Dynamic effects of anchor positional tolerance on tension moored floating wind turbine

For water depths greater than 60m floating wind turbines will become the most economical option for generating offshore wind energy. Tension mooring stabilised units are one type of platform being considered by the offshore wind energy industry. The complex mooring arrangement used by this type of platform means that the dynamics are greatly effected by offsets in the positioning of the anchors. This paper examines the issue of tendon anchor position tolerances. The dynamic effects of three positional tolerances are analysed in survival state using the time domain FASTLink. The severe impact of worst case anchor positional offsets on platform and turbine survivability is shown. The worst anchor misposition combinations are highlighted and should be strongly avoided. Novel methods to mitigate this issue are presented.

Description of an 8 MW reference wind turbine

An 8 MW wind turbine is described in terms of mass distribution, dimensions, power curve, thrust curve, maximum design load and tower configuration. This turbine has been described as part of the EU FP7 project LEANWIND in order to facilitate research into logistics and naval architecture efficiencies for future offshore wind installations. The design of this 8 MW reference wind turbine has been checked and validated by the design consultancy DNV-GL. This turbine description is intended to bridge the gap between the NREL 5 MW and DTU 10 MW reference turbines and thus contribute to the standardisation of research and development activities in the offshore wind energy industry.

Wind Shear, Gust, and Yaw-Induced Dynamic Stall on Wind-Turbine Blades

This study examined the effect of a spanwise angle of attack gradient on the growth and stability of a dynamic stall vortex in a rotating system. It was found that a spanwise angle of attack gradient induces a corresponding spanwise vorticity gradient, which, in combination with spanwise flow, results in a redistribution of circulation along the blade. Specifically, when modelling the angle of attack gradient experienced by a wind turbine at the 30% span position during a gust event, the spanwise vorticity gradient was aligned such that circulation was transported from areas of high circulation to areas of low circulation, increasing the local dynamic stall vortex growth rate, which corresponds to an increase in the lift coefficient, and a decrease in the local vortex stability at this point. Reversing the relative alignment of the spanwise vorticity gradient and spanwise flow results in circulation transport from areas of low circulation generation to areas of high circulation generation, acting to reduce local circulation and stabilise the vortex. This circulation redistribution behaviour describes a mechanism by which the fluctuating loads on a wind turbine are magnified, which is detrimental to turbine lifetime and performance. Therefore, an understanding of this phenomenon has the potential to facilitate optimised wind turbine design.

Sustainability Enhancement of a Turbine Vane Manufacturing Cell through Digital Simulation based Design

Modern manufacturing systems should satisfy emerging needs related to sustainable development. The design of sustainable manufacturing systems can be valuably supported by simulation, traditionally employed mainly for time and cost reduction. In this paper, a multi-purpose digital simulation approach is proposed to deal with sustainable manufacturing systems design through Discrete Event Simulation (DES) and 3D digital human modelling. DES models integrated with data on power consumption of the manufacturing equipment are utilized to simulate different scenarios with the aim to improve productivity as well as energy efficiency, avoiding resource and energy waste. 3D simulation based on digital human modelling is employed to assess human factors issues related to ergonomics and safety of manufacturing systems. The approach is implemented for the sustainability enhancement of a real manufacturing cell of the aerospace industry, automated by robotic deburring. Alternative scenarios are proposed and simulated, obtaining a significant improvement in terms of energy efficiency (−87%) for the new deburring cell, and a reduction of energy consumption around −69% for the coordinate measuring machine, with high potential annual energy cost savings and increased energy efficiency. Moreover, the simulation-based ergonomic assessment of human operator postures allows 25% improvement of the workcell ergonomic index.

Investigation of the effects of flow conditions at rotor inlet on mixed flow turbine performance for automotive applications

