Metodologie innovative per il monitoraggio dell'interazione fluido-struttura mediante misure senza contatto

This thesis deals with a particular line of research in the context of a larger research project which aims to develop innovative measurement methodologies for the analysis of fluid-structure interaction, with special reference to monitoring and diagnostic components of the power equipment (turbines, wind turbine blades, etc..). In particular, the objective was focused on the measurement by Thermoelastic Stress Analysis (TSA) of stress on wind turbines fully assembled and in real operating conditions, even moving at high speeds. In a first experimental step, we designed case studies and reproduced in laboratory (wind tunnel) the loading conditions considered to be significant and representative of the real operating conditions of the components. Instrumental acquisitions were performed simultaneously with traditional contact measures and thermographic non-contact measures. Then we developed two innovative solutions for post-processing. First, we developed an algorithm for motion compensation of the thermographic image, by pattern recognition for tracking thermal markers appropriately positioned on the surface of the mechanical component in question, which allows the passage of the acquired thermographic measure from an absolute reference system fixed with respect to the camera to a relative reference system integral with the mechanical component. In this way we got a new sequence of thermographic images "rotated" to be subjected to a second algorithm for the validation and the scaling of the thermographic tensional map of the entire body, through the comparison with the conventional measures simultaneously acquired, which finally allows to get a tensional map quantitatively significant over the entire surface of the body under examination. In this way, using the obtained results, it is possible to apply the thermoelastic analysis (TSA) for the measurement of continuous stress maps on the entire surface of the components in question. So we can overcome the limitations of traditional contact measurements, which are difficult to apply in some operating conditions (components in random motion) and in some geometric areas of components, and that always provide only point measurements.

La presente tesi tratta una particolare linea di ricerca nell'ambito di un più ampio progetto di ricerca avente l'obiettivo di sviluppare metodologie di misura innovative per l'analisi dell'interazione fluido-struttura, con particolare riferimento al monitoraggio ed alla diagnostica di componenti di impianti energetici (turbine, pale di turbine eoliche, ecc.). In particolare, l'obiettivo è stato focalizzato sulla misura delle stato tensionale mediante Thermoelastic Stress Analysis (TSA) di turbine eoliche completamente assemblate ed in condizioni reali di esercizio, anche in movimento a velocità elevate. In una prima fase puramente sperimentale, sono stati progettati i casi di studio, sono state riprodotte in laboratorio (galleria del vento) le condizioni di sollecitazione ritenute significative e rappresentative delle reali condizioni di esercizio dei componenti, e sono state eseguite le acquisizioni strumentali contemporaneamente con misure tradizionali a contatto e misure termografiche senza contatto. Successivamente sono state sviluppate due soluzioni innovative di post-processing, fondamentali per il raggiungimento del risultato. Dapprima la messa a punto di un algoritmo di compensazione del movimento dell'immagine termografica, per l'inseguimento mediante pattern recognition di marcatori termici opportunamente posizionati sulla superficie del componente meccanico in esame, che consente il passaggio della misura termografica acquisita da un sistema di riferimento assoluto fisso rispetto alla termocamera ad un sistema di riferimento relativo solidale al componente stesso. In tal modo si ottiene una nuova sequenza di immagini termografiche "derotate" da sottoporre al successivo algoritmo per la validazione e la scalatura della mappa tensionale termografica dell'intero corpo in esame mediante il confronto con le misure convenzionali puntuali acquisite contemporaneamente, che consente infine di ottenere una mappa tensionale quantitativamente significativa su tutta la superficie del corpo in esame. In tal modo, utilizzando i risultati conseguiti, risulta possibile applicare l'analisi termoelastica (TSA) per la misura di mappe continue dello stato tensionale sull'intera superficie dei componenti in esame. Si possono così superare gli evidenti limiti dei sistemi di misura tradizionali a contatto, che risultano difficilmente applicabili in certe condizioni di funzionamento (componenti in moto casuale) ed in certe aree geometriche degli stessi componenti, e che in ogni caso riescono a fornire solo misure puntuali.