mgssuvestВестник МГСУVestnik MGSU1997-09352304-6600Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU)10.22227/1997-0935.2025.7.1030-1050mgssuvest-671Research ArticleПроектирование и конструирование строительных систем. Строительная механика. Основания и фундаменты, подземные сооруженияConstruction system design and layout planning. Construction mechanics. Bases and foundations, underground structuresОценка несущей способности опорных конструкций арктической ветроэнергетической установки на основе аэросервоупругого моделированияSupport structure strength assessment based on aeroservoelastic modelling of an Arctic wind turbinehttps://orcid.org/0009-0003-0940-372XРигельИ. В.RigelI. V.

Иван Владимирович Ригель — аспирант, инженер Научно-образовательного центра «Возобновляемые виды энергии и установки на их основе» Инженерно-строительного института

195251, г. Санкт-Петербург, вн. тер. г. муниципальный округ Академическое, ул. Политехническая, д. 29 литера Б

РИНЦ AuthorID: 1237632, ResearcherID: NIS-9111-2025

Ivan V. Rigel — postgraduate student, engineer of the Scientific and Educational Center “Renewable Energy Sources and Installations Based on Them” of the Civil Engineering Institute

29B Polytechnicheskaya st., vn. ter. d., Akademicheskoye municipal district, St. Petersburg, 195251

RSCI AuthorID: 1237632, ResearcherID: NIS-9111-2025

ivan.rigel@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7051-6027ЕлистратовВ. В.ElistratovV. V.

Виктор Васильевич Елистратов — доктор технических наук, профессор, профессор Высшей школы гидротехнического и энергетического строительства Инженерно-строительного института, директор Научно-образовательного центра «Возобновляемые виды энергии и установки на их основе»

195251, г. Санкт-Петербург, вн. тер. г. муниципальный округ Академическое, ул. Политехническая, д. 29, литера Б

РИНЦ AuthorID: 36278, Scopus: 57189578726, ResearcherID: C-3627-2016

Viktor V. Elistratov — Doctor of Technical Sciences, Professor, Professor of the Higher School of Hydrotechnical and Power Engineering Construction of the Institute of Civil Engineering, Director of the Scientific and Educational Center “Renewable Energy Sources and Installations Based on Them”;

29B Polytechnicheskaya st., n. ter. d., Akademicheskoye municipal district, St. Petersburg, 195251

RSCI AuthorID: 36278, Scopus: 57189578726, ResearcherID: C-3627-2016

elistratov@spbstu.ruСанкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого (СПбПУ)РоссияPeter the Great St. Petersburg Polytechnic University (SPbPU)Russian Federation20253107202520710301050Copyright © Ригель И.В., Елистратов В.В., 20252025Ригель И.В., Елистратов В.В.Rigel I.V., Elistratov V.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.vestnikmgsu.ru/jour/article/view/671Введение

Введение. Ветроэнергетика играет ключевую роль в развитии возобновляемых источников энергии, особенно в удаленных районах Арктики с автономными энергосистемами. Обеспечение надежности и долговечности опорных конструкций ветроэнергетических установок (ВЭУ) в арктической зоне Российской Федерации является важной научно-технической задачей. Уникальные климатические условия, включающие низкую температуру, сильные ветровые нагрузки, снег и обледенение, значительно усложняют проектирование таких объектов. Цель исследования — разработка комплексной методики аэросервоупругого моделирования ВЭУ для оценки несущей способности опорных конструкций и оптимизации несущей конструктивной системы ВЭУ.

Материалы и методы

Материалы и методы. На примере ВЭУ мощностью 100 кВт высотой 30 м используется импульсно-лопастный анализ и аэросервоупругое моделирование в программном комплексе (ПК) QBlade, для расчета напряженно-деформированного состояния несущей конструктивной системы применяется конечно-элементный ПК FEA NX. Рассмотрены расчетные режимы работы ВЭУ с различными условиями ветра и обледенения. Моделирование охватывает как рабочие, так и экстремальные режимы эксплуатации, включая анализ динамических нагрузок и влияние резонансных эффектов.

