Tài liệu đồ án turbine gió

1 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 1. Giới thiệu Turbin gió 1.1 Turbin gió trục ngang 1.2 Tubin gió trục đứng 2. Khí động học Turbin gió trục ngang 2.1 Khái niệm hoạt động thực của rotor 2.2 Thuyết động lượng và hệ số công suất của rotor 2.3 Số Betz giới hạn 2.4 Lý thuyết phân tố cánh Thuyết động lượng phân tố cánh (BEM) 3 Thiết kế cánh quạt rotor loại 20KW 3.1 Tính bán kính cánh quạt rotor 3.2 Profin cánh 3.3 Chiểu dài dây cung cánh 3.4 Góc đặt cánh 3.5 Mô hình turbin 4. Mô phỏng turbin bằng phương pháp CFD 4.1 Tổng quan về CFD 4.2 Chia lưới và mô phỏng 5. Kết luận và mở rộng TÀI LIỆU THAM KHẢO Đồ án máy bay S^TH:a Phạm Tuấn AnhHHoàng Minh Hiếu 2 LỜI NÓI ĐẦU Nguồn năng lượng đang là một vấn đề toàn cầu.Cũng với sự phát triển của các ngành công nghiệpHnăng lượng hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt.Nhu cầu tìm ra loại năng lượng mớiHsạcHcó thể tái tạo đượcH…thây thế nguồn năng lượng hóa thạch truyền thống là bào toán đặt ra từ lâu đối với các quốc gia phát triển như AnhHMỹHPhápH… Cùng với việc mở cửa hội nhập của nền kinh tếH^iệt Nam cũng gặp phải những khó khăn và trở ngại chung khi thiếu hụt về năng lượngHtrong khi các nguồn năng lượng truyền thống dần không đủ đáp ứng.Mặt khácH^iệt Nam còn có lợi thế là hơn 3000km bờ biển nên nguồn năng lượng gió là rất dồi dào.^ới ưu thế về vị trí địa lý nàyH^iệt Nam hoàn toàn có thể sử dụng nguồn năng lượng gió.^à những năm gần đâyHkhai thác năng lượng gió đang được nhà nước quan tâm. ^ới đề tài “Thiết kế và mô phỏng turbin gió trục ngang loại 20KW” HChúng em đã thiết kế loại turbin này sao cho nó gần giống với loại turbin đã được lắp ở Quảng NamHdo công ty WestWind sản suấtHtừ đó kiểm nghiệm hiệu suất bẳng phương pháp CFD.Đây là một đề tài rất hayHcó liên quan thực tế.Tuy nhiên đây cũng là một đề tài mới vì vậy trong quá trinhg làm đồ án chúng em không tránh khỏi những sai sót và hạn chế về kiến thức.Chúng em rất mong nhận được sự góp ý và đánh giá của các thầy cô giáo trong bộ môn Đồ án máy bay S^TH:a Phạm Tuấn AnhHHoàng Minh Hiếu 3 1. Giới thiêụ Tubi ii ^ề cơ bản có thể chia loại tubin gió theo nhiều hình thức khác nhau :a theo cấu tạo hoạt độngH theo công suất hay theo số cánh quạt. Tuy nhiên có thể chia tubine gió theo 2 loại cơ bản sau đây :a Tubine gió trục ngang và tubine gió trục đứng. 1.1. Tubi ii trục ia i (HAWT) Hình 1.1 Turbine gió trục ngang Đây loại tubin gió phổ biến trên 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. 