Thiết kế và mô phỏng turbin gió trục ngang loại 20KW

Thiết kế và mô phỏng turbin gió trục ngang loại 20KW

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU

1 Giới thiệu Turbin gió

1.1 Turbin gió trục ngang

1.2 Tubin gió trục đứng

2 Khí động học Turbin gió trục ngang

2.1 Khái niệm hoạt động thực của rotor

2.2 Thuyết động lượng và hệ số công suất của rotor

2.3 Số Betz giới hạn

2.4 Lý thuyết phân tố cánh

Thuyết động lượng phân tố cánh (BEM)

3 Thiết kế cánh quạt rotor loại 20KW

LỜI NÓI ĐẦU

Nguồn năng lượng đang là một vấn đề toàn cầu.Cũng với sự phát triển của các

ngành công nghiệp,năng lượng hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt.Nhu cầu tìm ra loại năng lượng mới,sạc,có thể tái tạo được,…thây thế nguồn năng lượng hóa thạchtruyền thống là bào toán đặt ra từ lâu đối với các quốc gia phát triển như

Anh,Mỹ,Pháp,…

Cùng với việc mở cửa hội nhập của nền kinh tế,Việt Nam cũng gặp phải những khó khăn và trở ngại chung khi thiếu hụt về năng lượng,trong khi các nguồn năng lượng truyền thống dần không đủ đáp ứng.Mặt khác,Việt Nam còn có lợi thế là hơn 3000km bờ biển nên nguồn năng lượng gió là rất dồi dào.Với ưu thế về vị trí địa lý này,Việt Nam hoàn toàn có thể sử dụng nguồn năng lượng gió.Và những năm gần đây,khai thác năng lượng gió đang được nhà nước quan tâm

Với đề tài “Thiết kế và mô phỏng turbin gió trục ngang loại 20KW” ,Chúng em

đã thiết kế loại turbin này sao cho nó gần giống với loại turbin đã được lắp ở

Quảng Nam,do công ty WestWind sản suất,từ đó kiểm nghiệm hiệu suất bẳng phương pháp CFD.Đây là một đề tài rất hay,có liên quan thực tế.Tuy nhiên đây cũng là một đề tài mới vì vậy trong quá trinhg làm đồ án chúng em không tránh khỏi những sai sót và hạn chế về kiến thức.Chúng em rất mong nhận được sự góp ý

và đánh giá của các thầy cô giáo trong bộ môn

1 Giới thiê ̣u Tubin gió

Về cơ bản có thể chia loại tubin gió theo nhiều hình thức khác nhau : theo cấu tạo hoạt động, theo công suất hay theo số cánh quạt Tuy nhiên có thể chia tubine gió theo 2 loại cơ bản sau đây : Tubine gió trục ngang và tubine gió trục đứng

1.1 Tubin gió trục ngang (HAWT)

Hình 1.1 Turbine gió trục ngang

Đây loại tubin gió phổ biến trên thị trường

- Chiều cao cột chống tubin 6m ( loại công suất nhỏ) – 120m (loại công suất lớn)

1 số đặc điểm của tubin gió trục ngang :

- Đây là loại tubin gió có hiệu suất cao nhất

- Hình dạng và kích thước lớn nên đòi hỏi chỉ số an toàn cao

nhất đinh nên chỉ thích hợp cho nhưng nơi có vận tốc gió ổn định

Hình 1.2Sơ đồ cấu tạo turbin gió tru ̣c ngang

1.2 Tubin gió trục đứng (VAWTs)

Hình 1.3 Turbine gió trục đứngĐây là loại tubin mới phát triển trong thời gian gần đây

- Tubin hoạt động không phụ thuộc vào hướng của vận tốc dòng khí nên có thể lắp đặt ở vị trí có vận tốc gió cao với dòng chảy không ổn định.

