Turbina eolica ad asse verticale (VAWT)

Ottimizzazione multiobiettivo strutturale della palettatura in materiale composito

CLIENTE

Università degli Studi di Padova

RICHIESTA

Studiare l’influenza dei carichi aerodinamici e inerziali, al fine di ottimizzare la struttura della pala.

SUCCESSO

Ai fini di contenere le deformazioni palari il contributo inerziale è preponderante rispetto a quello aerodinamico per tutti gli spessori di composito considerati. Di conseguenza per aumentare la resistenza strutturale della pala è importante controllare la distribuzione delle masse.

Vertical-axis wind turbine VAWT
pROBLEMa:

La turbina eolica ad asse verticale (VAWT, Vertical Axis Wind Turbine) ha un comportamento aerodinamico intrinsecamente non stazionario, dovuto principalmente alla continua variazione dell’angolo di attacco delle pale durante la rotazione della macchina: questa peculiarità comporta la variazione continua sia della velocità relativa rispetto al profilo delle pale sia – anche se in misura minore – del corrispondente numero di Reynolds. Questo fenomeno, tipico delle macchine a rotazione lenta, ha un effetto significativo sia sui carichi dinamici che agiscono sul rotore, sia sulla potenza generata e, di conseguenza, sulle prestazioni.

I calcoli CFD mostrano il flusso in tutti i suoi dettagli (velocità, pressione, temperatura, ecc.), ma non è semplice fare un’analisi delle forze e delle sollecitazioni delle pale delle turbine eoliche ad asse verticale, poiché occorre sviluppare adeguati strumenti analitici in grado di simulare la complessa interazione fluido-struttura.

Le analisi più comuni non tengono conto dell’interazione tra il comportamento aerodinamico e strutturale delle pale, ma questo è un aspetto fondamentale per una corretta scelta dei parametri di progetto (geometrici, strutturali e aerodinamici) delle pale.

Soluzione:

Per valutare come la deformazione di una pala VAWT dipenda dai carichi aerodinamici e inerziali, abbiamo realizzato uno specifico codice di accoppiamento in grado di collegare tra loro i seguenti strumenti:

1. un software CAD di modellazione solida, in grado di generare la geometria della pala desiderata in funzione dei parametri geometrici di progetto

2. un codice di simulazione fluidodinamica CFD a volume finito per il calcolo delle prestazioni del rotore

3. un codice FEM a elementi finiti per l’analisi strutturale delle pale del rotore

La metodologia permette di analizzare accuratamente il campo fluido e di calcolare il coefficiente di coppia generato dalle pale in funzione della coordinata azimutale del rotore, così come le forze di pressione, tangenziali e centrifughe, valutando così l’influenza dei contributi aerodinamici ed inerziali sulle sollecitazioni e deformazioni delle pale.

Vertical-axis wind turbine VAWT
Vertical-axis wind turbine VAWT
risultati:

Al fine di dimostrare il potenziale del codice di progettazione VAWT, è stato effettuato un calcolo CFD non stazionario di un rotore a tre pale, caratterizzato da un profilo NACA 0012. Sono state eseguite analisi di deformazione per tre diversi valori di spessore della pala.

Il contributo inerziale alla deformazione della pala è risultato più elevato rispetto a quello aerodinamico per tutti gli spessori di pala analizzati. Gli spostamenti inerziali sono risultati proporzionali allo spessore, essendo collegati alla massa della pala. Al contrario, le deformazioni relative ai carichi aerodinamici sono risultate più elevate, ovviamente, in presenza di spessore ridotto.

Sia le frecce dovute all’inerzia che quelle relative all’aerodinamica sono risultate più elevate al bordo d’uscita della pala rispetto al bordo d’attacco, a causa del posizionamento del fissaggio della pala (all’incirca in corrispondenza del centro di pressione del profilo aerodinamico) che ha determinato un momento flettente più elevato (e una conseguente maggiore deformazione) nella parte posteriore della pala eolica.

Le prove sperimentali effettuate sulle pale hanno confermato le corrette previsioni del codice, che ora viene utilizzato in Nablawave come utile ed accurato strumento di progettazione per turbine eoliche ad asse verticale.

Poster Award!

Andrea Dal Monte ha vinto il premio Poster Award alla CAE Conference 2018.

Con questo strumento il designer di turbine eoliche può stimare sia la produzione annua di energia che la risposta strutturale delle pale.

Andrea Dal Monte, Ph.D.

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