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

1 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU Giới thiệu Turbin gió 1.1 Turbin gió trục ngang 1.2 Tubin gió trục đứng .4 Khí động học Turbin gió trục ngang 2.1 Khái niệm hoạt động thực rotor 2.2 Thuyết động lượng hệ số công suất rotor 2.3 Số Betz giới hạn 2.4 Lý thuyết phân tố cánh 2.5 Thuyết động lượng phân tố cánh (BEM) 10 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 Mô turbin phương pháp CFD 23 4.1 Tổng quan CFD 23 4.2 Chia lưới mô 24 Kết luận mở rộng 30 TÀI LIỆU THAM KHẢO .32 LỜI NÓI ĐẦU Nguồn lượng vấn đề toàn cầu.Cũng với phát triển ngành công nghiệp,năng lượng hóa thạch ngày cạn kiệt.Nhu cầu tìm loại lượng mới,sạc,có thể tái tạo được,…thây nguồn lượng hóa thạch truyền thống bào toán đặt từ lâu quốc gia phát triển Anh,Mỹ,Pháp,… Cùng với việc mở cửa hội nhập kinh tế,Việt Nam gặp phải khó khăn trở ngại chung thiếu hụt lượng,trong nguồn lượng truyền thống dần không đủ đáp ứng.Mặt khác,Việt Nam có lợi 3000km bờ biển nên nguồn lượng gió dồi dào.Với ưu vị trí địa lý này,Việt Nam hoàn toàn sử dụng nguồn lượng gió.Và năm gần đây,khai thác lượng gió nhà nước quan tâm Với đề tài “Thiết kế mô turbin gió trục ngang loại 20KW” ,Chúng em thiết kế loại turbin cho gần giống với loại turbin lắp Quảng Nam,do công ty WestWind sản suất,từ kiểm nghiệm hiệu suất bẳng phương pháp CFD.Đây đề tài hay,có liên quan thực tế.Tuy nhiên đề tài trinhg làm đồ án chúng em không tránh khỏi sai sót hạn chế kiến thức.Chúng em mong nhận góp ý đánh giá thầy cô giáo môn Giới thiệu Tubin gió Về chia loại tubin gió theo nhiều hình thức khác : theo cấu tạo hoạt động, theo công suất hay theo số cánh quạt Tuy nhiên chia tubine gió theo loại sau : Tubine gió trục ngang tubine gió trục đứng 1.1 Tubin gió trục ngang (HAWT) Hình 1.1 Turbine gió trục ngang Đây loại tubin gió phổ biến 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 số đặc điểm tubin gió trục ngang : - Đây loại tubin gió có hiệu suất cao - Thích hợp với nhiều vận tốc gió khác - Hình dạng kích thước lớn nên đòi hỏi số an toàn cao - Tuy có hệ thống điều chỉnh hướng để đón gió xong giới hạn góc quay đinh nên thích hợp cho nơi có vận tốc gió ổn định Hình 1.2 Sơ đồ cấu tạo turbin gió trục ngang 1.2 Tubin gió trục đứng (VAWTs) Hình 1.3 Turbine gió trục đứng Đây loại tubin phát triển thời gian gần - Dải vận tốc gió hoạt động 3-40m/s - Chiều cao tubin 30m - Số cánh quạt - cánh - Bán kính cánh quạt 10m Đặc điểm : - Dải vận tốc gió hoạt động rộng - Tubin hoạt động không phụ thuộc vào hướng vận tốc dòng khí nên lắp đặt vị trí có vận tốc gió cao với dòng chảy không ổn định - Tuy nhiên hiệu suất tubin 50% so với tubin trục ngang hoạt động vận tốc gió Khí động học Turbin gió trục ngang 2.1 Khái niệm hoạt động thực rotor Hình 2.1 Sự thay đổi áp suất vận tốc gió qua turbine Đây sơ đồ miêu tả biến đổi dòng chảy qua đĩa rotor Với thông số đặc trưng cho dòng chảy xa vô phía trước rotor, rotor, xa vô phía sau rotor Xét định luật bảo toàn khối lượng cho dòng chảy qua rotor tiết diện xa vô phía trước, phía sau rotor : = = Đặt (2.1) Thay vào biểu thức ta : (2.2) Ta thấy với rotor có diện tích tương ứng với phần diện tích dòng không khí trao đổi lượng với rotor Hệ số gọi hệ số thu hẹp dòng chảy Đây hệ số đặc trưng cho trao đổi lượng dòng không khí rotor 2.2 Thuyết động lượng hệ số công suất rotor Do mặt trước mặt sau rotor có bước nhảy áp suất nên suất lực lực la nguyên nhân thay đổi động lượng dòng khí qua rotor = ( - ) (2.3) Phương trình Becnuli cho dòng chảy ta có Áp dụng cho dòng chảy trước đĩa (2.4) Tương tự cho dòng chảy sau đĩa (2.5) Kết hợp (3.3) (3.4) ta có Thay vào phương trình (3.2) ta Mà nên ta có (2.6) Điều có nghĩa vận tốc vào