Τα τελευταία χρόνια μεγάλο ενδιαφέρον αναπτύσσεται για την αιολική ενέργεια και γίνεται όλο και περισσότερο επιτακτική η ανάγκη για καλύτερη εκμετάλλευση του διαθέσιμου αιολικού δυναμικού, γι’ αυτό και παρατηρείται μια έντονη εξάπλωση της χρήσης ανεμογεννητριών. Το γεγονός αυτό εξηγεί την μεγάλη προσπάθεια που γίνεται για μία βαθύτερη διερεύνηση του σχεδιασμού, της κατασκευής και της λειτουργίας των ανεμογεννητριών.

Με την εξέλιξη της τεχνολογίας, οι διαστάσεις των σύγχρονων ανεμογεννητριών συνεχώς αυξάνονται, προκειμένου να αξιοποιηθεί καλύτερα το διαθέσιμο αιολικό δυναμικό. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα να αυξάνονται τόσο το ύψος των πυλώνων τους όσο και των μήκος των πτερυγίων. Λόγω της δυναμικής φύσης των φορτίων ανέμου, που είναι τα κυρίαρχα φορτία που δρουν στις ανεμογεννήτριες, η κόπωση των συνδέσεων αποκατάστασης συνέχειας των πυλώνων είναι ένας από τους κρισιμότερους μηχανισμούς αστοχίας. Επομένως, η διερεύνηση της συμπεριφοράς τέτοιων συνδέσεων παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον.

Ο πλέον διαδεδομένος τύπος ανεμογεννητριών που χρησιμοποιούνται σήμερα είναι οι ανεμογεννητριών οριζόντιου άξονα με 3 πτερύγια και αυτόνομο χαλύβδινο σωληνωτό πυλώνα. Αυτός ο τύπος πυλώνα αποτελείται από ένα αριθμό κυλινδρικών ή κολουροκωνικών χαλύβδινων τμημάτων. Η κατασκευή ενός τέτοιου πυλώνα επιτυγχάνεται: (α) Χαλύβδινα ελάσματα κουρμπάρονται στο εργοστάσιο στην επιθυμητή μορφή, (β) τα δύο άκρα του χαλύβδινου ελάσματος συγκολλούνται μεταξύ τους δημιουργώντας ένα μέρος πυλώνα που έχει μήκος από 2.5m έως 3.0m όπως ορίζεται από τα διαθέσιμα βιομηχανικά χαλύβδινα φύλλα, (γ) τα επιμέρους αυτά χαλύβδινα μέρη συγκολλούνται μεταξύ τους προκειμένου να προκύψουν τμήματα πυλώνα με μήκος από 15m έως 30m, που είναι τα μέγιστα επιτρεπτά όρια που μπορούν να μεταφερθούν στην περιοχή εγκατάστασης, (δ) στα άκρα αυτών των τμημάτων συγκολλούνται δακτυλιοειδή ελάσματα και έπειτα αυτά μεταφέρονται στο αιολικό πάρκο και κατά την ανέγερση ανυψώνονται με γερανούς και κοχλιώνονται μεταξύ τους με πλήρως προεντεταμένους κοχλίες.

Αντικείμενο της παρούσας μεταπτυχιακής εργασίας είναι ο έλεγχος σε κόπωση μίας σύνδεσης αποκατάστασης συνέχειας του πυλώνα, για μία τυπική ανεμογεννήτρια οριζόντιου άξονα, τριών πτερυγίων, ονομαστικής ισχύος 1.5mW, σύμφωνα με το Παράρτημα Α του ΕΝ 1993-1-9. Η υπό μελέτη σύνδεση βρίσκεται στο 85% του ύψους του πυλώνα και συνδέει το ανώτερο τμήμα του πυλώνα ως το ρότορα με τον υπόλοιπο πυλώνα. Η επάρκεια έναντι κόπωσης αυτής της σύνδεσης ελέγχεται, λαμβάνοντας υπόψη τη δυναμική φύση των επιβαλλόμενων φορτίων ανέμου, καθώς επίσης και την δυναμική απόκριση της κατασκευής. Επειδή όμως δεν παρέχεται κάποιο προσομοίωμα φορτίων κόπωσης σε πυλώνες ανεμογεννητριών, προκειμένου να επιτευχθεί ο στόχος της εργασίας ακολουθήθηκε η διαδικασία που περιγράφεται στις επόμενες παραγράφους για τον έλεγχο σε κόπωση της σύνδεσης.

