Diploma - Www.tocilar.ro

5/13/2018 Diploma - Www.tocilar.ro - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/diploma-wwwtocilarro-55a82282c6f78 1/33

Vizitati www.tocilar.ro ! Arhiva online cu diplome, cursuri si referate postate de utilizatori.

Studiul proiectarii unei instalatii eoliene de putere mica

Capitolul 1

Evolutia turbinelor eoliene in timp

Denumirea de turbina se utilizeaza pentru orice

dispozitiv dotat cu pale care transforma energia cinetica a unui fluid in lucru mecanic. Daca

este utilizata energia cinetica a vantului pentru obtinerea de lucru mecanic atunci, turbina

capata denumirea de turbina eoliana sau de vant. Cel mai raspandit tip de turbina eoliana este

cea dotata cu pale. Desi caracterul neconstant al vintului implica timp scurt de folosire a

turbinelor eoliene, totusi, timp de milenii vintul a fost intens folosit de oameni. In urma cu

aproximativ 4000 de ani, oamenii au inceput sa foloseasca energia vintului constuind pompe

eoliene folosite la extragerea apei pentru irigatii, in scopul usurarii efortului propriu. Aceste

pompe eoliene au fost denumite generic “mori de vint”. Primele mori de vint, de la care au

ramas doar zidurile, se presupune ca au fost construite in Alexandria, pe malul Mediteranei, in

urma cu 3000 de ani. Se presupune ca au existat si constructii mai vechi (in Persia, de exemplu)

, dar datorita utilizarii lemnului ca material de constructie, nu au rezistat trecerii timpului.

Se pare ca aceste mori aveau intre 6 si 8 pale dreptunghiulare, acoperite cu pinza, avind

o turatie la axul elicii de aproximativ 20 rot/min,iar axul elicei nu se putea roti dupa vint si nici

Pagina 1 din 33




nu era nevoie deoarece vintul avea o directie constanta. In insulele Mallorca, pentru a capta

vintul ce avea diferite directii, se instalau serii de mori, fiecare avind axul dirijat intr-o alta

directie, asigurindu-se astfel un randament mai uniform. In 115 Heron a construit o orga pusa

in miscare de o pompa avind aerul furnizat de o elice cu un numar foarte mare de pale,

asemanatoare turbinelor americane care se pun in miscare la cea mai usoara adiere de vint, dar

avind un numar scazut de rotatii. Citeva secole mai tirziu apar primele roti de vint chinezesti.

Chinezii foloseau turbine eoliene cu pinze de catarg pentru pomparea apei de mare in vederea

obtinerii sarii. Pentru prima data apare la ei o turbina eoliana cu ax vertical, independenta de

directia vintului, dar din pacate, avea randament mic.

In Europa centrala medievala, au existat

doua tipuri de mori de vint: moara germana, aparuta la inceputul sec. al XIV – lea, prevazuta cu

o elice cu 6 pale dreptunghiulare drepte, acoperite cu pinza de catarg si moara olandeza, care a

fost considerata superioara celei germane din punct de vedere al performantei. Imbunatatirea ei

era o necesitate stringenta datorata problemei desecarilor din Olanda. Ecuatia lui Bernoulli a

explicat multe procese din functionarea morilor de vint. In 1792 scotianul Meikle a inlocuit

pinzele morii de vint olandeze cu jaluzele care se deschideau singure cind vintul era mai

puternic si se inchideau la loc cind vintul slabea. Necesitatea ridicarii randamentului a condus

la profilarea si rasucirea palelor, calculele exacte fiind furnizate de Bernoulli, Smeaton si Euler.

Moara de vint a preocupat mult oamenii din renastere si din perioada urmatoare,

eliberarea elicei eoliene de directia vintului fiind unul din punctele esentiale ale studiilor si

Pagina 2 din 33




incercarilor lor. Leonardo da Vinci a desenat primul anemometru (aparat pentru masurarea

vitezei vintului). De la el au ramas tablouri corecte de curgeri turbulente Ca aeromotor, elicea

eoliana a fost folosita pentru scopuri foarte variate: la mori de vint, la pompe, la mecanizarea

rugaciunii (in Tibet, Mongolia si China), la protectia plantelor impotriva maimutelor si pisicilor

salbatice producind zgomote care sperie (in Sumatra) sau ca aerogenerator trasformind energia

eoliana in energie electrica. La sfirsitul secolului al XIX – lea, au aparut, in Statele Unite ale

Americii si in Europa, primele turbine eoliene generatoare de electricitate. Secolul al XIX – lea

s-a caracterizat aproape exclusiv prin imbunatatirea formei palelor, rasucirea fiind deja bine

inteleasa. Francezul Duvand a incercat sa rezolve problema curburii folosind pinze de forma

aripilor de pasare. Tot el a avut ideea sa proiecteze pale care se roteau in jurul axei palei creind,

astfel, premisele turbinei moderne. Desi aparitia masinii cu abur a revolutionat tehnica, roata de

vint a continuat sa fie folosita si perfectionata. In 1890, danezul La Cour a abtinut, prin

lucrarile sale in suflerii, valori constructive precise: inclinarea axei elicei trebuie sa fie de

aproximativ 10o, suprafata totala a palelor sa nu depaseasca o treime din suprafata discului

elicei.El recomanda 4 pale a caror latime sa fie 1/4 - 1/5 din lungimea palei. Profilul poligonal

al palei trebuie sa aiba sageata maxima la distanta 1/4 - 1/6 din coarda fata de bordul de atac si

ea trebuie sa fie doar de 3 – 4 % din coarda. Inclinarea palei fata de planul rotii era de 10 o la

virf, de 15o la 2/3 din raza, de 20o la 1/3 din raza si de 25o la butuc. Butucul elicei trebuia sa

aiba o raza corespunzind unui sfert din lungimea palei. O astfel de elice se misca deja la o

viteza a vintului de 1,8 m/s si functiona la randament maxim de la 3 000 la 5 000 de ore pe an.

Dupa cel de-al doilea razboi mondial a crescut interesul fata de turbinele eoliene

infiintindu-se institute specializate pentru cercetari in domeniul energiei eoliene si dispunind de

diferite tipuri de turbine eoline folosite pentru cercetare. S-au construit astfel multe alte turbine

pentru scopuri practice. Mentionam, astfel, institutul de la Weimar, din Germania, infiintat in

1930, unde s-au realizat turbine cu un randament de 47% incluzind pierderile de energie ale

pompelor de apa. Din 1975 exista la Stuttgart un institut de cercetari pentru tehnica energiei

eoliene. Tot in Germania, in 1955 s-a construit o turbina eoliana de 100 kW instalata pe un turn

de 22 m inaltime, iar Hüter a avut contributii importante privind analiza,proiectarea,

constructia, incercarea, operarea si economia turbinelor eoliene. El a fost primul care a folosit

materiale compozite la confectionarea palelor.

In ultimii 30-40 ani au inceput sa apara turbine eoliene de mare putere ca de

exemplu cea de la Analborg (Danemarca) cu diametrul de 17,5 m, 100 rot/min si putere de 60

kW la o viteza a vintului de 11,6 m/s. La virful palelor viteza aerului este de 325 km/h, de

aceea palele trebuie proiectate cu aceeasi grija ca aripile avioanelor ca pe ele sa nu se formeze

Pagina 3 din 33




virtejuri. Viteza unghiulara mare conduce la pale foarte inguste; in

plus acesta turbina functioneaza la vinturi

foarte puternice. O alta turbina eoliana de 200 kW si cu diametrul de 24 m a fost instalata la in

Danemarca in1957, la Gedser, iar in 1977 o alta a fost instalata la Trind-Skolerne avind o

putere de 2 MW. Sunt doua motive principale pentru aceasta atentie tot mai mare data energiei

eoliene. Primul ar fi ca majoritatea formelor de energie generate astazi folosesc ca materie

prima carbunele, petrolul sau gazul. Acestea elibereaza cantitati uriase de dioxid de carbon in

atmosfera, ceea ce duce la accentuarea efectului de sera si implicit la o incalzire a atmosferei

Pamintului. Al doilea motiv ar fi ca multe din descoperirile din domeniul energiei vintului,

precum si al tehnologiei de fabricatie a elicelor eoliene au permis aducerea costului energiei

eoliene la un punct care o face competitiva cu celelalte surse de energie. Marele potential al

turbinelor eoliene este dat de faptul ca puterea generata de o elice eoliana creste rapid o data cu

cresterea vintului: o dublare a vitezei vintului genereaza o crestere de aproape opt ori a puterii.