Current trends in the automotive industry have placed increased importance on engine downsizing for passenger vehicles. Engine downsizing often results in reduced power output and turbochargers have been relied upon to restore the power output and maintain drivability. As improved power output is required across a wide range of engine operating conditions, it is necessary for the turbocharger to operate effectively at both design and off-design conditions. One off-design condition of considerable importance for turbocharger turbines is low velocity ratio operation, which refers to the combination of high exhaust gas velocity and low turbine rotational speed. Conventional radial flow turbines are constrained to achieve peak efficiency at the relatively high velocity ratio of 0.7, due the requirement to maintain a zero inlet blade angle for structural reasons. Several methods exist to potentially shift turbine peak efficiency to lower velocity ratios. One method is to utilize a mixed flow turbine as an alternative to a radial flow turbine. In addition to radial and circumferential components, the flow entering a mixed flow turbine also has an axial component. This allows the flow to experience a non-zero inlet blade angle, potentially shifting peak efficiency to a lower velocity ratio when compared to an equivalent radial flow turbine.
This study examined the effects of varying the flow conditions at the inlet to a mixed flow turbine and evaluated the subsequent impact on performance. The primary parameters examined were average inlet flow angle, the spanwise distribution of flow angle across the inlet and inlet flow cone angle. The results have indicated that the inlet flow angle significantly influenced the degree of reaction across the rotor and the turbine efficiency. The rotor studied was a custom in-house design based on a state-of-the-art radial flow turbine design. A numerical approach was used as the basis for this investigation and the numerical model has been validated against experimental data obtained from the cold flow turbine test rig at Queen’s University Belfast. The results of the study have provided a useful insight into how the flow conditions at rotor inlet influence the performance of a mixed flow turbine.

Ottimizzazione e progettazione di un sistema di cogenerazione statica di energia elettrica tramite celle ad effetto Seebeck

La presente trattazione descrive l’ottimizzazione del prototipo di un generatore termoelettrico da integrare in caldaie a biomassa. La tecnologia termoelettrica consente di generare potenza elettrica a partire da un flusso di calore. Sebbene tale tecnologia presenti caratteristiche di elevata affidabilità e silenziosità, essa richiede ulteriori sforzi tecnologici nella ricerca dell’integrazione ottimale con un impianto termico, ed è inoltre necessaria una progettazione accurata dell’elettronica di controllo. Nella prima sezione del testo vengono descritti i principi fisici alla base di questa tecnologia e le tecniche per la conversione della potenza generata dai moduli termoelettrici (o ad effetto Seebeck) al fine di renderla fruibile da una tipica utenza domestica. Nel secondo capitolo si riporta lo stato dell’arte dell’applicazione della tecnologia termoelettrica in caldaie a biomassa e alcuni casi di implementazione recenti, sottolineando le configurazioni utilizzate, i principali problemi riscontrati nello sviluppo e nella sperimentazione, e le modifiche conseguentemente adottate per superarli. Il terzo capitolo analizza il prototipo sviluppato presso il Dipartimento di Ingegneria Industriale dell’Università di Bologna e descrive il processo di dimensionamento dei componenti meccanici e le proposte di ottimizzazione a seguito dei risultati dei primi collaudi. Viene infine sviluppato un modello matematico per confrontare, in funzione dei costi di produzione e di esercizio, le possibilità di sostituzione dei metodi di generazione di energia elettrica convenzionali con l’impianto di cogenerazione termoelettrica realizzato, considerando anche aspetti di impatto ambientale. Tali analisi e ottimizzazioni consistono in un primo miglioramento necessario a rendere la tecnologia termoelettrica applicabile alle caldaie a biomassa stand-alone e a permettere una generazione continua di energia elettrica nelle regioni in cui le infrastrutture sono poco affidabili.

Ottimizzazione della forma di un dirigibile non convenzionale mediante algoritmo euristico

La tesi presenta un'attività di ottimizzazione per forme di dirigibili non convenzionali al fine di esaltarne alcune prestazioni. Il loop di ottimizzazione implementato comporta il disegno automatico in ambiente CAD del dirigibile, il salvataggio in formato STL, la elaborazione del modello al fine di ridurre il numero di triangoli della mesh, la valutazione delle masse aggiunte della configurazione, la stima approssimata dell'aerodinamica del dirigibile, ed infine il calcolo della prestazione di interesse. Questa tesi presenta inoltre la descrizione di un codice di ottimizzazione euristica (Particle Swarm Optimization) che viene messo in loop con il precedente ciclo di calcolo, e un caso di studio per dimostrare la funzionalità della metodologia.

Ottimizzazione e/o vie alternative per il recupero e la gestione di nichel in reflui da impianto d' idrogenazione.

