Universitatea Transilvania din Brasov

Transcription

1 Investeşte în oameni! FONDUL SOCIAL EUROPEAN Programul Operaţional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane Axa prioritară 1 Educaţie şi formare profesională în sprijinul creşterii economice şi dezvoltării societăţii bazate pe cunoaştere Domeniul major de intervenţie 1.5. Programe doctorale şi post-doctorale în sprijinul cercetării Titlul proiectului: Burse doctorale si postdoctorale pentru cercetare de excelenta Numărul de identificare al contractului: POSDRU/159/1.5/S/ Beneficiar: Universitatea Transilvania din Braşov Partener: Universitatea Transilvania din Brasov Scoala Doctorala Interdisciplinara Departament:Inginerie Mecanică Ing. Raluca Dora IONESCU DESIGNUL ŞI OPTIMIZAREA TURBINELOR EOLIENE CU AX VERTICAL, DE MICĂ PUTERE, IMPLEMENTABILE ÎN MEDIUL URBAN DESIGN AND OPTIMIZATION OF SMALL POWER VERTICAL AXIS WIND TURBINES, IMPLEMENTABLE IN URBAN ENVIRONMENT Conducător ştiinţific Prof.dr.ing. Ioan SZÁVA BRASOV,

2 MINISTERUL EDUCAŢIEI NAŢIONALE UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAŞOV BRAŞOV, B-DUL EROILOR NR. 29, , TEL , FAX RECTORAT D-lui (D-nei)... COMPONENŢA Comisiei de doctorat Numită prin ordinul Rectorului Universităţii Transilvania din Braşov Nr din PREŞEDINTE: CONDUCĂTOR ŞTIINŢIFIC: REFERENŢI: Prof. Dr. Ing. Mircea NĂSTĂSOIU Universitatea Transilvania din Braşov Prof. Dr. Ing. Ioan SZÁVA Universitatea Transilvania din Braşov Prof. Dr. Ing. Polidor BRATU Universitatea Dunărea de Jos din Galaţi Dr. Mat. Cercet.st.gr.I. Veturia CHIROIU Insitutul de Mecanica Solidelor al Academiei Ro., Bucureşti Prof. Dr. Ing. Mat. Sorin VLASE Universitatea Transilvania din Braşov Data, ora şi locul susţinerii publice a tezei de doctorat: , ora 12 00, sala CP8. Eventualele aprecieri sau observaţii asupra conţinutului lucrării vă rugăm să le transmiteţi în timp util, pe adresa idora@unitbv.ro Totodată vă invităm să luaţi parte la şedinţa publică de susţinere a tezei de doctorat. Vă mulţumim. 2

3 CUPRINS (lb. romana) Pg. Pg. teza rezumat LISTA DE NOTAŢII 8 8 LISTA DE ABREVIERI INTRODUCERE STADIUL ACTUAL AL CERCETĂRILOR ÎN DOMENIUL TURBINELOR EOLIENE CU AX VERTICAL 1.1 Stadiul actual. Problematică generală Turbinele eoliene. Definire şi rol funcţional Tipuri distincte de centrale eoliene Turbine eoliene de mică putere implementate în mediul urban Componentele turbinei cu ax vertical Concluzii asupra stadiului actual problematică generală Cercetări teoretice. Calcule analitice deosebite Modele de calcul Cercetări teoretice. Calcule numeirce deosebite Cercetări experimentale Reducerea la scară a unei turbine eoliene Alegerea materialelor pentru model OBIECTIVELE TEZEI DE DOCTORAT CERCETĂRI ANALITICE PROPRII Determinarea dimensiunilor de bază ale rotorului Determinarea influenţei flapsurilor asupra performanţelor rotorului Performanţele profilului NACA Performanţele profilului NACA0018 cu flapsuri Determinarea momentului la noul rotor Concluzii şi contribuţii Concluzii Contribuţii CERCETĂRI NUMERICE PROPRII Analiza CFD 2D a profilului aerodinamic şi a rotorului în secţiune ecuatorială (3 pale) Analiza profilului NACA Analiza 2D a rotorului cu 3 pale la nivelul planului ecuatorial

4 4.2 Analiza modală şi fluid-structură a turbinei 3D Model virtual rotor Definirea materialului pentru pale Analiza modală Analiza CFD Analiza structurală statică Analiza structurală tranzitorie - dinamică Analiza modală structurală în stare dezechilibrată Analiza vibraţiilor torsionale Analiza modală şi structurală prototip Concluzii şi contribuţii Concluzii Contribuţii CERCETĂRI EXPERIMENTALE PROPRII Consideraţii privind metodele experimentale implicate în efectuarea măsurătorilor Aspecte generale Video Image Correlation (VIC) ESPI-Shearography Analiza dimensională, instrument de facilitare a măsurătorilor Concluzii privind eficienţa metodelor experimentale propuse Strategia privind efectuarea unor teste de validare ale simulărilor numerice Teste privind efectul forţelor inerţiale asupra stării de solicitare a palelor Teste privind funcţionarea turbinelor în tunele aerodinamice Realizarea prototipului Concluzii şi contribuţii Concluzii Contribuţii SOLUŢII INOVATIVE REZULTATE ÎN URMA CERCETĂRILOR TEORETICE ŞI EXPERIMENTALE 7. CONCLUZII FINALE ŞI PERSPECTIVE Concluziile autoarei la problematica studiată Contribuţiile autoarei la problematica studiată Diseminarea rezultatelor

5 7.4 Perspective de utilizare a rezultatelor obţinute BIBLIOGRAFIE ANEXE Scurt Rezumat (romana/engleza) - 61 CV

6 CUPRINS (lb. engleza) Pg. Pg. teza rezumat NOTATIONS 8 8 ABBREVIATIONS INTRODUCTION THE STATE OF THE ART REGARDING THE RESEARCH IN VERTICAL AXIS WIND TURBINES 1.1 State of the art. General aspects Wind turbines. Definition and role Distinct types of wind turbines Small power wind turbines implemented in urban environment Vertical axis wind turbines components Conclusions regarding the state of the art Theoretical research. Special analythical calculus Calculus models Theoretical research. Special numerical calculus Experimental research Scaling of a wind turbine Choosing the materials for the model THESIS OBJECTIVES PERSONAL ANALYTHICAL RESEARCH Defining the rotor main dimensions Defining the flaps influence on rotor performance NACA0018 airfoil performance NACA0018 with flapsuri Establishing the rotor shaft torque Conclusions and contributions Conclusions Contributions PERSONAL NUMERICAL RESEARCH CFD 2D analysis of the aerodynamic profileand of the rotor at equator NACA0018 profile analysis D analysis of the rotor Modal analysis and Fluid-structure-interraction 3D rotor Rotor virtual model

7 Material for the blades Modal analysis CFD analysis Static structural analysis Transient structural analysis Modal structural analysis unbalanced rotor Torsional vibrations analysis Modal and structural analysis of te prototype Conclusions and contributions Conclusions Contributions EXPERIMENTAL RESEARCH About experimental methods used in measurements General aspects Video Image Correlation (VIC) ESPI-Shearography Dimensional analysis Conclusions regarding the experimental methods efficiency Numerical simulations testing validation strategy Testing regarding the inertial forces on the blades structure testing regarding turbine functioing in wind tunnels Prototype manufacturing Conclusoins and contributions Conclusions Contributions INNOVATIVE SOLUTIONS BASED ON EXPERIMENTAL TESTING 7. FINAL CONCLUSIONS AND PERSPECTIVES Author conclusions regarding the theme Author contributions regarding the theme Dissemination of results Further research BIBLIOGRAPHY Short abstract (romana/engleza) - 61 CV

8 Listă de notaţii LISTĂ DE NOTAŢII A Arie rotor măturată de vânt (rotor swept area) [m 2 ] AR l/c raportul de formă al palei - B Număr pale rotor - c Lungimea corzii palei [m] C D Coeficientul de rezistenţă aerodinamică (drag coefficent) - C D0 Coeficientul de rezistenţă aerodinamică la portanţă nulă - C L Coeficientul de portanţă - C M Coeficientul de moment - C N Coeficient normal - C P Coeficientul de putere - C T Coeficientul tangenţial - D Diametru rotor [m] D A Rezistenţa aerodinamică [N] F N Forţa normală relativă la linia corzii [N] F T Forţa tangenţială relativă la linia corzii [N] H Înălţime rotor; [m] H total Înălţime rotor = H; utilizat pentru desemnarea înălţimii totale a rotorului [m] H turb Înălţimea rotorului secţionat [m] H c Înălţime clădire [m] l Lungimea palei [m] L Portanţa [N] L Lungimea palei [m] P Putere la axul rotorului [W] P el Putere electrică [W] M Moment (torque) [Nm] n Raportul între raza prototipului şi cea a modelului real 1:1 [-] N P Număr pale - r Rază rotor [m] R Rază rotor ecuator [m] R max Rază rotor ecuator, utilizat în calculul ariei rotorului secţionat [m] Re Numărul Reynolds - t Grosimea palei [m] V 0 Viteza vântului nedisturbat (free stream velocity) [m/s] W Viteza relativă medie a profilului [m/s] x Coeficientul de viteză periferică (λ) - x Coordonata în lungul palei la punctul de grosime maximă [m] α Unghiul de icidență / atac al fluxului pe pală [rad] sau [ o ] β D/H η Forma palei - ζ z/h; Înălţimea adimensională - λ Coeficientul de viteză periferică (x) - ρ Densitatea aerului [kg/m 3 ] 8

9 Listă de notaţii σ Soliditatea rotorului (= B*c/D) - θ Unghiul azimutal al palei turbinei [ o ] δ Unghiul pantei palei [ o ] ν Vâscozitatea cinematică [m 2 /s] ω Viteza unghiulară [rad/s] 9

10 Listă de abrevieri LISTĂ DE ABREVIERI BAWT BEM CAD CAE CFD DMS FEA HAWT VAWT Building Augumented Wind Turbines (turbine integrate în clădiri) Blade element momentum Computer Aided Design (Proiectare virtuală) Computer Aided Engineering (Calcule inginereşti avansate pe platformă virtuală) Computational Fluid Dynamics (Analiza virtuală fluido-dinamică) Double disk multiple stream tubes Finite Elements Analysis (Analiza cu elemente finite) Horizontal Axis Wind Turbine Turbină eoliană cu ax orizontal Vertical Axis Wind Turbine Turbină eoliană cu ax vertical 10

11 Introducere INTRODUCERE La nivel global, una din principalele direcţii de cercetare este aceea a reducerii consumului de energie şi a eficientizării energetice. În acest context, Energiile Regenerabile sunt o soluţie din ce în ce mai căutată şi care face deja parte din axele prioritare de cercetare şi dezvoltare a proiectelor la nivel global, cu scopul de reducere a consumului energetic pentru următorii ani şi creştere a gradului de utilizare a surselor de energii regenerabile. Energia Eoliană este una dintre principalele surse de Energie Regenerabilă. Energia eoliană este transformată în energie electrică prin intermediul Turbinelor Eoliene. Majoritatea turbinelor sunt de mari dimaniuni, poziţionate pe uscat sau în largul mării. Una din direcţiile de cercetare actuale este în domeniul turbinlor eoliene de mică putere, care oferă posibilitatea producerii energiei electrice aproape de locul de utilizare. Astfel, obiectul cercetării acestei teze este creşterea eficienţei de conversie şi reducerea încărcărilor structurale pentru o turbină eoliană cu ax vertical de mică putere. În optimizarea designului, printre aspectele abordate se pot enumera: forma şi dimensiunile rotorului, soliditatea rotorului, reducerea vibraţiilor prin elemente elastice, întroducerea elementelor cu geometrie variabilă. În vederea atingerii obiectivelor tezei, s-a formulat tematica capitolelor prezentate în teză: Capitolul 1: este destinat prezentării succinte a stadiului actual al cercetării în domeniul turbinelor eoliene cu ax vertical, având ca finalitate formularea obiectivelor tezei. Capitolul 2: Obiectivele tezei Capitolul 3: este destinat cercetărilor analitice proprii bazate pe modelele teoretice existente. Astfel s-au studiat atât proprietăţile profileor aerodinamice, cât şi s-a făcut predimensionare noului rotor. Capitolul 4: sunt prezentate cercetările numerice proprii, care au la bază simulări complexe pe platformă virtuală. Scopul este de a obţine rezultate cât mai corecte referitoare la solicitările apărute în structură în timpul funcţionării. Capitolul 5: prezintă testările experimentale şi analiza rezultatelor. Capitolul 6: se referă la soluţiile inovative rezultate în urma cercetărilor. Capitolul 7: este destinat concluziilor finale şi contribuţiilor originale. Această cercetare oferă mai multe perspective în ceea ce priveşte fructificarea rezultatelor teoretice şi experimentale obţinute (prin contracte de cercetare, colaborări cu colaborări cu instituţii şi universităţi din ţară şi străinătate, constituirea unui grup /unui nucleu/ de cercetare pe această tematică pentu optimizări ulterioare ale turbinelor cu ax vertical etc.). 11

