Ανάλυση εσωτερικής στηρίξεως πτερυγίου ανεμογεννήτριας από σύνθετα υλικά με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων

Abstract

Σε μία ανεμογεννήτρια τα πτερύγια είναι ένα πολύ κρίσιμο και σημαντικό τμήμα όσον αφορά τον σχεδιασμό, διότι η επίδοσή της εξαρτάται από παράγοντες όπως τα υλικά του πτερυγίου, το σχήμα, η γωνία συστροφής κτλ. Εξετάζεται ο σχεδιασμός του εσωτερικού του πτερυγίου όπως επίσης και η κατάλληλη επιλογή των υλικών μίας μεγάλης ισχύος ανεμογεννήτριας που καταπονείται από ένα στατικό φορτίο κάθετο στην μεγάλη επιφάνεια του πτερυγίου (φόρτιση flap-wise). Αναπτύσσεται ένα πολύ λεπτομερές μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων που προσομοιώνει την εσωτερική στήριξη του πτερυγίου (σε σχήμα «κουτιού»), με δεδομένα το μέγεθος, το αεροδυναμικό σχήμα, τον τύπο και την ακριβή τοποθέτηση των εσωτερικών δοκών (spar-caps) και υποστυλωμάτων (shear-webs). Για την στήριξη αυτή χρησιμοποιούνται προχωρημένα και καινοτόμα σύνθετα υλικά με υψηλούς λόγους αντοχής – και ακαμψίας – προς βάρος, όπως πολυμερή οπλισμένα με ίνες γυαλιού και ίνες άνθρακα. Με τη βοήθεια εξειδικευμένων λογισμικών πεπερασμένων στοιχείων παράγονται αποτελέσματα που αφορούν τις τάσεις και τις μετατοπίσεις χρησιμοποιώντας επίπεδα στοιχεία και τρισδιάστατα στοιχεία κελύφους, με γραμμικές και μη γραμμικές αναλύσεις (παραδοχές μικρών και μεγάλων μετατοπίσεων). Εφαρμόζεται επίσης ένα κριτήριο αστοχίας σύνθετων υλικών για περαιτέρω συμπεράσματα όσον αφορά τα μεγέθη των τάσεων. Ο κύριος στόχος της εργασίας είναι η μελέτη της συμπεριφοράς του πτερυγίου μίας μεγάλης ισχύος ανεμογεννήτριας σε επίπεδο διατομής, που καταπονείται από στατικό φορτίο ισοδύναμο με μία μέση φόρτιση ανέμου και γενικότερα η έρευνα γύρω από τη συμπεριφορά των κατασκευών αυτών με έμφαση στην επιλογή των υλικών, με σκοπό πάντα τη βελτιστοποίηση της απόδοσής τους.

In wind turbines, blades are critical design members because performance depends on blade material, shape, twist angle, etc. The problem of internal, mechanical design and material selection for a prototypical -high power- horizontal axis wind turbine blade under static, flap-wise loading is investigated in this study. A very detailed finite element model is developed representing the load-carrying box girder of the blade with a given airfoil shape, size, and the type and position of the interior load-bearing longitudinal beams/shear-webs. The materials used in the internal support are innovative, highly advanced composites that have high strength – and stiffness – to weight ratios such as E-Glass fiber reinforced plastic and Carbon fiber reinforced plastic. Results concerning displacements and stresses are generated using both plane and shell finite elements with linear and non-linear analyses. A failure criterion for composite materials is also applied, in order to obtain some more results about the stresses. The main objective of this study is to help further advance the use of computer – aided engineering methods and tools (e.g. geometrical modeling of the box girder, structural analysis and material-selection methodologies) to the field of design and development of composite wind turbine blades and in general to shed some more light into the behavior of wind turbine blade structures.