- Tuy nhiên hiệu suất của tubin chỉ bằng 50% so với tubin trục ngang khi hoạt động ở cùng 1 vận tốc gió

2 Khí động học Turbin gió trục ngang

2.1 Khái niệm hoạt động thực của rotor

Hình 2.1 Sự thay đổi áp suất và vận tốc gió qua turbine

Đây là sơ đồ miêu tả các biến đổi của dòng chảy khi đi qua đĩa rotor Với các thông số ∞,d,w lần lượt đặc trưng cho dòng chảy ở xa vô cùng phía trước rotor, tại rotor, và xa vô cùng ở phía sau rotor

Xét định luật bảo toàn khối lượng cho dòng chảy qua rotor tại 3 tiết diện ở xa vô cùng phía trước, phía sau và ngay tại rotor :

Đặt

Thay vào biểu thức trên ta được :

A∞.U∞= ( 1−a ) .Ad.U∞ (2.2)

Ta thấy rằng với rotor có diện tích Ad thì tương ứng với phần diện tích

A∞= ( 1−a ) .Ad của dòng không khí là trao đổi năng lượng với rotor Hệ số a được gọi là hệ số thu hẹp của dòng chảy Đây là 1 hệ số đặc trưng cho sự trao đổi năng lượng giữa dòng không khí và rotor

2.2 Thuyết động lượng và hệ số công suất của rotor

Do mặt trước và mặt sau rotor có bước nhảy về áp suất nên suất hiện lực và lực này la nguyên nhân thay đổi động lượng của dòng khí qua rotor

Thay vào phương trình (3.2) ta được

Thay vào biểu thức (4.1) ta có

F= ( U∞− Uw).ρ.Ad.Ud=2.ρ.AdU∞2a(1−a) (2.7) Công suất truyền cho rotor chính là công giãn nở của dòng khí

kế mà là dòng chảy của không khí vào tubin bị thu hẹp đi so với dòng chảy tự do qua bề mặt rotor.

Và điều này đã được chứng minh trong thực tế Các tubin gió hiện đại ngày nay đều có hiệu suất chỉ đạt 30-45%

2.4 Lý thuyết phân tố cánh

Lực tác dụng lên phân tố cánh phụ thuộc và 2 yếu tố có thể thay đổi được là kích thước cánh và góc tấn nhờ sự xác định vận tốc tương đối với cánh Thành phần vậntốc chuyển động dọc theo bán kính của cánh rotor coi như không đáng kể

Biết được hình dáng phân tố cánh ta có thể xác định được các hệ số lực nâng và lựccản Cl,Cd và biến thiên của chúng theo góc tấn.

Tubin có N cánh, bán kính R và chiều dài dây cung là c Góc đặt cánh là β là góc giữa đường khí động cánh và mặt phẳng quay của đĩa.

Cả 2 yếu tố c,β đều có thể biến thiên theo bán kính cánh quạt

Tại 1 phân tố cánh r, vận tốc tiếp tuyến của phân tố cánh là Ωr và vận tốc tiếp

tuyến của vết là a'Ωr Do đó vận tốc tiếp tuyến tương đối của dòng khí với phân

tô cánh là

1+a

¿

Tam giác vận tốc cho ta vận tốc tương đối của dòng chảy với phân tố cánh

1+a '

¿ 2

1−a¿ 2 +Ω2r2

2.5 Thuyết động lượng phân tố cánh (BEM)

Xem như hệ số dòng chảy a,a' là không đổi trên diện tích quét của phân tố Và không có sự tương tác giữa các dòng gần kề nhau

Thành phần lực khí động tác dụng lên N phân tố cánh theo chiều trục quay là :

Sự thay đổi động lượng theo trục của dòng khí đi qua diện tích quét là :

m.∆v=.U∞( 1−a ) .2.π.r.r.2.a.U∞=4π.U∞2a ( 1−a ) r.r

Sự mất áp suất nguyên nhân do vết quay

Do thành phần ∆p.s≪m.∆v nên để tiện cho tính toán ta coi ∆p.s≈0

Nên biểu thức trên trở thành :

U ∞2.N.