12 Introducere Doresc să mulţumesc mult conducătorului de doctorat, domnului Profesor Ioan Száva, care m-a îndrumat şi m-a sprijinit atât tehnic cât şi moral în tot acest parcurs al tezei. De asemenea, mulţumesc ColectivuluiDepartamentului, care prin sugestii şi sfaturi au contribuit la elaborarea unei strategii mai eficiente privind investigaţiile teorietice şi experimentale. Sincere mulţumiri îi revin Dlui Prof. Sorin Vlase, care printr-o urmărire continuă a activităţii şi prin sugestii deosebit de pertinente a asigurat efectuarea cercetărilor teoretice şi experimentale. Multe mulţumiri adresez referenţilor oficiali, Dnei Dr.Mat.Cercet.St.Gr.I Veturia Chiroiu, Dlui Prof.Dr.Ing. Polidor Bratu şi Dlui Prof.Dr.Ing.Mat. Sorin Vlase pentru sfaturi şi îndrumări, precum şi pentru răbdarea cu care au efectuat parcurgerea lucrării, iar prin sugestiile oferite au contribuit la obţinerea unei teze cu un aport semnificativ la problematica abordată. Adresez mulţumiri şi Dlui Prof.Dr.Ing. Călin-Ioan Roşca, Decanului Facultăţii de Inginerie Mecanică, care a facilitat realizarea tezei, precum şi pentru sfaturile şi sugestiile oferite. Multe mulţumiri Dlui Dr.Ing. Péter Dani, pentru ajutorul oferit în realizarea comenzii electronice a sistemului de antrenare al turbinei montat pe stand. De asmenea, mulţumesc Dlui Dr.Ing. Botond-Pál Gálfi, pentru ajutorul oferit în pregătirea şi realizarea investigaţiilor experimentale, precum şi în prelucrarea datelor obţinute cu sistemul VIC-3D. Mulţumesc colegilor şi profesorilor de la Universitatea din Trento pentru ajutorul oferit şi sfaturile valoroase. Companiei ITI pentru software-ul Simulation X, care a permis o abordare modernă şi de mare eficienţă. Nu în ultimul rând doresc să mulţumesc familiei mele şi lui Luca, care au fost alături de mine în tot acest parcurs, pentru toate sfaturile, sprijinul şi răbdarea lor. *** 12

13 1. Stadiul actual 1. STADIUL ACTUAL AL CERCETARILOR ÎN DOMENIUL TURBINELOR EOLIENE CU AX VERTICAL Teza are ca domeniu de studiu conversia energiei eoliene în mediul construit. Pornind de la rezultatele amănunţite ale studiilor efectuate în ultimii ani - care urmăresc determinarea eficienţei turbinelor în mediul construit, a particularităţilor de design şi ale impactului pe care îl are rugozitatea crescută a terenului asupra curgerii aerului se propun noi soluţii de design a structurii turbinelor eoliene cu ax vertical destinate implementării urbane. Studiul stadiului actual are scopul de a prezenta ceea ce a fost deja dezvoltat ca modelare numerică şi ceea ce a fost deja creat în domeniu ca soluţie tehnică, reprezentând punctul de plecare al cercetării tezei. De asemenea, este o etapă obligatorie, care ajută la definirea obiectivelor tezei şi la depistarea problemelor încă nerezolvate în domeniul turbinelor eoliene de mică putere, cu ax vertical. Ajută la găsirea aspectelor care pot fi îmbunătăţite şi la nişa care ar putea răspunde unor probleme încă nerezolvate, cerute de piaţa în domeniu. În prima parte sunt analizate conceptele de baza ale teoriei, şi se face o clasificare a solutiilor existente, a componentelor şi a problemelor ridicate de mediul de implementare. În a doua parte sunt abordate aspectele teoretice (calcule numerice şi analitice). Astfel, se prezintă parametrii de design, teoriile, metodele de calcul şi de simulare care au fost utilizate, caracteristici turbinelor eoliene cu ax vertical, care reprezintă obiectul cercetării în această teză. A treia parte prezintă stadiul actual si metodologia de testare experimentală. Subcapitolul tratează, atât metodele de reducere la scară ale prototipului testat, cât şi metodele de testare, echipamentul necesar, pregatirea standului şi prelevarea şi interpretarea datelor STADIUL ACTUAL. PROBLEMATICĂ GENERALĂ Turbinele eoliene. Definire şi rol funcţional Turbinele eoliene sunt sisteme care transformă energia cinetică preluată de la vânt în energie mecanică prin intermediul palelor. Energia mecanică este la rândul ei transformată în energie electrică prin intermediul unui generator electric. Astfel, funcţionalitatea principală a unei turbine eoliene este aceea de a produce energie electrică. Pornind de la această idee, deci putem spune că, turbinele eoliene pot fi utilizate de sine stătătoare sau în sisteme hibride împreuna cu orice altă sursă de energie electrică, cum ar fi: panouri solare fotovoltaice, microhidroturbine etc. Turbinele eoliene pot fi împărţite în două mari categorii, în funcţie de orientarea axului rotorului: cu ax vertical şi cu ax orizontal. Pe piaţă, o mai mare popularitate o au cele cu ax orizontal, toate arătând similar, imaginea generică a unei turbine eoliene fiind aceea cu un rotor având trei pale, axul dispus de-alungul fluxului de aer. Acest design este potrivit pentru zonele deschise, rurale. Când vine însă vorba de implementarea în mediul urban, acestea trebuiesc poziţionate altfel, iar designul rotorului trebuie gândit cu atenţie. În ultimii ani, s-a acordat o atenţie crescută soluţiilor cu ax vertical, deoarece au dovedit performanţe mai bune pentru implementarea în mediul construit. 13

14 1. Stadiul actual Fig.1.1 Structura generala a unei turbine eoliene (a. Ax orizontal, b. Ax vertical) [75] În această lucrare, se urmăreşte dezvoltarea unei noi turbine eoliene cu ax vertical, destinate implementării în mediul urban. În consecinţă, în următoarele capitole se vor prezenta în detaliu turbinele cu ax vertical, de la construcţia generală, până la soluţii constructive pe componente, cât şi soluţiile existente pe piaţă şi eficienţa acestora Tipuri distincte de centrale eoliene În continuare vor fi prezentate pe scurt caracteristicile turbinelor cu ax vertical în funcţie de principiul de funcţionare - deoarece acesta are o mare influenţăa asupra eficienţei conversiei. După prezentarea generală a tipurilor, se va trece la o analiză a turbinelor existente, punându-se accentul pe turbinele de mică putere, cu ax vertical, implementate in mediul urban. Astfel, se determină problemele întâlnite în implementarea acestora, soluţiile găsite de producători, cât şi aspectele încă nerezolvate în acest domeniu. Turbinele cu ax vertical sunt caracterizate printr-un ax de rotaţie poziţionat vertical. Acestea nu necesită un sistem de orientare faţă de direcţia vântului, putând prelua vântul din orice direcţie, iar inerţia de răspuns la schimbările bruşte de vânt este mică. Turbinele cu ax vertical au de asemenea o bună performanţă în curgerea turbulentă. Există două tipuri principale de turbine eoliene cu ax vertical, in funcţie de principiul de funcţionare: a) Savonius: Acest design este bazat pe principiul rezistenţei aerodinamice (drag-type) vântul împinge palele de forma unor cupe, ceea ce implică limitări ale vitezei maxime de rotire posibile, care este întotdeauna egală sau mai mică decât viteza vântului. Aceste turbine au fost studiate, iar în literatură întâlnim numeroase articole care prezintă soluţii tehnice ale conceptului de bază şi performanţele acestora. Ceea ce s-a urmărit în cercetare a fost obţinerea unui coeficient de putere mai bun, deci a unei performanţe crescute. Se poate reţine din aceste studii [20] faptul ca s-au obţinut rezultate mult mai bune la configuraţiile cu 2 si 3 pale, iar creşterea numărului de pale are ca efect scăderea performanţei. Astfel, cel mai bun C P a fost înregistrat la configuraţia cu 2 pale: 0.25, în schimb cea cu 3 pale ajunge numai la În [97] este studiată şi influenţa numărului de rotoare (stages), astfel se arată că un Cp mai mare se obţine la un rotor simplu (Cp = 0.14 la 6 m/s), faţă de varianta cu 3 rotoare (Cp = 0.08, la 6 m/s). 14

15 1. Stadiul actual Mertens [1], arată că dacă neglijăm rezistenţa aerodinamică a palei care se mişcă în contra vântului (C d,l ), atunci putem afla coeficientul maxim de putere al unei astfel de configuraţii, în funcţie de raportul dintre viteza palei şi cea a curentului de aer (λ Tip speed ratio TSR). Putem obţine coeficientul maxim, λ opt = 1/3, astfel:. Rezultă că acest design de rotor - Savonius - poate converti, la nivelul rotorului, în putere mecanică, maximum 11% din puterea aflată în fluxul nedisturbat de aer. În lucrarea sa [19], Mertens încadrează varianta cu palele suprapuse elicoidale într-o categorie aparte, de turbine hibride de tip Savonius. Acestea folosesc, atât cuplul aerodinamic, cât şi forţa de aspiraţie (apărută prin utilizarea palelor elicoidale şi a spaţiului interior dintre acestea), care conferă o creştere a coeficientului maxim de putere. In Fig.1.2 este reprezentată o astfel de configuraţie. S-a constatat că, coeficientul maxim de putere, la o distanţă de g/dt şi λ opt 0.9, are valoarea de:. Fig.1.2 Turbina Savonius hibrida [19] b) Darrieus: are la bază principiul portanţei (lift-type), palele având profil aerodinamic, deci fac posibilă rotirea rotorului cu o viteză mai mare decât cea a vântului. Turbinele cu ax vertical, bazate pe principiul portanţei, pot fi la rândul lor împărţite în mai multe soluţii constructive: - Darrieus clasic: este cel mai întâlnit design de turbină Darrieus. Principalul avantaj al acesteia este forma palelor Troposkein ideală care induce încărcări minime pe pale şi deci, pe structură. Ca variante, palele pot avea forme similare, simplificate: de forma unei parabole, a doua drepte şi un arc de cerc. Este unită direct la capete de axul turbinei şi poate avea sau nu bare intermediare de susţinere, funcţie de dimensiunile rotorului. Forma generică este aceea a unei pale de mixer. [20] - Giromill: este o turbină cu palele drepte, articulate astfel încât să maximizeze energia extrasă din vânt, menţinând curgerea aerului deasupra palei constantă în timpul rotaţiei rotorului [20]. - H-Darrieus: este o variantă a designnului clasic, care are palele paralele cu axul turbinei, diametrul rotorului rămânând constant de-alungul întregii inălţimi. Palele sunt legate în mijloc sau la capete de axul turbinei. - Darrieus sau H-Darieus cu Pale elicoidale: palele sunt rotite cu un anumit unghi (de regula 60 grade), astfel încât să asigure un moment cât mai uniform în timpul rotaţiei 15

