Analisi di una pala di aeromotore

Il Wind Energy Group del Dipartimento di Ingegneria Meccanica dell'Università del Newcastle, Australia, ha svolto per alcuni anni uno studio aerodinamico e strutturale delle pale di una piccola turbina assiale orizzontale ad aria. Con la Energy Australia ed il gruppo dei compositi avanzati delle Australian Defence Industries, il gruppo ha progettato e costruito pale leggere per una macchina da 5 kW, utilizzando la tecnica Resin Transfer Moulding (RTM). Queste pale in composito lunghe 2.5 metri possiedono una massa di circa 5 kg ed una alta rigidezza allo sfarfallamento, con una frequenza fondamentale di vibrazione superiore alla velocità di rotazione di progetto della pala.

Il gruppo fa parte del Cooperative Research Centre for Renewable Energy (ACRE) e sta correntemente progettando e costruendo pale di prova per una macchina da 20 kW. Il gruppo ha progettato e costruito pale per macchine da 600 W e 1.2 kW per la Australian Windpower. E' stata costruita anche una turbina a vento dimostrativa da 5 kW a Fort Scratchley, un punto di riferimento storico nel Newcastle, con parte di una sovvenzione del NSW Office of Energy con il Newcastle City Council. Questa turbina è stata largamente utilizzata dal gruppo per effettuare lavoro di ricerca finalizzato a migliorare il rendimento della pala dell'aeromotore.

Per avere una resa aerodinamica ottimale, è richiesto alla pala che abbia una sezione trasversale dal profilo aerodinamico, una corda non costante e una forma attorcigliata. Le forze statiche agenti sulla pala sono date dal carico radiale centrifugo e dalla flessione dovuta al carico aerodinamico. La natura direzionale di queste forze rende necessario l'uso di materiali dalle proprietà fortemente direzionali. Le pale degli aeromotori sono soggette a notevoli sollecitazioni a fatica, dovute principalmente alla natura non stazionaria del vento, il che richiede che queste pale siano costruite con materiali con una lunga vita a fatica. Inoltre la geometria tridimensionale complessa delle pale deve essere accuratamente riprodotta per ottenere il massimo rendimento aerodinamico. Il modo più economico per soddisfare questi criteri si ottiene modellando la pala con i compositi laminati.

E' stato scritto un programma in FORTRAN per generare la mesh di elementi finiti della pala. Le pressioni aerodinamiche nelle condizioni di progetto sono state determinate dalle previsioni di un codice apposito ed applicate alla superficie della pala utilizzando il programma in FORTRAN. Al file di output di questo programma è stato dato un formato che permettesse l'inserimento diretto in Straus7.

La struttura della pala consiste di uno strato di rivestimento in composito con fibre di vetro, avente un nucleo di schiuma. Il nucleo di schiuma accresce la resistenza alla flessione della pala, riducendo le possibilità di cedimento del rivestimento relativamente sottile per instabilità alla compressione. E' auspicabile che le pale dei piccoli aeromotori siano sufficientemente resistenti ma anche leggere e dotate di un basso momento di inerzia, per minimizzare il tempo di avviamento della turbina. Lo scopo principale della modellazione con elementi finiti è stato quello di determinare la quantità e la disposizione delle fibre di vetro necessarie ad ottenere questi obiettivi.

Si è resa necessaria un'analisi non lineare statica per determinare i livelli della tensione in una pala di un aeromotore in funzione, dovuta agli effetti di irrigidimento sotto sforzo causati dalla forza centrifuga agente sulla struttura della pala. I primi due incrementi nell'analisi non lineare vedono l'applicazione dei carichi centrifughi che irrigidiscono la pala. Con gli incrementi successivi, si aggiunge gradualmente il carico aerodinamico. Le prime analisi delle misure dettagliate di deformazione effettuate su una pala della turbina di Fort Scratchley in funzione, hanno mostrato una buona rispondenza tra le previsioni ottenute con gli elementi finiti e i valori misurati.