Μεταλλικές κατασκευές: ανοικτά προβλήματα σχεδιασμού πύργων ανεμογεννητριών

Abstract

The forecast of fuel shortage along with the current environmental conditions due to traditional electricity production methods has led to a constantly increasing demand of more sustainable energy production methods. The global interest for “green” energy the past decades, has led to a great development of the wind energy sector as one of the most promising power production means. Current needs and advances in technology make further design and verification methods for structural strength and reliability of wind turbine towers imperative. To this end, the improvement of wind turbine towers in terms of structural detailing and performance result in more efficient, durable and robust structures that facilitate their wider application, thus leading to energy harvesting increase. The wind tower industry is set to expand to greater heights than before and tapered steel towers with a circular cross-section are widely used as more capable of carrying heavier loads. This dissertation focuses on the improvement of the structural response of steel wind turbine towers, by means of internal stiffening. A thorough investigation of the contribution of stiffening rings to the overall structural behavior of the tower is being carried out. These stiffening rings are placed along the tower height to reduce local buckling phenomena, thus increasing the buckling strength of steel wind energy towers and leading the structure to a behavior closer to the one provided by the beam theory. Additionally to ring stiffeners, vertical stiffening schemes are studied to eliminate the presence of short wavelength buckles due to bending. For the purposes of this research, finite element analysis is applied in order to describe and predict in an accurate way the structural response of a model tower stiffened by internal stiffeners. Moreover, a parametric study is being performed in order to investigate the effect of the stiffeners’ number to the functionality of the aforementioned stiffening systems and the improved structural behavior of the overall wind converter.As stated before, tubular steel wind turbine towers are the prevailing structural configuration. These structures demand welding in order for steel plates to form the circular subparts of the structure and circumferential welding of these circular subparts one to the other in order to construct the tower structure. The circumferential welds between tower subparts and between the tower and the connecting flanges are proved to be prone to fatigue failure, since cracks are observed in these areas of already constructed wind towers. Moreover, tubular steel towers’ bottom flange is very often anchored to the concrete foundation by means of pretensioned bolts. This foundation configuration is also vulnerable to fatigue failure, with some recent collapses of wind towers due to this reason.The current dissertation aims to address the issue of fatigue failure in wind turbine towers and manages to enlighten weld design procedures of wind tower welds and anchorage bolt design, using damage accumulation methods. For the purposes of the comparative study, two towers of same height differing in shell thickness distribution are taken into account. The towers are compared numerically and analytically following two methods of calculating fatigue loads for structures; the first is an analytical method proposed in design codes and the second is by using artificial loading histories produced by the National Renewable Energy Laboratory (NREL, 2015) software. In both methods, shell thickness is proved to be a decisive factor for the fatigue life of the structure when examining the tower welds. In parallel, bolt size selection is also crucial when examining anchorage bolts in fatigue design. It is often rather challenging to design an economic structure with sufficient fatigue life. From the comparison of the tower’s joints (welds and bolts) fatigue life, useful outcomes have been found on the precision of the methods compared and the relation of fatigue life and material used for construction.

