Investigation into composite material Bend

Investigation into composite material Bend-Twist Coupling
for small wind turbine blade
Wstęp
Przemysłowa energetyka wiatrowa obecnie staje się kontrowersyjna. Problemem są
wysokie nakłady inwestycyjne (w tym na infrastrukturę: drogi, linie przesyłowe oraz
rozwiązania systemowe, niezbędne dla przyjęcia kapryśnej energii), niska rzeczywista
rentowność, zły wpływ na stabilność systemu energetycznego, negatywny odbiór społeczny
(bo hałas, wpływ na estetykę krajobrazu, zagrożenia dla ptaków). Wysokowydajna,
indywidualna, rozproszona energetyka wiatrowa (turbiny o mocy 0.3÷5 kW) wydaje się
pozbawiona wspomnianych wad i po osiągnięciu dojrzałości technicznej może być atrakcyjną
niszą biznesową.
Proste przeniesienie rozwiązań z turbin przemysłowych do turbin małej mocy jest
ekonomicznie nieuzasadnione. Te same funkcje należy osiągać innymi metodami.
Przykładem jest mechanizm regulacji łopat turbiny, który optymalizuje jej sprawność
energetyczną oraz chroni przed zniszczeniem przy silnym wietrze. Dla ograniczenia kosztów
z funkcji optymalizacji w małej turbinie można zrezygnować, ale ochrona przed zniszczeniem
to problem bezpieczeństwa w miejscu zamieszkania albo pracy.
Celem niniejszej pracy dyplomowej jest projekt prostej, laminatowej struktury
łopaty, która zapewni bezpieczeństwo turbiny wiatrowej podczas silnego wiatru. Idea
projektu polega na wykorzystaniu połączonego, skrętno-giętnego odkształcenia łopaty pod
wpływem wiatru w celu zmniejszenia jej obciążenia. To nowa idea, która wymagała integracji
wielu dziedzin technicznych, między innymi: materiałoznawstwa (kompozyty warstwowe),
aerodynamiki, umiejętności przeprowadzania badań eksperymentalnych, programowania
symulacji numerycznych oraz metod analizy danych eksperymentalnych i optymalizacji.
Pierwsza część pracy jest poświęcona doświadczalnemu badaniu właściwości
dostępnej na rynku turbiny wiatrowej małej mocy oraz pierwszej wersji obliczeniowego
modelu łopatki. Badania przeprowadzono w ramach dyplomowego stażu naukowego w
belgijskiej firmie LMS International. Druga część (zrealizowana na Politechnice Gdańskiej),
opisuje rozbudowę numerycznego modelu łopatki, jego weryfikację w oparciu o dostępne
dane doświadczalne oraz analizy wytrzymałościowe różnych układów warstw laminatu.
Pierwszy etap badawczy
Dla zbadania struktury łopaty zakupionej turbiny przeprowadzono analizę modalną, pojedynczej łopatki, a
następnie całego wirnika, uzyskując częstości i postaci
drgań
własnych.
Identyfikację
i
wymiary
profili
aerodynamicznych na długości łopatki uzyskano dzięki
laserowemu
skanowaniu
3D.
Wyniki
pomiarów
uwzględniono w modelu MES.
Obciążanie aerodynamiczne modelu MES określono metodą Blade Element Momentum
(BEM), opracowaną w firmie LMS. Siły aerodynamiczne obliczane w MatLabie, za pomocą
aplikacji VirtualLab i Optimus były przenoszone do Nastrana, w którym obliczano kąty
deformacji łopatki, wprowadzane jako dane zwrotne do modelu obciążenia. Obliczenia wykazały
możliwość sprzężenia skrętno-giętnego: łopatka badanej, istniejącej turbiny wg obliczeń
odkształca się jedynie giętnie, a w nowej konstrukcji generuje się niewielkie skręcenie.
Drugi etap badawczy
Uproszczeniem metody BEM jest jednostronne obciążenie modelu skokowo zmienną
siłą oraz pominięcie przeciągania – wyniki obliczeń są wiarygodne jedynie w zakresie
niższych prędkości wiatru. W drugim etapie model obciążono ciśnieniem aerodynamicznym
zróżnicowanym wg kąta natarcia (wynikającego ze skręcenia łopaty) oraz prędkości każdego
przekroju łopatki, wprowadzono różnicowanie grubości laminatu w zależności od lokalnych
warunków obciążenia oraz optymalizację konstrukcji laminatu łopatki; wszystko to w obrębie
systemu obliczeniowego ANSYS. Sprawdzono, że wg opracowanego modelu obciążenia
badana w LMS turbina generuje 954W, a według pomiarów - 1000W(błąd 4,6%).
2
Przeprowadzono weryfikację zastosowanego modelu numerycznego laminatu:
porównano kąt skręcenia próbki (eksperyment znany z publikacji), z wynikami symulacji
numerycznej, uzyskując 86% zgodność wyników.
W pierwszym etapie badawczym oceniano wyłącznie deformacje modelu łopatki, a
w drugim przeprowadzono również analizy wytrzymałości. Do oceny stanu konstrukcji
laminatu użyto kryteriów wytężeniowych, przeznaczonych dla materiałów kompozytowych:
Tsai-Wu,
Maksymalnych
Naprężeń
oraz
Maksymalnych Przemieszczeń. Dla poprawy
wytrzymałości
konstrukcji
wprowadzono
zmienną grubość kompozytu wzdłuż cięciwy i
długości łopatki. Do algorytmu obliczeniowego
wprowadzono sprzężenie zwrotne, pozwalające
uwzględnić wpływ deformacji struktury na siły
aerodynamiczne na łopatce (aeroelastyczność).
Niestety pożądany duży wzrost wytrzymałości łopatki dzięki sprzężonej deformacji
giętno-skrętnej nie został osiągnięty. W licznych analizach wykazano, że wprowadzenie
efektu giętno-skrętnego przyczynia się do zmniejszenia wartości sił aerodynamicznych
(zmiana kąta natarcia), ale spadek wartości kompozytowych kryteriów bezpieczeństwa jest
pomijalnie mały (ok.6-7%). Większą (i wystarczającą!) poprawę wytrzymałości laminatu
osiągnięto dzięki optymalizacji układu jego warstw: przeprowadzono dokładną analizę ponad
23 układów warstw laminatu. Wyselekcjonowano 6 układów cechujących się wysoką
wytrzymałością i przeprowadzono metodyczną optymalizację, w szerokim zakresie orientacji
warstw. Wynikiem jest konstrukcja gwarantująca wysoki poziom bezpieczeństwa nawet przy
skrajnie silnym wietrze.
3