De asemenea, lungimea palei elicei este importanta: o dublare a diametrului elicei genereaza o

crestere de patru ori a puterii. Elicea trebuie sa fie rezistenta, usoara si durabila. O data cu noile

descoperiri asupra fibrei de sticla si a fibrei de carbon, a fost posibila crearea unor pale de elice

foarte usoare avind intre 20 – 30 m lungime. Aceste tipuri de pale pot functiona multi ani in

conditii dintre cele mai vitrege in unele zone din lume cu vinturi foarte puternice. Indelungata

utilizare a elicelor eoliene a avut drept rezultat o mare varietate de forme contructive ale lor.

Pagina 4 din 33




Astfel, elicele eoliene au forme diferite dupa cum sunt montate (in avalul sau in amontele

instalatiei) , dupa viteza specifica (lente sau rapide) , dupa numarul de pale, dupa puterea

produsa, dupa soliditate etc. Axa elicelor eoliene este paralela cu directia vintului, elicea putind

fi montata in amontele sau in avalul instalatiei eoliene. Configuratia cu elicea in aval se

utilizeaza de obicei pentru puteri mai mari de 100 kW. Exista instalatii cu mai multe elice

montate pe acelasi suport; fie pe axe diferite, fie pe acelasi ax si cu sensuri de rotatie diferite.

Acest ultim sistem, utilizat in instalatia Noah, permite sa se obtina o viteza de rotatie relativa a

rotorului generatorului (solidar cu o elice) fata de stator (solidar cu cealalta elice) de doua ori

mai mare decit viteza de rotatie a elicelor, suprimindu-se, astfel, multiplicatorul de turatie.

In momentul de fata se folosesc doua tipuri de elici eoliene: cu axa verticala si cu axa

orizontala. Elicile cu axa verticala sunt, la rindul lor, de doua tipuri: pe baza de rezistenta la

inaintare si pe baza de portanta. Cele pe baza de rezistenta la inaintare lucreaza pe principiul

paletei folosite la propulsia hidrobicicletelor (daca paleta folosita la propulsie nu are alunecari,

atunci viteza maxima a hidrobicicletei va fi aceeasi cu viteza de pedalare). Cele mai frecvente

elici cu axa verticala sunt anemometrele.

Pagina 5 din 33




Un exemplu de elice cu axa verticala pe baza de portanta este “batatorul de oua”

Darrieus din Franta (patentata pentru prima oara in 1927). Pe fiecare pala se atinge portanta

maxima doar de doua ori la o revolutie ceea ce genereaza un cuplu (si o putere) mare de tip

sinusoidal (lucru ce nu se intilneste in cazul unei elici cu ax orizontal). Unul din dezavantajele

unei astfel de turbine este ca palele sale au un numar de frecvente care trebuie sarite. Marele

avantaj al acestui tip de turbina este ca poate functiona indiferent de directia vintului. Celelalte

tipuri de turbine eoliene sunt dotate cu cite un “creier” electronic propriu, care ia toate

deciziile: cupleaza generatorul cind viteza vintului este optima sau il decupleaza cind viteza

devine prea mare sau cind apare o problema. Cele mai multe turbine eoliene se orienteaza dupa

directia vintului. Elicile cu ax vertical sunt greu de montat pe turnurile inalte pentru a prinde

vinturile de la inatimi mari si sunt fortate sa accepte vinturile joase, mai turbulente, care produc

mai putina energie si sunt mai periculoase. De aceea, elicile cu axa verticala nu au avut succes

pe piata comerciala a turbinelor eoliene.

Cea mai raspindita, precum si cea mai performanta din punct de vedere al generarii de

electricitate, ramine elicea eoliana cu ax orizontal.

Pe scurt, principiul de functionare al acestui tip de elice este urmatorul: vintul ataca pala

elicei, care este profilata aerodinamic, creind pe extradosul profilului portanta. Fortele de

portanta si rezistenta la inaintare se reduc la axul elicei, formind forta de tractiun esi cuplu la

ax. Un prim obiectiv in proiectarea palelor este acela de a avea finete maxima la Cz mare.

Finetea poate varia in lungul palei pentru a optimiza energia generata de turbina la diferite

viteze ale vintului.

Pagina 6 din 33




Caracteristicile

functionale ale unei turbine eoliene se exprima, de obicei, in functie de raportul dintre viteza la

virful palei si viteza vintului (TSR- tip speed ratio), cunoscut in lucrarile de specialitate ca

viteza specifica, fiind adimensionala, si de parametrul de soliditate definit ca raportul dintre

aria totala a palelor si aria discului elicei.

In cazul anemo- metrelor valoarea vitezei specifice va fi subunitara. In functie de viteza

specifica, in practica se va adopta urmatorul numar de pale:

8 – 24 pale pentru TSR=1; 6 –12 pale pentru TSR=2; 3 –6 pale pentru TSR=3; 2 –4

pale pentru TSR=4; 2 – 3 pale pentru TSR≥5.

Teoria elicelor eoliene se poate obtine din cea a elicelor propulsive, tinind insa seama

de deosebirea dintre miscarea aerului din jurul elicei. Astfel, in cazul elicei propulsive sursa

motoare (motorul) creaza moment necesar mentinerii unei anumite turatii, curentul din jurul

elicei este generat de deplasarea avionului in mediul imobil si forta de tractiune care se obtine

prin compunerea, pe directia de deplasare a avionului, a portantei si a rezistentei la inaintare

este o forta (avind acelasi sens cu viteza de inaintare) produsa prin reactiunea fluidului asupra

palelor in rotatie. In schimb, la elicea eoliana aerul se misca (vintul) in jurul elicei fixe, fortele

care apar fiind rezultatul actiunii directe a fluidului asupra palelor.

1.2. Tendinte actuale in proiectarea palelor pentru turbine eoliene de putere mica

Pagina 7 din 33




Ca in orice proces de proiectare si la turbinele eoliene

exista anumite criterii de design care trebuie luate in considerare. Printre acestea, cele mai

importante sunt: alegerea numarului de pale, alegerea profilului, alegerea corzii si a rotatiei

palei, alegerea materialului. Deciziile finale dupa anumite criterii se fac deasemenea in oridinea

prioritatilor survenite din caietul de sarcini emis pentru proiectarea unei turbine eoliene. . De

exemplu, profilele subtiri sunt dorite datorita raportului Cz/Cx mare si a comportarii lor bune in

conditii dure; pe cind profilele mai groase sacrifica unele calitati pentru a obtine o rigiditate

mai buna a palei, conditie ceruta pentru turbinele de mari dimensiuni. Unele proiecte pentru

pale rezultate din cresterea dimensiunilor elicelor include o scadere a rezistentei palelor

impreuna cu o crestere a grosimii profilelor si a coeficientului de portanta, precum si o crestere

majora a vitezei la virf.

Bazata pe aceste criterii, configuratia de baza, in ultimii ani, pentru acest tip de turbine

a fost: elice in vint cu trei sau mai multe pale profilate aerodinamic similare elicei de avion.

1.2.1.Consideratii Aerodinamice

Profilele aerodinamice

Pagina 8 din 33




Profilele aerodinamice au constituit unul din aspectele cele mai controversate din

proiectarea unei pale pentru o turbina eoliana. Caracteristicile de performanta, precum si

grosimile profilelor pentru aviatie nu sunt intotdeauna potrivite in cazul turbinelor eoliene.

Profilele create pentru numere

Reynolds mari prezinta separatii

laminare cind sunt folosite pentru

turbine eoliene cu un numar Reynolds

mult mai mic. Apar bule de separare

care pot duce la variatii mari ale

performantelor aerodinamice. Nu

trebuie neglijata grosimea de la baza

palei, care trebuie sa respecte

cerintele structurale, sa aiba o buna

rezistenta la in covoiere pentru a nu

lovi turnul si pentru a suporta

momentele de incovoiere de la baza

palei. Proiectele recente de familii de

profile pentru turbinele eoliene

prezinta curgeri turbulente pe intreg extradosul profilului cu doar putin inainte de portanta

maxima.

In anii ’80, frecventa depasire a puterii maxime a unor turbine fixe a dus la incarcarea

excesiva a transmisiei, putind duce chiar la distrugerea generatorului. O rezolvare constructiva

a acestei probleme a dus la introducerea profilelor cu un C z redus catre virful palei pentru un

control pasiv al puterii maxime generate, reusindu-se chiar o imbunatatire a performantelor

palelor. Pentru turbinele foarte mari, greutatea si costul palelor creste mult mai mult decit

energia generata. Bazindu-ne pe acest considerent, turbinele de mari dimensiuni au nevoie de

profile cu grosimi mari si Cz mare pentru a minimiza greutatea si costul palelor. Profilele pentru

turbinele de mici dimensiuni trebuie proiectate pentru numere Reynolds reduse pentru a evita

separatia laminara ce poate duce la rezistenta la inaintare mare, Cz variabil si, nu in ultimul

rind, zgomot.