16 1. Stadiul actual Fig. 1.3 Cele două tipuri de turbine VAWT cu variantele constructuve a) Savonius, b) Darrieus clasic c) H-Darrieus, d) Helical Darrieus, [13] În [19], conform teoremei lui Bernoulli, Mertens arată că, pentru un design de rotor bazat pe principiul portanţei, coeficientul maxim de putere are valoare de În realitate însă, trebuie înţeles că nu se atinge acest coeficient de putere. Cu toate acestea, din punctul de vedere al coeficientului de putere, designul bazat pe principiul portanţei este indiscutabil cel care oferă posibilitatea de a atinge un Cp cat mai aproape de această limită. Pe acest principiu se bazează atât designul turbinelor cu ax orizontal, cât şi varainta de turbine eoliene cu ax vertical, Darrieus. Când vine însă vorba de turbinele eoliene cu ax vertical, Darrieus, de mică putere, destinate mediului urban, trebuie luată în considerare şi una dintre cele mai importante probleme ale acestui design: incapacitatea de a porni singură la viteze mici ale vântului. Astfel, devine necesară gândirea unei soluţii care să rezolve acest inconvenient. Produsele aflate pe piaţă, cât şi conceptele patentate oferă următoarele soluţii: - utilizarea generatorului ca motor, - orientarea palelor sau a unei porţiuni din pale perpendicular pe direcţia vântului pentru a utiliza componenta de rezistenţă aerodinamică (ca o pala de tip Savonius). - combinarea unui rotor Darrieus cu unul mai mic de tip Savonius soluţie hibridă. - Pale elicoidale (pe principiul turbinei de apa Gorlov). - Utilizarea unui profil aerodinamic asimetric cu o curbură mică (camber maxim 3%) Turbine eoliene de mică putere implementate în mediul urban În mediul urban, datorită particulatităţilor ridicate de acesta, designul turbinelor eoliene trebuie atent adaptat. Astfel, pornind de la tipurle de turbie prezentate mai înainte, au fost proiectate şi implementate o serie de turbine eoliene care din start corespund unui set minimal de cerinţe: să poată funcţiona în condiţii de vânt turbulent, să pornească la viteze mici ale vântului, să fie silenţioase, nivelul vibraţiilor să fie cât mai scăzut şi să nu dăuneze structurii pe care este montată turbina, să fie de mică putere, să se integreze armonios în mediu, iar curba de putere reală să fie cât mai aproape de curba de putere teoretica. Astfel, în ultimii ani au aparut pe piaţă un numar tot mai mare de centrale destinate mediului urban. Una din principalele probleme ale turbinelor cu ax vertical (VAWT) bazate pe principiul portanţei este slaba lor abilitate de 16 Fig.1.4. Exemplu de VAWT implementat în mediul urban [134] autopornire la viteze mici ale vântului. Aceasta este in primul rand datorată valorilor Re foarte mici corespunzătoare designului palei [56].

17 1. Stadiul actual Componentele turbinei cu ax vertical În acest subcapitol s-a realizat o sinteză a solutiilor întâlnite în industria turbinelor eoliene cu ax vertical şi care pot fi aplicate în cazul variantelor implementate în mediul urban. Fig Schema componentelor unei turbine VAWT 17

18 1. Stadiul actual În ceea ce priveşte rotorul, acesta poate fi de tip Savonius sau de tip Darrieus, cu pale drepte sau elicoidale. Un parametru important este numărul de pale în mediul urban cele mai întâlnite variante sunt cele cu 3 pale. Profilul aerodinamic al turbinelor de tip Darrieus are o mare importanţă în performanţa turbinelor eoliene, influenţând, atât puterea obţinută, cât şi capacitatea de autopornire. Profilul standard pentru o turbina de tip Darrieus este unul simetric (de exemplu NACA00XX). Mai multe teste au fost întreprinse de laboratoarele SANDIA pentru o turbina Darrieus de 2 m cu profil NACA0012 [58]. Alte studii au investigat performanţele obţinute cu profilul NACA0018 [59, 60]. A fost demonstrat că, în cazul VAWT este preferabil să avem profile mai groase, cu o rază a bordului de atac mai mare [60]. Rezultă că sunt recomandate profilele NACA0018 şi NACA0021 [61]. În ultimul timp, multe dintre designurile de turbine comerciale H-Darrieus (ex. UGE) utilizează profile aerodinamice curbate (datorita portanţei ridicate), cuplate cu pale elicoidale. În acest mod cresc abilitatea de autopornire şi ajută la reducerea încărcărilor (îmbunătăţiri propuse de Claessens la turbina Turby a TU Delft) [8, 62] Cu scopul de a îmbunătăţi performanţele profilului aerodinamic, în ultimii ani au fost implementate soluţii preluate din industria aeronautică. Elementele adiţionale ale profilului aerodinamic pot fi active (Flapsuri, voleţi) sau soluţii pasive (generatoare de vârtejuri, voleţi ficşi, flapsuri Gurney). Fig.1.6. Exemplu de rotor VAWT cu elemente mobile de tip flapsuri [65, 68] In studiul sau [70], Paul Veers investigheaza solutia unui rotor cu pale deformabile, care in functie de viteza de rotatie isi schimba geometria (i.e. raportul H/D). Astfel, a obtinut o turbina care lucreaza la un coeficient de putere maxim pe o plaja mai mare de λ Concluzii asupra stadiului actual - problematică generală In acest capitol au fost prezentate caracteristicile generale ale turbinelor cu ax vertical, punandu-se accentul pe solutiile destinate implementarii mediului urban. In urma studiului s-au desprins o serie concluzii: C.1. : Dintre variantele de turbine eoliene de mică putere, implementabile în mediul urban, cele cu ax vertical se dovedesc a fi mai potrivite, datorită abilităţii acestora de a capta vântul din toate direcţiile, de a funcţiona în condiţii de turbulenţe si permit accesul mai uşor la ansamblul sistemului de control electric. 18

19 1. Stadiul actual C.2. O mare influenţă asupra performanţelor turbinelor eoliene de mică putere, cu ax vertical, o au atât forma palelor şi aria măturată, cât şi profilul aerodinamic ales. C.3. Principalele probleme ridicate de implementarea în mediul construit sunt: a. Efectul clădirilor asupra resursei eoliene (curgere înclinată, raportul Warwick) b. Dimensiunea rotorului funcţie de dimensiunea clădirii c. Vibraţii, zgomot, solicitările structurii C.4. Metodele de creştere ale performanţelor turbinelor de tip Darrieus clasic se concentrează în primul rând pe: a. creşterea coeficientului de putere C P - Prin mărirea raportului H/D (deci prin alungirea rotorului) - Prin schimbarea profilului aerodinamic - Prin schimbarea geometriei palei - Prin introducerea elementelor de geometrie variabilă b. Influenţa numărului de pale c. Influenţa grosimii palei (coarda) d. Influenţa profilului aerodinamic e. Varierea profilului aerodinamic f. Creşterea CP la valori λ mai mici (λ=3 4) C.5. Metodele de reducere ale încărcărilor structurale a. Profil aerodinamic b. Sistem de amortizare (elemente elastice, generator asincron) c. Elemente mobile (flapsuri, voleţi) C.6. Metodele pentru facilitarea auto-pornirii pot fi grupate pe următoarele trei categorii sau domenii: aerodinamic, materiale şi mecanic. C.7. Din punct de vedere aerodinamic sunt: a. Profil aerodinamic (simetric sau curbat) b. Număr mai mare de pale c. Elemente mobile (flapsuri, voleţi) d. Creşterea solidităţii: prin mărirea numărului de pale sau a lungimii corzii e. Elemente pasive (voleţi ficşi, generatoare de vârtejuri, flapsuri Gurney etc) f. Soluţii hibride (cuplare cu rotor Savonius) g. Soluţii întâlnite la alte turbine (HAWT şi H-Darrieus) h. Creşterea numărului Reynolds Din punct de vedere mecanic sunt: a. Soluţii externe (utilizarea generatorului ca motor) b. Utilizarea elementelor de tip flapsuri în sistemul de frână aerodinamică c. Elemente elastice Din punct de vedere al materialelor sunt: a. Materiale utilizate cât mai uşoare 19

20 1. Stadiul actual Considerând aspectele enumerate anterior, avem ca premise pentru noul design: Cerinte rezultate in urma: Studiului recomandarilor din rapoarte si carti Segmentului de piata careia se adreseaza noul design Ax vertical; Funcţionare în condiţii de turbulenţe; De mică putere: 500 W > P < 2500 W; Dimensiunile de gabarit: D<2.5 m, H<2 m, H/D >= 1; 1.6<λ <2, Soliditate: 0.3% 0.6 %, Re > ; Cut-in (design) < 3 m/s; 3 pale; Viteza nominală: 11 m/s; Putere nominală: kw, Cp max > 0.35; Viteza variabilă; Profil aerodinamic, asimetric, curbura <4 Curba de putere cât mai largă; Annual Energy Output: 2 kwh la 5 m/s viteza medie; Sistem de amortizare vibraţii, Zgomot redus, Vibraţii reduse; Materiale uşoare; Reducerea complexităţii sistemului; Sistemul de control: obiectivul final al turbinei este posibilitatea de legare la reţea; Cerinte inca nerezolvate de turbinele existente Elemente care reduc vibraţiile pentru turbinele amplasate pe clădiri; Pornirea la viteze mici ale vantului; Turbină eoliană destinata implementării urbane care să fie eficientă la viteze mici ale vantului (mai mici de 3 m/s); Scăderea incărcarilor, a vibaţiilor şi a zgomotului; Cp>0.35 la λ<2 si Re= Zgomot redus; Modul de amplasare; Siguranţa la viteze mari ale vântului; Elemente care cresc portanţa şi întârzie desprinderea stratului limită la turbinele de tip Darrieus clasic (cu profil Troposkein); Integrarea armonioasă în mediul construit Functionarea la TSR mic; Facilitarea pornirii unei turbine Darrieus clasic (tip batator de ou); Tabel.1.1. Cerinţele noului design 20

21 1. Stadiul actual 1.2. CERCETĂRI TEORETICE. CALCULE ANALITICE DEOSEBITE. Acest subcapitol prezintă o abordare generală a modelelor teoretice aplicate în modelarea turbinelor cu ax vertical, VAWT. Se porneşte de la o trecere în revistă a modelelor, dupa care se alege un model simplificat de calcul şi un model complex. Modelele teoretice aplicate turbinelor eoliene cu ax vertical se împart în două categorii majore. Modelul matematic aplicat turbinelor de tip Savonius şi modelul teoretic aplicat turbinelor de tip Darrieus. Cum obiectivul tezei este acela de a dezvolta o turbină eoliană de tip Darrieus, în continuare vor fi prezentate modelele din literatura care au fost utilizate în modelarea analitică a turbinei. Modelul simplificat, dezvoltat iniţial de Strickland şi continuat de Wilson-Lissaman [24] Un sigur disc şi tuburi multiple de curent - are rolul de a studia influenţa diferiţilor parametrii de design şi de a ajuta la o predimensionare aproximativă a modelului. Modelul complex, dezvoltat de Paraschivoiu [20] Două discuri în tandem şi tuburi multiple de curent - este o rafinare a modelului simplificat, prin care putem varia o serie mai mare de parametrii, iar sensibilitatea la schimbarea parametrilor este mai mare. Ambele modele de calcul sunt validate utilizând date experimentale furnizate de laboratoarele Sandia petru modelul de Darrieus clasic, de 2m. Scopul acestei etape este acela de a stabili cât mai corect performanţele diferitelor configuraţii de rotoare şi de a permite modificarea datelor de intrare astfel încât să aducem designul turbinei la parametrii doriţi. Este o soluţie pentru o predimensionare optimizare rapidă, prin care se elimină din start variantele cu performanţe scăzute. Trebuie ţinut cont şi de faptul că, nici unul dintre aceste modele nu asigură funcţionarea la parametrii de design finali ai turbinei, în condiţiile reale de exploatare. De aceea se recomandă ca după definirea designului prin metode analitice, să se treacă la modelarea CAD 3D a acestuia şi să se urmeze simulări mai laborioase dar mai exacte, prin intermediul metodelor CFD (Computational Fluid Dynamics) şi a simulărilor virtuale de tip CAE, iar în paralel, testarea unui prototip la scară Modele de calcul. In calculul turbinelor de tip Darrieus s-au ales ca modele pentru predimensionare si optimizare initiala doua metode una simplificata si una complexa, care au la baza teoria momentului elementului de pala (Blade Element Momentum theory - BEM): a. Metoda simplificata: Metoda turburilor multiple de curent cu un singur disc actuator (single actuator multiple streamtubes) [19, 20] b. Metoda complexa: Metoda tuburilor de curent multiple cu discuri in tandem (double actuator multiple streamtubes) [19, 20] Metodele tuburilor de curent sunt construite pe principiul conservării momentului într-un flux semi-constant, egalând forţele de pe palele turbinei cu schimbările în momentul aflat dealungul fluxului, prin turbină [16]. Astfel, se presupune că o serie de tuburi de curent, egale, străbat rotorul, iar pentru fiecare în parte momentul de-alungul fluxului egalează forţele de pe pale pe direcţia fluxului. Modelul cu un singur disc care înlocuieşte rotorul într-o secţiune perpendiculară pe direcţia fluxului consideră vitezele induse ca fiind constante. 21