Результаты

Результаты. Разработана методика аэросервоупругого моделирования, позволяющая учитывать сложные эксплуатационные и климатические воздействия на элементы ВЭУ. Определены нагрузки на элементы ВЭУ, в том числе в различных режимах работы и при обледенении ветроколеса, выявлены их экстремальные сочетания. Выполнен анализ прочности и устойчивости опорных конструкций. Предложены конструктивные мероприятия для повышения несущей способности конструктивной системы. Сформулированы рекомендации по дальнейшей оптимизации конструкции ВЭУ для эксплуатации в арктических условиях.

Выводы

Выводы. Методика позволяет учитывать климатические факторы Арктики для оценки несущей способности опорных конструкций ВЭУ. Полученные результаты могут быть использованы при проектировании арктических ВЭУ класса S, а также при разработке методических рекомендаций по расчету ветроэнергетических установок, для повышения надежности и эффективности конструкций ВЭУ, используемых в арктической зоне РФ.

Introduction

Introduction. Wind energy plays a key role in the development of renewable energy sources, especially in remote areas of the Arctic with autonomous power systems. Ensuring the reliability and durability of wind turbine supporting structures in the Arctic zone of the Russian Federation is an important scientific and technical task. Unique climatic conditions including low temperature, strong wind loads, snow and icing considerably complicate the design of such facilities. The purpose of the study is to develop a comprehensive methodology of aeroservoelastic modelling of wind turbines to assess the load-bearing capacity of supporting structures and to optimize the load-bearing structural system of wind turbines.

Materials and methods

Materials and methods. A 100 kW wind turbine with a height of 30 is considered as an example. Blade element momentum analysis and aeroservoelastic modelling in the QBlade software are used, and the finite-element software FEA NX is used to calculate the stress-strain state of the supporting structural system. The design wind turbine operation modes with different wind and icing conditions are considered. Modelling covers normal and extreme modes, including analysis of dynamic loads and the influence of resonance effects.

Results

Results. A methodology of aeroservoelastic modelling has been developed, which makes it possible to consider complex operational and climatic effects on the elements of wind turbines. The loads on the wind turbine elements in different operating modes and with rotor icing are determined, their extreme combinations are revealed. Strength and stability analysis of support structures is performed. Structural measures are proposed to increase structural system load-bearing capacity. Recommendations on further optimization of wind turbine design for operation in the Arctic conditions are prepared.

Conclusions

Conclusions. The methodology allows considering the climatic factors of the Arctic to assess the load-bearing capacity of wind turbine support structures. The results obtained can be used in the design of S-class Arctic wind turbines, as well as in the development of methodological recommendations for the calculation of wind turbines, to improve the reliability and efficiency of wind turbine designs used in the Arctic zone of the Russian Federation.

