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

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 s

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 2

1 Giới thiệu Turbin gió 3

1.1 Turbin gió trục ngang 3

1.2 Tubin gió trục đứng 4

2 Khí động học Turbin gió trục ngang 5

2.1 Khái niệm hoạt động thực của rotor 5

2.2 Thuyết động lượng và hệ số công suất của rotor 6

2.3 Số Betz giới hạn 7

2.4 Lý thuyết phân tố cánh 8

2.5 Thuyết động lượng phân tố cánh (BEM) 10

3 Thiết kế cánh quạt rotor loại 20KW 11

3.1 Tính bán kính cánh quạt rotor 11

3.2 Profin cánh 13

3.3 Chiểu dài dây cung cánh 17

3.4 Góc đặt cánh 20

3.5 Mô hình turbin 22

4 Mô phỏng turbin bằng phương pháp CFD 23

4.1 Tổng quan về CFD 23

4.2 Chia lưới và mô phỏng 24

5 Kết luận và mở rộng 30

TÀI LIỆU THAM KHẢO 32

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 thạch truyền 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 thiệu 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

- Công suất phát điện từ vài trăm W đến vài MW

- Dải vận tốc gió hoạt động từ 4m/s-25m/s

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

- Số cánh quạt 2-3 cánh quạt

- Bán kính cánh quạt từ 3m - 45m

- Số vòng quay cánh quạt 20 – 40vòng/phút

1 số đặc điểm của tubin gió trục ngang :

- Đây là loại tubin gió có hiệu suất cao nhất

- Thích hợp với nhiều vận tốc gió khác nhau

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

- Tuy có hệ thống điều chỉnh hướng để đón gió xong vẫn giới hạn ở 1 góc quay nhất đinh nên chỉ thích hợp cho nhưng nơi có vận tốc gió ổn định

Hình 1.2 Sơ đồ cấu tạo turbin gió trục ngang1.2 Tubin gió trục đứng (VAWTs)

Hình 1.3 Turbine gió trục đứng

Đây là loại tubin mới phát triển trong thời gian gần đây

- Dải vận tốc gió hoạt động 3-40m/s

- Chiều cao tubin dưới 30m

- Số cánh quạt 2 - 4 cánh

- Bán kính cánh quạt dưới 10m.

Đặc điểm :

- Dải vận tốc gió hoạt động là khá rộng

- 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 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 :

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

của dòng không khí là trao đổi năng lượng với rotor Hệ số 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

= ( - ) (2.3)

Phương trình Becnuli cho dòng chảy ta có

Áp dụng cho dòng chảy trước đĩa

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 vận tốc 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 lực cản và biến thiên của chúng theo góc tấn

Xét tubin gió quay với vận tốc góc là và vận tốc dòng khí là

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

Cả 2 yếu tố 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 và vận tốc tiếp tuyến của vết là Do đó vận tốc tiếp tuyến tương đối của dòng khí với phân tô cánh là

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

(2.9)

Và góc tới được xác định bởi biểu thức :

Góc tấn của phân tố cánh :

Khi đó lực nâng và lực cản lên phân tố cánh là :

2.5 Thuyết động lượng phân tố cánh (BEM)

Xem như hệ số dòng chảy 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 : (2.10)

Thành phần lực tác dụng lên N phân tố cánh theo phương tiếp tuyến là :

(2.11)

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

Sự mất áp suất nguyên nhân do vết quay

Áp suất này tạo ra 1 lực tác dụng theo phương trục quay là :

Do đó cân bằng lực theo phương trục quay :

Do thành phần nên để tiện cho tính toán ta coi

Nên biểu thức trên trở thành :

(2.12)

Sự thay đổi động lượng góc của dòng khí truyền qua diện tích quét của phân tố :Cân bằng với lực khí động theo phương tiếp tuyến ở biểu thức (2.11), ta có :Hay :

Công suất định mức 20KW

Tốc độ quay Rotor 0-160 vg/ph

Loại turbine : 3 cánh , gió ngang

3.1 Tính bán kính cánh quạt 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

(3.1)

Hiệu suất turbine cực đại đạt

được theo lý thuyết là 0.593 nhưng các turbine gió ngày nay thì chỉ đạt giá trị η = 0.3 – 0.5

Vậy bán kính cánh quạt rotor là :

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 :

1 2

P R

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 khoảng 16%

- Hệ số lực nâng lớn nhất ở miền giữa cánh (outboard region airfoil) là 1,2 ; độ dầy khoảng 21%

- Hệ số lực nâng lớn nhất ở miền gốc cánh (root region airfoil) là 1,4 ; độ dầy

6.14

16.8( / ) 5

U

rad s R

λ ∞

khoảng 24%

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:

theo góc tấn α

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 = 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 , khi đó :

Thay vào biểu thức trên :

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 của cánh quạt vẫn có góc tấn là 4 độ

Vậy biến thiên dây cung theo tỉ số bán kính :

(3.6)

3.4 Góc đặt cánh

Biến đổi biểu thức (3.5)

Kết hợp với (3.6) ta sẽ có sự biến thiên của hệ số lực nâng dọc theo chiều dài bán kính cánh :

Sử dụng biểu thức hệ số lực nâng :

Có góc tấn của cánh theo bảng sau :

3.5.Mô hình turbine

Từ tọa độ cánh NACA 63415 ,ta vẽ profile cánh tại các mặt cắt khác nhau với chiều dài dây cung xác định.Các profile này được vẽ ứng với góc đặt cánh đã được tính ở trên và được xâu trên phần mềm AutoCad , sử dụng 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 thước Dài × 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

Hình 4.10 Đồ thị mối quan hệ giữa hệ số công suất và λ

Hướng đề xuất trong thời gian tới :

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

- Kiểm nghiệm hiệu suất của turbin

- 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 :

Ta chia cánh quạt thành n phần, mỗi phần có độ dài là :

Với Vùng hoạt động của đĩa

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

Tại bán kính hay

Mômen tác dụng lên đoạn cánh thứ i là :

Công suất đoạn cánh thứ i là :

Xét tỷ số

Với :

với W là vận tốc tương đối của dòng chảy với phân tố cánh được xác định qua kết

quả mô phỏng

 Hiệu suất của rotor cánh quạt là :

TÀI LIỆU THAM KHẢO

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