Stress analysis on a thin-walled composite blade of a large wind turbine

Abstract

Abstract : Research institutes and industry have recently initiated the development of wind turbines for energy production at sites with lower wind speeds. The relatively high electric power production of this type of wind turbine is related to the growing of the swept area. Thus, in order to increase the swept area, the length of the new blades must be greater than the ones of traditional blades for horizontal axis wind turbines. The expansion of the rotors diameter of large wind turbines has some implications, such as the increase of gravity loads and new transportation logistics challenges. To overcome these challenges, advances in the blade technology have led to more efficient structural and aerodynamic design and optimized material usage. In this context, analytical models have to accurately predict aerodynamic loads acting on the blades and calculate the structural stresses developed during the turbine operation. Since composite materials have high strength/weight ratio compared to other structural materials and are flexible with respect to the fabrication process, they are more appropriate for blade applications. This dissertation presents an improvement in the aerodynamic model that takes into account an iterative procedure for determining Reynolds number instead of depending on experimental data for the process of airfoil selection along the blade span that maximize the power extracted from the wind. The multilayer shell theories and the relationship between the aerodynamic bending and torsional moments acting on the blade are presented. The in-plane normal and shear stresses on the thin-walled multilayer blade are determined by using the Shear Flow Theory. A case study is conducted on a 20 MW wind turbine developed in the Energy Research Centre of the Netherlands-ECN. The normal and shear stresses are calculated and the Tsai-Wu criterion is applied for the strength evaluation of the blade made of glass/epoxy. Results obtained with two stacking sequences are presented.<br>

Institutos de pesquisa e a indústria iniciaram recentemente o desenvolvimento de turbinas eólicas para a produção de energia em locais com baixas velocidades de vento. A produção de energia elétrica relativamente alta deste tipo de turbina está relacionada com o crescimento da área varrida pelo rotor. Assim, de forma a aumentar a área varrida, o comprimento das novas pás deve ser maior que o das pás tradicionais de turbinas eólicas de eixo horizontal. O aumento do diâmetro dos rotores das turbinas eólicas tem algumas implicações, tais como o aumento das cargas gravitacionais e desafios no seu transporte. Para superá-los, avanços na tecnologia de pás têm levado a projetos estruturais e aerodinâmicos mais eficientes. Neste contexto, modelos analíticos têm de prever com precisão as cargas aerodinâmicas atuando sobre as pás, além de calcular as tensões estruturais desenvolvidas durante sua operação. Uma vez que materiais compostos têm uma elevada relação resistência/peso em comparação com outros materiais estruturais, além de serem flexíveis no que diz respeito ao processo de fabricação, estes materiais têm sido os mais investigados para aplicações em pás de turbina eólica. Esta dissertação apresenta uma melhoria no modelo aerodinâmico que leva em conta um processo iterativo para a determinação do número de Reynolds, em vez de depender de dados experimentais para o processo de escolha do aerofólio ao longo da envergadura da pá que maximiza a potência extraída do vento. As teorias de cascas multilaminares e a relação entre os momentos aerodinâmicos fletores e de torção que atuam sobre a pá são apresentados. As tensões normais e de cisalhamento atuantes no plano da pá multilaminar de parede fina são determinadas utilizando a Teoria do Fluxo de Cisalhamento. Um estudo de caso é conduzido em uma turbina eólica de 20 MW desenvolvida no Centro de Pesquisa em Energia dos Países Baixos (ECN). As tensões normais e de cisalhamento são calculadas e o critério de Tsai-Wu é aplicado para a avaliação da resistência da pá feita em vidro/epóxi. Os resultados obtidos com duas sequências de empilhamento de lâminas são apresentados.