươngĐối với trường hợp điều kiện Dịch vụ cực là 4.2 và cho cáccơ cấu theo trường hợp tải cực bất lợi là 2.3.Tầm quan trọng tối đa của trục căng thẳng trong cả hai trường hợp làtương đối không đáng kể. Tối đa căng thẳng có thể được tìm thấy trênCác bức tường của phần dưới gần tháp cơ sở nhưMô tả trong hình 1b và 2b.Cho việc thiết kế một cấu trúc thẳng đứng chống lại cácGió, trọng lượng rẽ nước tối đa Mẹo, cụ thể là thống trị tại miễn phíkết thúc, nên được duy trì như các giá trị tối thiểu càng tốt.Phân tích cấu trúc sản lượng độ lệch Mẹo của 101.7mm như minh hoạ trong hình 1 c đó là ít hơn tối đacho phép sự thống trị giá trị tính theo chiều cao một 180.Độ lệch địa phương khác nhau không linearly caotháp có thể được nhìn thấy trong hình 3a.Để tránh sự thất bại cấu trúc do cựchoạt động cơn gió mạnh, sự thống trị và sự ổn định của tháp phảiđược xác nhận cho hiệu quả kết hợp của họ để đảm bảo rằng điều nàytình hình không thể gây ra sự thất bại để cấu trúc tháp.Sức mạnh phân tích bằng cách sử dụng cấu trúc tĩnhkết hợp với sự ổn định phân tích được thực hiện chonhiệm vụ này. Nó tiết lộ rằng có là không có đàn hồi địa phươngsự oằn xuất hiện trong trường hợp này như minh hoạ trong hình 1e và2E. trọng lượng của tháp đầu và cấu trúc không thể gây rahỏng cấu trúc do sự oằn địa phương. Tạp chí nghiên cứu và ứng dụngtrong cơ khí (JRAME) Vol.1 số 429Hình 1 các kết quả của những phân tích cấu trúc, phương thức và sự ổn định tĩnh cho sự kết hợp tải trong dịch vụ. Hình 2 các kết quả của những phân tích cấu trúc, phương thức và sự ổn định tĩnh cho facto