Αρχικά, για την εύρεση των φορτίων ανέμου, χρησιμοποιούνται τρία ελεύθερα υπολογιστικά εργαλεία από το εργαστήριο National Renewable Energy Laboratory (NREL) και το κέντρο National Wind Technology Center (NWTC) των ΗΠΑ, τα οποία παράγουν τεχνητές χρονοϊστορίες ταχύτητας και φορτίου ανέμου καθ’ ύψος αλλά και στην κορυφή του πυλώνα μίας ανεμογεννήτριας. Τα λογισμικά αυτά είναι το TurbSim, το AeroDyn και το FAST. Με το λογισμικό TurbSim παράγεται ένα ρεαλιστικό πεδίο ανέμου, το λογισμικό AeroDyn εφαρμόζει την αεροδυναμική θεωρία των πτερυγίων για την εύρεση των φορτίων αντίστασης των πτερυγίων της ανεμογεννήτριας στον άνεμο και το Fast υπολογίζει τα δυναμικά φορτία που δρουν στην κορυφή του πυλώνα από τον άνεμο. Κάθε λογισμικό χρησιμοποιεί το πρότυπο IEC 61400-1, το οποίο θέτει τις βασικές απαιτήσεις σχεδιασμού των σύγχρονων ανεμογεννητριών, για τους υπολογισμούς.

Πιο συγκεκριμένα, με το λογισμικό TurbSim παράγονται ρεαλιστικές χρονοϊστορίες ταχύτητας ανέμου για συνήθεις περιβαλλοντικές συνθήκες. Με το λογισμικό FAST προσδιορίζονται τα φορτία ανέμου που δρουν στον πυλώνα από τον ρότορα και επιβάλλονται στην σύνδεση. Τα απαραίτητα δεδομένα για τα λογισμικά αυτά είναι τα χαρακτηριστικά και η γεωμετρία της ανεμογεννήτριας, καθώς επίσης και οι μετεωρολογικές συνθήκες της περιοχής εγκατάστασης. Στο σχήμα 1 παρουσιάζεται μία τυπική χρονοϊστορία ανέμου, όπως αυτές παράγονται από το TurbSim. Προκειμένου να ληφθεί υπόψη όλο το εύρος πιθανών τιμών της ταχύτητας του ανέμου, για συνήθεις εξωτερικές συνθήκες, λαμβάνονται υπόψη κάποιες τυπικές μέσες τιμές.

Σχήμα 1: Χρονοϊστορία ταχύτητας ανέμου στο ύψος της πλήμνης για μέση τιμή της ταχύτητας 18m/s

Για την μελέτη της σύνδεσης αποκατάστασης συνέχειας δημιουργείται κατάλληλο αριθμητικό προσομοίωμα, χρησιμοποιώντας το λογισμικό FEMAP για την διακριτοποίηση και το πρόγραμμα πεπερασμένων στοιχείων ADINA ν9.0.0 για τις μη γραμμικές δυναμικές αναλύσεις. Η ποιότητα του πλέγματος του αριθμητικού προσομοιώματος επιλέγεται κατάλληλα ώστε να επιτευχθεί ικανοποιητική ακρίβεια των αποτελεσμάτων, αλλά και μείωση του υπολογιστικού κόστους.

Οι συνδέσεις αυτές υλοποιούνται μέσω δακτυλιοειδών ελασμάτων συγκολλημένων σε κάθε τμήμα του πυλώνα, τα οποία συνδέονται μεταξύ τους με προεντεταμένους κοχλίες. Το αριθμητικό προσομοίωμα περιλαμβάνει ολόκληρη την σύνδεση καθώς και το τμήμα του πυλώνα από την θέση της σύνδεσης ως την κορυφή. Το τμήμα του πυλώνα είναι επαρκώς μεγάλο, ώστε να ληφθεί υπόψη η επιρροή του πυλώνα στην παραλαβή του φορτίου.

Τα δύο δακτυλιοειδή ελάσματα της σύνδεσης, ο πυλώνας, καθώς και οι κεφαλές των κοχλιών προσομοιώνονται με επιφανειακά πεπερασμένα στοιχεία, ενώ οι κορμοί των κοχλιών με στοιχεία δοκού (σχήμα 2). Η αλληλεπίδραση ανάμεσα στα δακτυλιοειδή ελάσματα και μεταξύ της κεφαλής του κοχλία με το άνω έλασμα λαμβάνεται υπόψη με κατάλληλα στοιχεία επαφής. Λόγω γεωμετρικής μη γραμμικότητας, οι αναλύσεις που πραγματοποιούνται είναι μη γραμμικές. Η γεωμετρική μη γραμμικότητα ορίζεται από το γεγονός ότι η επιβαλλόμενη φόρτιση στη σύνδεση παραλαμβάνεται μέσω της ανακατανομής της των δυνάμεων επαφής στα δακτυλιοειδή ελάσματα.