c

R .(C l cosϕ+C d sinϕ) =8π.x.a.(1−a) (2.12)

Sự thay đổi động lượng góc của dòng khí truyền qua diện tích quét của phân tố :

ρ.U∞. ( 1−a ) .Ω.2a'r.2πr.r=4πρ.U∞. ( 1−a ) Ω.a'r.rr

Cân bằng với lực khí động theo phương tiếp tuyến ở biểu thức (2.11), ta có :

L.sinϕ−D.cosϕ=4πρ.U∞. ( 1−a ) Ω.a'r.rr

R .(C l sinϕ−C d cosϕ) =8π.λ.x 2a '(1−a) (2.13)

3 Thiết kế cánh quạt rotor loại 20KW

Loại turbine : 3 cánh , gió ngang

3.1 Tính bán kính cánh qua ̣t rotor

Turbine gió công suất 20KW hoạt động ở vận tốc gió định mức 14 m/s.Dựa vào công thức tính hiệu suất của turbine

1 2

P R

U

=

(3.2) Với P= 20KW ( công suất định mức )

Thay số vào ta được R = 2.75 – 3.55 m

Mục đích của tính toán này là đi tìm hiệu suất của turbine gió đã được sử dụng nên ta không quan tâm đến giá trị của công suất định mức.Do đó ta vẫn chọn bán kính của rotor R=5m

Chọn tỉ số vận tốc đầu mũi cánh λ :

đã được quan tâm đến Vào những thập niên trước,thường sử dụng họ cánh cho turbin gió trục ngang (HAWTs) là các họ NACA 44xx,NACA 23xxx,NACA 63xxx, và NACA LS

Loại turbine gió sử dụng để tính toán trong phần này là loại có kích thước 10m.Các nhà nghiên cứu trên thế giới đã chỉ ra yêu cầu cho loại turbine này như sau :

- Hệ số lực nâng lớn nhất ở miền đầu cánh (tip region airfoil) là 1,1 độ dầy

Trên cơ sở đó ta chọn profile NACA 63415 có những đặc tính sau đây :

- Chữ số đầu tiên nhân với 0,15 cho ta hệ số lực nâng Cl thiết kế

- 2 chữ số tiếp theo chia cho 2 ,cho ta khoảng cách từ độ dày lớn nhất đến đầu mũi cánh tính theo % dây cung

- 2 chữ số cuối cho biết % độ dày lớn nhất của cánh theo dây cung

Sau đây là bảng hệ số lực nâng và lực cản theo góc tấn α của NACA 63415:

Dựa vào đồ thị lực nâng và lực cản trên ta tính gần đúng sự phụ thuộc của

Với α biến thiên trong khoảng từ [-14 ÷ 14] độ ,ứng với [-0,2443 ÷ 0,2443] radial

Căn cứ vào trên ta thấy giá trị max

D

C C

= 102 đạt được khi Cl= 0,837 và Cd=0,008 ứng với α = 0,075 radial ≈ 4 độ

Vậy ta sẽ xây dựng góc đặt và chiều dài dây cung của cánh sao cho dòng khí vào

có góc tấn α = 4 độ dọc theo chiều dài của cánh

3.3 Chiểu dài dây cung cánh

Xuất phát từ biểu thức (2.13) liên quan tới mômen quay của rotor Để tiện cho tính toán, giả sử Cd≈0 , khi đó :

Vế phải của biểu thức trên phụ thuộc vào hệ số dòng a,a' Để hiệu suất của cánh

max thì a,a' phải thỏa mãn biểu thức (3.13) :

c R

Đồ thị R c theo tỉ số bán kính x :

Ta thấy rằng càng gần phía trục quay thì dây cung của phân tố cánh càng lớn dẫn đến vật liệu làm cánh tăng lên nhiều Và việc chế tạo hình dáng cánh quạt theo đường cong này là rất khó đạt độ chính xác Vị vậy với mục đích tiết kiệm vật liệu

và thiết kế cánh dễ chế tạo Ta xây dựng dây cung cánh là 1 đường thẳng bậc nhất

Vẽ đường thẳng đi qua 70% và 90% bán kính, đường thẳng này vẫn đảm bảo vùng đạt hiệu suất cao (0,6÷0,9)R của cánh quạt vẫn có góc tấn là 4 độ.