Pagina 9 din 33




Geometria palelor

Pagina 10 din 33




Criteriul cel mai utilizat in prezent

pentru optimizarea palelor este cel al costului minim al energiei, mai degraba decit cel al

productiei maxime de energie anuala. Pentru a se face optimizari raportate la costul minim al

energiei, este nevoie de o metoda multi-disciplinara care sa includa un model aerodinamic si

structural pentru pale cu modele de costuri atit pentru pale cit si pentru toate componentele

principale ale turbinei. Procesul de proiectare al palelor devine astfel strins legat de tipul

turbinei si de locul de amplasare al acesteia.

Diferitele modele aerodinamice folosite in determinarea geometriei palei nu ofera o

solutie clara pentru geometria virfului palei. Experimental s-a constatat ca o rotunjire a coltului

bordului de atac duce la o imbunatatire a performantei (virf tras). Alte tipuri de virfuri (virf tip

spada) sunt folosite pentru reducerea zgomotului in ciuda unor reduceri ale performantei.

Numarul palelor

In cazul turbinelor de mica putere, ca si pentru cele de mare putere, varianta elicei in

vant cu trei pale este cea mai des utilizata. . Cu toate ca varianta elicei in vint a fost aleasa in

special din cosiderente de simplitate, in urma incercarilor a rezultat si o rezistenta mai mare laoboseala a palelor decat in cazul celorlalte configuratii posibile luand in calcul bineanteles si

costurile necesare producerii ei. Eficienta aerodinamica creste o data cu numarul de pale.

Astfel, marind numarul de la 1 la 2 pale, rezulta o crestere a eficientei cu 6%, in timp ce o

crestere a numarului de la 2 la 3 pale duce la o crestere a eficientei cu doar 3%. Crescind in

continuare numarul de pale s-a costatat ca se sacrifica mult din rezistenta palei pentru o crestere

nesemnificativa a eficientei aerodinamice. Zgomotul elicei, desi in cazul turbinelor eoliene de

mica putere nu este un factor determinant in procesul de proiectare, precum si cosiderentele deordin estetic, sunt in favoarea elicii cu trei pale ce are doua mari avantaje fata de cea cu mai

Pagina 11 din 33




putine pale. Pentru un diametru si parametru de soliditate date, varianta cu trei pale va suporta

doar doua treimi din incarcarea unei elici cu doua pale si doar o treime din incarcarea unei elici

cu o pala. De aici rezulta ca zgomotul generat de elicea cu trei pale datorita incastrarii va fi mai

mic indiferent daca este vorba de constructie in vint sau invers. Pentru a compensa eficienta

aerodinamica scazuta, elicele cu una sau doua pale tind sa aiba o viteza la virf mult mai mare

decit o elice cu trei pale, pentru un diametru sau o putere a turbinei data.

Din punct de vedere estetic, favorita este tot o elicea cu trei pale datorita impresiei de

miscare continua pe care o lasa in timpul functionarii; rotatia elicei cu doua pale fiind perceputa

ca o miscare intermitenta. Un alt motiv ce vine in sprijinul variantei cu trei pale este obtinerea

unei turbine mult mai bine echilibrata dinamic. Ca rezultat al unghiului de 120o dintre pale

dinamica elicei este mai buna decit in cazul unghiurilor de 180o sau 360o.

1.2.2.Consideratii privind structura palelor

Multe turbine de mici dimensiuni folosesc pale solide produse din lemn, fie dintr-o

singura bucata,fie laminate, pentru a evita deformatiile de-a lungul timpului. Alte metode

folosesc materiale compozite ranforsate cu fibra de sticla. Un exemplu este cel al palelor

stratificate care imbraca o tabla profilata sau un profil multi-camera.

O metoda mai moderna pentru fabricarea palelor de mici dimensiuni presupune turnarea

prin injectie. Cu alte cuvinte o rasina, cum ar fi polipropilena, combinata cu fibre de sticla

scurte, se injecteaza intr-o forma de aluminiu ce corespunde geometriei palei. Consideratiile

referitoare la rezistenta si grosimea palelor produse prin aceasta metoda limiteaza lungimea lor

la maxim 2 m.

In cazul turbinelor mari, palele au dimensiuni mai mari, ceea ce implica viteze de

rotatie mici, o rigidizare centrifugala mica, greutate relativa mare si oboseala cauzata de

momentul de torsiune mare la baza palei. De fapt, momentul de torsiune la baza palei devine

parametru important in proiectarea turbinelor eoliene mari. Pentru a minimiza greutatea palei,

constructia tip pala solida pentru turbinele mici lasa loc palelor goale, extrem de usoare.

Structura monococa (pala Gougeon) preia intreaga incarcare a palei in invelis. Cu toate ca au

avantajul de a fi usoare, palele laminate din lemn nu se pot curba spatial. Aceasta impune o

rotatie mare in zona bazei palei si variatii mari ale corzii pentru o eficienta aerodinamica

crescuta.

Pagina 12 din 33




O alta metoda de design structural implica preluarea majoritatii solicitarilor de catre un

gheson din materiale compozite sau a unui lonjeron de tip “D” iar restul solicitarilor fiind

preluate de invelisul palei.

Pentru turbine foarte mari (de ordinul megawattilor) sunt necesare noi metode de

proiectare a palelor pentru a raspunde mai bine problemelor legate de oboseala si excitatiilor

dinamice.

1.2.3.Materiale utilizate la constructia palelor

Palele turbinelor eoliene de ultima generatie s-au fabricat din otel, aluminiu si materiale

compozite (fibre de sticla, fibre de carbon). Pentru o duritate si rigiditate date si pentru a

micsora sarcinile inertiale si giroscopice care duc la oboseala palei, greutatea ei trebuie sa fie

suficient de mica. Palele fabricate din otel sau aluminiu sufera de greutate mare si rezistenta la

oboseala mica in comparatie cu cele fabricate din materiale compozite.

Datorita acestor limitari, in ultimii 10 ani, aproape toate palele au fost realizate din

materiale compozite; in special din fibra de sticla. Cu toate ca fibra de carbon are cel mai bun

raport duritate/greutate, nu a fost folosita pe larg datorita costului mare, a incompatibilitatii sale

cu fibra de sticla si a dificultatilor de manevrare.

Sistemele de rasini cel mai des intilnite in materialele compozite au inclus poliester,

vinil-ester si rasini epoxidice. Poliesterul si vinil-esterul au fost cel mai des folosite datorita

pretului lor redus, dar din ce in ce mai multi producatori trec pe rasini epoxidice pentru a atinge

valori cit mai bune ale materialelor. Rasinile epoxidice previn contractiile, nu devin casante o

data cu trecerea timpului si confera o rezistenta cit mai buna la oboseala.

1.2.4. Metode de fabricatie a palelor

Ca si in cazul palelor de elicopter, din care dealtfel a derivat si tehnologia de fabricatie

a palelor elicilor eoliene, s-au elaborat mai multe tipuri de metode de fabricatie, care variaza in

functie de materialele utilizate la constructie, de structura de rezistenta a palei, de regimurile de

functionare la care este supusa elicea, de marimea si forma rotorului, etc. Datorita faptului ca in

ultimii aproximativ 20 de ani , pentru eliciile eoliene de mici dimensiuni ca si pentru cele de

Pagina 13 din 33




mari dimensiuni, materialele compozite s-au impus cu avantaje semnificative in raport cu

metalele sau lemnul, in cele ce urmeaza vom prezenta cateva metode de fabricatie a palelor din

materiale compozite.

Depunerea manuala

Este metoda clasica de constructie-depunere a materialelor composite.

Metode consta in depunerea manuala a mai multor straturi de fibra de sticla sau carbon

preambibate cu rasina intr-o semimatrita profilata cu forma palei. Procesul, desi la vremea sa a

constituit o revolutie in fabricatia palelor, prezinta numeroase dezavantaje printre care amintim:

metoda face dificila obtinerea unui raport optim fibra/rasina, greutatea palelor si distributia ei

pe lungimea palei este greu de controlat ceea ce duce la mari probleme in timpul procesului de

centraj al elicei, reproductibilitatea scazuta a palei datorita dificultatii de reproducere exacta a

distributiei rasinii pe pala, etc.

Infasurare la cald a firelor pe model

Provenita din construtia palelor de elicopter aceasta metoda are un cost de productie

scazut. Tehnologia consta in depunerea automata prin infasurare a benzilor continue

,preambibate in rasina, de material compozit, sub un anumit unghi in jurul unei monturi. Este

utilizata la producerea fie a unui lonjeron (lonjeroane tubulare sau de tip “D”) fie a formei

exterioare a palei. Dezavantajul metodei consta in faptul ca suprafetele concave ale palelor, ce

rezulta din forma profilului sau rotatia palei, nu pot fi obtinute astfel. De asemenea, prin aceasta

metoda rezulta o suprafata cu rugozitati mari ceea ce nu este compatibil cu caracteristicile de

performanta aerodinamica ale profilului. De aceea, aceasta metoda se foloseste cel mai bine la

producerea lojeroanelor care se folosesc ulterior in cadrul unei pale.