22 1. Stadiul actual Teoria elementului de pala (BEM) consideră rotorul împărţit în elemente de pală, tratate independent, obţinute prin intersectarea rotorului cu planuri paralele, orizontale, conţinute în tubul de curent. Pentru fiecare element de pală se calculează forţele care acţionează. Fig 1.7. Comparaţie a metodelor de analiză care au la bază teoria BEM Fig.1.8. Reprezentare a triunghiurilor de viteze şi a forţelor aerodinamice Fig.1.9. Componente geometrice profil pală. a. Metoda simplificată a tubului de curent multiplu cu un singur disc [114, 20, 19] Puterea mecanică la nivelul axului rotorului se calculează după formula: Se observa ca parametrii la care se poate interveni sunt:. (2.1) Aria măturată a rototului, A, este dependentă de înălțimea a rotorului și de raza a turbinei, iar pentru geometria parabolei este de forma [16]: (2.4) Fig Tubul de curent singular si planul discului care conține aria măturată a turbinei independentă de numărul de pale 22

23 1. Stadiul actual Calculul coeficientului de putere : Coeficientul de putere al turbinei este o expresie a cantitatii de putere extrasa din totalul de putere disponibila [20]. In [3] acesta este exprimat ca depinzand de: Coeficientul de putere depinde direct de urmatorii parametrii: care este un factor de forma al palei. Este influentat de dependenta curbei C L -α a profilului aerodinamic, si de raportul de forma al palei (2.7) soliditatea rotorului care se calculeaza dupa forma (2.4) este influenţat direct de numărul de pale, coarda profilului si lungimea palei. care defineste inclinarea palei intr-un anumit punct este un parametru de formă, depinzand de forma palei si de H si R max. coeficientul de viteza periferica (notat si cu ), ecuatia (2.8). Depide de valoarea R si ω Fig Schemă a paramerilor de care depinde C P si de viteza vantului,. (2.6) Fig Parametrii geoometrici turbină VAWT [paraschivoiu] Puterea la axul turbinei poate fi astfel calculată cu expresia: (2.14) Concluzie: Metoda de analiza simplificata poate oferi o idee globala asupra performantelor turbinei, dar, din pacate nu ofera o influenta reala a mai multor parametri, cum ar fi numarul de pale, a valorilor in cazul unghiurilor cand stratul limita se desprinde. De asemenea, influenta profilului aerodinamic este minima, iar acuratetea predictiilor este slaba. De aceea, dupa intelegera metodei de lucru, a legaturilor dintre parametrii si a modului de abordare al problemei, s-a trecut, pentru studierea noului concept, la analiza prin metoda complexa cu doua discuri 23

24 1. Stadiul actual actuatoare in tandem, care este prezentata in continuare. In cadrul acestei analize complexe s-a pornit de la validarea metodei prin rezultatele experimentale pentru turbina Sandia de 2m (curba C P -λ). b. Metoda simplificată a tubului de curent multiplu cu discuri în tandem [15, 16, 19] Teoria DMS (Double Multiple Streamtube Model) imbina teoria discurilor în tandem (dublu disc) cu cea a momentului elementului de pala (BEM). Fluxul de aer este impartit intr-un set de tuburi mai mici, atat pe orizontala cat si pe verticala, la fel ca si in cazul metodei simplificate. Palele trec prin acest tub, in rotatia lor de 360 grade, extragand energie si reducand din viteza fluidului. Datorita configuratiei turbinelor cu ax vertical, palele trec prin fiecare tub de flux de doua ori. Astfel rotorul este impartit in doua (parte din amonte a fluxului upstream, si partea din aval downstream). Double disk sunt defapt doua discuri independente, lucrand in tandem CERCETĂRI TEORETICE. CALCULE NUMERICE DEOSEBITE. În domeniul turbinelor eoliene, un studiu aprofundat, referitor la testările şi parametrii de investigat, este oferit de Carlo Bottasso [5]. El împarte analiza în trei etape: a) Analiza statică b) Analiza modală c) Analiza CFD cuplată cu structurală - Forţe externe - Frecvenţe şi moduri - Momentul rezultat la nivelul - Încărcări inerţiale la proprii axului rotorului viteze de rotaţie - Analiza pe componente - Forţele aerodinamice pe pale unghiulară constantă - Analiza completă la - Vibraţii torsionale - Încărcări aerodinamice diferite viteze fixe unghiulare Tabel Etapele modelării unei turbine eoliene [5] Astfel, reiese că o mare importanţă o are atât geometria utilizată, cât şi calitatea mesh-ului şi gândirea succesiunii de paşi în analiză, astfel încât să se poată corela rezultatele. În primul rând trebuie definită analiza: ceea ce dorim să obţinem şi mijloacele de care dispunem. Datele de intrare de care avem nevoie şi datele de ieşire pe care le putem obţine. Astfel, strategia de rezolvare a modelului virtual poate oferi rezultate suficient de sugure şi de apropiate de cele experimentale. 24

25 1. Stadiul actual În Fig este prezentata o propunere de analiză oferită de firma Ansys, pentru o turbină eolienă cu ax orizontal. Fig Exemplu de analiză cuplată în Ansys [109] CERCETĂRI EXPERIMENTALE. Investigaţiile experimentale sunt o parte foarte importantă a cercetării. Astfel, în cazul testărilor experimentale sunt o serie de aspecte care trebuie să fie analizate cu multă atenţie: a. Parametrii pe care dorim să-i obţinem b. Echipamentul de care dispunem c. Dimensiunile posibile ale prototipului de testare d. Scalarea prototipului e. Determinarea parametrilor care îşi schimbă caracteristicile în cazul prototipului pentru a păstra similitudinea f. Timpul necesar testărilor g. Achiziţia şi prelucrarea datelor h. Interpretarea şi validarea datelor experimentale. Validarea simulărilor virtuale. i. Optimizarea prototipului Reducerea la scară a unei turbine eoliene Într-un studiu aprofundat, C. Bottasso [5] oferă o serie de parametri care intră în analiza turbinelor eoliene, şi factorul de reducere la scară pentru prototip. Astfel avem: R t /R p = n, factorul de scalare; depinde de raza prototipului R t şi de cea reală R p Ω t /Ω p = 1/(nk), viteza unghiulară, unde k poate lua valori k=1,2... Re t /Re p =n/k, numărul Reynolds Mt/Mp =n 3 /k 2, momentul la axul rotorului ρm t /ρm p =n 0, densitatea materialului (EJ) t /(EJ) p =n 4 /k 2, rigiditatea la incovoiere Alegerea materialelor pentru model Alegera meterialelor, după cum s-a văzut, este un aspect foarte important în consistenţa şi similitudinea dintre modelul real şi cel redus la scară va fi de asemenea foarte importanta. Un 25

26 1. Stadiul actual studiu referitor la utilizarea materialelor în designul ingineresc este dată de Ashby. În Fig este reprezentată diagrama variaţiei modulului lui Young cu densitatea. Fig Diagrama Modul Young densitate, Ashby [2] 26

27 2. Obiectivele tezei de doctorat 2. OBIECTIVELE TEZEI DE DOCTORAT In cadrul prezentei lucrari de doctorat, autoarea si-a propus atingerea urmatoarelor obiective majore: O.1. Realizarea unei documentări de ultimă oră şi evidenţierea aspectelor încă nesoluţionate din domeniul turbinelor eoliene cu ax vertical, de mică putere; O.2. Analiza numerică a efectului elementelor fixe (ex.: a voleţilor) asupra performanţelor profilului aerodinamic; O.3. Analiza numerică a efectului elementelor mobile (ex.: a flapsuri) asupra performanţelor profilului aerodinamic; O.4. Conceperea unor modele noi care să fie brevetabile, ţinând seama de noutatea designului (profil pale şi sistem de amortizare); O.5. Analiza numerică cu model simplificat, cu scopul de a predimensiona structura; O.6. Analiza numerică avansată cu scopul de a optimiza ansamblul din punct de vedere structural; O.7. Calculul privind solicitarea reală la nivelul axului, ţinând seama de natura oscilantă (dupa o solicitare de tip oscilant) a momentului rezultant; O.8. Utilizarea unui program avansat de simulare a oscilaţiilor torsionale la nivelul axului; O.9. Analiza modală a ansamblului din timpul funcţionarii; O.10. Conceperea unui model redus la scară, prin utilizarea teoriei similitudinii; O.11. Analiza numerică a stării tensionat deformate pentru modelul redus la scară; O.12. Realizarea fizică a modelului redus la scară; O.13. Conceperea şi realizarea unui stand original pentru evidenţierea efectului forţei de inerţie asupra stării tensionat-deformate a palei; O.14. Efectuarea unor teste de mare precizie privind efectul forţei de inerţie; O.15. Validarea modelului numeric utilizat, pe baza rezultatelor măsuratorilor; O.16. Conceperea unui stand original utilizabil la tunele aerodinamice existente; O.17. Realizarea unei sinteze a cercetărilor teoretice şi experimentale efectuate; O.18. Sinteza contribuţiilor la tematica abordată; O.19. Stabilirea unor direcţii viitoare de cercetare; O.20. Diseminarea rezultatelor cercetărilor teoretice şi experimentale prin publicaţii; 27