ветроэнергетическая установка (ВЭУ)опорные конструкцииконструктивная системабашняаэросервоупругое моделированиеарктическая зонаобледенениенапряженно-деформированное состояние (НДС)wind turbinesupport structuresstructural systemtoweraeroservoelastic modellingArctic zoneicingstress-strain stateИсследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 25-29-00497 (URL: https://rscf.ru/project/25-29-00497/). Авторы выражают благодарность анонимным рецензентам и редакции журнала.The research was supported by the Russian Science Foundation grant No. 25-29-00497 (URL: https://rscf.ru/project/25-29-00497/). The authors would like to thank the anonymous reviewers and the editorial board of the journal.ReferencesЕлистратов В.В. Научно-техническое обоснование и проектирование энергокомплексов на основе ВИЭ для сложных природно-климатических условий // Электричество. 2023. № 10. С. 4–21. DOI: 10.24160/0013-5380-2023-10-4-21. EDN RGZOCS.Elistratov V.V. Engineering feasibility studies and designing of energy systems based on renewable energy sources for difficult natural and climatic conditions. Electricity. 2023; 10:4-21. DOI: 10.24160/0013-5380-2023-10-4-21. EDN RGZOCS. (rus.).Zheng M., Yang Zh., Yang Sh., Still B. Modeling and mitigation of excessive dynamic responses of wind turbines founded in warm permafrost // Engineering Structures. 2017. Vol. 148. Pр. 36–46. DOI: 10.1016/j.engstruct.2017.06.037Zheng M., Yang Zh., Yang Sh., Still B. Modeling and mitigation of excessive dynamic responses of wind turbines founded in warm permafrost. Engineering Structures. 2017; 148:36-46. DOI: 10.1016/j.engstruct.2017.06.037Елистратов В.В., Ригель И.В. Аэроупругое моделирование динамических нагрузок на несущие конструкции арктической ветроэнергетической установки // Известия ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева. 2025. Т. 315. С. 78–94. EDN HQZJRD.Elistratov V.V., Rigel I.V. Aeroelastic modeling of dynamic loads on the arctic wind turbine supporting structures. Proceedings of the VNIIG. 2025; 315:78-94. EDN HQZJRD. (rus.).Martini F., Contreras Montoya L.T., Ilinca A. Review of Wind Turbine Icing Modelling Approaches // Energies. 2021. Vol. 14. Issue 16. P. 5207. DOI: 10.3390/en14165207Martini F., Contreras Montoya L.T., Ilinca A. Review of Wind Turbine Icing Modelling Approaches. Energies. 2021; 14(16):5207. DOI: 10.3390/en14165207Jiang W., Wen R., Qin M., Zhao G., Ma L., Guo J. et al. A Fast Simulation Method for Wind Turbine Blade Icing Integrating Physical Simulation and Statistical Analysis // Energies. 2024. Vol. 17. Issue 22. P. 5785. DOI: 10.3390/en17225785Jiang W., Wen R., Qin M., Zhao G., Ma L., Guo J. et al. A Fast Simulation Method for Wind Turbine Blade Icing Integrating Physical Simulation and Statistical Analysis. Energies. 2024; 17(22):5785. DOI: 10.3390/en17225785Tahani M., Hossein A., Hong J. Simulation of unsteady ice accretion on horizontal axis wind turbine blade sections in turbulent wind shear condition // Physics of Fluids. 2024. Vol. 36. Issue 11. DOI: 10.1063/5.0227355Tahani M., Hossein A., Hong J. Simulation of unsteady ice accretion on horizontal axis wind turbine blade sections in turbulent wind shear condition. Physics of Fluids. 2024; 36(11). DOI: 10.1063/5.0227355Hu L., Zhu X., Hu C., Chen J., Du Z. Wind Turbines Ice Distribution and Load Response under Icing Conditions // Renewable Energy. 2017. Vol. 113. Pp. 608–619. DOI: 10.1016/j.renene.2017.05.059Hu L., Zhu X., Hu C., Chen J., Du Z. Wind Turbines Ice Distribution and Load Response under Icing Conditions. Renewable Energy. 