Trailing edge serrations effect on the aerodynamic performance of wind turbines

En esta tesis se analiza el impacto que tienen los dientes serrados, colocados en el borde de salida de las palas, en el comportamiento aerodinámico del aerogenerador en el que están instalados. Inicialmente se ha realizado un análisis teórico mediante CFD de un perfil típico de palas de aerogenerador, el NACA 643418. Se han realizado simulaciones RANS, 2D y 3D del flujo alrededor del perfil, del perfil con una placa plana y del perfil con dientes serrados. Se ha comparado el comportamiento aerodinámico de las tres geometrías, analizando coeficientes aerodinámicos, perfiles de velocidad, turbulencia, etc. Dentro del análisis teórico también se ha realizado un estudio de sensibilidad de diferentes modelos de turbulencia. Se han analizado tres modelos RANS de turbulencia, Spalart-Allmaras, k-omega SST y Transition SST. En este estudio también se investiga el impacto del ángulo de montaje de los dientes serrados en la pala y la influencia del espesor de estos dispositivos en el comportamiento aerodinámico del perfil. De los resultados teóricos se ha derivado una ley empírica que predice el coeficiente de sustentación del perfil con dientes serrados a partir de los datos del perfil original y que se puede extender a otros perfiles aerodinámicos. Para validar esta ley de predicción se ha realizado una campaña experimental en el túnel de viento LTT de TU-Delft. Se han ensayado dos perfiles diferentes, el Nordex ADO30, perfil con un espesor relativo del 30% y el NACA643418, perfil con el 18% de espesor relativo. El primer perfil se ha elegido por su características estructurales y el segundo por ser un perfil ampliamente estudiado en el sector eólico y tener una buena relación entre la eficiencia aerodinámica en condiciones laminares y turbulentas. En estos ensayos se han medido los coeficientes aerodinámicos de ambos perfiles y de los perfiles con dientes serrados instalados con diferentes ángulos de montaje. Con estos resultados se ha podido validar completamente la ley de predicción derivada del estudio teórico. Una vez validada la ecuación propuesta, se ha utilizado para calcular los coeficientes aerodinámicos de otros perfiles que forman las palas de los aerogeneradores. Con esta información se ha realizado un estudio teórico de cargas y producción de un aerogenerador con dientes serrados instalados en sus palas. La producción eléctrica calculada se ha comparado con los datos experimentales derivados del análisis de curva de potencia en un aerogenerador real antes y después de instalarle dientes serrados. Finalmente se ha realizado un estudio experimental del impacto acústico de estos dispositivos en el ruido emitido por el aerogenerador, probando su efectividad en este campo.

This thesis deals with the influence of the trailing edge serrations on the aerodynamic performance of the wind turbines in which these extensions are installed. First, a theoretical study using Computational Fluid Dynamics (CFD) of the influence of these extensions on a typical wind energy airfoil, the NACA 643418, is presented. 2D and 3D Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) simulations of the flow around the airfoil, the airfoil with a split plate and the airfoil with trailing edge serrations are performed. A complete comparison between these three different geometries have been performed including aerodynamic coefficients, velocity profiles, turbulence parameters, etc. An additional study of the sensitivity of the results with respect to the turbulence modeling is carried out by using three different RANS models: Spalart-Allmaras, k-omega Shear Stress Transport (SST) and Transition SST. The influence of the flap angle and the extension thickness on the aerodynamic coefficients of the airfoil are also analyzed in this work. From the theoretical study an empirical law that predicts the lift coefficient of the airfoil with trailing edge extensions from the data of the original airfoil is derived and it can be extended to typical cambered airfoil for wind turbine applications. For validating this prediction law a complete experimental study focusing on the change of the aerodynamic performance of a wind turbine with the employment of trailing edge serrations is performed. This experimental campaign has been performed in the Low Speed Low Turbulence (LTT) wind tunnel of TU-Delft. Two different airfoils have been tested, a Nordex ADO30 airfoil with a relative thickness of 30% and the NACA643418 airfoil with 18% thickness. While the first has been designed for relatively high Cl/Cd performance versus structural integrity (i.e. relatively high thickness), the second one is a typical reference airfoil used in wind turbines for its interesting Cl/Cd performance in both laminar and rough conditions. The aerodynamic coefficients of these two airfoils with and without trailing edge serrations mounted at different flap angles in clean and tripped conditions have been obtained from the tests and a complete validation of the prediction law has been performed. Once the prediction law has been validated it has been used for extending the trailing edge serrations effect on the blades of a wind turbine. With this information a theoretical and experimental analysis of the loads and power production of a wind turbine with serrations have been performed. A significant increment in power production has been obtained in the experimental campaign of the wind turbine with trailing edge serrations. For finishing the work, a complete investigation of the noise impact of the trailing edge serrations on a real wind turbine has been performed and its efficacy on the reduction of the wind turbine noise has been confirmed.