1 số đặc điểm của tubin gió trục ngang :a - Đây là loại tubin gió có hiệu suất cao nhất. - Thích hợp với nhiều vận tốc gió khác nhau. Đồ án máy bay S^TH:a Phạm Tuấn AnhHHoàng Minh Hiếu 4 - Hình dạng và kích thước lớn nên đòi hỏi chỉ số an toàn cao. - Tuy có hệ thống điều chỉnh hướng để đón gió xong vẫn giới hạn ở 1 góc quay nhất đinh nên chỉ thích hợp cho nhưng nơi có vận tốc gió ổn định. Hình 1.2 Sơ đồ cấu tạo turbin gió trục ngang 1.2 Tubi ii trục đứ i (VAWTs) Hình 1.3 Turbine gió trục đứng Đây là loại tubin mới phát triển trong thời gian gần đây. - Dải vận tốc gió hoạt động 3-40m/s. Đồ án máy bay S^TH:a Phạm Tuấn AnhHHoàng Minh Hiếu 5 - Chiều cao tubin dưới 30m. - Số cánh quạt 2 - 4 cánh. - Bán kính cánh quạt dưới 10m. Đặc điểm :a - Dải vận tốc gió hoạt động là khá rộng. - Tubin hoạt động không phụ thuộc vào hướng của vận tốc dòng khí nên có thể lắp đặt ở vị trí có vận tốc gió cao với dòng chảy không ổn định. - Tuy nhiên hiệu suất của tubin chỉ bằng 50% so với tubin trục ngang khi hoạt động ở cùng 1 vận tốc gió. 2. Khí độ i học Turbi ii trục ia i 2.1 Khái iệm hoạt độ i thực của rotor Hình 2.1 Sự thay đổi áp suất và vận tốc gió qua turbine Đây là sơ đồ miêu tả các biến đổi của dòng chảy khi đi qua đĩa rotor. ^ới các thông số ∞ , d , w lần lượt đặc trưng cho dòng chảy ở xa vô cùng phía trước rotorH tại rotorH và xa vô cùng ở phía sau rotor. Xét định luật bảo toàn khối lượng cho dòng chảy qua rotor tại 3 tiết diện ở xa vô cùng phía trướcH phía sau và ngay tại rotor :a ρ . A ∞ .U ∞ = ρ . A d . U d = ρ . A w .U w Đồ án máy bay S^TH:a Phạm Tuấn AnhHHoàng Minh Hiếu 6 Đặt (2.1) U d =U ∞ ( 1−a) Thay vào biểu thức trên ta được :a (2.2) A∞ . U ∞ =( 1−a ) . A d . U ∞ Ta thấy rằng với rotor có diện tích Ad thì tương ứng với phần diện tích A∞ =( 1−a ) . Ad của dòng không khí là trao đổi năng lượng với rotor. Hệ số a được gọi là hệ số thu hẹp của dòng chảy. Đây là 1 hệ số đặc trưng cho sự trao đổi năng lượng giữa dòng không khí và rotor. 2.2 Thuyết độ i lượ i và hệ số cô i suất của rotor Do mặt trước và mặt sau rotor có bước nhảy về áp suất nên suất hiện lực và lực này la nguyên nhân thay đổi động lượng của dòng khí qua rotor. F=¿ ¿= (U ∞ - U w ). ρ . A d . U d (2.3) Phương trình Becnuli cho dòng chảy ta có 2 1 . ρ .U + p+ ρ . g .h=constant 2 Áp dụng cho dòng chảy trước đĩa 1 1 2 2 +¿+ρ . ρ .U + ρ g . h∞ = . ρ d .U d + pd 2 ∞ ∞ ∞. 2 2 1 1 ¿ . ρU = ρ . U 2d + p+¿ d 2 2 ∞ d .g . hd ¿ (2.4) Tương tự như vậy cho dòng chảy sau đĩa 2 1 1 2 −¿ ¿ . ρU = ρ .U d + pd 2 2 w (2.5) Kết hợp (3.3) và (3.4) ta có ¿¿ Thay vào phương trình (3.2) ta được 1 . ρ ( U 2∞ −U 2w ) . A d =( U ∞−U w ) . ρ . A d . U d 2 Mà U d =U ∞ ( 1−a) nên ta có Đồ án máy bay S^TH:a Phạm Tuấn AnhHHoàng Minh Hiếu 7 U w =( 1−2 a ) .U ∞ (2.6) Điều này có nghĩa là vận tốc vào rotor và vận tốc ở xa vô cùng phía sau rotor đều giảm đi 1 lượng a . U ∞ Thay vào biểu thức (4.1) ta có F=( U ∞ −U w ) . ρ . A d .U d=2. ρ . A d U 2∞ a( 1−a) (2.7) Công suất truyền cho rotor chính là công giãn nở của dòng khí 3 P=F .U d=2. ρ . A d U ∞ a ¿ (2.8) Hệ số công suất của rotor là tỷ số