2017; 113:608-619. DOI: 10.1016/j.renene.2017.05.059Voinov I.B., Elistratov V.V., Keresten I.A., Konishchev M.A., Nikitin M.A., Sofronova D.I. Profiling a Wind Wheel Blade Using Parametric Optimization and Computational Aerodynamics Methods // Thermal Engineering. 2024. Vol. 71. Issue 6. Pp. 513–522. DOI: 10.1134/S0040601524060053Voinov I.B., Elistratov V.V., Keresten I.A., Konishchev M.A., Nikitin M.A., Sofronova D.I. Profiling a Wind Wheel Blade Using Parametric Optimization and Computational Aerodynamics Methods. Thermal Engineering. 2024; 71(6):513-522. DOI: 10.1134/S0040601524060053Демидов Д.А., Дубов А.Л. Моделирование и исследование аэродинамических процессов в области работы ветротурбины // Вузовская наука в современных условиях : сб. мат. 57-й науч.-техн. конф. Часть 1. 2023. С. 172–174. EDN KVMTVT.Demidov D.A., Dubov A.L. Modeling and research of aerodynamic processes in the area of wind turbine operation. University science in modern conditions : Proceedings of the 57th scientific and technical conference. Part 1. 2023; 172-174. EDN KVMTVT. (rus.).Соломин Е.В., Терехин А.А., Мартьянов А.С., Ковалёв А.А., Исмагилов Д.Р., Рявкин Г.Н. и др. Оценка влияния моделей турбулентности на описание процессов вихреобразования в ветроэнергетике // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия: Физико-математические науки. 2022. Т. 26. № 2. С. 339–354. DOI: 10.14498/vsgtu1885. EDN SVRJGF.Solomin E.V., Terekhin A.A., Martyanov A.S., Kovalyov A.A., Ismagilov D.R., Ryavkin G.N. et al. Evaluation of influence of turbulence models on the vortex formation processes modeling in wind power. Journal of Samara State Technical University. Ser. Physical and Mathematical Sciences. 2022; 26(2):339-354. DOI: 10.14498/vsgtu1885. EDN SVRJGF. (rus.).Елистратов В.В., Панфилов А.А., Петров С.Г. Использование цифровых технологий при обосновании энергетических и конструктивных параметров арктической ветроэнергетической установки // Сантехника, Отопление, Кондиционирование. 2024. № 6 (270). С. 56–59. EDN VEMIVW.Elistratov V.V., Panfilov A.A., Petrov S.G. The use of digital technologies in substantiating the energy and design parameters of the arctic wind power plant. Plumbing, Heating, Air-conditioning. 2024; 6(270):56-59. EDN VEMIVW. (rus.).Большев А.С., Фролов С.А., Харсеев А.Е., Розов И.О. Расчет прочности основания арктической ветроэнергетической установки при действии экстремальных внешних нагрузок // Полярная механика : сб. докл. VI Всеросс. науч.-практ. конф. с междунар. участием. 2023. С. 87–97. DOI: 10.46960/polmech_2023_87. EDN PXIXHO.Bol'shev A.S., Frolov S.A., Kharseev A.E., Rozov I.O. Calculation of the strength of the foundation of an Arctic wind turbine under extreme external loads. Polar Mechanics : Proceedings of the VI All-Russian Scientific and Practical Conference with International Participation. 2023; 87-97. DOI: 10.46960/polmech_2023_87. EDN PXIXHO. (rus.).Белостоцкий А.М., Негрозова И.Ю., Горячевский О.С. Оценка аэроупругой устойчивости шпиля башни // Вестник МГСУ. 2023. Т. 18. № 11. С. 1745–1762. DOI: 10.22227/1997-0935.2023.11.1745-1762Belostotsky A.M., Negrozova I.Yu., Goryachevsky O.S. Estimation of aeroelastic stability of a tower spire. Vestnik MGSU [Monthly Journal on Construction and Architecture]. 2023; 18(11):1745-1762. DOI: 10.22227/19970935.2023.11.1745-1762 (rus.).Belostotsky A., Afanasyeva I., Negrozova I., Goryachevsky O. Simulation of aerodynamic instability of building structures on the example of a bridge section. Part 2: solution of the problem in a coupled aeroelastic formulation and comparison with engineering estimates // International Journal for Computational Civil and Structural Engineering. 