Questo lavoro di tesi è stato svolto sull’ impianto di produzione di polioli presso lo stabilimento Cargill di Castelmassa (RO) con lo scopo di ottimizzare la gestione dello ione Ni2+, derivante dal nichel metallico utilizzato come catalizzatore (nichel Raney) nella reazione di idrogenazione del glucosio condotta a 42 bar. Il nichel, infatti, a seguito di fluttuazioni di pH che avvengono durante il corso della reazione aumenta la sua solubilità passando in fase liquida sotto forma di ione bivalente. Nel successivo step di raffinazione e demineralizzazione del prodotto mediante una serie di resine a scambio ionico, il Ni2+ è trattenuto assieme ad altri ioni e separato dal prodotto stesso. Infine quando si va a rigenerare la resina, a seguito della sua saturazione, si producono dei reflui contenenti nichel, che, seppur presente in quantità modeste, non potranno essere inviati al depuratore comunale in quanto il metallo avvelenerebbe i microorganismi deputati al trattamento delle acque reflue, quindi dovranno essere smaltiti come rifiuti speciali. L’azienda è già dotata di un impianto di nichel recovery che utilizza una batteria di resine chelanti, in grado di catturare selettivamente metalli pesanti, in modo tale da avere un refluo con la concentrazione di Ni2+ più alta possibile per ridurre al minimo i costi, non esigui, di smaltimento. L’obbiettivo del mio lavoro di tesi è quello di trovare soluzioni alternative per la concentrazione del nichel e verificare mediante semplici bilanci economici se queste soluzioni proposte siano sostenibili dal punto di vista industriale, ed eventualmente possano essere concorrenti alla soluzione impiantistica già adottata.

Analisi e ottimizzazione del flusso di approvvigionamento in una produzione su commessa: il caso CT Pack S.r.l.

La tesi ha l'obiettivo di analizzare e ottimizzare i flussi di approvvigionamento in un'azienda che produce su commessa: CT Pack S.r.L, specializzata nella realizzazione di macchine automatiche per il packaging di biscotti, gelato e cioccolato. Per raggiungere l'obiettivo si è preso come riferimento il modello proposto dal BPR (Business Process Reengineering): sono stati analizzati i principali attori coinvolti, in particolare fornitori e magazzino, mediante l'uso di KPI definiti ad hoc. Sulla base di questi sono stati individuati due processi critici: il primo riguarda la gestione del magazzino, che presenta un'elevata quantità di codici non movimentati anche a causa del processo di gestione del materiale avanzato al termine di ciascuna commessa; il secondo riguarda il materiale a consumo, che impiega i magazzinieri per un tempo eccessivo, è caratterizzato da giacenze per il 30% non movimentate e da supermarket collocati in officina ridondanti e caratterizzati da bassi tassi di utilizzo (anche sotto il 50%). Per risolvere questi problemi ed effettuare una riprogettazione si fa affidamento agli strumenti proposti dal project management: si imposta quindi un progetto che ha l'obiettivo di ridurre nel breve periodo il valore di magazzino mediante lo smaltimento attraverso diverse vie di codici non utilizzati e agisce nel lungo periodo per evitare che le criticità si ripropongano. Mediante la riprogettazione della gestione dei resi di produzione si prevede un maggior controllo, grazie al lavoro congiunto di ufficio tecnico e ufficio acquisti. La nuova gestione del materiale a consumo ha in se alcune delle tecniche proposte dalla lean production (il kanban, per esempio) e integra il fornitore nella catena di approvvigionamento, garantendo un maggior controllo sulle quantità, un risparmio di circa 7 h/mese di lavoro per i magazzinieri e una riduzione delle giacenze del 46%.

Sviluppo e ottimizzazione di un velivolo senza pilota

L’obiettivo di questo trattato è lo studio di un aeromobile militare a pilotaggio remoto (APR), volto ad una sua conversione per usi prettamente civili: il velivolo in questione è il Predator Canard-Long. Tale studio è basato sulle problematiche dovute alla sostituzione del propulsore originale Rotax 914 (4 cilindri da 115 CV del peso di 95 kg) con un Peugeot HDi Fap (4 cilindri da 175 CV del peso di 240 kg). L’aeromobile in questione dovrà svolgere compiti di monitoraggio e sorveglianza di siti archeologici, dunque si richiederà un alto livello di autonomia affinché le missioni vengano svolte nel modo più efficiente possibile. Preso un modello pre-esitente, costruito al CAD tramite il software Solidworks2016, è stato studiato il comportamento del velivolo tramite simulazioni CFD. Data l’insufficienza della portanza a causa dell’aggiunta di peso dovuta alla rimotorizzazione, sono state provate diverse soluzioni atte a colmare lo scompenso. Scelta come soluzione migliore l’installazione di alette canard e la modifica del profilo aerodinamico, è stato infine necessario verificare che la risposta ai comandi dell’aeromobile modificato soddisfacesse le richieste desiderate.

Studio e ottimizzazione di un ramjet avanzato

L'oggetto della seguente tesi riguarda lo studio e l'ottimizzazione di un ramjet avanzato, in particolare è stata studiata la parte dedicata all'alimentazione di tipo pulsante per la spinta a punto zero tramite simulazioni fluidodinamiche.