giữa công truyền cho rotor và động năng dòng khí đi qua diện tích quét của rotor trong 1 đơn vị thời gian η= P 1 3 . ρ .U ∞ . A d 2 Thay vào trên ta có η=4 a ¿ (3.8) 2.3. Số Betz iiới hạ Đạo hàm biểu thức (3.8) theo a ta có dη =4 ( 1−a ) ( 1−3. a )=0 da 1 16 Ta thấy rằng a= 3 → ηmax = 27 =0,593 Tức là hiệu suất của rotor max. Đây cũng chính là nội dung định luật Betz được nhà vật lý người Đức Albert Betz tìm ra vào năm 1926. ^ới mọi loại tubin thì đều Đồ án máy bay S^TH:a Phạm Tuấn AnhHHoàng Minh Hiếu 8 không thể đạt được hệ số công suất lớn nhất này. Không phải sự giới hạn khi thiết kế mà là dòng chảy của không khí vào tubin bị thu hẹp đi so với dòng chảy tự do qua bề mặt rotor. ^à điều này đã được chứng minh trong thực tế. Các tubin gió hiện đại ngày nay đều có hiệu suất chỉ đạt 30-45%. 2.4 Lý thuyết phâ tố cá h Lực tác dụng lên phân tố cánh phụ thuộc và 2 yếu tố có thể thay đổi được là kích thước cánh và góc tấn nhờ sự xác định vận tốc tương đối với cánh. Thành phần vận tốc chuyển động dọc theo bán kính của cánh rotor coi như không đáng kể. Biết được hình dáng phân tố cánh ta có thể xác định được các hệ số lực nâng và lực cản C l , C d và biến thiên của chúng theo góc tấn. Xét tubin gió quay với vận tốc góc là Ω và vận tốc dòng khí là U ∞ . Tubin có N cánhH bán kính R và chiều dài dây cung là c. Góc đặt cánh là β là góc giữa đường khí động cánh và mặt phẳng quay của đĩa. Cả 2 yếu tố c , β đều có thể biến thiên theo bán kính cánh quạt. Đồ án máy bay S^TH:a Phạm Tuấn AnhHHoàng Minh Hiếu 9 Tại 1 phân tố cánh rH vận tốc tiếp tuyến của phân tố cánh là Ω r và vận tốc tiếp tuyến của vết là a ' Ω r . Do đó vận tốc tiếp tuyến tương đối của dòng khí với phân tô cánh là (1+a¿ ¿' )Ω r ¿ Tam giác vận tốc cho ta vận tốc tương đối của dòng chảy với phân tố cánh W =√ U 2∞ ¿¿ (2.9) ^à góc tới ϕ được xác định bởi biểu thức :a sin ϕ= Đồ án máy bay U ∞ .(1−a) W S^TH:a Phạm Tuấn AnhHHoàng Minh Hiếu 10 cos ϕ= Ωr (1+ a ' ) W Góc tấn của phân tố cánh :a α =ϕ−β Khi đó lực nâng và lực cản lên phân tố cánh là :a 1 L= . W 2 . c . Cl . r 2 1 D= . W 2 . c . C d .r 2 2.5 Thuyết độ i lượ i phâ tố cá h (BEM) Xem như hệ số dòng chảy a , a ' là không đổi trên diện tích quét của phân tố. ^à không có sự tương tác giữa các dòng gần kề nhau. Thành phần lực khí động tác dụng lên N phân tố cánh theo chiều trục quay là :a 1 L .cos ϕ + D .sin ϕ= .W 2 . N . c . ( Cl . cos ϕ +C d . sin ϕ ) r 2 (2.10) Thành phần lực tác dụng lên N phân tố cánh theo phương tiếp tuyến là :a 1 2 L .sin Ф−D .cos Ф= . W . N . c . ( C l .sin ϕ−Cd . cos ϕ ) r 2 (2.11) Sự thay đổi động lượng theo trục của dòng khí đi qua diện tích quét là :a m . ∆ v=.U ∞ ( 1−a ) .2. π . r . r .2. a . U ∞=4 π .U 2∞ a (1−a ) r . r Sự mất áp suất nguyên nhân do vết quay 1 ∆ p= .. ¿ 2 Áp suất này tạo ra 1 lực tác dụng theo phương trục quay là :a 1 . .