Stratificare fibrelor

Fibrele de sticla sunt trase una peste cealalta, trecute printr-o baie incalzita de rasini si

apoi “trase” printr-o anumita forma rezutind produsul finit. Procesul este similar extrudarii.

Principalul avantaj al acestei metode este reducerea costurilor de fabricatie cu pina la 50%.

Dezavantajul metodei este ca nu se pot produce pale cu variatii ale corzii sau pale invirtite, ceea

ce duce la o scadere a eficientei aerodinamice cu pina la 12%. Pentru acreste rezistenta la

Pagina 14 din 33




incovoiere a palei si a eficientei aerodinamice, se adauga la baza palei unde momentul de

incovoiere este maxim dubluri externe.

Turnare prin transfer

Prin aceasta metoda straturile de fibra de sticla sunt puse in matrita uscate. O membrana

etansa se aplica pe intreg perimetrul matritei. Apoi este introdusa o rasina catalizata intre fibra

si membrana prin presiune, vacuum sau o combinatie intre cele doua. Se reduce astfel

manopera si costul rasinilor, creste calitatea si corespunde normelor de poluare. Aceste avantaje

desemneaza aceasta metoda ca fiind cea mai buna in cazul productiei de pale de turbine eoliene

de mari dimensiuni.

Capitolul 2

TEORIA ELICEI

2.1. Caracteristici geometrice ale elicelor

Elicea este un mecanism cu numar de pale identice, dispuse radial, care se roteste in

jurul axei sale avind concomitent si o miscare relativa de translatie fata de mediul ambiant. Ea

este deci un dispozitiv de conversie a energiei mecanice a unei miscari de rotatie sau translatie

in energie mecanica a altei miscari de translatie, respectiv rotatie. In cazul turbinelor eoliene

conversia este inversa fata de avion sau elicopter; miscarea de translatie a aerului produce

miscarea de rotatie a unui ax.

Caracteristicile geometrice ale elicei sunt: diametrul si forma butucului, numarul de

pale si caracteristicile geometrice ale palei. Acestea sunt: latimea maxima a palei cmax care

determina tipul palei (inguste, mijlocii, late), parametrul de soliditate σ definit ca raportul dintre

suprafata formei plane a palelor si suprafata discului circular descris de pale in rotatia lor,

rasucirea specifica a palei definita ca raportul dintre unghiul total de rasucire δ si raza palei,

pasul relativ sau pasul geometric relativ care este un parametru de catalog util numai pentru

Pagina 15 din 33




definirea elicelor care apartin unei serii. Axa de rotatie a butucului este axa elicei. Axa palei

este o dreapta de referinta solidara cu pala care intersecteaza axa elicei in centrul elicei.

In general, este suficient sa definim pentru o elice numai numarul de pale, diametrul,

parametrul de soliditate si pasul geometric relativ.

2.2. Principiul de functionare aerodinamica a elicei

Principiul de functionare al elicei eoliene este acelasi cu al elicei propulsive, cu

urmatoarele deosebiri:

elicea eoliana este fixa, in timp ce elicea propulsiva se

misca in curentul de aer;

elicea propulsiva produce o forta de tractiune, in timp ce la elicea eoliana curentul de

aer (cu viteza V∞) ataca elicea pe intrados.

Palele elicei, suportul pe care sunt asezate si axul care transmite miscarea palelor

constituie rotorul unui generator de curent electric sau al unei pompe de irigat.

Fiecare pala are mai multe profile dispuse intr-un anumit mod fata de virful palei, astfel

ca acestea executa doua feluri de miscari:

- una de rotatie uniforma cu viteza unghiulara Ω;

- una de translatie dirijata aproximativ dupa axul elicei (cu viteza U)

Pagina 16 din 33




Viteza miscarii rezultante, compusa din aceste doua miscari, este viteza W a profilului

fata de curentul de aer (profilul considerat in repaos fata de curentul de aer). In czul elicei

eoliene, curentul incident are un moment si o forta T, ca urmare a reactiei curentului de aer

aflat in miscare pa pala elicei. T este o proiectie pe directia de deplasare a curentului, deoarece

profilul este atacat pe intrados, in acest caz elicea lucrind in regim aeromotor (T<0,

M>0).Momentul M este produs de componentele fortelor aerodinamice (F) normale pe directia

de deplasare (tangenta la traiectoria eoliana) a elementului de pala considerat.

Fortele de portanta si de rezistenta la inaintare se reduc la axul elicei formind forta de

tractiune si cuplul la ax, ce reprezinta componentele axiale ale torsului fortelor de reactie care

actioneaza asupra elicei.

Asupra curentului de aer ce trece prin discul elicei se realizeaza o frinare si o dilatare a

“vinei” de curent in spatele elicei. Tractiunea elicei se calculeaza prin scadera impulsului

curentului de aer spre aval, momentul rezistent orientindu-se pe miscarea de rotatie imprimata

curentului de aer. Aerul avind o presiune mai mare in fata discului, tinzind sa se egalizeze cu

cea din spatele discului elicei (unde presiunea este mai mica datorita dilatarii tubului de curent

al aerului), creaza miscarea masei de aer care strabate discul elicei si-l pune in miscare datorita

pozitiei profilului palei.

Un rol important in functionarea aerodinamica a elicei il au:

pasul de deplasare (numit avans de rotatie) V∞/N;

pasul de deplasare relativ (numit si avans relativ) μ=V∞/ND, N fiind turatia elicei (in

rot/s).

Astfel, intr-o sectiune dreapta, situata la distanta r de axul elicei, viteza rezultanta W∞

dintre viteza de deplasare V∞ si viteza de rotatie (2πNr = Ωr) formeaza cu planul de rotatie

unghiul βo,dat de pasul de deplasare

Μ=V∞/ND=(πr/R) tgβo

Aceasta relatie intre μ si β este analoaga cu relatia dintre pasul geometric si relativ Nr/D

si unghiul de asezare δ.

Viteza W∞ , numita si viteza aerodinamica, este viteza relativa a aerului fata de profil la

infinit amonte si are incidenta α fata de coarda, ca axa de referinta a profilului.

Pagina 17 din 33




αo=δ – βo

δarctg (V∞/2πNr)=f(γ)

unde f(γ) este incidenta geometrica.

Teoria turbionara a elicei arata ca exista, ca si in cazul aripii de anvergura finita, viteza

induse si corespunzatoare unei incidente efective alese si un pas aerodinamic (unghiul facut de

viteza relativa a aerului cu planul de rotatie, in dreptul profilului) ales.

2.3. Regimul de functionare

Prin regim de functionare intelegem un domeniu de valori pentru cimponentele

torsorului. Astfel, spunem ca elicea functioneaza in regim propulsiv (de impingere sau

tractiune) cind (T>0, M<0), in regim de frinare cind (T<0, M<0), iar in regim de generator cind

(T<0, M>0).

Functionarea elementului de pala ca aeromotor are loc pentru viteze V∞ mai mari decit

in cazul regimului de frinare cind β devine mult mai mare decit δ. In aceasta situatie rezultanta

dF3 se afla in cadranul III si conduce la o forta de rezistenta dT<0 si la un moment pozitiv

dM>0 (numit moment motor).

Elicea care lucreaza in acest regim furnizeaza puterea capturata din energia curentului

incident si este denumita elice eoliana sau aeromotor. Ea este caracterizata prin asezarea palelor

in butuc, astfel incit profilele sa fie orientate cu intradosul spre V∞. Prin aceasta se asigura ca

viteza relativa a aerului V∞ sa atace normal profilul pe intrados.

Astfel, elicea eoliana are un profil dispus cu extradosul pe partea opusa vitezei

curentului incident, curentul incident atacind intradosul. De aceea o elice care este destinata sa

lucreze in regim propulsiv nu poate fi adaptata sa lucreze in regim de aeromotor prin simpla

rotatie a palelor,decit in cazul in care pala este netorsionata. Functionarea elicelor propulsive ca

aeromotor apare cind curentul incident are o viteza foarte mare (la zborul in picaj), in care caz

randamentul sau este foarte scazut.

In principiu, spectrul unei curgeri fluide este totalitatea liniilor de curent ale acestei

miscari. Cele mai importante linii de curent sunt cele care trec prin extremitatile palelor. Aceste

linii de curent, in amonte, delimiteaza tubul de curent in incident pe elice, de curentul care nu

Pagina 18 din 33




participa la miscarea elicei iar in aval liniile de curent sunt frontiera “direi”, in care aerul are o

miscare rotationala.

