Metodologie e procedure per la verifica del rendimento delle turbine eoliche in condizioni operative ed orografia complessa

La tesi verte sulle procedure di verifica delle prestazioni di potenza degli aerogeneratori. Si è realizzato un test di verifica su una centrale eolica in esercizio, sito nella provincia di Salerno, utilizzando diverse metodologie di verifica, delineate dai più importanti centri di ricerca internazionali, al fine di valutare l'affidabilità di ognuna di esse.

Progetto e modellazione CAD di micro turbine eoliche

Progetto di due turbine eoliche di piccola potenza per alimentare utenze remote. Sia la turbina ad asse verticale che quella ad asse orizzontale sono state dimensionate andando ad ottimizzare il funzionamento per un vento di 7.5 m/s ed un carico dato da un alternatore da 500W. Entrambe le turbine sono poi state modellate al CAD e sono stati realizzati i disegni costruttivi di alcuni elementi delle stesse.

Progettazione di turbina eolica auto-montante

Descrizione delle attività preliminari di progettazione di una turbina eolica auto-montante. Scopo di questo studio di fattibilità è ridurre la necessità di impiego di gru pesanti per il montaggio delle torri delle turbine eoliche. Nella tesi sono affrontati il progetto concettuale, un disegno di massima del sistema studiato per sollevare autonomamente la torre. Sono inoltre presenti alcune verifiche dei componenti più critici per confermare l'attuabilità della soluzione.

Modelli di predizione numerica di evoluzione di difetti in materiali metallici sotto carichi ciclici

Implementazione di modelli sul calcolatore per cercare di stimare la vita a fatica dei principali materiali metallici utilizzati in ambito aeronautico.

Confronto della resistenza a fatica di provini intagliati mediante fresatura o elettroerosione

Lo scopo di questa tesi è decretare quale tipo di lavorazione tra elettroerosione e fresatura sia più adatta per la realizzazione di particolari soggetti a carichi affaticanti. Sono stati realizzati provini di due diversi materiali (lega di titanio Ti6Al4V e acciaio X30Cr13 bonificato). I provini presentano un intaglio in corrispondenza del quale avviene l'innesco della cricca. Tale punto rappresenta una zona critica sia per la lavorazione sia per la resistenza a fatica. Le curve di Wöhler ottenute per ogni combinazione di materiale-lavorazione sono state confrontate per trarre le conclusioni.

Studio sperimentale sulla rottura a fatica in regime fessurato di calcestruzzi rinforzati con fibre macro-sintetiche

Nello studio sperimentale oggetto della tesi è stato indagato il comportamento a fatica policiclica, in regime fessurato, di calcestruzzi rinforzati con fibre macro-sintetiche. Per tale tipologia di prova non esiste una procedura standardizzata; occorre anche osservare come in letteratura le testimonianze di prove policicliche su FRC siano piuttosto limitate soprattutto in riferimento a calcestruzzi rinforzati con fibre macro-sintetiche in regime fessurato. A tale scopo è stata messa a punto una procedura di prova a flessione su tre punti finalizzata a valutare il comportamento a fatica del materiale. Sono stati testati calcestruzzi con lo stesso dosaggio e con la stessa tipologia di fibre sottoposti a carichi ciclici con diversi ampiezza e stress level. La sperimentazione ha riguardato anche prove di flessione su tre punti di tipo monotono condotte sul medesimo materiale e su calcestruzzi non fibrorinforzati. I dati sperimentali ottenuti dalle prove monotone sono stati impiegati come input per una procedura di analisi inversa finalizzata alla definizione della relazione tensione-apertura di fessura per i materiali testati.

Studio sperimentale del comportamento a fatica di calcestruzzi rinforzati con fibre sintetiche