¿ 2 Do đó cân bằng lực theo phương trục quay :a L .cos Ф+ D .sin Ф=m. ∆ v +∆ p . s Do thành phần ∆ p . s ≪ m. ∆ v nên để tiện cho tính toán ta coi ∆ p . s ≈ 0 Đồ án máy bay S^TH:a Phạm Tuấn AnhHHoàng Minh Hiếu 11 Nên biểu thức trên trở thành :a 1 . W 2 . N . c . ( C l . cos ϕ+C d . sin ϕ ) r=4 π .U 2∞ a ( 1−a ) r .r 2 W2 c . N . . ( C l .cos ϕ+ Cd . sin ϕ ) =8 π . x . a . ( 1−a ) 2 R U∞ (2.12) Sự thay đổi động lượng góc của dòng khí truyền qua diện tích quét của phân tố :a ' ' ρ . U ∞ . ( 1−a ) .Ω .2 a r .2 πr .r =4 π ρ . U ∞ . ( 1−a ) Ω . a r . r r Cân bằng với lực khí động theo phương tiếp tuyến ở biểu thức (2.11)H ta có :a ' L .sin ϕ−D .cos ϕ=4 π ρ . U ∞ . (1−a ) Ω . a r . r r Hay :a 1 2 . W . N . c . ( C l . sin ϕ−C d . cos ϕ ) r =4 π ρ .U ∞ . ( 1−a ) Ω .a ' r . r r 2 W2 c . N . . ( C l .sin ϕ −Cd . cos ϕ )=8 π . λ . x 2 a' ( 1−a ) 2 R U∞ (2.13) 3. Thiết kế cá h quạt rotor loại 20KW Yêu cầu:a Tốc độ gió khởi động 2H5 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 Công suất định mức 20KW Tốc độ quay Rotor 0-160 vg/ph Loại turbine :a 3 cánh H gió ngang 3.1 Tí h bá kí h cá h quạt rotor Đồ án máy bay S^TH:a Phạm Tuấn AnhHHoàng Minh Hiếu 12 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  P 1 . .U 3 . .R 2 2 (3.1) Hiệu 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 R ^ậy bán kính cánh quạt rotor là :a ^ới P= 20KW P 1 . .U 3 . . 2 (3.2) ( công suất định mức )   1H225 kg/m3 (khối lượng riêng của không khí) U  = 14m/s (^ận tốc gió định 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 được sử dụng nên ta không quan tâm đến giá trị của công suất định mức.Do đó ta vẫn chọn bán kính của rotor R=5m Chọn tỉ số vận tốc đầu mũi cánh λ :a Đồ án máy bay S^TH:a Phạm Tuấn AnhHHoàng Minh Hiếu 13 Hoặc dựa vào bảng bên dưới :a Ta chọn λ = 6. Khi đó vận tốc quay của rotor là :a Đồ án máy bay S^TH:a Phạm Tuấn AnhHHoàng Minh Hiếu 14   .U  6.14  16.8( rad / s ) R 5 3.2 Profile cá h Trong lĩnh vực turbine gióH1 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 ReHgóc tấnHchiều dài dây cungHhệ số lực nâng và lực đẩyHtỉ lệ trượtHhệ số áp suất khỏe nhất và nhỏ nhất đã được quan tâm đến. ^ào những thập niên trướcHthường sử dụng họ cánh cho turbin gió trục ngang (HAWTs) là các họ NACA 44xxHNACA 23xxxHNACA 63xxxH 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 :a - Hệ số lực nâng lớn nhất ở miền đầu cánh (tip region airfoil) là 1H1 độ dầy khoảng 16%. - Hệ số lực nâng lớn nhất ở miền giữa cánh (outboard region airfoil) là 1H2 ; độ dầy khoảng 21%. - Hệ số lực nâng lớn nhất ở miền gốc cánh (root region airfoil) là 1H4 ; độ dầy khoảng 24% Trên cơ sở đó ta chọn profile NACA 63415 có những đặc tính sau đây :a - Chữ số đầu tiên nhân với 0H15 cho ta hệ số lực nâng Cl thiết kế - 2 chữ số tiếp theo