Hình 3.11: Cánh quạt tua-bin Growian.
3.2.3. Những trạng thái có thể xảy ra đối với cánh quạt.
Cánh quạt của những tua-bin điện gió cơng suất lớn có trọng lƣợng và chiều cao nên khi cánh quạt quay với tốc độ số vịng quay khơng cố điịnh dễ gây ra những trạng thái ngoài ý muốn của ngƣời thiết kế nhƣ độ cong và tần số rung không đều của cánh quạt, đặc biệt khi bị mƣa bão hoặc khi tua-bin điện gió đƣợc lắp tại những vùng có
nhiệt độ thấp, tình trạng đóng băng tại thân cánh quạt làm cánh quạt mất cân bằng tạo ra tần ssos rung mất ổn định hoặc khi những hạt nƣớc đông thành đá có thể văng xuống mặt đất khi tua-bin điện gió hoạt động. Tua-bin điện gió lắp đặt tại những nơi này vì thế thƣờng đƣợc thiết kế có thêm hệ thống sƣởi hoặc làm tan băng bằng những phƣơng thức khác nhau nhƣ chuyển động dịng khí nóng trong thùng Nacelle đến từng thân trong cánh quạt hoặc có thiết bị sƣởi trực tiếp bằng điện.
Ngồi ra hình dạng của cánh quạt còn đƣợc thiết kế phù hợp với tiềm năng gió của từng khu vực theo tiêu chuẩn loại cấp gió tua-bin của Ủy ban kỹ thuật điện Qc tế IEC nhƣ đã trình bày trong chƣơng 2, phần tiêu chuẩn lớp gió cho tua-bin.
Nói chung là cánh quạt của tua-bin điện gió phải đƣợc thiết kế tối ƣu trên phƣơng diện khí động lực học, đạt đƣợc hệ số Betz CP cao nhất, giảm đƣợc ảnh hƣởng cơ học về trọng tải kể cả khi momen xoắn tăng hoặc khi tua-bin điện gió hoạt động với cơng suất thiết kế cũng nhƣ phải có độ bền vật liệu cao trong mọi tình huống thời tiết. 3.2.4. Số cánh quạt của tua-bin.
Dựa trên nguyên tắc vật lý và khí động lực học, những nghiên cứu và thử nghiệm về số cánh quạt cho tua-bin điện gió đã đƣợc thực hiện từ nhiều thập niên trƣớc ở nhiều nơi trên thế giới, diện tích qt gió phụ thuộc vào bề mặt cũng nhƣ chiều dài cánh quạt nên trên nguyên tắc số cánh quạt của tua-bin không là yếu tố quyết định cơ bản về công suất. Những tua-bin một cánh quạt đƣợc đƣa vào hoạt động từ những năm 1985 với công suất từ 25 đến 1000 kW, ƣu điểm của tua-bin điện gió một cánh là giảm đƣợc trọng lƣợng so với những tua-bin hai hoặc ba cánh, số vòng quay nhanh có thể lên đến 49 vịng trong một phút nên tạo cơng suất cao và giá thành thấp.
Trên phƣơng diện khí động lực học thì số cánh quạt càng ít thì hiệu quả càng cao nhƣng trên phƣơng diện cơ học thì tua-bin hoạt động với số vịng quay nhanh sẽ phát sinh những nhƣợc điểm cơ bản nhƣ tần số rung của tua-bin điện gió sẽ mất ổn định ảnh hƣởng đến những chi tiết khác của hệ thống, sự phân bố lực của một cánh quạt vào trục và thân trụ không đều nên độ bền hệ thống giảm đi rất nhiều, ngồi ra khi tua-bin điện gió hoạt động sẽ phát ra tiếng ồn rất lớn, đặc biệt là những tua-bin sử dụng hộp số.
Số cánh quạt của tua-bin điện gió trên lý thuyết khơng là yếu tố chính để tăng cơng suất nhƣng tua-bin điện gió hai cánh trong thực tế vẫn đạt đƣợc một công suất cao hơn tua-bin một cánh khoảng 10%. Thế nhƣng tua-bin điện gió hai cánh cũng có nhƣợc điểm là vì hoạt động với số vịng quay nhanh, tần số rung của tua-bin mất ổn định ảnh hƣởng đến những chi tiết khác của hệ thống. Sự phân bố lực của cánh quạt vào trục, thùng và thân trụ tùy thuộc vào vị trí của cánh quạt, khi cánh quạt ở vị trí thẳng đứng, tần số rung hệ thống thấp nhƣng khi cánh quạt ở vị trí nằm ngang thì tần số rung hệ thống tăng cao nên tua-bin điện gió dễ bị giao động và phát sinh ra tiếng ồn cao.
Trong thiết kế tua-bin điện gió, hệ số tốc độ gió tại đầu cánh là tỉ lệ giữa tốc độ tại vòng quay của đầu cánh quạt và tốc độ của dịng gió thổi đến v. Đây là yếu tố quan trọng giữa việc quyết định số cánh quạt, cơng suất, độ bền và kinh phí sản xuất. Hệ số tốc độ gió tại đầu cánh là :
vtop
v
Trong đó :
vtop : Tốc độ gió tại đầu cánh quạt [radian/s]. v : Tốc độ gió [m/s].
Với cùng hệ số tốc độ gió tại đầu cánh, tua-bin điện gió có đƣờng kính cánh quạt lớn, công suất sẽ lớn hơn tua-bin có đƣờng kính cánh quạt nhỏ. Những tua-bin điện gió trục ngang ba cánh hiện đại thƣờng có hệ số tốc độ gió tại đầu cánh từ 6 đến 8.
Hệ số tốc độ gió tại đầu cánh nhỏ thƣờng có nhƣợc điểm là momen xoắn α tăng, những bộ phân cơ của tua-bin điện gió phải đƣợc thiết kế phù hợp vì cơ năng sẽ bị thất thốt nhiều. Khi hệ số tốc độ gió tại đầu cánh tăng, số cánh quạt và diện tích mặt đón gió có thể giảm để tiếp nhận nguồn cơ năng ổn định. Để có hệ số tốc độ gió tại đầu cánh quạt cao, cánh quạt thƣờng đƣợc thiết kế có chiều dài thích hợp để tua-bin điện gió đạt đƣợc cơng suất. Vì tốc độ gió ln thay đổi nên lực tác động vào tua-bin luôn khác biệt, độ rung hệ thống là một trong những yếu tố quyết định về độ bền. Với tua-
bin điện gió trục ngang ba cánh, yếu tố này dễ khắc phục hơn những loại tua-bin một hoặc hai cánh.