Σχήμα 2: Αριθμητικό προσομοίωμα της σύνδεσης αποκατάστασης συνέχειας του πυλώνα

Για το αριθμητικό προσομοίωμα αυτό, γίνονται δυναμικές αναλύσεις για διαφορετικές μέσες τιμές της ταχύτητας του ανέμου. Για κάθε μέση τιμή η αντίστοιχη πιθανότητα εμφάνισής της υπολογίζεται μέσω της κατανομής Rayleigh. Η τιμή του απαιτούμενου βήματος για την εκτέλεση των δυναμικών αναλύσεων, το οποίο πρέπει να ταυτίζεται με το βήμα καταγραφής του σήματος του ανέμου, προσδιορίστηκε κατάλληλα με εφαρμογή του μετασχηματισμού Fourier για τις χρονοϊστορίες ανέμου.

Οι χρονοϊστορίες καμπτικής ροπής και τέμνουσας που παράχθησαν από το FAST, επιβλήθηκαν στην κορυφή του προσομοιώματος, που ταυτίζεται με την κορυφή του πυλώνα, και προσδιορίστηκαν οι χρονοϊστορίες των τάσεων για τα κρίσιμα σε κόπωση μέλη της σύνδεσης. Αυτές οι χρονοϊστορίες προέκυψαν για όλα τα θεωρούμενα εύρη ταχύτητας ανέμου για συνήθεις περιβαλλοντικές συνθήκες και έχουν διάρκεια 10 λεπτών. Κρίσιμα μέλη για τον έλεγχο σε κόπωση της σύνδεσης είναι η συγκόλληση μεταξύ των δακτυλιοειδών ελασμάτων και του πυλώνα και οι κοχλίες. Επομένως, τα αποτελέσματα που εξάγονται από τις δυναμικές αναλύσεις είναι οι χρονοϊστορίες της ορθής τάσης στη συγκόλληση και οι χρονοϊστορίες των τάσεων στον δυσμενέστερο κοχλία.

Τέλος, πραγματοποιείται ο έλεγχος σε κόπωση για τις χρονοϊστορίες αυτές, σύμφωνα με τον EC3 μέρος 1-9. Όμως, οι χρονοϊστορίες των τάσεων έχουν ακανόνιστο και τυχαίο σχήμα με μεταβλητή διακύμανση και εύρος. Το πρόβλημα που ανακύπτει είναι τι σημαίνει κύκλος και ποιο είναι σε κάθε κύκλο το αντίστοιχο εύρος τάσης. Για τον προσδιορισμό των ιστογραμμάτων των τάσεων χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος Rainflow. Η αξιολόγηση της αντοχής της συγκόλλησης και του κοχλία σε κόπωση πραγματοποιήθηκε τελικά μέσω του υπολογισμού του συντελεστή συσσώρευσης βλάβης. Για την εκτίμηση του αριθμού των κύκλων ως την αστοχία, ο κανόνας Palmgren-Miner προσδιορίζει την συσσώρευση βλάβης λόγω της κυκλικής φόρτισης. Ο κανόνας αυτός προϋποθέτει ότι ο λόγος του αριθμού των κύκλων που καταπονούν την λεπτομέρεια n_Ei, με μία μέση τιμή τάσης σ_mEi και εύρος γ_FfΔσ_i, και του αριθμού των κύκλων N_Ri, που είναι ο αριθμός των κύκλων που θα οδηγούσαν σε αστοχία για το ίδιο εύρος τάσης, εκτιμά το μέρος της ωφέλιμης ζωής σε κόπωση που έχει δαπανηθεί, και το άθροισμα αυτών των λόγων αντιστοιχεί επομένως στη βλάβη D. Για να μην εμφανιστεί αστοχία από κόπωση θα πρέπει το D να είναι μικρότερο της μονάδας. Τα συμπεράσματα που προκύπτουν τελικά είναι η επάρκεια της σύνδεσης στη διάρκεια ενός έτους, αλλά και ο υπολειπόμενος χρόνος ζωής της ως την αστοχία από κόπωση. Από τα αποτελέσματα αυτά εξάγονται χρήσιμα συμπεράσματα σχετικά με τον σχεδιασμό και την διαστασιολόγηση τέτοιων συνδέσεων.