Dựa trên lý thuyết cơ bản của Glauert (1935), các chuyên gia của tổ chức CWD (Hà Lan) đã đƣa ra cách tính toán các thông số hình học của cánh một cách đơn
46
giản hơn nhƣng mà vẫn đảm bảo đƣợc các điều kiện tối ƣu hoặc gần tối ƣu trong phạm vi hiệu suất sử dụng năng lƣợng gió (CP) có thể đạt đƣợc.
Tất cả các roto các mẫu tua bin gió CWD và nhiều tua bin gió khác đã đƣơc thiết kế theo công thức mà Kragten đã đƣa ra trong tài liệu [4]. Kết quả đó trong ống khí động cho thấy thông số hình học của các cánh tua bin gió CWD đã đạt đƣợc kết quả tốt.
Các thông số hình học của tua bin gió đƣợc xác định bằng những thông số R, Z, λ, c, β.
Công suất điện đƣợc tính từ công thức:
3 2 1 . . . . 2 el p ck gen P C V R (3.7)
Ở đây: Cp, ηTr và ηgen lần lƣợt là hiệu suất sử dụng năng lƣợng gió (Cp = 0,4 – 0,45) , hiệu suất truyền động cơ khí và hiệu suất của máy phát điện. Các đại lƣợng này không phải là hằng số mà phụ thuộc vào sự phối hợp tải giữa tua bin và máy phát.
Với một sự kết hợp nhất định giữa tua bin gió, bộ truyền động, máy phát và hệ số an toàn sẽ cho ta đƣờng đặc tính công suất với vận tốc tƣơng ứng (Pel - V)
Năng lƣợng sản xuất ra trong một khoảng thời gian nhất định (ví dụ 1 năm) phụ thuộc vào đƣờng cong Pel – V và sự phân bố vận tốc gió tại vị trí mà tua bin gió đƣợc lắp đặt. Vì vậy có thể xác định R một cách đơn giản từ công suất tua bin cần chế tạo.
Tỷ tốc đầu mút cánh thiết kế (λ): λ đƣợc chọn phụ thuộc yêu cầu moment khởi động của máy công tác. Nếu bánh xe gió phối hợp tải với máy phát thì cần phải chọn λ cao và nếu phối hợp tải với bơm piston có moment khởi động cao thì λ phải thấp. Hệ số moment khởi động của rotor tăng nhanh với sự giảm λ.
47
Hình 3.2: Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa Cp, λ và số cánh Z[6]
Dạng profil của cánh là hàm của bán kính cục bộ r: Dạng khí động của cánh có thể không đổi hoặc thay đổi nhƣ là 1 hàm của bán kính cục bộ r. Với rotor quay nhanh đầu mút cánh mỏng bởi vì nó có tỉ số CD/CL thấp. Phần dầy thuộc về gốc cánh bởi vì cần độ bền uốn.
Giả sử bán kính rotor R, số cánh Z, λd và dạng profil cánh đã đƣợc chọn trƣớc.Ta chia cánh ra thành một số tiết diện. Số tiết diện nhiều hay ít tuỳ thuộc vào độ chính xác yêu cầu. Ở mỗi tiết diện đó ta sẽ tính (c) và (β). Khoảng cách giữa những tiết diện này nên nhỏ hơn ở gốc cánh và lớn hơn ở đầu mút cánh. Giả sử cánh kết thúc ở khoảng O, 2R. Một lựa chọn tốt nhất đầu tiên là lấy 7 vị trí từ A → G nhƣ hình minh hoạ dƣới đây. Sau đó ta lập thành bảng biểu diễn tất cả các thông số đã tính toán cho từng vị trí khác nhau.
48
Hình 3.3: Chia các tiết diện cánh[10]
Lƣu ý: Bán kính r gốc cánh thƣờng đƣợc lấy trong khoảng từ 0,2 – 0,3R. Bán kính này tạo nên 1 khoảng trống ở gốc cánh đƣợc gọi là cửa sổ cánh. Cửa sổ này là chỗ gió sẽ thoát ra sau, nó có tác dụng làm giảm trọng lƣợng cánh. Nhiều khi do điều kiện vật liệu ngƣời ta có thể làm cửa sổ này lớn hơn nhiều so với tỉ lệ 0,2 – 0,3R.
Từ các giá trị tính toán của cung cánh (c) và góc đặt β để đảm bảo cánh có kích thƣớc triển khai thuận lợi, kinh tế, dễ gia công, ta tiến hành tuyến tính hoá các thông số hình học của cánh. Việc tuyến tính hoá này sẽ gây nên sự mất mát nhỏ về công suất nhƣng nếu ta tiến hành một cách tinh tế thì phần trăm mất mát này sẽ giảm.
Biết rằng 75% công suất là do rotor nhận đƣợc từ nửa phần ngoài của cánh vì diện tích quét biến thiên tỉ lệ với bình phƣơng của bán kính rotor. Chính vì vật nên việc tuyến tính hoá cung cánh và góc đặt cánh đƣợc tính toán ở 2 tiết diện r1 = 0,5R và r2 = 0,4R. Có nghĩa là chiều dài cung cánh và góc đặt cánh đƣợc tính toán ở 02 tiết diện trên sẽ đƣợc giữ nguyên còn các tiết diện khác sẽ đƣợc tính lại. Để làm việc này ta giải hệ phƣơng trình sau:
49
Cr2 = a1.r2 + a2 (3.9) Và
βr1 = b1.r1 + b2 (3.10) βr2 = b1.r2 + b2 (3.11)
Sau khi xác định đƣợc các hệ số a1, a2, b1, b2 ta sẽ lần lƣợt tính lại các thông số (c) và (β) ở mọi tiết diện.
Từ các giá trị cmới này ta tính đƣợc hệ số choán:
ánh ét c qu S S (3.12)
Ta phải kiểm tra giá trị của hệ số choán theo đồ thị hoặc theo bảng. σ sẽ phụ thuộc vào λ nếu nó nằm ngoài giới hạn cho phép thì ta tiến hành lại việc tính toán bằng cách tăng hoặc giảm số cánh mà điều chỉnh λ.
Có thể tính toán các thông số hình học của cánh theo 02 trƣờng hợp sau:
Tính cho trƣờng hợp hệ số lực nâng không đổi trên suốt chiều dài cánh (CL = const)
Tính cho trƣờng hợp cung cánh c cố định: Trƣờng hợp này chỉ sử dụng khi có sẵn tại tole làm cánh với kích thƣớc cố định.
Ở đây chúng ta sẽ tính toán các thông số hình học của tuabin gió bơm nƣớc và động cơ gió phát điện trong trƣờng hợp CL = const.
Để tính toán các thông số hình học của tuabin gió ta cần các thông số ban đầu và các công thức tính toán sau:
- Đƣờng kính cánh D - Số cánh Z - Hệ số lực nâng CL - Góc tấn tối ƣu α - Các công thức tính toán: - Tỷ tốc từng tiết diện: λr = λ.r/R - Góc tới : φ = 2/3arctan 1/λr - Góc đặt cánh: β = φ – α
50 - Cung cánh: C = 8πr(1 – cosφ)/(Z.CL) - Diện tích quét: Squét = πD2/4
- Diện tích cánh: Scánh = (C10 + C1).(r10 – r)/2 - Tỷ số choán: σ = Scánh.Z/Squét