Η επερχόμενη έλλειψη ορυκτών καυσίμων σε συνδυασμό με τις υπάρχουσες περιβαλλοντικές συνθήκες, όπως αυτές έχουν διαμορφωθεί εξαιτίας των παραδοσιακών μεθόδων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, έχουν οδηγήσει σε μια διαρκώς αυξανόμενη απαίτηση για πιο βιώσιμη παραγωγή ενέργειας. Τις τελευταίες δεκαετίες έχει παρατηρηθεί σε παγκόσμιο επίπεδο, ένα ενδιαφέρον για «πράσινη» ενέργεια, το οποίο έχει ως αποτέλεσμα την ανάπτυξη της αιολικής ενέργειας ως μιας από τις πιο ελπιδοφόρες μεθόδους παραγωγής ενέργειας. Οι σύγχρονες ενεργειακές ανάγκες σε συνδυασμό με την εξέλιξη της τεχνολογίας καθιστούν απαραίτητη την εξέλιξη των μεθόδων σχεδιασμού και αποτίμησης της δομικής συμπεριφοράς και αξιοπιστίας των πύργων ανεμογεννητριών. Προς αυτή τη κατεύθυνση, η βελτίωση του σχεδιασμού των λεπτομερειών δόμησης των πύργων ανεμογεννητριών έχει ως αποτέλεσμα την κατασκευή πιο αποτελεσματικών, ανθεκτικών και οικονομικών πύργων ανεμογεννητριών επιτρέποντας την ευρύτερη εφαρμογή τους και κατ’ επέκταση τη γενικότερη ανάπτυξη του τομέα της εκμετάλλευσης της αιολικής ενέργειας. Απώτερος στόχος της βιομηχανίας παραγωγής αιολικών μηχανών είναι η εκμετάλλευση του αιολικού δυναμικού που βρίσκεται σε μεγαλύτερες αποστάσεις από την επιφάνεια της γης, συνεπώς οι κοίλοι κυλινδρικοί χαλύβδινοι πύργοι ανεμογεννητριών με μειούμενη καθ’ ύψος διάμετρο αποτελούν τη συνιστώμενη λύση για κατασκευή ψηλότερων πύργων καθώς δύνανται να μεταφέρουν μεγαλύτερα καμπτικά φορτία. Η παρούσα διατριβή επικεντρώνεται στη βελτίωση της δομικής συμπεριφοράς των χαλύβδινων κοίλων κυλινδρικών πύργων ανεμογεννητριών μέσω της εισαγωγής ενισχύσεων εσωτερικά του κελύφους. Μέσω της ανάλυσης που διενεργείται, διερευνάται η συνεισφορά των ενισχυτικών δακτυλίων καθώς και των κατακόρυφων ενισχύσεων στη συνολική απόκριση του φορέα. Οι ενισχυτικοί δακτύλιοι τοποθετούνται καθ’ ύψος του πύργου με στόχο τον περιορισμό των φαινομένων του τοπικού λυγισμού, αυξάνοντας παράλληλα την αντοχή των χαλύβδινων πύργων ανεμογεννητριών σε λυγισμό και επιτυγχάνοντας δομική συμπεριφορά που προσομοιώνει τη συμπεριφορά δοκού. Επιπρόσθετα των ενισχυτικών δακτυλίων, διερευνάται και η συνεισφορά των κατακόρυφων ενισχύσεων στον περιορισμό της κυματοειδούς παραμόρφωσης μικρού μήκους κύματος λόγω της δράσης καμπτικών φορτίων. Για την ακριβή περιγραφή και πρόβλεψη της συμπεριφοράς των πύργων ανεμογεννητριών με την προσθήκη εσωτερικών ενισχύσεων, εφαρμόζεται η μέθοδος πεπερασμένων στοιχείων. Η αποτελεσματικότητα της τοποθέτησης των εσωτερικών ενισχύσεων καθώς και η επιρροή του αριθμού τους στη συνολική απόκριση του πύργου, αξιολογείται με τη διενέργεια παραμετρικών αναλύσεων.Όπως αναφέρθηκε και στην προηγούμενη παράγραφο, οι χαλύβδινοι κοίλοι κυλινδρικοί πύργοι είναι η επικρατέστερη μορφολογία πύργων ανεμογεννητριών. Για την κατασκευή των κελυφωτών αυτών πύργων απαιτούνται κατακόρυφες συγκολλήσεις ώστε να μετατραπούν οι χαλύβδινες πλάκες σε κλειστούς δακτυλίους και στη συνέχεια περιφερειακές συγκολλήσεις ώστε να ενωθούν οι διαδοχικοί δακτύλιοι μεταξύ τους μορφώνοντας ένα ενιαίο τμήμα του πύργου. Και οι περιφερειακές αυτές συγκολλήσεις μεταξύ διαδοχικών δακτυλίων καθώς και οι συγκολλήσεις μεταξύ του κελύφους και των φλαντζών των συνδέσεων, έχουν αποδειχθεί ευαίσθητες έναντι φορτίων κόπωσης, καθώς πολύ συχνά απαντώνται ρωγμές λόγω κόπωσης σε πύργους ανεμογεννητριών που είναι σε λειτουργία. Επιπρόσθετα, ο συνήθης τρόπος αγκύρωσης του πύργου στη θεμελίωση γίνεται με τη χρήση προεντεταμένων κοχλιών που συνδέουν τη φλάντζα βάσης του πύργου με μια φλάντζα που εγκιβωτίζεται στο σκυρόδεμα. Η μόρφωση αυτή της θεμελίωσης είναι επίσης επιρρεπής σε βλάβη λόγω κόπωσης, καθώς έχουν παρατηρηθεί καταρρεύσεις ολόκληρων πύργων εξαιτίας του φαινομένου.Η διατριβή αυτή στοχεύει στην ανάλυση των αστοχιών λόγω κόπωσης που εμφανίζονται σε πύργους ανεμογεννητριών και εντρίβει στο σχεδιασμό των συγκολλητών και κοχλιωτών συνδέσεων των πύργων έναντι κόπωσης με τη χρήση της μεθόδου συσσώρευσης βλάβης. Ως τρόπος αποτίμησης της συμπεριφοράς των συνδέσεων πύργων ανεμογεννητριών έναντι φορτίων κόπωσης επιλέγεται η σύγκριση δύο πύργων ίδιου ύψους και διαφορετικού πάχους κελύφους. Για τη σύγκριση των δύο πύργων γίνεται χρήση αριθμητικών μεθόδων ανάλυσης καθώς και αναλυτικών μεθόδων της βιβλιογραφίας. Η αριθμητική μέθοδος που χρησιμοποιείται στην παρούσα διατριβή περιλαμβάνει τη χρήση τεχνητών χρονοϊστοριών του National Renewable Energy Laboratory (NREL, 2015) για τον υπολογισμό των φορτίων κόπωσης, ενώ η βιβλιογραφική μέθοδος χρησιμοποιεί αναλυτικές σχέσεις υπολογισμού των φορτίων κόπωσης που προδιαγράφονται στους αντίστοιχους κανονισμούς. Στις αναλύσεις και των δύο μεθόδων, τοπάχοςτουκελύφουςαποδεικνύεταικρίσιμοςπαράγονταςγιατονυπολογισμό της ζωής σε κόπωση της κατασκευής στις περιπτώσεις συγκολλητών συνδέσεων, ενώ παράλληλα το μέγεθος των κοχλιών αποδεικνύεται κρίσιμος παράγοντας στις κοχλιωτές συνδέσεις. Η μελλοντική πρόκληση στο σχεδιασμό πύργων ανεμογεννητριών είναι η οικονομική κατασκευή με ταυτόχρονη επαρκή διάρκεια ζωής σε κόπωση. Χρήσιμα συμπεράσματα ως προς την ακρίβεια των μεθόδων υπολογισμού όσο και προς τη σχέση της διάρκειας ζωής σε κόπωση με την ποσότητα του υλικού κατασκευής, προκύπτουν από τη σύγκριση της ζωής σε κόπωση τόσο των συγκολλητών όσο και των κοχλιωτών συνδέσεων.