28 3. Cercetări analitice proprii 3. CERCETĂRI ANALITICE PROPRII În dezvoltarea turbinei s-au parcurs două etape ale modelării analitice: o predimensionare rapidă cu scopul de a înţelege metoda, prin aplicarea teoriei simplificate, a unui singur disc şi a tuburilor multiple de curent; iar a doua etapă a constat din varierea diferiţilor parametrii (raportul D/H, lungimea corzii deci soliditatea σ, coardă variabilă, profilul aerodinamic, utilizarea unei combinaţii de profile aerodinamice) prin aplicarea metodei discului în tandem si a tuburilor de curent multiple, care oferă o acurateţe mult mai mare în estimarea performanţelor. Această a doua etapă a fost realizată cu ajutorul softului QBlade, dezvoltat de [10, 11] de la Universitatea Tehnică Berlin [27]. O validare a ambelor metode s-a realizat utilizând datele oferite de Laboratoarele Sandia în [3, 19], pentru o turbină clasică de tip Darrieus, cu diametrul de 2m. Astfel, în analiza de predimensionare, se porneşte de la metoda prezentata de [3, 19], utilizându-se un rând de date de intrare şi o serie de parametrii de ieşire. Obiectivul este acela de a observa influenţa diferiţilor parametri de intrare asupra curbei Cp-λ, şi de a putea estima puterea maximă pentru un anumit design. În continuare este prezentat algoritmul de predimensionare prin metoda simplificată. Relaţiile de calcul, care stau la baza modelului utilizat [3, 19, 49] sunt o combinare a metodei utilizând un singur tub de curent şi un singur disc, dezvoltată de Wilson-Liesseman, cu cea a tuburilor multiple şi cu cea a momentului elementului de pala (BEM). Astfel s-a creat un algoritm în Excel, unde, la modelul simplificat, au fost incluse îmbunătăţirile introduse de [bat..] referitoare la raportul AR al palei, cât şi o metodă îmbunătăţită de calcul a CP, care ia în considerare influenţa desprinderii stratului limită şi a profilului aerodinamic funcţie de numărul Reynolds, dezvoltată special pentru acest studiu. Din păcate, limitările acestui model sunt: utilizează numai profile simetrice şi nu ţine cont de inclinarea palei deci, se pot utiliza numai pale drepte şi nu elicoidale. Modelul are ca date de intrare: geometria rotorului, parametrii de portanţă şi rezistenţă aerodinamică ai profilului, viteza vântului sau λ, soliditatea. Ca date de ieşire sunt: curba de putere în termeni de C P -λ, şi coeficientul de moment (C M -H). Predimensionarea are ca obiective optimizarea unei turbine de tip Darrieus pentru funcţionarea in mediul urban. Ca urmare, obiectivul principal de design este optimizarea turbinei pentru a obtine 1 kw de putere, la o viteza nominala de si care sa inceapa sa produca la viteze mici ale vantului, de cel mult 3 m/s, specifice mediului urban. Densitatea aerului este o constanta, iar viteza nominala de design a vantului este considerata de 7 m/s, cu mai mult decât viteza locaţiei de implementare (considerată 5 m/s). Pentru validarea modelului de analiză al turbinei s-au utilizat urmatoarele date de intrare ale turbinei Sandia 2m [19] şi forma palei cu datele profilului adimensional preluate din [21]: D/H A [m 2 ] c [mm] σ B t/c profil NACA 0012 Tabel.3.1. Parametrii turbină Sandia 2m 28

29 CP [-] 3. Cercetări analitice proprii Fig.3.1. Rotorul Darrieus Sandia de 2m. Câmp experimental [57] si modelare QBlade În Fig.3.1. sunt prezentate rezultatele experimentale obţinute la testările prototipului Darrieus de 2m. Datele au fost preluate si prelucrate fiind mai apoi utilizate in validarea QBlade. Deşi în raportul Sandia este prezentată şi curba de putere adimensională pentru testările în tunelul aerodinamic, aceasta nu a fost luată în calcul la validarea QBlade. Motivaţia omiterii acestor rezultate este legată de corecţiile de blocaj făcute pentru aceste testări, care au alterat similitudinea cu rezultatele modelului analitic şi experimental în câmp deschis, rezultând o diferenţă mare între curba din tunel şi celelalte curbe (câmp testare, validare QBlade). Este cunoscut faptul ca, blocajul în tunelul aerodinamic este greu de evaluat depinzând de mai mulţi factori, printre care şi raportul dintre coarda modelului înălţimea tunelului combinate cu corecţiile de perete ale tunelului, cu schema de acurateţe şi cu calitatea modelului [22]. În [67], pentru a valida metoda BEM s-a utilizat acelaşi rotor Sandia şi aceeaşi curbă experimentală. Metoda QBlade a fost validată şi în [82] utilizând rotorul Sandia de 17 m. Pentru această teză, autoarea a ales ca rotor pentru validare cel de 2m deoarece este apropiat ca dimensiuni de noul concept de VAWT care va fi dezvoltat, şi astfel se poate face uşor o comparaţie între noul concept şi o turbina Darrieus clasică. Astfel, în Fig.3.2. se poate vedea validarea QBlade. Diferenţa în acest caz, dintre curbele experimentale şi curba de validare QBlade adica nesuprapunerea perfectă a curbelor sunt datorate unei subevaluari a valorilor la unghiuri mici de atac (subevaluarea se datorează algoritmului de evaluare a performanţelor profilului aerodinamic care are la bază metoda Xfoil) şi expansiunii tuburilor de flux care nu este considerată în acest model de calcul. Pe lângă acestea, sunt ignorate în analiză şi o serie de elemente geometrice constructive (braţe, ax). Ca rezultat, curba de putere pentru validare diferă numai la valori mai mari ale λ. Curba Cp-λ obţinută s-a dovedit suficient de corectă pentru a confirma validarea CP vs TSR CP exp CP calc λ (TSR) [-] Fig.3.2. Validarea algoritmului in QBlade. 29

30 CP [-] 3. Cercetări analitice proprii 3.1. DETERMINAREA DIMENSIUNILOR DE BAZĂ ALE ROTORULUI In determinarea dimensiunilor de baza ale rotorului s-a pornit de la cerinta de design de a obţine o turbină care să producă 1kW. Forma palei este o parabolă, după coordonatele adimensionale preluate din lucrarea [21]. Profilul aerodinamic a fost ales un NACA0018. Aşa cum a fost prezentat şi anterior, în ultimul timp, studiul din domeniul turbinelor eoliene cu ax vertical s-a îndreptat spre utilizarea profilelor mai groase, deoarece oferă o plajă mai mare de unghiuri de atac înainte de desprinderea stratului limită. Pe de alta parte, odata cu creşterea grosimii profilului, scade şi performanţa acestuia. La numere Reynolds mici, studiile recomandă profile subţiri, cu o mică curbură pe intrados [56, 59]. Acestea însă ajung rapid în zona de desprindere a stratului limită şi nu oferă nici rezistenţa structurală necesară. Parametru Valoare Unitate H 2.5 [m] R 1 [m] B 3 [-] L [m] A 3.33 [m 2 ] Tabel.3.2. Parametrii geometrici noua turbină. Cu parametrii prezentaţi mai sus, şi considerând o valoare λ = 3, coeficientul de putere teoretic al rotorului este C P = Curba de putere rezultată este prezentată în Fig CP vs λ λ [-] Fig.3.3. Curba de putere a turbinei propuse, calculată cu metoda simplificată. Următorul pas în optimizarea rotorului a constat în studiul influenţei solidităţii asupra curbei de putere, prin varierea grosimii corzii. Astfel, în Fig.3.4 se poate observa curba de putere obţinută prin modelarea în QBlade a rotorului şi varierea corzii. Au fost investigate trei tipuri de solidităţi (Tabel 3.3.). Din rezultate se poate observă că, prin creşterea solidităţii, putem obţine, 30

31 CP 3. Cercetări analitice proprii cu mici modificări în valoarea C Pmax, o scădere a valorii λ, corespunzătoare C Pmax. Acest lucru conduce la o reducere a zgomotului emis. Soliditate σ Cp max λ Tabel.3.3. Variaţia valorii C Pmax şi a λ corespunzător, funcţie de soliditate. Modelul rotorului realizat în QBlade CP vs λ λ Fig.3.4. Variaţia curbei de putere cu soliditatea Din Tabelul.3.3 rezultă că cea mai bună soluţie obţinută este cea cu soliditatea de σ = 0.4, care dă o lungime a corzii de c = 0.13m. Soliditatea de σ = 0.5 oferă o lungime mai mare a corzii, de c = 0.16m. Cum scopul acestui studiu este în principal acela de a reduce vibraţiile şi a optimiza structura, şi nu doar de a îmbunătăţi din punct de vedere aerodinamic rotorul, s-a realizat o analiză a valorilor momentului de-alungul înălţimii rotorului pentru cele două solidităţi (i.e. 0.4 şi 0.5). În Fig.3.5. şi Fig.3.6. sunt prezentate valorile momentului normalizat rezultate de-alungul înălţimii rotorului. În Fig.3.5. sunt prezentate valorile pentru rotorul cu σ = 0.4, la valori ale λ de 2 6. Se observă astfel, că momentul rămâne pozitiv de-alungul întregii înălţimi până la λ = 5, deci aproape în toată plaja de funcţionare a rotorului. În Fig.3.6. sunt prezentate valorile pentru rotorul cu σ = 0.5. Se vede că, la valori mici ale λ momentul este mai mare decât în cazul solidităţii de 0.4, dar, odata cu creşte valoarea λ, se va reduce valoarea momentului. 31

32 z [m] z [m] 3. Cercetări analitice proprii Se poate concluziona că, deşi soliditatea de 0.4 oferă un moment mai mare la λ mari, la valori λ mici, creşterea solidităţii oferă caracteristici mai bune. Acest lucru înseamnă că un rotor cu soliditate mai mare are un comportament mai bun la auto-pornire. Se ştie că în mediul urban vitezele medii sunt relativ mici (3 5 m/s), şi deci, este preferabil un moment mai mare la valori λ mici. Considerând acest aspect, în cazul turbinei dezvoltate în această teză, a fost aleasă o soliditate de Moment pe element de înălţime σ = 0.4 M [Nm/m] TSR = 2 TSR = 3 TSR = 4 TSR = 5 TSR = 6 Fig.3.5. Variaţia momentului pe înălţime, la σ = Moment pe element de înălţime σ = 0.5 M [Nm/m] TSR = 2 TSR = 3 TSR = 4 TSR = 5 TSR = 6 Fig.3.6. Variaţia momentului pe înălţime, la σ = 0.5. Parametrii finali pentru turbina dezvoltată, la scara 1:1, sunt prezentaţi în tabelul 3.4. H R σ N c [m] [m] [-] [-] [m] Tabel.3.4. Parametrii finali ai prototipului 1:1, după modelarea în QBlade 32

33 CL 3. Cercetări analitice proprii 3.2. DETERMINAREA INFLUENŢEI FLAPSURILOR ASUPRA PERFORMANŢELOR ROTORULUI Unul din obiectivele acestui design de turbina este imbunatatirea performantelor la viteze mici ale vantului. In acest scop, s-a realizat un studiu preliminar al influentei diferitelor unghiuri ale flapsurilor asupra performantelor profilului NACA0018 si asupra curbei de putere a turbinei. Analiza s-a realizat cu ajutorul softului QBlade dezvoltat de TU Berlin. Datorita faptului ca softul are integrat solverul Xfoil dezvoltat de Mark Drela de la MIT [73], s-au putut evalua performantele diferitelor profile aerodinamice. Trebuie tinut cont de faptul ca analiza in QBlade, fata de o analiza mai complexa CFD, are cateva limitari: are acuratete acceptabila numai pentru numere Reynolds mari, iar efectul elementelor aditionale (axul turbinei, elemente de rigidizare/legatura) nu este luat in considerare. Una din problemele intalnite la numere Re mici este separarea laminara si reatasarea, care au loc mai mult la numere mari Re, si deci, estimarea acestora este dificila. Alt aspect negativ al modelarii in QBlade este imposibilitatea de a modela profile cu flapsuri cu fanta, sau pale cu elemente multiple Performanţele profilului NACA0018 Asa cum s-a mentionat la inceputul subcapitolului, s-a utilizat pentru modelarea performantelor profilului, pana la desprinderea stratului limita. Extrapolarea pe 360 grade este facuta in QBlade cu modelul Montgomerie. Analiza pentru toate cazurile a fost facuta la numere Reynolds de si pentru care Timmer [60] ofera rezultate experimentale. In Fig.. sunt prezentate rezultatele analizei. Se poate observa ca, datorita subestimarii coeficientului de rezistenta aerodinamică C D, cu aproximativ 9%, unghiul de desprindere a stratului limita creste de la 12.1 grade la 17 grade pentru valori Re = , si de la 18 grade la 21 grade pentru Re = De asemenea, valoarea coeficientului de portanta CL la AoA α=12 grade este marita in Xfoil, de la (Timmer), la 1.102, pentru Re=150000, si pentru α=18 grade, de la (Timmer), la 1.23, la un Re= C L NACA 0018 Xfoil Re 150k Xfoil Re 300k Timmer Re 150k Timmer Re 300k α [deg] Fig.3.7. NACA0018 C L α Xfoil Re 150k 0.4 Xfoil Re 300k 0.2 Timmer Re 150k 0.0 Timmer Re 300k CD Fig.3.8. NACA0018 C L C D Performanţele profilului NACA0018 cu flapsuri Pentru aceasta simulare a fost alesa o dimensiune fixa a flapsului, la 25% din lungimea corzii, la care s-a variat doar unghiul de inclinare. 33