Denumirea de “dira” are o semnificatie mai larga decit aceea de zona de recirculatie a

aerului deschisa in spatele corpului impermeabil (discul elicei). Zona din afara discului elicei,

si deci a tubului de curent, care nu influenteaza miscarea curentului de aer, este practic regiunea

de curent in care curgerea este neperturbata.

2.4. Modelul discului activ (actuator)

Modelul discului activ, adica a unui disc care perturba intr-un anumit fel curgerea care

vine de la infinit amonte, permite analiza diferitelor regimuri de curgere care pot fi intilnite in

functionarea unui rotor de tip elice si explicarea comportarii acestuia legata de conditiile de

functionare.

Astfel, in functie de domeniul de variatie al vitezei axiale induse a, se pot distinge trei

regimuri principale de functionare:

regim de elice propulsiva, pentru valori pozitive ale vitezei (a>0), caracterizat prin

accelerarea curgerii, forta de tractiune in sens opus curgerii si consum de putere;

regim de elice eoliana, pentru valori ale vitezei –1 < a < 0, caz in care curgerea este

frinata, tractiunea are sensul curgerii si se extrage putere din curgere;

regim de frinare de tip elice propulsiva, pentru a < -1, caracterizat prin consum de

putere si forta de tractiune din sensul curgerii.

In cazul regimului de elice eoliana se intilnesc doua situatii: una pentru –0,5 < a < 0,

situatie ce reprezinta regimul normal de functionare ca elice eoliana denumit regim de frinare

de tip elice eoliana; si alta pentru –1 < a < -0,5 ce reprezinta un regim de functionare anormala

denumit regim cu dira turbulenta, caracterizat prin existenta in curgerea din dira de zone mari

de recirculare si grad de turbulenta ridicat, curgerea fiind analoaga cu cea din jurul unui disc

impermeabil perpendicular pe directia curgerii.

Rolul oricarui sistem de propulsie (elicea eoliana avind acelasi principiu de functionare

cu elicea propulsiva) este acela de a sigura o forta de tractiune paralela cu axa sistemului,

indreptata in fata sau in spate. Aceasta tractiune apare conform principiului al treile al

mecanicii newtonine, ca reactie corespunzatoare fortei de impingere imprimata fluidului in care

se misca sisitemul (in cazul elicei propulsive) sau frinarii aerului (in cazul elicei eoliene). Din

Pagina 19 din 33




puterea disponibila a sistemului (puterea teoretica a aerului), numai o parte este folosita ca

lucru mecanic util, restul fiind pierduta sub urmatoarele forme:

- o fractiune din energia cinetica a miscarii axiale a fluidului;

- enegia miscarii de rotatie imprimata fluidului;

frecarea fluidului la curgerea prin sisitem (fluidul real are o viscozitate).

De aceea pentru o elice, se defineste randamentul (eficienta) ca fiind:

η = VT / P

unde V este viteza, T este tractiunea iar P este puterea obtinuta de elice.

O prima si foarte generala modelare a elicei este aceea de suprafata nedeformabila de

discontinuitate (de tip salt) pentru presiune. Aceasta suprafata fara grosime de forma unui disc

de arie S poate fi considerata ca situata in planul de rotatie inaintind prin fluid cu viteza V.

Deoarece ne intereseaza numai interactiunea dintre aer si elice, si deci miscarea relativa

dintre ele, se presupune ca elicea este fixa si situata intr-un cimp de viteza uniforma care la

infinit amonte are valoarea V∞= - V si este paralela cu cea a elicei.

2.5.Momentul aerodinamic al elementului pala

Modelul discului activ, prezentat anterior, se bazeaza pe ipoteza cunoasterii

componentelor axiala si unghiulara ale vitezei fluidului din dira la infinit aval, cu ajutorul

careia, din ecuatiile de conservare a impulsului, se determina tractiunea si momentul elicei.

Acest model nu permite obtinerea nici unei informatii privind forma geometrica a elicei si

randamentul maxim.

Spre deosebire de modelul discului activ, bazat pe studiul curgerii fluidului, in cazul

modelului denumit “teoria elementului de pala” se considera actiunea directa asupra palelor

elicei produsa de curgerea din jurul lor.

Teoria elementului de pala se bazeaza pe urmatoarele ipoteze:

Neglijarea interactiunii cu elementele adiacente ale aceleiasi pale (interactiunea

rezultata din diferenta de incidenta a elementelor, miscarea considerindu-se bidimensionala).

Prin aceasta forta aerodinamica elementara care actioneaza asupra elementului de pala poate fi

evaluata ca si cum profilul respectiv ar face parte din circulatia in jurul acestei dire. Pentru a

stabili relatiile de putere (tractiune) consideram o aripa cilindrica de anvergura infinita, de

Pagina 20 din 33




sectiune constanta si s-ar afla intr-un curent uniform de viteza –W i si la incidenta αi. Forta

rezultanta pe intreaga pala se obtine prin compunerea contributiilor tuturor elementelor din

lungul palei.

Neglijarea componenetei radiale a vitezei(deci curentul incident este presupus ca ataca

normal profilele sectiunilor), astfel ca Wi este rezultanta vitezei axiale si a celei tangentiale.

Alegerea diferentiata a coeficientilor aerodinamici Cx, Cz, Cm ai profilului fiecarui

element de pala si anume corespunzator incidentei geometrice a profilului respectiv.

Presupunem ca, pentru fiecare element de pala, coeficientii aerodinamici sint functii

cunoscute de incidenta si de profilul acelui element. Se considera ca asupra elementului de pala

actioneaza o forta portanta dP, normala pe directia vitezei relative Wi, forta de rezistenta dR de

sens opus miscarii si un moment care tinde sa roteasca pala in jurul axei sale.

Proiectind aceste forte pe axa de rotatie a elicei si pe planul de rotatie se obtine forta

elementara de tractiune dT dirijata in sensul vitezei de inaintare V si momentul elementar

rezistent dM de sens opus rotatiei elicei, avind modulele:

dT = dP cosβi – dR sinβi

dM = rdFm = (dP sinβi + dR cosβi)r

Introducind coeficientii aerodinamici corespunzatori dP=0.5CzρWi2dS,

dR=0.5CxρWi2dS, unde dS=cdr si insumind contributiile elementelor corespunzatoare pe

fiecare pala a elicei, relatiile pentru forta de tractiune si pentru momentul elementar devin:

dT/dr = 0.5BcρWi2(Czcosβi-Cxsinβi)

dM/dr = 0.5BcrρWi2(Czsinβi+Cxcosβi)

unde B este numarul de pale, iar c variatia corzii.

Aceste doua ecuatii constituie solutia completa a functionarii elicei dupa teoria primara

a elementului de pal si ele sunt suficiente pentru a determina caracteristicile oricarei elice date.

De asemenea, trebuie cunoscuti pentru fiecare din aceste profile, coeficientii

aerodinamici in functie de unghiul de incidenta geometrica α i, adica curbele Cz(αi) si Cx(αi) .

Acesti coeficienti corespund alegerii aripii generatoare din care se presupune ca fac parte

profilele elementelor elicei.

Pagina 21 din 33




Se disting doua metode: metoda aripii de anvergura finita, in care se utilizeaza

coeficientii aerodinamici ai unei aripi de o anumita alungire si metoda aripii de anvergura

infinita in care se folosesc coeficientii aerodinamici ai unei aripi de anvergura infinita.

2.6. Modelul cu virtejuri (Teoria turbionara)

Modelarea matematica a miscarii fluidelor cu ajutorul ecuatiilor Euler presupune

implicit ca viteza si presiunea sunt cimpuri continue si au derivate continue. Dar modelul lui

Euler nu duce la rezultanta fortelor aerodinamice pe care fluidul le exercita asupra corpului, in

concordanta cu date experimentale. Modelul Navier-Stokes, care descrie miscare fluidelor

considerate viscoase, furnizeaza rezultatele verificate experimental, dar rezolvarea ecuatiilor

importa mari dificultati de calcul analitic si numeric. De aceea se recurge la modelele in care

miscarea fluidelor este guvernata de modelul lui Euler. Din domeniul de miscare se scot

anumite puncte si/sau suprafete in care cimpul vitezelor sau presiunilor prezinta discontinuitati.

Un astfel de model a fost discul activ in care presiunea pe disc era discontinua.

Un alt model este aripa portanta de anvergura finita a lui Prandtl. In aceasta se

presupune ca aripa se inlocuieste cu o suprafata semiinfinita, marginita de bordul de atac.

