Structural Design of the Transition Segment for an Onshore Wind Tower using different steel grades

Abstract

A necessidade de combater o aquecimento global tem levado a um maior interesse pelas energias renováveis ​​e, consequentemente, a indústria eólica está passando por um desenvolvimento próspero e avanço que surge como um apelo da estratégia global de energia e questão ambiental. Um dos desafios mais críticos para a turbina eólica onshore envolve o projeto ideal da estrutura de suporte, incluindo a torre da fundação e da turbina. Com o desenvolvimento da indústria de energia eólica onshore para altitudes mais elevadas, o novo conceito estrutural de suporte pode ser comprovado ser mais vantajoso do que os tipos convencionais quando comparado em termos de custo, segurança, procedimento de montagem inovador, baixa manutenção e aspectos ambientais. Para tratar deste problema foi proposta uma nova solução de torre híbrida. A solução é direcionada para altas aplicações onshore que são mais eficazes na geração de energia em situações em que o perfil de cisalhamento do vento está claramente beneficiando turbinas mais altas. Torres híbridas em forma de rede tubular requerem uma peça de transição que serve como uma conexão entre treliça e partes tubulares. Como a peça de transição é suposto transferir todas as cargas dinâmicas e auto-peso para a rede e fundação, esses elementos estruturais apresentam características únicas e são componentes críticos para projetar e deve resistir a fortes momentos de flexão cíclica, forças de cisalhamento e cargas axiais. As peças de transição bem projetadas com otimizado estado final e capacidades de fadiga para a fabricação, contribuem para a solidez estrutural, confiabilidade e praticabilidade de novas turbinas eólicas onshore torres híbridas.Esta pesquisa centra-se principalmente na concepção e investigação da peça de transição para uma turbina eólica 5MW onshore Híbrida como referência. Usando as cargas simuladas a partir de simulações aero-elásticas e considerando os requisitos geométricos, funcionais e mecânicos, a peça de transição foi projetada para o estado limite final, considerando as não-linearidades e imperfeições incluídas no modelo de elementos finitos. Diferentes estudos de caso foram apresentados nesta tese com o objetivo de explorar diferentes possibilidades e ampliar o conceito de pesquisa. Além disso, analisá-los e compará-los com base na funcionalidade e economia nos dá maior senso de escolher uma opção viável. Nesta pesquisa, principalmente, o foco foi analisar a solução usando um reforço, peça de transição usando diferentes tipos de aço em diferentes seções, usando apenas de aço macio grau e apenas utilizando aço de alta resistência. Utilizou-se uma metodologia de simulação para prever a vida de fadiga da peça de transição, realizando a análise ELISA elástica e importando as tensões resultantes para o software de previsão da fadiga. Uma simulação de tensão multi-axial é então realizada para determinar pontos de fadiga mais realistas e tempo de vida da peça de transição. Prevê-se que uma abordagem mais probabilística deve ser utilizada para a previsão da vida de fadiga, em que a velocidade do vento está em constante mudança durante a vida útil, neste caso apenas as condições de vento extremo foram estudadas.

With the emerging concept of sustainable constructions, the need to fight global warming has led to increased interest in renewable energies and consequently, wind industry is undergoing prosperous development and advancement which comes out as a call of global energy strategy and environmental issue. One of the most critical challenges for onshore wind turbine involves the optimal design of support structure including foundation and turbine tower. With the development of onshore wind industry heading for higher altitudes, new support structural concept might be proven to be more advantageous than conventional types when comparing in terms of cost, safety, innovative erection procedure, low maintenance and environmental aspects. In order to deal with such a problem a new hybrid tower solution was proposed. The solution is targeted at tall onshore applications which are more effective in energy generation in situations where wind shear profile is clearly benefiting higher turbines.Hybrid lattice-tubular towers requires a transition piece which serves as a connection between lattice and tubular parts. As the transition piece is supposed to transfer all the dynamic and self-weight loads to the lattice and foundation, these structural elements present unique features and are critical components to design and ought to resist strong cyclic bending moments, shear forces and axial loads. Well-designed transition pieces with optimized ultimate state and fatigue capacities for manufacturing, contribute to the structural soundness, reliability and practicability of new onshore wind turbines hybrid towers.This research mainly focuses on design and investigation of the transition piece for an onshore 5MW wind turbine hybrid tower as a reference. Using the simulated loads from an aero-elastic simulations and considering the geometrical, functional and mechanical requirements the transition piece was designed for ultimate limit state with considering nonlinearities and imperfections included into the finite element model. Different case studies were presented in this thesis with the aim to exploit different possibilities and broader the concept of research. Furthermore, analyzing and comparing them on the basis of functionality and economics gives us greater sense of picking a viable option. In this research mainly the focus was to analyse the solution using a stiffener, transition piece using different grades of steel in different sections, using only mild steel grade and just utilizing high strength steel. A simulation methodology for predicting the fatigue life of transition piece was used by performing elastic FEA analysis and importing the resulting stresses into the fatigue prediction software. A multi axial strain-life simulation is then performed to determine more realistic fatigue hot spots and life time of the transition piece. It is envisaged that more probabilistic approach should be used for fatigue life prediction, in which wind speed is constantly changing over service life as in this case only extreme wind conditions were studied.