34 CL 3. Cercetări analitice proprii Prima configuratie este la 2 grade, rezultand ca valoare AOA cu maximum C L /C D (Fig7) este 6.5 cu C L =0.89. Coficientul maxim de portanta este C Lmax =1.255, rezultand o valoare mai mare decat pentru NACA0018. A doua configuratie este cu flapul inclinat la 5 grade. Rezultatele arata o crestere a coeficientului maxim de portantac Lmax =1.35, dar o descrestere in AOA corespunzatoare valorii maxime C L /C D =46.99, la AOA=6 si C L = A treia valoare este de 10 grade inclinare. Si aici coeficientul maxim de portanta creste la C Lmax =1.4373, dar se obtine un raport C L /C D mai mic, inducand prea multa rezistenta aerodinamica pentru a fi eficient. De asemenea scade si valoarea AOA pentru raportul maxim C L /C D =47.7, la AOA=4.5 si C L =0.94. In acest caz, curba C L -C D arata o crestere semnificativa a coeficientului de rezistenta aerodinamica la C L intre 0.6 si Pentru ultima configuratie investigata, cu flaps la 20 grade, se vede o crestere a C Lmax =1.73, dar o mai mica C L /C D si deci, induce prea multa rezistenta aerodinamica. Se observa ca valoarea maxima C L /C D este mai mica decat in celalalte cazuri, aratand ca valoarea componentei de rezistenta aerodinaica este foarte mare, si deci, profilul poate fi utilizat numai ca frana aerodinamica, la viteze mari ale vantului si la rotatii mari, ca sistem suplimentar de limitare a puterii. CL-AOA Re= NACA0018 flap 2 deg -1 flap 5 deg flap 10 deg flap 20 deg -1.5 α [deg] -1 Fig.3.9. Curba C L α pentru profilul NACA0018 cu flapsuri 1 NACA flap 2 deg flap 5 deg 0 flap 10 deg C L C L -C D Re= CD Fig Curba C L C D pentru profilul NACA0018 cu flapsuri Considerând performanţele profilelor aerodinamice, s-a trecut la investigarea efectului acestora asupra performanţelor rotorului definit la începutul subcapitolului. În Fig Sunt 34

35 3. Cercetări analitice proprii M [Nm] reprezentate curbele de putere pentru două designuri de turbine eoliene VAWT, cu acelaşi diametru maxim şi aceeaşi înălţime: Darrieus clasic şi un H-Darrieus. Pentru ambele rotoare s-a constatat o creştere a coeficientului de putere pentru valori ale unghiului flapsului până la 10 grade, şi o descreştere a C Pmax pentru valori mai mari de 20 grade. Astfel se poate concluziona ca, valori mici ale unghiului flapsurilor (2 10 grade) ajuta la cresterea performantelor turbinei, dar valori ridicate (peste 20 grade) scad performantele si deci, se recomanda utilizarea acestora ca sistem ajutator la controlarea puterii. C P SANDIA_flap 5 deg SANDIA_flap 20 deg H-Darrieus flap 5 deg H-Darrieus flap 20 deg C P -λ VAWT Fig Influenţa unghiului flapsului asupra curbei de putere la o VAWT Determinarea momentului la noul rotor Următoarea etapă în modelarea analitică este determinarea mometului. Modelul ales este turbina cu soliditatea σ = 0.5, care dezvoltă un C Pmax la valoarea de λ = 3. S-au studiat atât variaţiile coeficientului de moment pe o rotaţie la diferite λ, cât şi variaţia forţelor axiale si transversale în timpul unei rotaţii. Următorul pas a constat în analizarea variaţiei de moment la diferite viteze de rotaţie (Fig.3.12) λ [-] Momentul rotorului θ [grade] 7 m/s 270 rpm 11 m/s 270 rpm 7 m/s 134 rpm 11 m/s 134 rpm Fig Momentul rotorului la diferite rpm şi viteze ale vântului 35

36 3.3. CONCLUZII ŞI CONTRIBUŢII Concluzii 3. Cercetări analitice proprii 1. Modelul de calcul utilizat este suficient de exact pentru a fi utilizat în predimensionarea turbinei noi. 2. Profilul palei este preferabil să fie mai gros pentru a întârzia desprinderea stratului limită. Din acest motiv este preferabil un profil de tipul NACA0018 sau NACA0021, unui profil de tipul NACA Din punct de vedere structural, profilul aerodinamic este preferabil să fie mai gros. 4. Coeficientul maxim de putere, în urma calculelor prin metoda simplificată, are valoarea de C Pmax = 0.332, la o λ = Creşterea solidităţii rotorului σ, conduce la o mutare a C Pmax către valori λ mai mici. 6. Creşterea σ conduce însă la o scădere a C Pmax. S-a observat că această scădere, în cazul rotorului analizat nu este mare, deci face posibilă alegerea solidităţii şi pe alte considerente, având impact mic asupra performanţelor finale ale turbinei. 7. Deşi soliditatea de 0.4 a oferit cel mai bun coeficient de putere, în urma studiului momentului la diferite viteze λ şi solidităţi, s-a observat că soliditatea de 0.5 produce un moment mai mare la valori λ mici, şi deci favorizează autopornirea turbinei. Astfel, pentru noul design, a fost aleasă soliditatea de Studiul influenţei flapsurilor asupra performanţelor turbinei a arătat ca, la unghiuri mici de înclinare (mai mic de 10 grade), efectul flapsurilor este acela de a creşte performanţele turbinei. În schimb, valori ale unghiului flapsului mai mari de 20grade au dus la o scădere a performanţelor turbinei, ceea ce a dus la concluzia că la unghiurile mai mari de 20 grade, flapsurile pot fi utilizate ca sistem secundar de reglare a puterii turbinei. 9. Momentul la nivelul axului rotorului depinde atat de viteza de rotaţie, cât şi de viteza vântului. Astfel, se observă, ca la creşterea vitezei de rotaţie momentul se uniformizează, pe când la viteze mici de rotaţie tinde să aibă un caracter neuniform. Din acest motiv studiul influenţei vitezei de rotaţie asupra vibraţiilor structurale este foarte important Contribuţii 1. Crearea modelului de calcul analitic si validarea acestuia prin compararea rezultatelor obţinute în simulări, cu rezultatele experimentale. 2. Determinarea dimensiunilor de bază ale rotorului pentru o turbină care să producă 1kW la o viteză a vântului de 11 m/s. 3. Realizarea curbei de putere a noii turbine prin metoda simplificată. Coeficientul maxim de putere teoretic este C P = 0.332, la o valoare λ = Studiul influenţei solidităţii asupra curbei de putere a unei turbine eoliene cu ax vertical de tip Darrieus clasic. 36

37 3. Cercetări analitice proprii 5. Studiul momentului de-alungul înălţimii rotorului, în funcţie de soliditatea rotorului. 6. Determinarea influenţei flapsurilor asupra performanţelor rotorului. 7. Determinarea performanţelor profilului aerodinamic NACA0018 cu flapsuri la 2, 5, 10, 20 grade. 8. Validarea şi interpretarea rezultatelor obţinute prin Xfoil. Determinarea erorilor de calcul şi compararea cu rezultatele experimentale. 9. Determinarea moemntului la noul rotor la diferite viteze de rotaţie. 37

38 4. Cercetări numerice proprii 4. CERCETĂRI NUMERICE PROPRII Unul din obiectivele majore ale acestei teze este reducerea vibraţiilor în structura turbinei eoliene. Astfel, autoarea urmăreşte atât reducerea încărcărilor la nivelul palelor, cât şi introducerea unor elemente de amortizare a vibraţiilor, la ieşirea din rotor. Considerând Tabelul 1.2., în acestă teză, s-a ales ca ordine a etapelor în analiză, urmatoarea soluţie: Analiza CFD Definire geometrie Generare mesh Parametrii limită Rezultate Analiza Structurală Generare geometrie Generare mesh structural Aplicare materiale Cuplare geometrie cu cea din CFD Importare presiuni din CFD Introducere cuple şi forţe / momente Rezultate Analiza Modală Analiza modală neîncărcată, liberă - Frecvenţe şi Moduri proprii Analiza modală la diferite viteze de rotaţie: diagrama Campbell (1 si 3) Analiza modală cu încărcări din structural Fig.4.1. Etapele în analiza virtuală a prototipului scara 1:1. Analiza numerică a noului rotor de turbina Darrieus a fost impărţită în trei categorii majore: 1) Analiza CFD 2D a profilului aerodinamic şi a rotorului în secţiune ecuatorială (3 pale). 2) Analiza modală şi interacţiunea fluid-structură a turbinei 3D. 3) Analiza modală şi structurală a prototipului redus la scară ANALIZA CFD 2D A PROFILULUI AERODINAMIC ŞI A ROTORULUI ÎN SECŢIUNE ECUATORIALĂ (3 PALE) Analiza profilului NACA0018. Această analiză are în primul rând scopul de a valida metoda de lucru şi modelarea cu ajutorul softului Ansys CFX. Astfel, se urmăreşte crearea parametrilor şi determinarea caracteristicilor profilului. Fig.4.2. Presiunile la nivelul profilului NACA0018, la un α=10 grade 38

39 4. Cercetări numerice proprii Analiza 2D a rotorului cu 3 pale la nivelul planului ecuatorial. Prin această analiză se pot urmări fenomenele la nivelul planului ecuatorial, cu rază maximă ANALIZA MODALĂ ŞI FLUID-STRUCTURĂ A TURBINEI 3D Model virtual rotor Modelul virtual al rotorului reprezintă puntul de început al simulărilor virtuale în platforma CAE. Modelul respectă atât dimensiunile de gabarit, cât şi detaliile specifice modelului dezvoltat, la scara 1:1. Pornind de la datele prezentate în Tabelul 3.4., şi aplicând profilul de parabolă (conform [21]), pentru forma palei, şi profilul NACA0018 pentru secţiunea palei, modelul virtual a fost realizat în softul CAD SolidWorks. Etapele realizării sunt: a) Importarea coordonatelor profulului aerodinamic (NACA0018, 600 puncte, generat în softul Rfoil) şi aplicarea grosimii palei. b) Importarea formei palei (coordonate preluate din [..Paraschivoiu] şi din analiza simplificată): parabolă. c) Crearea palei d) Generarea rotorului (circular pattern): 3 pale e) Crearea axului turbinei f) Elementele de legatură g) Ansamblu h) Salvarea in format IGS pentru export Fig.4.3. Geometrie rotor realizată în SlidWorks Definirea materialului pentru pale Materialul ales este un compozit din fibră de sticlă. S-a acceptat convenţia de a utiliza un material cu proprietăţi quasi-izotrope, pentru a facilita modelarea şi simularea sistemului. Astfel, pentru turbina a fost ales un material de tipul MAT (cu Roving tocat) [72]. Acesta a fost adaugat 39

40 Frecvenţă [Hz] 4. Cercetări numerice proprii la librăria de materiale (Engineering Data) din softul Ansys, platforma Workbench cu următoarele proprietăţi: Proprietate Valoare Unitate Densitatea 1400 Kg / m 3 Material izotropic (Izotropic material) Modulul lui Young 7.7E+09 Pa Coeficientul lui Poisson Modul de elasticitate global E+09 Pa Modulul de forfecare E+09 Pa Tabel.4.2. Proprietăţi material MAT Restul ansamblului (axul turbinei si elemente de prindere sunt din aliaj de aluminiu) Analiza modală Analiza modală: frecvenţe şi moduri proprii ale structurii Scopul analizei modale este acela de a determina frecvenţele şi modurile proprii ale structurii, în timpul vibraţiei libere, fără nici o constrângere sau forţă aplicată. Modelul virtual este realizat cu elemente finite (FEM), cu întreaga geometrie 3D, şi nu doar de tipul beam. Pentru fiecare element component al geometriei este aplicat materialul corespunzător. Astfel, pentru pale avem materialul compozit definit anterior, iar pentru ax avem aliaj de aluminiu. În urma simulării, au rezultat frecvenţele naturale ale structurii împreună cu modurile asociate (Fig.4.4.) Mod Fig.4.4. Frecvenţele proprii ale structurii, primele 25 moduri 40