Fiecare punct al cimpului vitezelor prezinta o singularitate de tip pol. In exteriorul acestei

suprafete cimpul vitezelor este potential. Acest model prinde efectul de virtej in stratul limita

pe corp si in dira ce se formeaza in spatele corpului datorita desprinderilor stratului limita.

Teoria turbionara a elicei extinde modelul aripii portante si anume inlocuidu-se pala cu

suprafata de virtejuri numite “legate”, aceasta suprafata continuindu-se dincolo de bordul de

fuga cu o alta suprafata de virtejuri legate paralel cu axa palei.

Cum circulatia variaza in lungul palei, virtejurile legate nu se intind doar pe aceeasi

lungime. Aceasta schema satisface legea de conservare a lui Helmholtz. Suprafata formata de

virtejurile legate este suprafata de discontinuitate pentru vitezele care au valori diferite in

fluidul din exteriorul palei sau unde fluidul se considera in repaus. Pinza formata din virtejurile

libere este o suprafata de forma elicoidala, legata de pala si desprinsa in bordul de fuga al palei.

Se presupune ca pe masura ce pala elicei inainteaza in fluid, suprafata de virtejuri ramine in

spale ca si cum ar fi o suprafata materiala produsa continuu la bordul de fuga al palei.

Se considera ca aceasta suprafata este fara masa, perfect flexibila si opaca pentru

particulele de fluid care pot numai sa o ocoleasca. Prin urmare componeneta normala la

Pagina 22 din 33




suprafata a vitezei fluidului este aceeasi pe cele doua fete ale suprafetei de virtejuri, iar in

schimb componentele tangentiale sunt diferite. Diferenta acestor componente tangentiale face

ca acea suprafata sa fie presupusa a fi formata dintr-o infinitate de linii (fire) de virtej, de unde

si termenul de pinza de virtej.

Ca si in cazul aripii, pinza elicoidala de virtejuri libere ale palei este instabila si tinde sa

rasuceasca marginile dind nastere la doua virtejuri marginale, respectiv in apropierea butucului

si la extremitatea palei (pentru ca fiecare virtej legat da nastere la doua virtejuri libere).

Virtejurile marginale de la extremitatea palei se infasoara pe o suprafata nu chiar cilindrica

deoarece imediat in spatele elicei (mai ales pentru cele greu incercate) dira este contractata

astfel incit pasul de avans difera putin de valoarea

V∞ / N = 2 π ( V∞ / Ω )

In schimb, pasul celuilalt virtej marginal, format la butuc, este mult influentat de

prezenta butucului care modifica viteza locala axiala. Vitezele unghiulare ale particulelor fluide

in virtejul de la extremitatea palei sunt de sens opus celor de la butuc, exact ca si in cazul celor

doua virtejuri libere marginale ale unei aripi. Fiecare virtej punctual introduce un cimp de

viteze care se suprapune pe curentul uniform de la infinit amonte W∞.

Se deosebesc doua tipuri de viteze induse: cele datorate virtejurilorr libere si cele

datorate virtejurilor legate. In cazul mai general, viteza miscarii unui fluid, perturbata de

prezenta elicei (modelata prin pinza de virtejuri amintita anterior), este rezultatul vitezei induse

de virtejurile legate si libere, calculate cu ajutorul formuleleor lui Biot-Savart.

O dificultate majora a teoriei generale este datorata necunoasterii aprioricee a formei

direi si interactiunii celor doua tipuri de virtejuri. In prezent nu exista o astfel de abordare ci

numai diferite cazuri simplificate, cea mai importanta simplificare constituind-o presupunerea

ca dira este cilindrica (are raza constanta si precisa). Unele incercari de simplificare numerica a

interactiunii virtejurilor libere si legate s-au facut fara, insa, a conduce la calcule convergente.

Dintre modelele de determinare a cimpului de viteze induse bazate pe ipoteza

simplificatoare mentoinam: metoda bazata pe modelul cu virtejuri al elicei ideale, cu numar

infinit de pale (MEI), metode bazate pe modelul lui Prandtl al liniei portante (MPL), metode

bazate pe teoria suprafetei portante (MPS), metode in care forma direi este precisa (Goldstein,

Lock, Theodorsen) (MPD) si alte metode in care dira este lasata libera (MDL).

Pagina 23 din 33



02z

φ2

2θ2r

φ2)

r

φ(r

r r

1φ =

∂

∂+

∂

∂+

∂

∂

∂

∂⋅=


2.7. Metode bazate pe forma precisa a direi

Modelele ce se bazeaza pe ipoteza ca pozitiile pinzelor de virtejuri desprinse de pe

fiecare pala sunt cunoscute aprioric (modelul liniei portante si cel al numarului infinit de pale),

deci pe ipoteza cunoasterii cu o anumita aproximatie a cimpului vitezelor.

Descrierea cimpului de viteze poate fi obtinuta fie teoretic (pe baza unor ipoteze

simplificatoare ca metode hibride sau mai complicate pe baza ipotezei liniei portante), fie

experimental din masuratori locale ale cimpului vitezelor sau din vizualizarea curgerii. Odata

geometria direi prescrisa, se poate calcula apoi distributia corespunzatoare vitezelor induse in

planul de rotatie.

Dupa cum s-a aratat, conditia lui Betz de mini pentru puterea indusa de rotor era ca

virtejurile desprinse de pe pala sa se miste spre aval in dira, sau spre suprafete elicoidale solide.

Acestea reveneau la prescrierea formei direi, deci la presupunerea ca dira este formata dintr-un

numar de pinze de virtejuri elicoidale putind fi calculata in mai multe moduri.

O alta metoda pentru calculul vitezelor induse este bazata pe rezolvarea ecuatiilor

potentialului vitezelor pentru miscarea fluidului in jurul pinzelor de virtej elicoidale (luate cite

una pentru fiecare pala) care se deplaseaza cu viteza constanta Vs fata de curgerea perturbata.

O data aceasta problema rezolvata se poate determina efectul numarului si distantei relative

dintre pinze asupra circulatiei din jurul palei, ca si relatia dintre viteza indusaa pe pala si viteza

medie a fluidului cuprins intre pinze. Aceasta problema a fost rezolvata de Goldstein in 1929

pentru cazul ideal al elicelor usor incarcate, adica fara contractie a direi.

Problema generala este urmatoarea: fiind data o suprafata elicoidala infinit de lunga cu

pasul k = (V∞+Vs)/Ω si raza R, care se deplaseaza in directia axei sale (axa z) cu viteza Vs, sa se

calculeze functia φ a potentialului de perturbatie al vitezelor pentru curgerea stationara si

irotationala a fluidului incompresibil si neviscos din jurul ei.

Pentru o elice cu doua pale, ecuatia suprafetei elicoidale la infinit aval se scrie in

coordonate cilindrice: z, r si θ.

θ – Ωz / (V∞+Vs) = 0

Iar potentialul vitezelor φ trebuie sa satisfaca ecuatia lui Laplace:

Pagina 24 din 33



+−=−=

∞V dz

V s

ϕ ϕ ϕ ϕ

),,(m =∇ θ ϕ r z


Conditiile la limita impusesunt:

O conditie de alunecare la suprafata exprimata prin egalitatea dintre componenta

normala la pinza de virtej a vitezei fluidului si a vitezei de deplasare a pinzei.

O conditie de anulare la infinit a vitezei fluidului, pentru r = ∞,

Deoarece pe o linie elicoidala de la raza r viteza si φ sunt

constante, rezulta ca potentialul este o functie de numai doua variabile si anume r si Ωz /

(V∞+Vs).

Pentru aplicatii, acasta solutie este data sub forma unei functii χ , numita factor de

circulatie Goldstein. Aceasta functie, calculata numeric, depinde de numarul de pale B, de

parametrul de pas λ = V∞/RΩ al suprafetei elicoidale si de raza relativa r/R, χ ca factor de

corectie, el reducind circulatia virtejurilor legate prin limitarea numarului de pale fata de

circulatia totala (BΓ)∞ a elicei ideale cu numarul ideal de pale, adica:

BΓ = χ(BΓ)∞

Functia χ se mai numeste si factor de valoare medie. Calculele care folosesc valorile

acestei functii sunt valabile numai pentru anumite incarcari, cind exista conditiile formarii direi

ideale (cind dira are diametrul elicei). Lock a extins domeniul de aplicabilitate al metodei

Goldstein presupunind ca valorile functiei pot fi aplicate cu suficienta precizie pentru orice

distributie de sarcini. Pentru detalii se poate studia calculul elicei de elicopter. Pentru valori mai

mici ale pasului de deplasare, cind pinzele de virtej sunt apropiate, metoda de corectie a lui

Prandtl este mai simpla.

