CHƢƠNG 3 : TUA-BIN ĐIỆN GIÓ
3.2. Cánh quạt
3.2.2. Thiết kế cánh quạt
Cánh quạt điện gió khi thiết kế phải đáp ứng nguyên tắc khí động lực học và định luật Betz để tạo đƣợc công suất cao ổn định, kể cả ở tình trạng điều chỉnh số vịng quay của hệ thống cánh Rotor cũng nhƣ những yếu tố chi tiết khác nhƣ độ ồn phát sinh, tần số rung khi hoạt động. Cấu hình cánh quạt đƣợc thiết kế dài, có bề mặt cong để thân cánh có đƣợc diện tích đón gió cao, tăng lực tác động F và giảm lực cản Fc, tại đầu nhọn của cánh quạt nơi mà tốc độ quay cao nhất của cánh phải có sức ma sát ít nhất.
Khi dịng gió thổi vào cánh quạt thì dịng gió bị phân tán và áp suất ở mặt trên sẽ tăng cao hơn mặt dƣới. Sự khác biệt vùng áp suất tạo ra một lực tác động F ln thẳng đứng với dịng gió tác động vào cánh quạt. Lực tác động này là nguyên nhân làm quay cánh quạt.
Khi cánh quạt đƣợc chỉnh mặt đón gió nhiều hơn với phƣơng thức chỉnh góc quay α từ 160 đến 190, lực tác động F sẽ tăng cao hơn lực cản Fc rất nhiều (lực cản Fc đƣợc tạo ra từ sự ma sát của dịng gió trên bề mặt cánh quạt).
Khi góc chỉnh α từ 30 đến 190 thì lực cản Fc sẽ khoảng từ 0,2 đến 0,01% của lực tác động F. Lực cản Fc này sẽ tăng nhanh khi góc chỉnh α lớn hơn 200, vì thế hầu nhƣ góc chỉnh của những tua-bin điện gió hiện đại chỉ nằm trong giới hạn từ 40
đến 200.
Hình 3.8: Sự phân bố lực tác động F vào cánh quạt với góc <200.
Lực tác động F phụ thuộc vào hệ số của lực tác động cA, mật độ của khơng khí, diện tích (chiều rộng và chiều dài của cánh quạt) của dịng gió đi qua và tốc độ gió.
F=cA/2Av2 Trong đó:
cA: Hệ số của lực tác động theo góc α. : Mật độ của khơng khí.
A: Diện tích của dịng gió đi qua. v: Tốc độ gió.
Vì thế với việc chỉnh góc đón gió của cánh quạt, ta có thể chỉnh đƣợc lực tác động vào cánh quạt, có nghĩa là chỉnh đƣợc số vòng quay của hệ thống rotor hoặc cụ thể hơn là chỉnh đƣợc công suất của tua-bin điện gió.
Cấu hình cánh quạt tùy theo cơng nghệ và việc chọn lựa vật liệu nên có nhiều thiết kế khác nhau nhƣng phần lớn đều dựa trên kinh nghiệm cấu hình chế tạo cánh máy báy nhƣ của Hội đồng tƣ vấn hàng không NACA-Mỹ (National Advisory
Committee for Aeronautics) hoặc Viện Khí động lực học Nga với cấu hình TsAGI hoặc những viện nghiên cứu khác cũng nhƣ những Nhà khoa học Khí động lực học, ví dụ nhƣ cấu hình FX (Franz Xaver Wortmann), cấu hình YH (Clark Profile), cấu hình HQ (Horstmann/Quast) vv...
Hình 3.9: Những thiết diện và cấu hình khác nhau của cánh quạt điện gió.
Trong những cấu hình này những số phía sau có ý nghĩa về mặt cong, tỉ lệ chiều dài…, Ví du: Cấu hình NACA 2412 có nghĩa là cánh có độ cong tối đa là 2% tại 40% từ đầu cánh và độ dày tối đa là 12% của cánh.
Bảng 3.2: Sức bền vật liệu trong cơng nghiệp chế tạo cánh quạt điện gió.
Hình 3.11: Cánh quạt tua-bin Growian.