41 4. Cercetări numerice proprii Mod Frecvenţa [Hz] Forma Încovoiere Încovoiere Încovoiere Încovoiere + torsiune Torsiune 41

42 4. Cercetări numerice proprii Torsiune Încovoiere + Torsune Încovoiere + Torsune Tabel 4.3. Modurile proprii 7 15 Din Tabelul 4.3. se poate vedea că modurile 7-13 afectează în mare parte doar palele, la încovoiere sau torsiune. Doar modurile 14 şi 15 supun la încovoiere şi o uşoara torsiune axul turbinei. De aceeea şi aceste moduri au o importanţă marită Analiza modală cu viteză de rotaţie impusă: diagrama Campbell Cu ajutorul diagramei Campbell se vor putea identifica vitezele critice de rotaţie ale turbinei, corespunzătoare intrării în rezonanţă. În analiza realizată în Ansys au fost definite vitezele de rotaţie de interes. În tabelul 4.4 sunt prezentate valorile introduse şi corespondentul lor, în funcţie de dimensiunile rotorului, considerând formula: Şi λ = 2.8, corespunzătoare C Pmax, R = 1, avem: rpm ω [rad/s] Tabel Valorile vitezei de rotaţie până la V 0 =10m/s Prima analiză este efectuată pentru rotorul simplu, fără stâlpul de susţinere. (4.1). 42

43 Frecvenţă [Hz] 4. Cercetări numerice proprii Fig Diagrama Campbell pentru rotorul simplu, 3 pale Astfel pentru valoarea 1π (axul), linia critică, corespunzătoare frecvenţelor de 1, 2, 3, 4 şi 5 Hz se află sub valorile frecvenţelor naturale. Pentru valoarea 3π, corespunzătoare celor 3 pale (frecvenţele de 3, 6, 9, 12 şi 18 Hz), viteza critică de rotaţie este la nivelul a: , , , şi rad/s Analiza modală cu încărcări preluate din structural. După determinarea frecveţelor naturale ale structurii este important de investigata influenţa încărcărilor datorate forţelor aerodinamcie. Astfel, în urma analizei CFD au fost extrase presiunile de pe structură, corespunzatoare unui time-step şi apoi au fost aplicate într-o analiză static-structurală. În Fig.4.6. sunt reprezentate frecvenţele proprii ale rotorului. Se observă faptul, că valorile sunt mai mici decât la rotorul nesolicitat, ceea ce arată că analiza structurală a întregului ansamblu este importantă din punctul de vedere al implementării Mod Fig.4.6. Frecvente proprii ale structuri încărcate cu presiuni din CFD 43

44 4. Cercetări numerice proprii Analiza modală cu stâlp de susţinere. A fost realizată şi o analiză structurală a întregului ansamblu: rotor şi stâlp de susţinere de 6m înălţime, pentru a studia vibraţiile care apar în structură Analiza CFD Analiza CFD are ca scop evaluarea forţelor aerodinamice şi a presiunilor exercitate de fluid pe structură. Simularea a fost relizată cu ajutorul softului Ansys CFX Ca prima etapa, pentru facilitarea analizei s-au eliminat elementele de legatura între pale şi axul turbinei. Astfel în analiza CFD au fost introduse numai axul rotorului (creat în Ansys Design Modeler) şi cele 3 pale preluate din geometria creată în SolidWorks. Urmează crearea domeniilor fluide: mesh-ul final al modelului are noduri şi elemente. Parametrii care definesc limitele sunt: Analiză Transient La nivelul Intrării (Inlet): V 0 =7m/s, Turbulenţa de mică intensitate =1% La nivelul ieşirii (Outlet): Presiunea relativa = 0Pa Fluidul este aer la 25 o C Axa de rotaţie: globală X Modelul de curgere: k-ε Transferul de căldură: izotermal, 25 o C Intervalul de timestep: unghi de 5 grade. Fig.4.7. Domeniile şi geometria pentru analiza CFD 44

45 4. Cercetări numerice proprii Analiza CFD 3D a fost realizată cu scopul de a oferi datele pentru preîncărcarea structurii în analiza structurală. În Fig.4.8. se pot vedea presiunile pe pale şi vitezele în planul ecuatorial. Fig.4.8. Domeniul rotativ. Presiuni pe pale şi viteze ale vântului în planul ecuatorial Analiza structurală statică In cadrul acestei analize se urmaresc deformatiile si solicitarile in structura. Analiza se relizeaza individual pentru fiecare timestep din analiza CFD, astfel, putandu-se evalua, la o anumita pozitie unghiulara, ce modificari structurale apar. In Fig.4,9. sunt reprezente suprafetele corespunzatoare analizei CFD si cupla cilindrica (cu toate miscarile fixe) de la baza axului. Fig.4.9. Cuplele şi încărcările aplicate pe structură. Fig Presiuni importate pe structură, corespunzătoare timestep-ului 72. Fig Deformaţii datorate forţelor aerodinamice, corespunzătoare timestep-ului

46 4. Cercetări numerice proprii Prin legarea modulelor de CFD si Static structural din Ansys, s-a realizat importul presiunilor pe suprafata (Fig.4.10.). Rezultatele analizei arată o deplasare de maximum E-004 m la nivelul unei pale, iar un minim de 0 m, la nivelul cuplei cilindrice de pe ax Analiza structurală tranzitorie - dinamică Este următorul pas în analiză şi are ca scop studiul deformaţiilor care apar în structură sub efectul forţelor aerodinamice, inerţiale şi centrifuge. De asemenea permite studiul influenţei forţelor aerodinamice asupra vibraţiilor structuii. Fig Sucesiunea etapelor şi legătura dintre module (exemplu) Analiza modală - structurală în stare dezechilibrată. În acest subcapitol este studiat efectul dezechilibrării rotorului. Oricât de bine ar fi echilibrat acesta, într-un prototip real va exista cu siguranţă un mic dezechilibru. În simulare acesta poate fi realizat sau prin marirea grosimii uneia dintre pale, sau prin schimbarea densitatii materialului pentru o pala Analiza vibraţiilor torsionale. Una din principalele probleme la rotor este apariţia unor vibraţii torsionale. Astfel, s-a studiat efectul acestora în softul SimulationX, printr-o analiză simplificată, de tip 1D. Analiza a avut ca parametru de intrare momentul variabil la axul rotorului, datorat forţelor aerodinamice, importat din analizele prezentate anterior, la care a fost adaugat elementul de ax al turbinei şi cuplajul elastic (au fost studiate două variante: cu şi fără cuplaj elastic), Fig Studiul are ca scop analiza influenţei elementului elastic asupra atenuării vibraţiilor la nivelul axului turbinei. Fig Analiza vibraţiilor torsionale în SimulationX 46

47 Moment [Nm] 4. Cercetări numerice proprii θ [grade] Fig Momentul importat la nivelul axului rotorului, corespunzător unei rpm= Analiza modală şi structurală prototip. Pentru a putea valida şi compara rezultatele experimentale cu modelările virtuale, sa realizat o simulare virtuală a prototipului. În capitolul următor este descris prototipul utilizat CONCLUZII ŞI CONTRIBUŢII Concluzii Cercetările numerice complexe au dus la mai multe concluzii, dintre care: 1. Asupra modurilor proprii de vibraţie ale structurii o mare importanţă o au geometria şi materialele utilizate. Dacă, din considerente aerodinamice, la geometrie nu se poate interveni, atunci alegerea materialului este decisivă. 2. Frecvenţele proprii ale structurii trebuie atent studiate pentru a nu intra în fenomenul de rezonanţă cu structura-suport a turbinei eoliene. 3. Este necesar, atât studiul rotorului simplu, cât şi al întregului ansamblu rotor stâlp de susţinere Contribuţii Cercetările numerice au condus la mai multe contribuţii, dintre care: 1. Analiza 2D a profilului aerodinamic şi a rotorului la nivelul planului ecuatorial 2. Modelarea CAD 3D a modelului turbinei (în varianta completă şi în varianta simplificată pentru analiza CFD) 3. Efectuarea analizei modale a turbinei, atât la scara 1:1, cât şi pentru modelul redus la scară. Analiza modală are ca şi etape studiul frecventelor şi modurilor proprii ale structurii, dar şi analiza frecvenţelor atunci, când structura este încărcată. 4. Realizarea şi interpretarea diagramei Campbell. 5. Analiza modală cu încărcările preluate din modelul structural, încărcat cu forţele aerodinamice rezultate în urma simulării CFD. 47

48 4. Cercetări numerice proprii 6. Analiza CFD a modelului 3D, constituit din cele 3 pale şi axul rotorului, fără elementele de legătură. 7. Analiza structurală, atât ca studiu al deformaţiilor datorate forţelor înerţiale, cât şi ca studiu al deformaţiilor datorate forţelor aerodinamice. 8. Analiza structurală modală în stare dezechilibrată a rotorului. 9. Analiza vibraţiilor torsionale şi a efectului elementelor de legătură elastice asupra acestora. 48

49 5. Cercetări experimentale proprii 5. CERCETĂRI EXPERIMENTALE PROPRII 5.1. CONSIDERAŢII PRIVIND METODELE EXPERIMENTALE IMPLICATE ÎN EFECTUAREA MĂSURĂTORILOR Aspecte generale În vederea efectuării unor teste de mare precizie şi totodata utilizabile în validarea rezultatelor modelării numerice, autoarea a ales două metode optice ultramoderne de mare precizie. Ambele metode, după cum se va vedea în continuare, oferă posibilitatea efectuării unor masurători atât în condiţii statice, quasi-dinamice şi dinamice de încărcare. În cazul de faţă, datorită variaţiei momentului rezultant la nivelul axului turbinei între limitele M min M max, după un ciclu oscilant, solicitările palelor dar şi ale întregului sistem devin deosebit de complexe. Din modelarea numerică au rezultat, atât solicitările, cât şi deformaţiile palelor, iar metodele experimentale propuse vor avea rolul de a valida aceste rezultate numerice. Standurile originale concepute de autoarea tezei vizează efectul forţelor de inerţie asupra palelor în timpul antrenării forţate a turbinei, precum şi comportamentul real al turbinei într-un tunel aerodinamic. În vederea conceperii unui model redus la scară cât mai precis, se poate utiliza în locul Teoriei Similitudinii, metoda denumita Analiza Dimensională. După cum se va vedea în continuare Analiza Dimensională utilizează un număr redus de parametri globali, care se obţin printr-o serie de operaţii matematice cu factorii de scală ai Teoriei Similitudinii clasice. În consecinţă, efectuarea unui număr relativ mic de incercări permite, pe baza utilizării acestor parametri globali, preconizarea rezultatelor altor încercări mult mai complexe Video Image Correlation (VIC-3D) De fapt această metodă, a Corelării Digitale a Imaginilor (Digital Image Correlation - DIC) denumită şi Video Image Correlation (VIC), reprezintă la ora actuală una deosebit de eficientă şi de mare perspectivă. Astfel, în vederea efectuării unor investigaţii experimentale de mare precizie (de ordinul micrometrilor m /micronilor/), cu magnitudini variind de la câţiva microni la câţiva cm şi totodată a monitorizării simultane a unor suprafeţe relativ mari din structurile supuse analizei, a fost dezvoltată metoda Corelării Digitale a Imaginilor (DIC/VIC). În cazul de faţă se va prezenta sistemul produs de compania ISI-Sys GmbH, Kassel, Germania, având soft-ware de la Correlated Solutions, USA [51, 69, 70]. În principiu, metoda este bazată pe utilizarea imaginilor înregistrate simultan de către două camere video, care asemănător ochiului uman, vor oferi o imagine spaţială a obiectului analizat. Părţile principale ale sistemul VIC-3D (varianta, care permite monitorizarea câmpului de deplasări şi de deformaţii în spaţiu /3D/) sunt: două camere video de înaltă rezoluţie, montate pe un trepied rigid, prin intermediul unei traverse de Aluminiu de asemenea foarte rigidă (fig. 5.1). 49