La presente tesi di Laurea Magistrale ha lo scopo di studiare sperimentalmente il comportamento a fatica dei calcestruzzi rinforzati con fibre macro-sintetiche (Macro Synthetic Fiber Reinforced Concrete, MSFRC). Sono condotte prove cicliche di flessione su tre punti al fine di caratterizzare il comportamento dei calcestruzzi fibrorinforzati in regime fessurato nel caso di fatica ad alto numero di cicli (High Cycle Fatigue, HCF). Oltre a prove di fatica sono condotte anche prove monotone a flessione al fine di ottenere la caratterizzazione meccanica del materiale determinandone i principali parametri di frattura; i risultati di tali prove sono utili anche a definire la procedura di prova definitiva da adottare durante i test di fatica. Le testimonianze presenti in letteratura sul comportamento a fatica degli FRC rinforzati con fibre sintetiche sono molto limitate, specialmente nel caso di fatica ad alto numero di cicli; inoltre le prove cicliche, a differenza delle prove monotone, non sono prove standardizzate e quindi definite dalla normativa. Nel corso della presente campagna sperimentale si cercherà quindi di definire una procedura per poter eseguire in maniera stabile le prove di flessione, monotone e di fatica, su campioni prismatici di calcestruzzo fibrorinforzato. L’idea alla base della campagna sperimentale oggetto di questa tesi è quella di riprodurre, mediante prove di fatica, le usuali condizioni di esercizio a cui sono sottoposte, durante la loro vita utile, strutture come pavimentazioni stradali o industriali; infatti il traffico stradale o il transito di macchinari possono indurre su strutture del genere dei carichi ripetuti nel tempo tali da provocarne il collasso per fatica. La presente tesi è articolata in otto capitoli nei quali verranno evidenziate le principali proprietà, sia meccaniche che fisiche, del materiale composito oggetto dello studio, saranno definite le procedure dei test eseguiti e verranno discussi i risultati derivanti da essi.

Sviluppo e applicazione di nuovi criteri per la verifica a fatica multiassiale di componenti strutturali in leghe di acciaio e alluminio

La presente Tesi ha per oggetto lo sviluppo e la validazione di nuovi criteri per la verifica a fatica multiassiale di componenti strutturali metallici . In particolare, i nuovi criteri formulati risultano applicabili a componenti metallici, soggetti ad un’ampia gamma di configurazioni di carico: carichi multiassiali variabili nel tempo, in modo ciclico e random, per alto e basso/medio numero di cicli di carico. Tali criteri costituiscono un utile strumento nell’ambito della valutazione della resistenza/vita a fatica di elementi strutturali metallici, essendo di semplice implementazione, e richiedendo tempi di calcolo piuttosto modesti. Nel primo Capitolo vengono presentate le problematiche relative alla fatica multiassiale, introducendo alcuni aspetti teorici utili a descrivere il meccanismo di danneggiamento a fatica (propagazione della fessura e frattura finale) di componenti strutturali metallici soggetti a carichi variabili nel tempo. Vengono poi presentati i diversi approcci disponibili in letteratura per la verifica a fatica multiassiale di tali componenti, con particolare attenzione all'approccio del piano critico. Infine, vengono definite le grandezze ingegneristiche correlate al piano critico, utilizzate nella progettazione a fatica in presenza di carichi multiassiali ciclici per alto e basso/medio numero di cicli di carico. Il secondo Capitolo è dedicato allo sviluppo di un nuovo criterio per la valutazione della resistenza a fatica di elementi strutturali metallici soggetti a carichi multiassiali ciclici e alto numero di cicli. Il criterio risulta basato sull'approccio del piano critico ed è formulato in termini di tensioni. Lo sviluppo del criterio viene affrontato intervenendo in modo significativo su una precedente formulazione proposta da Carpinteri e collaboratori nel 2011. In particolare, il primo intervento riguarda la determinazione della giacitura del piano critico: nuove espressioni dell'angolo che lega la giacitura del piano critico a quella del piano di frattura vengono implementate nell'algoritmo del criterio. Il secondo intervento è relativo alla definizione dell'ampiezza della tensione tangenziale e un nuovo metodo, noto come Prismatic Hull (PH) method (di Araújo e collaboratori), viene implementato nell'algoritmo. L'affidabilità del criterio viene poi verificata impiegando numerosi dati di prove sperimentali disponibili in letteratura. Nel terzo Capitolo viene proposto un criterio di nuova formulazione per la valutazione della vita a fatica di elementi strutturali metallici soggetti a carichi multiassiali ciclici e basso/medio numero di cicli. Il criterio risulta basato sull'approccio del piano critico, ed è formulato in termini di deformazioni. In particolare, la formulazione proposta trae spunto, come impostazione generale, dal criterio di fatica multiassiale in regime di alto numero di cicli discusso nel secondo Capitolo. Poiché in presenza di deformazioni plastiche significative (come quelle caratterizzanti la fatica per basso/medio numero di cicli di carico) è necessario conoscere il valore del coefficiente efficace di Poisson del materiale, vengono impiegate tre differenti strategie. In particolare, tale coefficiente viene calcolato sia per via analitica, che per via numerica, che impiegando un valore costante frequentemente adottato in letteratura. Successivamente, per validarne l'affidabilità vengono impiegati numerosi dati di prove sperimentali disponibili in letteratura; i risultati numerici sono ottenuti al variare del valore del coefficiente efficace di Poisson. Inoltre, al fine di considerare i significativi gradienti tensionali che si verificano in presenza di discontinuità geometriche, come gli intagli, il criterio viene anche esteso al caso dei componenti strutturali intagliati. Il criterio, riformulato implementando il concetto del volume di controllo proposto da Lazzarin e collaboratori, viene utilizzato per stimare la vita a fatica di provini con un severo intaglio a V, realizzati in lega di titanio grado 5. Il quarto Capitolo è rivolto allo sviluppo di un nuovo criterio per la valutazione del danno a fatica di elementi strutturali metallici soggetti a carichi multiassiali random e alto numero di cicli. Il criterio risulta basato sull'approccio del piano critico ed è formulato nel dominio della frequenza. Lo sviluppo del criterio viene affrontato intervenendo in modo significativo su una precedente formulazione proposta da Carpinteri e collaboratori nel 2014. In particolare, l’intervento riguarda la determinazione della giacitura del piano critico, e nuove espressioni dell'angolo che lega la giacitura del piano critico con quella del piano di frattura vengono implementate nell'algoritmo del criterio. Infine, l’affidabilità del criterio viene verificata impiegando numerosi dati di prove sperimentali disponibili in letteratura.