Vậy biến thiên dây cung theo tỉ số bán kính :

3.5.Mô hình turbine

Từ to ̣a đô ̣ cánh NACA 63415 ,ta vẽ profile cánh ta ̣i các mă ̣t cắt khác nhau với chiều dài dây cung xác đi ̣nh.Các profile này được vẽ ứng với góc đă ̣t cánh đã được tính ở trên và được xâu trên phần mềm AutoCad , sử du ̣ng tâm xâu là ¼ chiều dài dây cung

Hình 3.1 Xâu profile

Kết quả:

Hình 3.2 Mô hình 3D turbine gió

4 Mô phỏng turbine bằng phương pháp CFD

4.1 Tổng quan về CFD

CFD (Computational Fluid Dynamics) là phương pháp tính toán động lực học chất lỏng với sự trợ giúp của máy tính

Trong nội dung đồ án này em sử dụng phần mềm CFX của hãng ANSYS,một trong những phần mềm tính toán động lực học chất lỏng mạnh nhất hiện nay,nó được sử dụng rộng rãi trong các ngành xây dựng,sức khỏe và an toàn,công

nghệ,điện tử,môi trường,y học,…

CFX bao gồm 5 công cụ phần mềm:

4.2 Chia lưới và mô phỏng

Ta đặt turine trên tháp cao 12m,vùng tính toán là hình hộp chữ nhật có kích thướcDài × Rộng × Cao = 40m×30m×20

Hình 4.1 Miền tính toán

Hình 4.2 Một góc lưới của miền tính toán

Kết quả thu được trên Ansys CFX :

Hình 4.3 Trường vận tốc quanh turbine ở mặt cắt ngang

Hình 4.4 Trường vận tốc quanh turbin ở mặtc ắt thẳng đứng ngay sau cánh

Hình 4.5 Sự phân bố áp suất trên cánh

Kết quả thu được từ Ansys CFX ta thấy sự phân bố vận tốc và áp suất trước và sau turbine là không chính xác so với lý thuyết đã chỉ ra

So sánh với kết quả trên Fluent:

Hình 4.6 Trường phân bố vận tốc quanh turbine gió

Hình 4.7 Sự thay đổi vận tốc trên dòng phân tố

Hình 4.8 Sự phân bố áp suất

Hình 4.9 Sự thay đổi áp suất trên dòng phân tố

5.Kết luận và mở rộng

Do kiến thức bản thân còn hạn chế và thời gian có hạn nên chúng em mới chỉ dừng lại ở mô phỏng Vấn đề mà chúng em chưa khắc phục được khi chạy trên Ansys CFX,đó là các interface của các domain vẫn chưa liên kết được với

nhau,dẫn đến kết quả của bài toán không chính xác

Hướng đề xuất trong thời gian tới :

- Chạy lại mô phỏng với sự liên kết của các interface

- Tính toán tương tác FSI (Fluid - Structure Interaction) hai chiều

Một hướng đề suất kiểm nghiệm hiệu suất turbine:

Ta có mômen tác dụng lên phân tố cánh tại bán kính r :

Với R R0=m Vùng hoạt động của đĩa ( R0÷R)

Trong mỗi đoạn này coi như các chỉ số là không thay đổi Và ta sẽ tính các hệ số dòng chảy a,a'vàηi cho các đoạn từ đó cho ta công suất tổng của rotor cánh quạt

Tại bán kính r i=R0+i.step=(m+ i(1−m)

n)R hay r R i=m+ i(1−m n )

Mômen tác dụng lên đoạn cánh thứ i là :

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1].Tony burton,David sharpe,Nick Jenkins,Ervin Bossanyi,Wind Enegry