50 5. Cercetări experimentale proprii Cele două camere vor fi dispuse pe traversă astfel, încât să privească obiectul analizat pe cât posibil sub aceleaşi unghiuri (evident, simetric dispuse). În prealabil, obiectul analizat va fi vopsit (dat cu spray) în vederea obţinerii unor pete cu dimensiuni, formă şi distribuţie aleatoare, care pe fundalul culorii iniţiale a corpului, vor asigura un bun contrast şi o identificare ulterioară uşoară ale acestora. Cu ajutorul unui etalon special se reazizeaza calibrarea acestor camere video (fig. 5.2). Acest etalon este constituit dintr-un set de puncte calibrate şi dispuse la distanţe de asemenea bine-definite. În timpul procesului de calibrare, etalonul va fi poziţionat în spaţiu la nivelul suprafeţei obiectului analizat şi (etalonul) va efectua rotiri discrete, atât în planul orizontal, cât şi vertical, iar cele două camere video vor înregistra toate aceste poziţii distincte. În continuare aceste imagini de la calibrare sunt analizate în program, care efectuează calibrarea propriu-zisă a sistemului de camere stereo şi determină totodată şi precizia de măsurare a sistemului optic astfel asamblat (Fig.5.1.). Fig.5.1. Elemente de bază ale sistemului VIC-3D Fig.5.2. Diferite imagini de calibrare de de la ambele camere [70, 73, 77] ESPI-Shearography (Electronic Speckle Pattern Interferometry, Shearography) De fapt acest sistem optic poate fi considerat drept o variantă utilizabilă în condiţii industriale ale Interferometriei Holografice, deoarece prin soft-ware-ul îşi poate asigura eliminarea deplasărilor de corp rigid, datorate mai cu seamă efectelor nedorite ale vibraţiilor produse în mediul înconjurător. În cazul de faţă se va prezenta sistemul produs de compania ISI-Sys GmbH, Kassel, Germania. 50

51 5. Cercetări experimentale proprii Schema de principiu a montajului optic de la sistemul ESPI-Shearography (ESPI- Electronic Speckle Pattern Interferometry, Shearography- metodă optică bazată pe translatarea imaginii/ shearing/) este redată în figura 5.2. Fig Schema de principiu a montajului optic la ESPI/Shearografie [70] Sursa de lumină coerentă (provenită de la laser, aici: diodă laser de 100 mw ) iluminează suprafaţa corpului/obiectului opac. Fiecare punct P 1, P2 al suprafeţei corpului acţionează (lucrează) ca o oglindă minusculă şi reflectă lumina incidentă în toate direcţiile. O parte din lumina reflectată ajunge la interferometrul Michelson, unde, prin intermediul cubului divizor CD (sau Beam-splitter - semioglindă) şi a celor două oglinzi ( Sheare Mirror şi Phase Shift Mirror ) ajunge la nivelul planului imaginii (reprezentat de planul focal, fie al unui aparat foto clasic, fie al unei camere CCD). Prin rotirea fină a oglinzii Sheare Mirror cu unghiul / 2, două puncte ale obiectului P 1, P 2, situate iniţial la distanţa x ( Shear Amont /cantitate de translatare a imaginii) ajung să se suprapune într-un singur punct P din planul imaginii. Astfel, fasciculele de lumină aferente celor două puncte vor interfera în planul focal al imaginii. Printre caracteristicile metodei ESPI/Shearograpahy se pot menţiona: Oferă câmpul de deplasări în domeniul 0... / 2 cu precizie de cca nm, unde 630 nm este lungimea de undă a sursei de lumină utilizată, care de obicei este o diodă laser cu lumină în roşu; Permite investigarea, atât în plan, cât şi în spaţiu a acestor deplasări; Poate fi aplicată fenomenelor statice, cvasi-dinamice, respectiv dinamice; în acest ultim caz nu numai fenomene periodice (vibraţii staţionare), dar şi aperiodice (de tipul unor şocuri) pot fi urmărite si analizate; Suprafaţa care se poate monitoriza depinde, atât de caracteristicile montajului optic, cât şi de puterea surselor de iluminare; Împreună cu metoda VIC practic asigură acoperirea cca. a % din cerinţele investigaţiilor experimentale (câmpurile de deplasări şi de deformaţii) din aplicaţiile uzuale inginereşti. s 51

52 5. Cercetări experimentale proprii Analiza dimensională, instrument de facilitare a măsurătorilor Similitudine dimensională Un model este similar din punct de vedere dimensional cu prototipul lui, dacă şi numai dacă pentru cele două sisteme fizice toate variabilele a-dimensionale sunt identice atât din punctul de vedere constructiv, cât şi din cel al mărimii. În caz contrar, nu avem similitudinea dimensională a modelului cu prototipul. Trebuie reţinut faptul că, o similitudine geometrică nu reprezintă nici condiţia necesară şi nici aceea suficientă pentru a avea o similitudine dimensională Factorul de scală Factorul de scară se referă întotdeauna la o variabilă fizică concretă, cum ar fi spre exemplu: factorul de scară al densităţii. În consecinţă, avem atâtea factori de scară, câte mărimi fizice (variabile fizice) avem. Nu avem noţiuni, ca factorul de scară al modelului sau factorul de scară al prototipului! Prin definiţie, Factorul de scară al unei variabile fizice este raportul mărimilor variabilei aferente modelului şi a prototipului. Astfel, spre exemplu, avem Factorul de scară a lungimii: L L 2 S L, unde L2 şi L1 reprezintă lungimea modelului, respectiv a prototipului. 1 Trebuie menţionat faptul că, întotdeauna în numărător avem valoarea aferentă modelului, iar la numitor: aceea aferentă prototipului Legea modelului Legea modelului este o relaţie sau un set de relaţii, stabilit (stabilite) între Factorii de scară relevante aferente unui caz concret de modelare. Există exact atâtea relaţii în legea modelului, câte variabile a-dimensionale avem. În consecinţă, Legea modelului este constituită/formată dintr-un număr de relaţii Categorii de variabile În orice (experiment de) modelare există trei categorii distincte de variabile fizice: Categoria 1: valoare acestei variabile (sau valorile acestor variabile) fie că sunt cunoscute a priori (dinainte), fie că se pot alege liber; Categoria 2: Valoarea acestei variabile este determinată printr-o Lege relevantă/adecvată a modelului; Categoria 3: Valoarea acestei variabile se obţine prin măsurători efective pe model Concluzii privind eficienta metodelor experimentale propuse Din prezentarea succinta a metodelor propuse, rezultă faptul că acestea pot constitui un instrument deosebit de util în analiza acestor turbine eoliene, chiar daca în literatura de specialitate cercetari de acest tip nu prea au fost publicate. De asemenea, autoarea tezei îşi exprimă speranţa că metodologia utilizată poate fi aplicata la scară largă şi la alte structuri similare. 52

53 5. Cercetări experimentale proprii 5.2. STRATEGIA PRIVIND EFECTUAREA UNOR TESTE DE VALIDARE ALE SIMULARILOR NUMERICE Teste privind efectul fortelor inertiale asupra starii de solicitare a palelor În acest sens a fost conceput un stand original format din turbina realizată la scară (n=0.3), un cuplaj elastic, motorul electric pas cu pas de antrenare, respectiv sistemul de monitorizare al deformaţiilor (VIC sau ESPI). Acest subansamblu (turbină cuplaj motor) este fixat pe un trepied suficient de rigid astfel încat în timpul funcţionării turbina să-şi păstreze poziţia nominală. Antrenarea forţată a turbinei prin intermediul motorului pas cu pas este realizată, atât la viteza unghiulară constantă, cât şi la viteze unghiulare variabile dupa un ciclu oscilant oferind intervalul (M min M max ) în conformitate cu analiza numerică efectuată. Comanda electronică originală a motorului pas cu pas asigură, atât un reglaj precis al vitezei unghiulare, cât şi o referinţă de timp pentru evaluarea corecta a fenomenelor dinamice. În urma antrenării forţate a turbinei, la nivelul palelor, efectul forţei centrifuge va conduce la deformarea acestor pale. În această versiune simplificată a standului (cand nu avem funcţionare intr-un tunel aerodinamic), devine posibilă doar evaluarea în deformaţii şi în tensiuni a palelor. Pe baza metodologiilor descrise la VIC si ESPI, se pregătesc palele, iar software-ul ambelor sisteme de monitorizare permite captarea imaginilor cu frecvenţa de rotaţie a palelor. În consecinţă, vom avea posibilitatea să urmărim (şi să stocăm datele aferente) câmpul de deformaţii 3D la nivelul unei pale. De asemenea, software-ul permite determinarea imediată şi a deformaţiilor specifice liniare sau unghiulare pentru acelaşi câmp vizual. Aceste date obţinute prin experiment vor servi drept parametrii de validare a validării numerice. In cazul in care se doreste evaluarea prin experiment a efectului momentului oscilant asupra sistemului, atunci se elimina cuplajul elastic din sistem. Ambele versiuni (cu şi fără atenuare) au fost simulate cu ajutorul softului SimulationX. 1. turbină supusă testelor 2. cuplaj elastic 3. motor electric pas-cupas, cu turaţie şi moment variabil periodic. Fixat pe un suport rigid. 4. cameră CCD 5. suport rigid 6. trepied rigid Fig Stand destinat monitorizării efectului forţelor centrifuge prin antrenarea axului turbinei 53

54 5. Cercetări experimentale proprii Teste privind funcţionarea turbinelor în tunele aerodinamice În cazul în care va fi accesibil un tunel aerodinamic, atunci se va utiliza sistemul redat în Fig.5.4. unde, în locul motorului pas cu pas se va conecta generatorul de curent. În acest caz antrenarea se face de către ventilatorul tunelului aerodinamic (adică de un curent de aer cu o anumită viteză), iar parametrii în curent şi în tensiune se vor obtine de la nivelul generatorului de curent. Deformaţiile si deformaţiile specifice produse la nivelul palelor din timpul funcţionarii vor fi monitorizate şi stocate de sistemul VIC sau ESPI. Vizualizarea palei de către sistemul VIC sau ESPI va deveni posibilă prin geamurile de vizitare prevăzute în peretele tunelului aerodinamic. În cazul în care construcţia tunelului permite un singur geam de vizualizare mai mare (cca. 400x400mm), atunci se va prevedea un singur geam, în caz contrar, două geamuri de vizitare. Se recomandă utilizarea unor geamuri din sticlă optica, care elimină fenomenele nedorite de refractare a luminii si deformare a imaginilor captate. 1. Geam de vizitare 2. Tunel aerodinamic 3. Sistem VIC (cameră CCD, suport rigid traversă rigidă din aluminiu, trepied). 4. Prototip Fig Reprezentarea standului de testare 5.3. REALIZAREA PROTOTIPULUI Prototipul este alcătuit din cele trei pale, realizate din material compozit (descris in Tabelul 4.2), cu următorii parametrii: R H c t Grosime MAT Grosime Gelcoat [m] [m] [mm] [mm] [mm] [mm] Tabel 5.1. Parametrii geometrici prototip 54

55 5. Cercetări experimentale proprii Ţinând cont de Teoria Similitudinii între modelul real şi cel redus la scară, au rezultat următoarele dimensiuni: DARRIEUS DARRIEUS prototip σ=0.5 redus la scară H m R m c m Tabel Parametrii prototip redus la scară În Fig.5.4. este o reprezentare virtuală a prototipului relizat. Fig Standul de testare (modelare virtuală) 5.4. CONCLUZII ŞI CONTRIBUŢII Contribuţii Cercetările experimentale au dus la mai multe contribuţii, dintre care: 1. Realizarea unui stand experimental pentru determinarea vibraţiilor şi a deformaţiilor în structura turbinei eoliene. 2. Conceperea strategiei de măsurare 3. Efectuarea măsurătorilor în condiţii statice şi dinamice 4. Evaluarea statistică a rezultatelor 5. Validarea modelelor teoretice proprii prin rezultate experimentale obţinute 55