Μη γραμμική δυναμική ανάλυση πυλώνων ανεμογεννητριών υπό φορτία ανέμου

Abstract

Στην παρούσα διπλωματική εργασία εκτελούνται ιδιομορφικές αναλύσεις, καθώς και μη γραμμικές δυναμικές αναλύσεις πυλώνων ανεμογεννητριών, που καταπονούνται από φορτία ανέμου. Στόχος της εργασίας είναι η διερεύνηση της επίδρασης της γεωμετρικής μη γραμμικότητας και της περιστροφικής αδράνειας στη δυναμική απόκριση των πυλώνων ανεμογεννητριών, ανάλογα με τη μεταβολή του ύψους του πυλώνα και των στατιστικών χαρακτηριστικών του ανέμου. Οι πυλώνες προσομοιώνονται από στοιχεία δοκού και καταπονούνται από ένα συγκεντρωμένο εγκάρσιο φορτίο, που προκύπτει από την αλληλεπίδραση του ανέμου με τα πτερύγια της ανεμογεννήτριας, από ένα συγκεντρωμένο θλιπτικό αξονικό φορτίο που αποτελεί το βάρος του μηχανολογικού εξοπλισμού, καθώς και από το ίδιο βάρος του, που προσομοιώνεται με κατανεμημένο καθ’ ύψος θλιπτικό αξονικό φορτίο. Το εγκάρσιο φορτίο είναι δυναμικό, ενώ τα αξονικά φορτία εισάγονται ως στατικά. Το πρόβλημα της δοκού τυχούσας, διπλά συμμετρικής, μεταβλητής διατομής που υπόκειται σε δυναμική φόρτιση επιλύεται με λογισμικό που κάνει χρήση της Μεθόδου Αναλογικής Εξίσωσης, που ανήκει στην οικογένεια μεθόδων των συνοριακών στοιχείων, ενώ για τον υπολογισμό των φορτίων ανέμου αναπτύσσεται κώδικας που ακολουθεί τον αλγόριθμο υπολογισμού φόρτισης από άνεμο που βασίζεται στη θεωρία πτερυγίων ρότορα. Για την επαλήθευση της καταλληλότητας της χρήσης της θεωρίας δοκού, καθώς και για την εξακρίβωση της αξιοπιστίας του χρησιμοποιούμενου λογισμικού, πραγματοποιούνται συγκρίσεις με προσομοιώματα από στοιχεία κελύφους, που επιλύονται με τη χρήση της Μεθόδου Πεπερασμένων Στοιχείων.

In this thesis modal analyses, as well as non linear dynamic analyses of wind turbine towers, stressed by wind loads, are performed. The purpose of the thesis is to investigate the effects of geometric nonlinearity as well as rotary inertia in the dynamic response of wind turbine towers, according to changes in the height of the tower and the statistical characteristics of the wind. The towers are simulated by beam elements and stressed by a transverse load, a result of interaction between the wind and the blades, by a concentrated axial compressive load, which represents the weight of the mechanical equipment and by a distributed axial compressive load, which represents the tower’s self weight. The transverse load is dynamic, whereas the axial loads are static. The problem of the beam of arbitrary doubly symmetric variable cross section is solved with software which uses the Analog Equation Method (ΑΕΜ), a BEM based method. Το calculate the wind loads, a code following the wind load calculating algorithm based on rotor blade theory is developed. In order to verify both the suitability of beam elements and the credibility of the used software, comparisons of towers simulated by shell elements, which are solved by using the Finite Element Method, are performed.