Problems in measurement of mechanical loads in wind turbines: bending/torsional moments by strain gage bridges and torque by optical transducer

This thesis discusses the complexity of measuring mechanical loads on large wind turbines; parameters that play a crucial role in the certification and monitoring of wind turbines. The most important mechanical loads on a wind turbine are bending and torsional moments that are usually measured through full strain gage bridges, as recommended by the standard IEC 61400-13. This thesis discusses the guidelines to design the strain gage measurement chain and a comparison among the different calibration procedures: analytical, external loads and gravity. This work proposes static-dynamic models for a gravity calibration, comments on the attainable range of calibration and presents an uncertainty analysis of the calibration process. Even if measurement should take place in isothermal condition, this is not always the case in real world practice. Therefore, the thesis puts into evidence its influence on calibration and signal uncertainty and the technical solutions that can be adopted to limit the phenomenon. Among the strain gage measurements, the torque measurement on the shaft is the most uncertain. However, many studies have shown that an accurate torque measurement can provide much information about the WT’s health. Available solutions more accurate, like inline torque sensor, are invasive and inappropriate. This thesis, in its second part, analyses a novel, contactless torque measurement system consisting of two shaft-mounted zebra tapes and two optical sensors mounted on stationary rigid supports. The performance of the system has been analysed experimentally on a test bench. The results show good agreement with reference measurements from an in-line, invasive torque transducer with an uncertainty of ±0.3%. Finally, a feasibility analysis and a system scale-up design for two typical WTs with different shaft configurations has been performed and shows that the measurement technique is less uncertain when performed on long and slow shafts.

Il lavoro tratta la complessità di misurare carichi meccanici su grandi turbine eoliche; parametri cruciali per la certificazione e il monitoraggio delle condizioni di funzionamento. I carichi meccanici di maggior rilievo su una turbina eolica sono i momenti flettenti e torcenti che, in accordo con la normativa IEC 61400‐13, è consigliabile misurare attraverso ponti estensimetrici interi. Questa tesi discute le linee guida per la progettazione della catena di misura estensimetrica e confronta le diverse possibili procedure di calibrazione: analitica, carichi esterni e squilibri propri. Il lavoro propone modelli di calibrazione che sfruttano squilibri di massa propri, commenta gli intervalli di calibrazione raggiungibili e presenta un’analisi di incertezza del processo di calibrazione. La calibrazione dovrebbe avvenire in condizione isotermiche ma nella pratica questo requisito potrebbe non essere sempre verificato. Pertanto, la tesi esamina l’influenza del fenomeno termico sulla misura estensimetrica e le soluzioni tecniche adottabili per limitare il fenomeno. Tra le misure estensimetriche, quella della coppia sull’albero è la più incerta. Tuttavia, studi dimostrano che il segnale di coppia fornisce informazioni sullo stato di salute della macchina quindi è necessario usare soluzioni più precise, come i torsiometri in linea, che risultano però essere invasive e inadeguate. L’alternativa viene proposta nella seconda parte della tesi, ovvero una tecnica di misura della coppia innovativa e senza contatto costituita da due nastri zebrati montati sull’albero e da due sonde ottiche su un supporto rigido non rotante. Le prestazioni del sistema sono state analizzate in un banco prova. I risultati mostrano una buona corrispondenza con le misure di riferimento eseguite attraverso un torsiometro in linea con una incertezza del ± 0,3%. Infine, la tesi presenta un’analisi di fattibilità per due soluzioni reali di turbine eoliche e mostra come la tecnica di misura è meno incerta quando applicata su alberi lunghi e lenti.