2021. Vol. 17. Issue 3. Pp. 24–38. DOI: 10.22337/2587-9618-2021-17-3-24-38Belostotsky A., Afanasyeva I., Negrozova I., Goryachevsky O. Simulation of aerodynamic instabi-lity of building structures on the example of a bridge section. Part 2: solution of the problem in a coupled aeroelastic formulation and comparison with engineering estimates. International Journal for Computational Civil and Structural Engineering. 2021; 17(3):24-38. DOI: 10.22337/2587-9618-2021-17-3-24-38Wang T., Zhong W., Qian Y., Zhu C. Wind Turbine Aerodynamic Performance Calculation. Springer, Singapore, 2023. DOI: 10.1007/978-981-99-3509-3Wang T., Zhong W., Qian Y., Zhu C. Wind Turbine Aerodynamic Performance Calculation. Springer, Singapore, 2023. DOI: 10.1007/978-981-99-3509-3Anderson C.G. Wind Turbines: Theory and Practice. 2nd ed. Cambridge : Cambridge University Press, 2024.Anderson C.G. Wind Turbines: Theory and Practice. 2nd ed. Cambridge, Cambridge University Press, 2024.Marten D. QBlade: A Modern Tool for the Aeroelastic Simulation of Wind Turbines : PhD Thesis. TU Berlin, 2020. DOI: 10.14279/depositonce-10646Marten D. QBlade: A Modern Tool for the Aeroelastic Simulation of Wind Turbines : PhD Thesis. TU Berlin, 2020. DOI: 10.14279/depositonce-10646Jonkman B., Platt A., Mudafort R., Branlard E., Sprague M., Ross H. et al. OpenFAST/openfast: v3.5.3 // Zenodo. 2024. DOI: 10.5281/zenodo.10962897Jonkman B., Platt A., Mudafort R., Branlard E., Sprague M., Ross H. et al. OpenFAST/openfast: v3.5.3. Zenodo. 2024. DOI: 10.5281/zenodo.10962897Brown K., Bortolotti P., Branlard E., Chetan M., Dana S., deVelder N. et al. One-to-one aeroservoelastic validation of operational loads and performance of a 2.8 MW wind turbine model in OpenFAST // Wind Energy Science. 2024. Vol. 9. Issue 8. Pp. 1791–1810. DOI: 10.5194/wes-9-1791-2024Brown K., Bortolotti P., Branlard E., Chetan M., Dana S., deVelder N. et al. One-to-one aeroservoelastic validation of operational loads and performance of a 2.8 MW wind turbine model in OpenFAST. Wind Energy Science. 2024; 9(8):1791-1810. DOI: 10.5194/wes-9-1791-2024Papi F., Troise G., Behrens de Luna R., Saverin J., Perez-Becker S., Marten D. et al. Quantifying the impact of modeling fidelity on different substructure concepts. Part 2: Code-to-code comparison in realistic environmental conditions // Wind Energy Science. 2024. Vol. 9. Issue 4. Pp. 981–1004. DOI: 10.5194/wes-9-981-2024Papi F., Troise G., Behrens de Luna R., Saverin J., Perez-Becker S., Marten D. et al. Quantifying the impact of modeling fidelity on different substructure concepts. Part 2: Code-to-code comparison in realistic environmental conditions. Wind Energy Science. 2024; 9(4):981-1004. DOI: 10.5194/wes-9-981-2024Wu X., Zhang X., Bhattarai H.B., Hwang H.J., Yang J., Kang S. Structural Behavior Analysis of UHPC Hybrid Tower for 3-MW Super Tall Wind Turbine Under Rated Wind Load // International Journal of Concrete Structures and Materials. 2022. Vol. 16. Issue 1. DOI: 10.1186/s40069-022-00542-8Wu X., Zhang X., Bhattarai H.B., Hwang H.J., Yang J., Kang S. Structural Behavior Analysis of UHPC Hybrid Tower for 3-MW Super Tall Wind Turbine Under Rated Wind Load. International Journal of Concrete Structures and Materials. 2022; 16(1). DOI: 10.1186/s40069-022-00542-8Al-Sanad S., Parol J., Wang L., Kolios A. Design optimisation of wind turbine towers with reliability-based calibration of partial safety factors // Energy Reports. 