chia cho 2 Hcho ta khoảng cách từ độ dày lớn nhất đến đầu mũi cánh tính theo % dây cung - 2 chữ số cuối cho biết % độ dày lớn nhất của cánh theo dây cung Sau đây là bảng hệ số lực nâng và lực cản theo góc tấn α của NACA 63415:a Đồ án máy bay S^TH:a Phạm Tuấn AnhHHoàng Minh Hiếu 15 Đồ án máy bay S^TH:a Phạm Tuấn AnhHHoàng Minh Hiếu 16 Đồ án máy bay S^TH:a Phạm Tuấn AnhHHoàng Minh Hiếu 17 Dựa vào đồ thị lực nâng và lực cản trên ta tính gần đúng sự phụ thuộc của CD H CL theo góc tấn α C l=7,162. α +0,3 C d=0,01C 2l −0,007. Cl +0.007 ^ới α biến thiên trong khoảng từ [-14 ÷ 14] độ Hứng với [-0H2443 ÷ 0H2443] radial CL ) C D Căn cứ vào trên ta thấy giá trị max = 102 đạt được khi Cl= 0H837 và ( Cd=0H008 ứng với α = 0H075 radial ≈ 4 độ ^ậy ta sẽ xây dựng góc đặt và chiều dài dây cung của cánh sao cho dòng khí vào có góc tấn α = 4 độ dọc theo chiều dài của cánh. 3.3 Chiểu dài dây cu i cá h Xuất phát từ biểu thức (2.13) liên quan tới mômen quay của rotor. Để tiện cho tính toánH giả sử C d ≈ 0H khi đó :a W2 c W2 c . N . .( C . sin ϕ−C cos ϕ )≈ . N . Cl . sin ϕ=8 π . λ . x 2 a' ( 1−a ) l d 2 2 R R U∞ U∞ Thay sin ϕ= N. (1−a) U ∞ v àW =√ U 2∞ . ¿ ¿vào biểu thức trên :a w U c .C l=8 π . λ . µ2 a' . ∞ R w Hay :a 2 N. ' c 8π . λ. x a (3.3) .C l= √¿¿¿ R ^ế phải của biểu thức trên phụ thuộc vào hệ số dòng a , a '. Để hiệu suất của cánh max thì a , a ' phải thỏa mãn biểu thức (3.13) :a a (1−a) 1 2 a= ; a' = = 2 3 λr 9. λ2 . x 2 (3.4) Do đó (3.3) trở thành :a Đồ án máy bay S^TH:a Phạm Tuấn AnhHHoàng Minh Hiếu 18 N. c .C = R l 16 π 4 9λ +¿ ¿ ¿ 9 √ (3.5) ^ới số cánh quạt của tubin gió là N=3 và C l=0,8. Ta xây dựng được sự biến thiên c r x ( tỷ số bán kính x= ) theo bảng sau theo R R r tỷ số bá kí h x= R 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 c Chỉ số dây cu i theo bá kí h R 0.329 0.252 0.190 0.150 0.123 0.104 0.090 0.079 0.071 0.064 c Đồ thị R theo tỉ số bán kính x :a Đồ án máy bay S^TH:a Phạm Tuấn AnhHHoàng Minh Hiếu 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. ^à việc chế tạo hình dáng cánh quạt theo đường cong này là rất khó đạt độ chính xác. ^ị 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. ^ẽ đường thẳng đi qua 70% và 90% bán kínhH đường thẳng này vẫn đảm bảo vùng đạt hiệu suất cao (0,6 ÷ 0,9) R của cánh quạt vẫn có góc tấn là 4 độ. ^ậy biến thiên dây cung theo tỉ số bán kính :a c =−0,096. x+0,158 R Đồ án máy bay (3.6) S^TH:a Phạm Tuấn AnhHHoàng Minh Hiếu 20 3.4 G c đặt cá h Biến đổi biểu thức (3.5) C l= 16 π c 4 9. N . λ +¿ ¿ ¿ R 9 √ Kết hợp với (3.6) ta sẽ có sự biến thiên của hệ số lực nâng dọc theo chiều dài bán kính cánh :a 16 π C l= 9 N . λ (−0,096.+0.158). √ 4 +¿ ¿ ¿ 9 Sử dụng biểu thức hệ số lực nâng :a C l=7,162. α +0,3 Có góc tấn của cánh theo bảng sau :a Đồ án máy bay S^TH:a Phạm Tuấn AnhHHoàng Minh Hiếu