Controllo dello strato limite cinematico su profili alari per aerogeneratori eolici in flussi liberi ed intubati

The aim of this work is to show the possibility to increase wind turbine performances starting from the equations that describe the aerodynamic of these machines. The mathematical model shows two different ways to operate this increase, working on the stream tube around the turbine or directly on the aerodynamic sections of the blade. Placing the turbine in a diffuser or using a vortex behind the rotor section, the pressure drop increases. Theoretical study shows that using a vortex downstream gives a huge increase of power extraction, but its complexity had limited the development of this approach. Experimental and numerical analysis on testing model show that it’s possible to generate a vortex behind the rotor using a cylindrical duct with tangential flow entry, and increasing the mass flow rate through the rotor section by using twisted channels that redirect main flow. If every single airfoil of the blade doesn’t work correctly all the improvements on the global design are useless. A disadvantaged section is the blade root, because of the lowest relative velocities; moreover this section has the greater thickness due to mechanical safety. These operative conditions may cause the phenomenon of the local boundary layer separation named Laminar Separation Bubble (LSB). In the aeronautic wind tunnel of the “Università Politecnica delle Marche” two airfoils, designed for the root section of a small wind turbine, are testing. In order to obtain a complete characterization of the phenomenon, pressure measurements, wake analysis and load cell balance are used to evaluate the aerodynamic loads on built-in wing section. Pressure measurements and infrared investigation allow to localize the separation. In order to reduce the LSB phenomenon, increasing the aerodynamic efficiency, (mechanical disturbances directly inside the boundary layer) are produced using a piezoelectric device or an electric motor with an unbalanced mass. In the last part of the work a morphing wing section is designed and tested to evaluate the control of aerodynamic loads when the wind speed exceeds the nominal velocity of the turbine. This aspect is relevant especially for the new multimegawatt wind turbines.

Nel presente lavoro di tesi sono state individuate possibili soluzioni per l’incremento delle prestazioni di aerogeneratori ad asse orizzontale; derivate dall’analisi delle equazioni che descrivono l’aerodinamica di tali macchine. Il modello matematico della turbina ha mostrato due possibili interventi: il confinamento del tubo di flusso attorno alla macchina, o l’intervento diretto sulla sezione aerodinamica delle pale. Posizionando la turbina in un diffusore o creando un vortice dietro la macchina, è possibile aumentare il salto di pressione. Studi teorici hanno mostrato che, l’utilizzo del vortice dietro la turbina produce notevoli aumenti del coefficiente di potenza; ma la complessità della macchina ne ha sempre limitato lo sviluppo. Misure sperimentali e simulazioni numeriche su di un modello in scala hanno mostrato l’effettiva possibilità di generare il vortice, utilizzando un condotto cilindrico con ingressi tangenziali; incrementando la portata in turbina sfruttando delle guide a spirale per il flusso principale. Se ogni sezione palare della macchina non lavora correttamente, ogni intervento di confinamento della macchina è però vano. La sezione più svantaggiata è quella di radice, per la quale oltre ad una bassa velocità del flusso incidente si aggiunge un elevato spessore della sezione, necessario a garantire la resistenza meccanica della pala. Nella galleria del vento aeronautica dell’“Università Politecnica delle Marche”, sono stati testati due profili progettati per la sezione di radice di piccoli aerogeneratori. E’ stata possibile una completa caratterizzazione aerodinamica del profilo, eseguendo misure di pressione esterna all’ala accoppiate a misure di scia, ed utilizzando una bilancia dinamometrica. Misure di pressione e termografia infrarossa, hanno permesso l’identificazione del fenomeno di separazione locale del flusso detto “bolla di separazione laminare”. Allo scopo di ridurre tali separazioni, è stato introdotto un disturbo nello strato limite sia con un piezoelettrico che con una massa eccentrica rotante, ottenendo un aumento dell’efficienza aerodinamica. Nell’ultima parte del lavoro è stata costruita è testata un’ala con il tratto terminale deformabile, allo scopo di controllare i carichi aerodinamici generati dalla pala qualora la velocità ecceda il limite nominale della macchina; necessità emersa con le nuove macchine multimegawatt.