rotor vận tốc xa vô phía sau rotor giảm lượng Thay vào biểu thức (4.1) ta có (2.7) Công suất truyền cho rotor công giãn nở dòng khí (2.8) Hệ số công suất rotor tỷ số công truyền cho rotor động dòng khí qua diện tích quét rotor đơn vị thời gian Thay vào ta có (3.8) 2.3 Số Betz giới hạn Đạo hàm biểu thức (3.8) theo ta có Ta thấy → Tức hiệu suất rotor max Đây nội dung định luật Betz nhà vật lý người Đức Albert Betz tìm vào năm 1926 Với loại tubin đạt hệ số công suất lớn Không phải giới hạn thiết kế mà dòng chảy không khí vào tubin bị thu hẹp so với dòng chảy tự qua bề mặt rotor Và điều chứng minh thực tế Các tubin gió đại ngày có hiệu suất đạt 30-45% 2.4 Lý thuyết phân tố cánh Lực tác dụng lên phân tố cánh phụ thuộc yếu tố thay đổi kích thước cánh góc nhờ xác định vận tốc tương cánh Thành phần vận tốc chuyển động dọc theo bán kính cánh rotor coi không đáng kể Biết hình dáng phân tố cánh ta xác định hệ số lực nâng lực cản biến thiên chúng theo góc Xét tubin gió quay với vận tốc góc vận tốc dòng khí Tubin có N cánh, bán kính R chiều dài dây cung c Góc đặt cánh là góc đường khí động cánh mặt phẳng quay đĩa Cả yếu tố biến thiên theo bán kính cánh quạt Tại phân tố cánh r, vận tốc tiếp tuyến phân tố cánh vận tốc tiếp tuyến vết Do vận tốc tiếp tuyến tương đối dòng khí với phân tô cánh 10 Tam giác vận tốc cho ta vận tốc tương đối dòng chảy với phân tố cánh (2.9) Và góc tới xác định biểu thức : Góc phân tố cánh : Khi lực nâng lực cản lên phân tố cánh : 2.5 Thuyết động lượng phân tố cánh (BEM) Xem hệ số dòng chảy không đổi diện tích quét phân tố Và tương tác dòng gần kề Thành phần lực khí động tác dụng lên N phân tố cánh theo chiều trục quay : (2.10) Thành phần lực tác dụng lên N phân tố cánh theo phương tiếp tuyến : (2.11) 18 0,7 0,8 0,9 1,0 Đồ thị theo tỉ số bán kính : 0.090 0.079 0.071 0.064 19 Ta thấy gần phía trục quay dây cung phân tố cánh lớn dẫn đến vật liệu làm cánh tăng lên nhiều Và việc chế tạo hình dáng cánh quạt theo đường cong khó đạt độ xác Vị với mục đích tiết kiệm vật liệu thiết kế cánh dễ chế tạo Ta xây dựng dây cung cánh đường thẳng bậc Vẽ đường thẳng qua 70% 90% bán kính, đường thẳng đảm bảo vùng đạt hiệu suất cao cánh quạt có góc độ Vậy biến thiên dây cung theo tỉ số bán kính : (3.6) 20 3.4 Góc đặt cánh Biến đổi biểu thức (3.5) Kết hợp với (3.6) ta có biến thiên hệ số lực nâng dọc theo chiều dài bán kính cánh : Sử dụng biểu thức hệ số lực nâng : 21 Có góc cánh theo bảng sau : Tỷ số bán kính 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 Góc cánh (độ) 11.84 9.27 7.07 5.68 4.81 4.28 4,00 3.90 3.99 4.28 Để tính góc đặt cánh ta xác định góc tới dòng khí theo công thức : Bảng kết Tỷ số bán kính Góc Góc tới Góc đặt cánh 22 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 11,84 9,27 7,07 5,68 4,81 4,26 4,00 3,90 3,99 4,28 34,49 25,70 19,12 14,97 12,24 10,32 8,91 7,83 6,98 6,30 22,65 16,43 12,05 9,30 7,43 6,04 4,91 3,93 2,99 2,02 3.5.Mô hình turbine Từ tọa độ cánh NACA 63415 ,ta vẽ profile cánh tại các mặt cắt khác với chiều dài dây cung xác định.Các profile này được vẽ ứng với góc đặt cánh đã được tính ở và được xâu phần mềm AutoCad , sử dụng tâm xâu là ¼ chiều dài dây cung 23 Hình 3.1 Xâu profile Kết quả: Hình 3.2 Mô hình 3D turbine gió Mô turbine phương pháp CFD 4.1 Tổng quan CFD CFD (Computational Fluid Dynamics) phương pháp tính toán động lực học chất lỏng với trợ giúp máy tính 24 Trong nội dung đồ án em sử dụng phần mềm CFX hãng ANSYS,một phần mềm tính toán động lực học chất lỏng mạnh nay,nó sử dụng rộng rãi ngành xây dựng,sức khỏe an toàn,công nghệ,điện tử,môi trường,y học,… CFX bao gồm công cụ phần mềm: 4.2 Chia lưới mô Ta đặt turine tháp cao 12m,vùng tính toán hình hộp chữ nhật có kích thước Dài × Rộng × Cao = 40m×30m×20 25 Hình 4.1 Miền tính toán 26 Hình 4.2 Một góc lưới miền tính toán Kết thu Ansys CFX : Hình 4.3 Trường vận tốc quanh turbine mặt cắt ngang 27 Hình 4.4 Trường vận tốc quanh turbin mặtc thẳng đứng sau cánh Hình 4.5 Sự phân bố áp suất cánh Kết thu từ Ansys CFX ta thấy phân bố vận tốc áp suất trước sau turbine không xác so với lý thuyết So sánh với kết Fluent: Hình 4.6 Trường phân bố vận tốc quanh turbine gió 28 Hình 4.7 Sự thay đổi vận tốc dòng phân tố Hình 4.8 Sự phân bố áp suất Hình 4.9 Sự thay đổi áp suất dòng phân tố 29 Hình 4.10 Đồ thị mối quan hệ hệ số công suất λ 30 Hình 4.11 Đồ thị mối quan hệ công suất định mức với vận tốc gió 5.Kết luận mở rộng Do kiến thức thân hạn chế thời gian có hạn nên chúng em dừng lại mô Vấn đề mà chúng em chưa khắc phục chạy Ansys CFX,đó interface domain chưa liên kết với nhau,dẫn đến kết toán không xác Hướng đề xuất thời gian tới : - Chạy lại mô với liên kết interface - Kiểm nghiệm hiệu suất turbin - Tính toán tương tác FSI (Fluid - Structure Interaction) hai chiều Một hướng đề suất kiểm nghiệm hiệu suất turbine: 31 Ta có mômen tác dụng lên phân tố cánh bán kính r : Ta chia cánh quạt thành n phần, phần có độ dài : Với Vùng hoạt động đĩa Trong đoạn coi số không thay đổi Và ta tính hệ số dòng chảy cho đoạn từ cho ta công suất tổng rotor cánh quạt Tại bán kính hay Mômen tác dụng lên đoạn cánh thứ i : Công suất đoạn cánh thứ i : Xét tỷ số Với : với W vận tốc tương đối dòng chảy với phân tố cánh xác định qua kết 32 mô  Hiệu suất rotor cánh quạt : TÀI LIỆU THAM KHẢO [1].Tony burton,David sharpe,Nick Jenkins,Ervin Bossanyi,Wind Handbook,2001-England [2].Martin O.L.Hansen,Aerodynamics of wind turbines,second edition 2008-England [3].Dr.Sathyajith Mathew,Wind Enegry,2006- India E-Mail : windbook@gmail.com [4].National Renewable Enegry Labora tory http://www.nrel.gov/ [5]… Enegry [...]... (2.13) 3 Thiết kế cánh quạt rotor loại 20KW Yêu cầu: Tốc độ gió khởi động 2,5 m/s Tốc độ gió bắt đầu phát 3 m/s Tốc độ gió định mức 14 m/s Tốc độ gió gập đuôi 16 m/s 12 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... nhất và nhỏ nhất 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 510m.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... thị mối quan hệ giữa hệ số công suất và λ 30 Hình 4.11 Đồ thị mối quan hệ giữa công suất định mức với vận tốc gió 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... 2,99 2,02 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 23 Hình 3.1 Xâu profile Kết quả: Hình 3.2 Mô hình 3D turbine gió 4 Mô phỏng turbine bằng... 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 25 Hình 4.1 Miền tính toán 26 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 27 Hình 4.4... turbine ở mặt cắt ngang 27 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 28 Hình 4.7 Sự thay đổi vận tốc trên dòng phân tố... 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 : P R= 1 (3.2) ρ U ∞3 π η Với P= 20KW suất định mức ) ( công 2 1,225 kg/m3 (khối lượng riêng ρ = của không khí) = 14m/s (Vận tốc gió định U ∞ 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... Hoặc dựa vào bảng bên dưới : Ta chọn λ = 6 Khi đó vận tốc quay của rotor là : 3.2 Profile Ω= λ.U ∞ 6.14 = = 16.8(rad / s ) R 5 cánh Trong lĩnh vực turbine gió, 1 vài profile NACA đã được sử dụng để nghiên cứu đặc tính khí động học vì nó có rất nhiều giá trị thuận lợi của số Re,góc tấn,chiều dài dây cung,hệ số lực nâng và lực đẩy,tỉ lệ trượt,hệ số áp suất khỏe nhất và nhỏ nhất đã được quan tâm đến Vào những... 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: 31 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... 0.071 0.064 19 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