2023. Vol. 9. Pp. 2548–2556. DOI: 10.1016/j.egyr.2023.01.090Al-Sanad S., Parol J., Wang L., Kolios A. Design optimisation of wind turbine towers with reliability-based calibration of partial safety factors. Energy Reports. 2023; 9:2548-2556. DOI: 10.1016/j.egyr.2023.01.090Partovi-Mehr N., Branlard E., Song M., Moaveni B., Hines E.M., Robertson A. Sensitivity Analysis of Modal Parameters of a Jacket Offshore Wind Turbine to Operational Conditions // Journal of Marine Science and Engineering. 2023. Vol. 11. Issue 8. P. 1524. DOI: 10.3390/jmse11081524Partovi-Mehr N., Branlard E., Song M., Moa-veni B., Hines E.M., Robertson A. Sensitivity Analysis of Modal Parameters of a Jacket Offshore Wind Turbine to Operational Conditions. Journal of Marine Science and Engineering. 2023; 11(8):1524. DOI: 10.3390/jmse11081524Montgomerie B. Methods for Root Effects, Tip Effects and Extending the Angle of Attack Range to 180, With Application to Aerodynamics for Blades on Wind Turbines and Propellers. Technical Report, FOI, Swedish Defence Research Agency, 2004.Montgomerie B. Methods for Root Effects, Tip Effects and Extending the Angle of Attack Range to 180, With Application to Aerodynamics for Blades on Wind Turbines and Propellers. Technical Report, FOI, Swedish Defence Research Agency, 2004.Øye S. Dynamic stall simulated as time lag of separation // Proceedings of the 4th IEA Symposium on the Aerodynamics of Wind Turbines. 1991. Vol. 27.Øye S. Dynamic stall simulated as time lag of separation. Proceedings of the 4th IEA Symposium on the Aerodynamics of Wind Turbines. 1991; 27.Klein A., Bartholomay S., Marten D., Lutz T., Pechlivanoglou G., Nayeri C. et al. About the suitabi-lity of different numerical methods to reproduce model wind turbine measurements in a wind tunnel with a high blockage ratio // Wind Energy Science. 2018. Vol. 3. Issue 1. Pp. 439–460. DOI: 10.5194/wes-3-439-2018Klein A., Bartholomay S., Marten D., Lutz T., Pechlivanoglou G., Nayeri C. et al. About the suitability of different numerical methods to reproduce model wind turbine measurements in a wind tunnel with a high blockage ratio. Wind Energy Science. 2018; 3(1):439-460. DOI: 10.5194/wes-3-439-2018Snel H., Houwink R., Piers W. Sectional prediction of 3d effects for separated flow on rotating blades // Proc. European Community Wind Energy Conference. Lübeck – Travemünde, 1992.Snel H., Houwink R., Piers W. Sectional prediction of 3d effects for separated flow on rotating blades. Proc. European Community Wind Energy Conference. Lübeck – Travemünde, 1992.Glauert H. Airplane Propellers // Aerodynamic Theory. 1935. Pp. 169–360. DOI: 10.1007/978-3-642-91487-4_3Glauert H. Airplane Propellers. Aerodynamic Theory. 1935; 169-360. DOI: 10.1007/978-3-642-91487-4_3Lehtomäki V., Rissanen S., Wadham-Gagnon M., Sandel K., Moser W., Jacob D. Fatigue loads of iced turbines: Two case studies // Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2016. Vol. 158. Pp. 37–50. DOI: 10.1016/J.JWEIA.2016.09.002Lehtomäki V., Rissanen S., Wadham-Gagnon M., Sandel K., Moser W., Jacob D. Fatigue loads of iced turbines: Two case studies. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2016; 158:37-50. DOI: 10.1016/J.JWEIA.2016.09.002Yang Z., Still B.A., Wait I., Chen G. Dynamic Responses of a Wind Turbine Founded in Warm Permafrost // Journal of Cold Regions Engineering. 2018. Vol. 32. Issue 4. DOI: 10.1061/(ASCE)CR.1943-5495.0000169Yang Z., Still B.A., Wait I., Chen G. Dynamic Responses of a Wind Turbine Founded in Warm Permafrost. Journal of Cold Regions Engineering. 2018; 32(4). DOI: 10.1061/(ASCE)CR.1943-5495.0000169

The authors declare that there are no conflicts of interest present.