Dimensionamento di un magazzino ricambi ed ottimizzazione dei flussi logistici ed informativi per la manutenzione: il caso Geberit Produzione Spa

Il contesto dinamico in cui operano le aziende richiede, sempre più, sistemi di gestione flessibili e in continua evoluzione, e soprattutto richiede che le varie funzioni aziendali siano integrate tra loro. Così anche la funzione di manutenzione, la quale nei tempi passati, era considerata una funzione di supporto alla produzione, ora è vista come parte integrante della stessa. Pertanto è necessario che la gestione dei flussi logistici ed informativi relativi ai processi di manutenzione, siano il più possibile efficace ed efficienti, al fine di ridurre i costi complessivi sostenuti dall’azienda. L’elaborato tratta del dimensionamento di un magazzino ricambi e della relativa gestione operativa ed informativa, applicati ad un caso aziendale. Geberit Produzione Spa ha la necessità di migliorare i flussi della gestione manutentiva totale, andando a correggere le criticità rilevate nel sistema attuale. Il dimensionamento è sviluppato sulla base delle informazioni raccolte dal campo, le quali permettono di individuare la quantità ottimale di ricambi, che minimizzi da un lato i costi di mantenimento a scorta e dall’altro i costi dovuti alla mancanza dei ricambi nel momento necessario. Secondo le tipologie di materiale tecnico presenti, sono individuate le modalità di immagazzinamento e i mezzi di movimentazione più idonei, ed in base a questi viene definito il layout definitivo. Sono, poi, determinati i criteri di gestione dei flussi logistici e di informatizzazione dei processi, al fine di descrivere delle procedure standard che regolino l’operato del personale. Scelti gli indici di valutazione delle performance della manutenzione, è stata valutata la convenienza economica della realizzazione del progetto. Con questo studio vengono definite le fondamenta per una efficace ed efficiente gestione futura della manutenzione.

Ottimizzazione della reazione di Fenton mediante l’utilizzo di un sistema automatico di reazione

The research presented in this dissertation is aimed to the automation of the Fenton process. The Fenton reaction is finalized to the waste water pre-treatment in order to promote the abatement of the organic contaminants and make it more degradable. Reagents adopted are constituted by a mixture of iron ions and hydrogen peroxide and their effect is strictly influenced by several variables, such as: the reagents molar ratio and their quantities counterpoised to the substrate, temperature, pH, agitation, etc. Therefore, the optimization is far from being considered an easy procedure. The research was carried out using a batch configuration, through which the optimal [Fe2+]/[H2O2] and [substrate]/[H2O2] ratios were identified. Then, in order to improve the process, a semibatch configuration was performed. The preliminary results show that is possible to obtain a greater abatement efficiency for high organic burden using the semibatch configuration here proposed.

Ottimizzazione del sistema di trattamento fumi a doppio stadio del termovalorizzatore HERA di Coriano (RN)

Lo studio svolto si propone di stabilire quali sono le condizioni di gestione ottimale del sistema di depurazione dei fumi dell’impianto di termovalorizzazione di Rimini, situato nel comune di Coriano e gestito da Herambiente, una società nata nel 2009 nell'ambito del Gruppo Hera, una delle più importanti multiutility italiane che opera nei servizi dell’ambiente, dell’acqua e dell’energia. Il sistema di depurazione dell’impianto è composto da un doppio stadio di abbattimento a secco in cui si dosa calce (Ca(OH)2), al primo stadio, e bicarbonato di sodio (NaHCO3), al secondo. Rispetto alla calce, il bicarbonato garantisce una migliore efficienza di abbattimento dei gas acidi (HCl, SO2, HF), ma ha un prezzo d’acquisto maggiore. Da tale considerazione ha origine il problema di ottimizzazione economica: è necessario individuare una soluzione che consenta di ridurre il consumo e la spesa dei reagenti utilizzati senza alterare le emissioni di inquinanti a camino. I costi operativi legati alla gestione del sistema di depurazione, inoltre, devono tenere in considerazione anche la produzione dei residui solidi generati nei due stadi di abbattimento. Il calcolo di ottimizzazione è stato eseguito utilizzando un modello matematico in grado di prevedere il comportamento dei sistemi reagenti nei due stadi di abbattimento tramite la conoscenza di un parametro empirico. Dopo aver calibrato il modello con i dati di funzionamento dell’impianto, è possibile procedere alla sua implementazione al fine di valutare, in diversi periodi dell’anno 2015, come variano i costi operativi totali in funzione della conversione di HCl (gas acido più critico) al primo stadio di abbattimento e individuare quindi la migliore condizione economico-operativa per ciascun periodo considerato.