Ottimizzazione aeroelastica per il controllo passivo dei carichi su pale di aerogeneratori ed integrazione con tecniche di controllo attivo

In this work the bend twist coupling, on a wind turbine rotor blade, is investigated. This is done to identify the loads reductions and the effects on the blade sizing. The bend twist coupling is obtained exploiting the orthotropic properties of the composite materials, by rotating the fibers off the blade pitch axis. The models are designed with an optimization algorithm, developed by the research group POLI Wind of Politecnico di Milano, that sizes the structural elements to get the minimum blade mass satisfying specific constraints. All the blades satisfy the same specifications such as the power production, the rotational speed, the maximum tip deflection, the natural frequency placement and the operative life length. The comparisons between the models are performed looking at the changes in blade mass and in the loads, both ultimate and fatigue. The dynamic analysis are performed with a multybody aero-servo-elastic model. During the work a constraint on the fatigue damage is developed and added to the optimization program. In the first part of the work fully coupled blades are analyzed. These are obtained by rotating the fibers for all the blade length. In the second part partially coupled blades are compared. These models are designed rotating the fibers just from a specific section till the blade tip. In the last part a blade with bend twist coupling is analyzed with an individual pitch controller to study the synergy of the two systems.

In questo lavoro sono stati studiati i benefici prodotti dall'utilizzo dell'accoppiamento flesso torsionale nella progettazione di pale per aerogeneratori di taglia MW, in termini di riduzione dei carichi sull'intero aerogeneratore e dei pesi/costi di tutti i componenti della macchina stessa. L'accoppiamento è stato ottenuto sfruttando le proprietà di ortotropia dei materiali compositi utilizzati nella costruzione delle pale, nello specifico ruotando le fibre rispetto alla direzione dell'asse di variazione passo delle pale. E' stato quindi dimensionato un set omogeneo di pale tramite una procedura di ottimizzazione basata sull'utilizzo di codici aero-elastici e FEM, sviluppati dal gruppo di ricerca POLI Wind del Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale del Politecnico di Milano. L'uscita dell'ottimizzazione è il dimensionamento dei componenti strutturali della pala caratterizzata dal minimo peso e contemporaneamente soddisfacente un nutrito set di vincoli, spesso imposti da normativa. Le pale prodotte presentano quindi le stesse specifiche in termini di potenza prodotta, velocità di rotazione, deflessione massima, posizionamento delle frequenze naturali e vita operativa. I carichi agenti sulla macchina sono stati ottenuti tramite analisi dinamiche con un modello multicorpo aero-servo-elastico di tutta la turbina, permettendo di focalizzare lo studio non solo sugli effetti sulla pala ma anche su quelli sui restanti componenti dell'aerogeneratore. La valutazione dei benefici prodotti dall'accoppiamento è stata portata a termine confrontando le masse delle pale costituenti il set soggetto di analisi, l'entità dei carichi trasmessi sui principali componenti della macchina e la qualità della potenza prodotta. Per garantire la resistenza delle pale a fatica è stato implementato ed aggiunto al programma di ottimizzazione un vincolo sul danneggiamento. In una prima fase, è stato analizzato l'effetto delle rotazioni delle fibre lungo tutta l'apertura per massimizzare l'effetto di accoppiamento. Successivamente, per ottenere dei modelli più performanti, le fibre sono state ruotate solo da una certa sezione fino all'estremità. Il lavoro si conclude con un'analisi, prima nel suo genere, dove si combinano un modello di pala con accoppiamento flesso torsionale e un sistema di controllo a passo individuale, in modo tale da studiarne l'effetto combinato.