Atit in metoda lui Prandtl, cit si in cea a lui Goldstein-Lock, nu s-a luat in cosiderare

contractiile direi. S-a presupus ca viteza indusa in dira este dublu fata de cea indusa pe discul

rotorului si ca dira este o suprafata elicoidala avind acelasi diametru ca al rotorului. Aceste

ipoteze restring aplicarea acestor doua metode in cazul incarcarii palei.

Pagina 25 din 33




Theodorsen a fost primul care a incercat sa ia in considerare contractia direi.

Presupunind ca pentru orice incarcare se formeaza la infinit aval o dira ideala elicoidala,

Theodorsen a folosit rezultatele lui Goldstein referitoare la circulatia in jurul acestei dire pentru

a stabili relatiile de putere (tractiune) a elicei si parametrii direi la infinit aval. Valorile pentru

circulatie sunt definite de urmatoarea relatie:

Considerind randamentul unui element de pala, s-a dedus apoi raportul vitezelor induse

si pe discul elicei si apoi s-a calculat tractiunea direi. Astfel, cu unghiul elicei (pasul suprafetei

elicoidale) si diametrul direi la infinit aval cunoscute, se pot determina valorile corespunzatoare

ale vitezelor induse si ale unghiului elicei in dreptul palelor. In final, utilizind valorile

circulatiei ideale se determina geometria ideala a palei (distributia corzii si a rasucirii in lungul

palei).Fata de celelalate metode, metoda Theodorsen este inversa, in sensul ca se pleaca de la

dira si se calculeaza elicea ideala care o genereaza. Desi acasta metoda estimeaza corect pasul

suprafetei elicoidale si viteza indusa, dira din apropierea discului elicei este presupusa tot

cilindrica.

In cazul unor viteze axiale mari, cind desi contractia este mai puternica, ea se

focalizeaza pe distante mari de la discul elicei (de ordinul a doua diametre). Pentru elicele

portante la punct fix, cind contractia are loc pe distanta mai mica decit un diametru, zona direi

contractate se gaseste destul de aproape de pale, astfel ca va influenta considerabil zona

profilelor de virf. In acest caz, desi valoarea ocntractiei poate fi determinata, calculul variatiei

in spatele rotorului este foarte complicat si nu poate fi gasita ca solutie a unei probleme bine

definite impreuna cu celelalte rezultate ale lui Theodorsen. Atunci se apeleaza la date

experimentale, adica forma direi este obtinuta din experienta.

Capitolul 3

Pagina 26 din 33

s s

T

V V V B

R

r K

)(2)(

−

ΩΓ =

∞π




CALCULUL SI PROIECTAREA UNEI ELICII EOLIENE DE MICA PUTERE

3.1. Calculul elicei

Spre deosebire de elicea actionata mecanic, elicea eoliana este pusa in miscare de

trecerea curentului de aer prin ea. Specific ei este faptul ca viteza V din planul elicei este mai

mica decat viteza din amonte V∞, deci elicea capteaza energie din miscarea aerului (vantului).

Datorita acestui fapt elicea eoliana, ca si in cazul unui rotor de elicopter in autorotatie, are o

dara divergenta care are ca efect dezvoltarea unor viteze induse de sens contrar celor din cazul

elicelor actionate mecanic.

Alegerea profilului

Un element foarte important in proiectarea unei turbine eoliene este puterea maxima

furnizata de aceasta. Avand in vedere ca turbina eoliana trebuie sa functioneaze in regim de

rotatie constant, se are in vedere folosirea stall-ului ca mijloc de reglare a puterii maxime.

Reglarea se poate face fie activ (prin modificarea pasului elicei), fie pasiv (pas fix), ultima

varianta fiind cea mai des folosita pentru ca, evita utilizarea unui mecanism complicat de

variatie a pasului. Indiferent de metoda utilizata, foarte importante sunt caracteristicile de stall

ale profilului utilizat in zona dinspre capatul palei.

Unul dintre obiectivele procesului de proiectare a unei elicii eoliene este si reducerea

vibratiilor induse in zona de varf a palei care se poate realiza folosind profile cu o curba de stall

lina care in general au un Cz,max redus. Pe de alta parte, folosirea profilelor cu portanta mare este

benefica pentru minimizarea parametrului de soliditate al palei si generarea unui cuplu mai bun

la pornire. De asemenea, pentru o curgere laminara data, profilele cu portanta mare sunt mai

eficiente (Cz/Cx mare) dacit cele cu un Cz,max scazut.

Valorile pentru numarul Reynolds pentru turbinele de mare putere se gasesc intre 2•106

si 4•106 pe principala portiune a palei. Deoarece sectiunea in cazul unei pale stratificate trebuie

sa fie constanta de la baza pina la virf, trebuie ales un profil de compromis: unul care sa aiba

performante bune aerodinamice pastrind in acelasi timp o rezistenta buna la incovoiere a palei.

Pagina 27 din 33




Astfel, a fost ales un profil 16% pentru a satisface cel mai bine cerintele care se impun,

iar dintre profilele de inalta performanta pentru turbine eoliene, a fost ales profilul S814. Se dau

mai jos caracteristicile.

Productia anuala de energie

Pentru a putea determina conditiile medii de functionare ale unei turbine eoliene, viteza

vatului, temperatura si implicit productia anuala de energie (AEP), am utilizat o viteza medie a

vantului de 6 m/s la 10m inaltime cu o variatie a vantului cu ianltime de 14% (obtinuta cu o

distributie Rayleigh). Ca urmare, pentru inaltimea aleasa a catargului elicei de 5m, viteza

obtinuta este de 5.58 m/s.

Alegerea materialului palei

Constructia unei pale de elice eoliana trebuie sa se faca cu indeplinirea anumitor

conditii ca de exemplu:

-materialul utilizat sa poata face fata cu succes nivelului de solicitari intalnite

-metoda de formare a palei trebuie sa asigure reproductibilitatea cat mai exacta a

acesteia pentru a evita eventualele probleme de centraj

-materialul utilizat trebuie sa faca fata conditiilor de mediu din timpul functionarii pe o

perioada lunga de timp, cu o intretinere minima

-materialul utilizat sa fie relativ ieftin

Datorita faptului ca turbina eoliana in discutie este destinata exclusiv utilizarii de catre

consumatorii casnici pentru care a patra conditie este foarte importanta a fost aleasa utilizarea

fibrelor de sticla tip E/poliester pentru constructia palelor (care spre deosebire de fibrele de

carbon si kevlar sunt ieftine) cu urmatoarele caracteristici mecanice:

Densitatea = 18005 kg/m3

Modulul de elasticitate = 3 ۰ 106 psi

Coeficientul de forfecare = 1.11 ۰ 106 psi

Tensiunea de curgere = 30 000 psi

Volum de fibra = 42%

Pagina 28 din 33




Fibra de 0o = 57%

Fibra ±45o = 26%

Diametrul Elicei

Obiectivul cautat in oricare studiu de proiectare al unei turbine eoliene este gasirea unei

greutati minime a elicei raportate la numarul de kW produsi. Greutatea totala a unei elici creste

o data cu cresterea numarului de pale, in conditiile in care suprafata totala, proprietatile

materialelor si parametri adimensionali (grosimea relativa si grosimea invelisului raportat la

coarda) ramin neschimbati.

Datorita cresterii numarului de pale la o valoare constanta a parametrului de soliditate,

coarda scade; coarda minima se determina astfel incit sa satisfaca una din valorile impuse de

proiect, fie cea de tensiune statica, fie cea pentru viteza redusa. Reducind coarda sau crescind

alungirea palei, rezulta o crestere a flexibilitatii palei, inclusiv a torsiunii. Modul de proiectare

este de a determina o alungire maxima care sa satisfaca ambele constante de proiectare.

Dupa cum s-a aratat anterior, limita stall-flutter-ului este o functie atit de viteza palei,

cit si de frecventa de torsiune, care este o functie ce depinde de proprietatile materialului, de

alungire si de grosimea invelisului. Pentru determinarea tensiunii statice in conditiile impuse de

proiect, adica sa suporte vinturi de Clasa II (52 m/s), o analiza iterativa a 15 de segmente de

pala a fost folosita pentru gasirea unei pozitii stabilizate deflectate a palei in vint constant.

Pentru a reduce cresterea tensiunilor la imbinarea pala-butuc, mai multe benzi de fibra

de sticla unidirectionale au fost adaugate atit pe extrados, cit si pe intrados pina la 35% din

raza. Grosimea benzilor este conica de la baza pina la 35% din raza pentru a mentine o tensiune

relativ constanta pe acea portiune in conditiile impuse.

Rezistenta la curgere a materialului este de aproximativ 80 000 psi. Folosind un

coeficient de siguranta de 2.5 ajungem la o rezistenta de proiectare acceptabila de 32 000 psi. O

tensiune de maxim 30 000 psi a fost aleasa pentru acest proiect, iar grosimea invelisului ce

satsface aceasta impunere este prezentata in figura de mai jos. Este descrisa si grosimea

invelisului pentru o tensiune de 25 000 psi.

