Ingegneria strutturale
Il processo di progettazione delle pale per turbine eoliche inizia con un compromesso, basato sulla "migliore stima", fra efficienza aerodinamica e strutturale. Anche la scelta dei materiali e il processo di produzione influenzano quanto fine e ideale dal punto di vista aerodinamico può essere costruita la pala e a quale costo. Pertanto, il processo di ingegnerizzazione strutturale riveste un ruolo fondamentale nel mettere insieme tutte le discipline della progettazione e della costruzione e produrre la soluzione ottimale in termini di prestazioni e costi.
Il processo di progettazione strutturale delle pale per turbine eoliche deve tenere conto della forma aerodinamica, delle proprietà dei materiali sottoposti a carichi estremi e carichi di fatica e del metodo di produzione.
Progettazione strutturale – Il processo
Incurvatura fuori bordo (flapwise)
L’incurvatura fuori bordo, dovuta alle forze ascensionali, è solitamente il carico dominante ed è calcolabile con maggiore precisione all’inizio; quindi la progettazione comincia con la considerazione dei laminati per le solette e le pareti laterali dei longheroni necessari per sopportarla. Come indicato sopra, vi è una scelta di compromesso fra efficienza aerodinamica e strutturale, entrambe le quali hanno un forte impatto sul costo dell’elettricità generata. Il processo di progettazione richiede che si trovi la distribuzione di spessore ottimale, calcolando l’effetto dei diversi spessori sia sull’erogazione di potenza sia sul peso strutturale.
Massa della pala
Nel processo di progettazione strutturale deve essere quindi seguito un ciclo ripetitivo in quanto il carico di resistenza sul bordo, nel senso della scia, dipende dalla massa della pala. Finché la pala non viene progettata, la sua massa non è conosciuta e deve pertanto essere presunta. Una volta che la massa è conosciuta con maggiore precisione, i laminati della pala possono dover essere riprogettati per sopportare il nuovo carico (derivato dalla massa). A questo punto la resistenza può essere ottenuta semplicemente riducendo lo stress ammissibile del materiale. I codici di progettazione, come il Germanisher Lloyds, forniscono fattori di knock-down predefiniti prudenti sulla forza da usare se i dati sull’affaticamento non sono disponibili, normalmente circa 5 per fibra di vetro e 3 per carbonio a 10 milioni di cicli.
Rigidità torsionale
Con la determinazione dei parametri di incurvatura base (fuori bordo e sul bordo) della pala, la scocca può essere controllata per rigidità torsionale e resistenza all’imbozzamento. La radice può essere progettata per portare i carichi sui tiranti dalla pala al mozzo e il giunto adesivo analizzato per contenere gli stress nell’adesivo entro un livello accettabile.
Analisi a elementi finiti (FEA)
Fino a questo punto nella progettazione, l’analisi solitamente è realizzata usando un foglio di calcolo o altro semplice metodo analitico, che dà solo una risposta approssimativa ma consente iterazioni rapide della progettazione verso valori ottimali. Per l’analisi finale, una risposta più accurata può essere data dall’analisi a elementi finiti. Questa utilizza un modello virtuale tridimensionale della pala che è frazionata in migliaia di elementi quadrati come piastrelle. Poiché il computer è in grado di simulare con precisione il comportamento di ogni elemento e sa in che modo gli elementi sono uniti fra loro, può simulare la risposta strutturale dell’intera pala in qualsiasi condizione di carico.
Progettazione strutturale – Flusso di processo
- Le proprietà dei materiali sono generate attraverso collaudi su provini, e ridotte mediante fattori di sicurezza parziali appropriati al materiale e al metodo di produzione.
- Alla fornitura del profilo aerodinamico preliminare, i carichi fuori bordo dovuti alla portanza aerodinamica sono usati per determinare la progettazione preliminare di laminati, e successivamente per confermare che la progettazione può essere fatta per lavorare strutturalmente con la forma aerodinamica prescelta.
- Dati i laminati preliminari, la massa della pala può essere usata per stimare il carico di fatica sul bordo.
- La scocca delle pale è controllata a fronte della resistenza all’imbozzamento e della rigidità torsionale.
- I processi di produzione e la selezione dei materiali sono definiti in base alle loro implicazioni su pesi e costi.
- Ulteriori iterazioni carico/laminati convergono su una progettazione finale che è quindi controllata mediante l’analisi a elementi finiti per rigidità, stabilità in imbozzamento e resistenza, fra cui la resistenza all’affaticamento.
Infine un prototipo di pala viene costruito e testato, sia per estremi carichi fuori bordo sia per carichi di fatica, al fine di convalidare la progettazione.