Cánh gió là một bộ phận không thể thiếu trong một tuabin gió cho dù đó là tuabin trục đứng hay trục ngang. Nó có nhiệm vụ chuyển năng lượng của gió thành động năng của tuabin thông qua động lực học của gió tác dụng lên cánh tuabin. Để hiểu được sự hoạt động của cánh và quan trọng hơn là cơ chế biến đổi năng lượng của tuabin gió ta cần phải có những kiến thức cơ bản về khí động lực học cánh gió.
36
Nếu ta giả thiết các cánh đứng yên và không khí chuyển động với cùng một tốc độ, nhưng ở hướng ngược lại, các lực tác dụng vào cánh không thay đổi giá trị. Khi đó lực tác dụng chỉ phụ thuộc vào tốc độ tương đối và góc tới tác dụng. Vì vậy, để dễ dàng cho việc giải thích, chúng ta hãy xét trường hợp cánh cố định, không khí chuyển động với tốc độ vô hạn V.
Áp lực của không khí lên bề mặt ngoài của cánh không là đều nhau: Ở bề mặt trên thì áp lực giảm còn ở bề mặt dưới thì áp lực tăng lên. Để biểu diễn sự thay đổi của áp lực, trên đường vuông góc với biên dạng của bề mặt cánh, ta lấy một đoạn có chiều dài bằng Kp:
0 2 1 2 p p p K V (2.11)
Trong đó p là áp lực tĩnh trên đường vuông góc với mặt cánh, và , p0, V là các điều kiện vô cực.
Kết hợp các giá trị khác nhau của Kp ta có đường cong biểu diễn Kp như trên hình 2.7, Kp nhận giá trị âm với các điểm ở phía mặt trên và nhận giá trị dương ở mặt dưới.
Hợp lực của các thành phần lực khác nhau tác dụng lên cánh dưới tác dụng của vận tốc gió V là F, nó thường nghiêng so với hướng của tốc độ tương đối, và
được cho bởi biểu thức:
21 1
2 r
F C SV (2.12)
37 Trong đó: là tỷ khối của không khí
S là diện tích tác dụng, nó bằng tích của dây cung AB với chiều dài của cánh.
Cr là tổng hệ số khí động lực học. V là tốc độ gió.
Lực này có thể được chia thành hai phần:
- Một thành phần song song với vector V: Lực cản Fd
- Một thành phần vuông góc vector V: lực nâng F1, Fd và F1 được cho bởi các biểu thức: 2 2 1 1 1 1 và 2 2 d d F C SV F C SV (2.13)
Với Cd và Cl tương ứng hệ số lực cản và lực nâng. Từ những lực thành phần ta có: 2 2 2 1 d F F F từ đó 2 2 2 1 d r C C C .
Nếu ta phân tích F thành hai thành phần Ft trên phương dây cung AB và Fn
trên phương vuông góc với AB ta được:
Trên dây cung AB: 2
11 1 cos sin 2 t d F SV C i C i
Trên đường vuông góc AB: 1 2
cos sin 2 n i d F SV C i C i Mặc khác ta lại có 1 2 1 2 và 2 2 t t n n F C SV F C SV
Từ đó ta có CnC1cosi C dsini, Ct Cdcosi C 1sini
38
Nếu gọi M là momen động lực học tương đối của F tác động lên mép trước của cánh. Chúng ta có thể xác định hệ số momen Cm thông qua biểu thức:
21 1
2 m
M C SlV (2.14)
Với l là chiều dài dây cung cánh gió.
Từ đó ta thấy động lực học của cánh gió được đặc trưng bởi lực cản, lực nâng cánh và mômen động lực học.