Cu valorile minime astfel gasite pentru grosimea invelisului determinam viteza optima

si coeficientul adimensional al grosimii in conditiile impuse de proiect pentru orice alungire a

palei. Proiectarea se reduce acum la a determina combinatia perfecta intre parametrul de

Pagina 29 din 33




soliditate al rotorului, diametrul si viteza palei pentru a produce o putere suficient de mare in

conditiile impuse si beneficiaza de raportul greutate elicei si kWh cel mai scazut.

Curbe ale coeficientului de putere (C p) si vitezei relative (TSR) au fost generate pentru

acest proiect pentru diferiti pasi ai elicei si diferiti parametri de soliditate.

Cresterea C p este de aproximativ 1% pentru fiecare pala ce este adaugata la acelasi

parametru de soliditate. C p si TSR la puterea maxima pot fi determinate maximizind valoarea

pentru (TS/TSR)3•C p pentru fiecare pas.

Cunoscind aceste valori, precum si puterea, diametrul elicei poate fi gasit cu ajutorul C p

pentru diferite viteze ale palei.

Solutiile pentru diametru se determina prin introducerea fiecarui grafic la parametrul de

soliditate respectiv gasit din valorile acceptate pentru c/R din graficul vitezei maxime a palei.

Rezultatel reprezinta valorile finale ale diametrului ce satisfac criteriile de proiectare referitoare

la stall- flutter si tensiuni statice pentru valoarea maxima a puterii.

Controlul supraturarii (frina aerodinamica)

Una dintre problemele foarte importante cu care se confrunta proiectantii de turbine

eoliene, este aceea a modului de evitare al supraturarii elicei in cazul depasirii vitezei maxime a

vantului. Pentru aceasta sau imaginat diferite metode printre care amintim: variatia incidentei

palei, franarea rotorului, schimbarea automata a directiei rotorului, etc. Solutia utilizata in

cadrul acestui proiect este aceea de folosire a unei frane mecanice de tip centrifugal, care, la

depasirea vitezei de rotatie maxime admise va frana in mod automat elicea micsorand astfel

momentul incovoietor care se va exercita asupra stalpului.

CAPITOLUL 4

Testarea palelor

Conform unor sondaje efectuate in Europa, cei mai multi producatori de turbine eoliene

sau pale, considera testarea structurala a palelor o necesitate. Cu toate ca Comisia

Internationala de Electrotehnica (IEC) a initiat o standardizare a testelor efectuate pe elice inca

Pagina 30 din 33




din 1994, un standar unanim acceptat nu exista inca, deoarece domeniul de testare structurala a

palelor nu este pe deplin dezvoltat. Cu toate acestea, tendinta este de a testa palele static si la

oboseala in special ca o verificare a corectitudinii proiectarii.

In 1996 a fost initiat in Europa programul SMT care are ca scop armonizarea metodelor

de testare a diferitelor laboratoare si de a crea un set standardizat de proceduri de testare.

Avantajul acestui program este ca fiecare laborator beneficiaza de o evaluare internationala a

metodelor sale de testare in timp ce urmareste direct metodele folosite de alte laboratoare.

Obiectivele acestui program sunt urmatoarele:

Sa creeze o baza de date de referinta pentru diferite metode si tehnici de testare, precum

si a rezultatelor testelor statice si de oboseala realizate in cadrul diferitelor laboratoare.

Sa aduca laboratoarele internationale mai aproape de o metoda unificata de testare si de

a intelege mai bine dificultatile tehnice aparute in urma testarilor palelor. Prin aceasta metoda,

rezultate de la diferite laboratoare pot fi impartite si acceptate de toata lumea.

Teste statice

Testele statice se efectueaza inainte de cele la oboseala. Se alege incarcarea maxima a

palei, precum si pozitia pe pala, pentru a masura deformatiile. Un total de 36 pozitii de

masurare a deformatiilor si 5 pentru masurarea deformatiilor la incovoiere se folosesc pentru

fiecare pala. Traductorii sunt amplasati in 5 zone pe pala inclusiv in zona bazei palei. De

asemenea, sunt amplasati traductori inainte si dupa lonjeronul palei, precum si in lungul

lonjeronului.

Incarcarile pentru testul static sunt alese din cazurile de incarcari extreme calculate in

momentul proiectarii palei. Pentru a determina aceste incarcari, tensiunile extreme sunt

multiplicate de un factor de incarcare de 1.5. Valoarea de testare este aleasa ca fiind 75% din

aceasta valoare.

Pentru a avea o distributie uniforma a incarcarilor pe coarda, un suport special trebuie

construit. Pentru testarea statica a marginilor, sarcina este aplicata cu ajutorul unui pod rulant.

Pentru testarea statica a corpului palei este folosit un element de executie MTS cuplat la un

sistem de control digital MTS T/RAC pentru a aplica forta prin intermediul unei comenzi de tip

oscilatii.

Pagina 31 din 33




Teste de oboseala

Obictivul unui test de oboseala este de a verifica daca structura palei, asa cum a fost

construita, este capabila sa suporte intreaga gama de sarcini ce ar aparea de-a lungul perioadei

de functionare. Un spectru tipic de incarcari ale palei consta in mai mult de 500 milioane de

cicluri de incarcari la diferite sarcini relative (sarcina relativa reprezinta raportul dintre sarcina

minima dintr-un ciclu raportata la sarcina maxima). Datorita limitarilor practice, laboratoarele

nu pot sa testeze o pala de atatea ori intr-o perioada de timp rezonabila.

Avantajul testarii in laborator il reprezinta posibilitatea de a creste amplitudinea

incarcarii pe un ciclu pina la de doua ori valoarea normala pentru a obtine aceleasi efecte intr-

un interval redus de timp. Aceasta analiza este realizata in mod uzual prin folosirea unor

metode liniare pentru defecte. Dificultatea vine din necesitatea cunoasterii foarte buna a

proprietatilor materialului pentru a prezice unde va avea loc deformatia cea mai mare.

CAPITOLUL 5

Programul de Calcul

Calculele pentru elice au fost realizate cu ajutorul programului PROPID. Acesta este un

program de calcul pentru proiectarea si analizarea turbinelor eoliene cu ax orizontal. Punctul

forte al acestui program este capabilitatea acestuia pentru o proiectare inversa. De exemplu,

metoda permite proiectantului sa precizeze direct puterea ceruta de la turbina respectiva.

Metoda de rezolvare iterativa inversa este folosita pentru a ajusta una sau mai multe din

variabilele introduse pentru a ajunge la puterea ceruta. PROPID lasa de asemenea posibilitatea

de a introduce nu numai variabile singulare ca puterea maxima, ci si distributii, ca distributia

portantei pe pala sau distributia axiala a factorilor de interferenta. Aceasta poate fi realizata cu

conditia ca un numar egal de variabile sau distributii sa fie lasate libere pentru a fi modelate de

program, cum ar fi distributia corzii si/sau a rasucirii palei. Metoda are de asemenea posibilitati

de proiectare multipunct. De exemplu, distributia portantei pe pala poate fi specificata pentru o

anumita conditie iar in acelasi timp factorii de inductie axiala pot fi definiti pentru un alt set de

conditii. In plus, proiectantul poate sa specifice simultan puterea maxima admisibila pentru un

cu totul alt set de conditii.

Pagina 32 din 33




CAPITOLUL 6

Rezultate

In vederea efectuarii unei comparatii, calculele s-au efectuat pentru trei configuratii

diferite astfel:

–rotor bipal cu diametrul de 4.9m (cu denumirea Previous)

–rotor tripat cu diametrul de 4.25m (cu denumirea Baseline)

–rotor de patru pale cu diametrul de 3.65m (cu denumirea Current)

Caracteristicile care s-au luat in calcul la alegerea tipului de rotor sunt: productia anuala

de energie, inaltimea si structura turnului, nivelul de vibratii indus de cele trei configuratii,

echilibrarea turbinei, reproductibilitatea la turnare a palelor de material compozit, cheltuielile

cu materialele compozite utilizate pentru producerea palelor, zgomotul indus de rotatia turbinei,

estetica turbinei, etc.

Avand in vedere toti acesti factori, a rezultat ca cea mai buna alegere in cazul unei

turbine eoliene de mica putere este configuratia nr. 2 –rotor tripal cu diametrul de 4.25m.

Rezultatele si caracteristicile obtinute gasindu-se in Anexe.

Pagina 33 din 33

http://www.tocilar.ro/

Diploma - Www.tocilar.ro

Documents

Transcript of Diploma - Www.tocilar.ro