Investigation of shaft voltage in wind turbine systems with induction generators

This paper presents the analysis of shaft voltage in different configurations of a doubly fed induction generator (DFIG) and an induction generator (IG) with a back-to-back inverter in wind turbine applications. Detailed high frequency model of the proposed systems have been developed based on existing capacitive couplings in IG & DFIG structures and common mode voltage sources. In this research work, several arrangements of DFIG based wind energy conversion systems (WES) are investigated in case of shaft voltage calculation and its mitigation techniques. Placements of an LC line filter in different locations and its effects on shaft voltage elimination are studied via Mathematical analysis and simulations. A pulse width modulation (PWM) technique and a back-to-back inverter with a bidirectional buck converter have been presented to eliminate the shaft voltage in a DFIG wind turbine.

Open design of high pressure ratio radial-inflow turbine for academic validation

Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations are widely used in mechanical engineering. Although achieving a high level of confidence in numerical modelling is of crucial importance in the field of turbomachinery, verification and validation of CFD simulations are very tricky especially for complex flows encountered in radial turbines. Comprehensive studies of radial machines are available in the literature. Unfortunately, none of them include enough detailed geometric data to be properly reproduced and so cannot be considered for academic research and validation purposes. As a consequence, design improvements of such configurations are difficult. Moreover, it seems that well-developed analyses of radial turbines are used in commercial software but are not available in the open literature especially at high pressure ratios. It is the purpose of this paper to provide a fully open set of data to reproduce the exact geometry of the high pressure ratio single stage radial-inflow turbine used in the Sundstrand Power Systems T-100 Multipurpose Small Power Unit. First, preliminary one-dimensional meanline design and analysis are performed using the commercial software RITAL from Concepts-NREC in order to establish a complete reference test case available for turbomachinery code validation. The proposed design of the existing turbine is then carefully and successfully checked against the geometrical and experimental data partially published in the literature. Then, three-dimensional Reynolds-Averaged Navier-Stokes simulations are conducted by means of the Axcent-PushButton CFDR CFD software. The effect of the tip clearance gap is investigated in detail for a wide range of operating conditions. The results confirm that the 3D geometry is correctly reproduced. It also reveals that the turbine is shocked while designed to give a high-subsonic flow and highlight the importance of the diffuser.

Fault detection in wind turbine : a systematic literature review

Wind power has become one of the popular renewable resources all over the world and is anticipated to occupy 12% of the total global electricity generation capacity by 2020. For the harsh environment that the wind turbine operates, fault diagnostic and condition monitoring are important for wind turbine safety and reliability. This paper employs a systematic literature review to report the most recent promotions in the wind turbine fault diagnostic, from 2005 to 2012. The frequent faults and failures in wind turbines are considered and different techniques which have been used by researchers are introduced, classified and discussed.