Structural validation of wind turbine blade without shear webs

The study of wind energy applications deals with a continuous research addressed to the accomplishment of the highest efficiency obtained from wind turbines, whose design is progressively innovated. In the context of the multidisciplinary design of modern wind turbines, this work focuses on the structural optimization of a horizontal axis rotor blade following an innovative one-shot technology. In this strategy, a classical sectional topology based on the common spar-box arrangement is modified so that the two main shear webs are removed from the design. This allows to manufacture each blade in a single molding phase, whereas the current industrial practice requires to manufacture the two halves of the blade independently, since they are subsequently joined together through the shear webs. The use of this manufacturing technique should result in significant production advantages, since several complexities related to the bonding of the various blade components are completely overcome. However, since the webs play a fundamental role within the structural topology of the blade, some drawbacks are expected when they are excluded form the design. In particular, other blade components are expected to absorb part of the structural properties normally associated to the webs, which may eventually determine a redistribution of materials and increase the blade mass and loads. These conflicting aspects are thoroughly investigated by using an automated structural optimization algorithm to compare a classic design and a redesign based on the one-shot concept. Performance in terms of blade mass, loads, AEP and cost of energy are assessed in order to investigate the technical feasibility and the economic advantages of the latter approach.

Lo studio delle applicazioni in campo eolico ha come scopo la ricerca di soluzioni progettuali per ottenere turbine eoliche sempre pi`u efficienti, innovando progressivamente nel tempo il loro progetto. Questo tipo di progetto coinvolge un vasto campo di problemi diversi tra loro, ognuno dei quali con i propri particolari vincoli da soddisfare, e questo specifico lavoro di tesi si propone di trattare l’ottimizzazione strutturale di una pala di turbina eolica. Nello specifico, questa trattazione si propone di validare un approccio innovativo nel progetto strutturale della pala di una turbina eolica ad asse orizzontale. L’innovazione risiede nella mancanza di un elemento strutturale all’interno della pala, la web; questa mancanza permette un nuovo tipo di processo manufatturiero noto come ”tecnologia one-shot”, che consiste nella produzione e nell’assemblaggio di tutti gli elementi che compongono la pala contemporaneamente, cosa che permette di evitare tutti i problemi che si incontrano con le attuali tecniche di produzione al momento dell’assemblaggio e la connessione di tutti i diversi componenti della pala. Considerando l’assenza di un elemento strutturale di elevata importanza per la struttura d’insieme, è lecito aspettarsi che la massa della pala incrementi tanto quanto i restanti elementi verranno modificati per sopperire a questa mancanza nel soddisfacimento dell’integrità strutturale complessiva, sottoposta a determinate condizioni di carico, causando un potenziale incremento di costi. Allo stesso tempo però, questo processo tecnologico permette un risparmio di costi nel ciclo produttivo delle pale, portando ad un’attesa riduzione complessiva del costo dell’intera turbina eolica.