Elemente de Aerodinamica a Rotorului Captatorului Eolian

8/16/2019 Elemente de Aerodinamica a Rotorului Captatorului Eolian

1/8

Elemente de aerodinamica a rotorului captatorului eolian

Din punct de vedere geometric, în secţiune longitudinală, paletele au forma relativapropiată de a unor dreptunghiuri alungite, mărginite de muchiile frontală (bord de atac) şiposterioară (bord de fugă) - faţă de direcţia de rotaţie a paletelor -, respectiv de butucul şi devârful paletelor !neori, vârfurile paletelor sunt mobile, ceea ce permite funcţionarea acestor părţi ale paletelor ca regulator de turaţie, prin frânarea paletelor în ca"ul în care vite"a vântuluidepăşeşte anumite limite #a"a (sau lungime paletelor), este repre"entată de distanţa dintre

a$a butucului şi vârful paletelor %n secţiune transversală, forma paletelor este asimetrică,astfel încât aerul în curgere (datorită mişcării de rotaţie a paletelor), să atingă paletele mai întâi

în "ona îngroşată, care repre"intă "ona frontală a paletelor &ceste forme ale profilelor paletelor poartă denumirea de profile aerodinamice datorită proprietăţilor particulare pe care le pre"intă

'orma profilelor aerodinamice ale paletelor este fundamentală pentru performanţeleturbinelor eoliene, astfel încât chiar şi cele mai mici abateri ale formei profilelor pot genera atâtalterarea considerabilă a performanţelor, cât şi probleme legate de nivelul de "gomot, carepoate să crească semnificativ Din aceste motive, forma profilelor paletelor este aleasă pe ba"ae$perienţei anterioare considerabile, obţinută în urma cercetărilor efectuate asupra formeiaripilor şi elicelor de avioane %n cataloagele && (*he !nited +tates ational &dvisorommitee for &eronautics), cele două profile pre"entate în figura ., sunt denumite &&//,respectiv &&. şi repre"intă profilele folosite în mod u"ual la paletele turbinelor eoliene de

pâna la 0123 inclusiv (&&//), respectiv de la turbinele peste 41523 (&&.) 6rimul profila fost elaborat în 7urul anilor 405 şi are proprietăţi globale foarte bune, fiind şi destul detolerant la imperfecţiuni minore ale suprafeţelor, cum sunt cele cau"ate de depunerile deimpurităţi în timpul e$ploatării &l doilea profil a fost elaborat în 7urul anilor 40/5 şi areproprietăţi diferite &stfel, acesta asigură puteri mai mari la vite"e mici şi medii ale vântului, dar nu este utili"abil la vite"e mari ale vântului şi este foarte sensibiul la depunerile de impurităţi întimpul e$ploatării 6entru turbinele mai noi, cu puteri de peste 15523, profilul aerodinamic alpaletelor repre"intă re"ultatul unor cercetări mai noi şi diferă de cele două profile pre"entate

'ig . 6rofile aerodinamice utili"ate pentru paleteleturbinelor

!n curent de aer care trece peste un profil aerodinamic fi$ (fig 8) produce un efect de împingere (drag) şi un efect de ridicare (lift - portanţă), datorat presiunilor diferite ce e$istă pecele două feţe ale profilului4 &mble forţe sunt proporţionale cu densitatea aerului, cu suprafaţaprofilului (aripii) şi cu pătratul vite"ei curentului

'ig 8 a"ul aripii (profilului aerodinamic) fi$e

1 viteza curentului de aer este mai mare pe partea superioară a profilului (extrados) decât pe partea inferioară (intrados) dincauza distanţei mai mari care trebuie parcursă; ca urmare a legii lui Bernoulli, presiunea statică va fi mai mică pe extrados şimai mare pe intrados.


2/8

%n ca"ul turbinei eoliene, aripa este mobilă, aceasta rotindu-se datorită forţei portante9ca urmare a compunerii vite"ei vântului u cu cea a profilului v :, direcţia relativă a vântului faţăde profil se modifică (fig ;)

'ig ; ompunerea mişcărilor vântului şi a paletei turbineia-profil fi$9 b-profil în mişcare9 c) descompunerea forţei portante9 u-vite"a vântului9 v-

vite"a periferică a profilului9 aloarea acestui unghiare o importanţă deosebită asupra comportării aerodinamice a profilului %n ca"ul paletelor turbinelor eoliene, valoarea unghiului de atac este mult mai mare în "ona de la ba"a paletei,decât în "ona de la vârf, ţinându-se cont de faptul că vite"a periferică a paletei este mai mică laba"ă şi mai mare la capătul acesteia, ca urmare a creşterii ra"ei ?odificarea acestui unghi înlungul paletei crea"ă aspectul răsucit al paletelor turbinelor eoliene (fig 45)

Fig. 3.9. Geometria profilului

paletei

- unghi de atac9 - unghi de aşe"are (pasul)

2 cum triungiul de viteze este trasat pentru vânt, paleta considerându!se fixă, componenta v a vitezei vântului are sens opussensului "n care se roteşte "n realitate paleta.

3 r n

v ⋅⋅π

=

30, "n care n este turaţia #rot$min%, iar r este raza #m%.


3/8


4/8

'ig 44 ?odificarea unghiului deaşe"are

*urbinele mai vechi utili"au sistememecanice de reglare a pasului paletelor,comandate de turaţia rotorului9 în fig 4: sepre"intă construcţia unui astfel demecanism +e observă că pasul paletelor poate fi modificat prin rotirea acestora în

7urul bolţului (:)9 atât timp cât turaţiarotorului nu depăşeşte o anumită valoare

ma$imă (fig 44a), forţa centrifugă ceacţionea"ă asupra contragreutăţii (8) esteprea mică pentru a putea învinge forţaelastică a arcului (;), iar paleta îşi păstrea"ăpasul iniţial

&tunci cînd turaţia creşte (fig 44b),forţa centrifugă (') ce acţionea"ă asupracontragreutăţii (8) se transmite, prin ti7a (),asupra şaibei (1), devenind astfel suficient demare pentru a comprima arcul (;) şi pentru apermite paletei să se roteasă în 7urul bolţului(:)9 astfel unghiul de aşe"are al paletei se

micşorea"ă, iar turaţia rotorului scadeonstrucţiile moderne de turbinefolosesc sisteme electronice de control alpasului, pe ba"a vite"ei vântului şi aiparametrilor curentului electric produs decătre turbină

%n fig 4 este pre"entată schema de principiu a unui astfel de sistem, care foloseştetrei motoare electrice pentru rotirea palelor în scopul modificării pasului acestora, iar în fig4/ se pre"intă mecanismul propriu-"is care permite modificarea pasului

a) b)'ig 4: +istem mecanic de modificare a pasului paletei

a) turaţie mică9 b) turaţie mare9 4-paletă9 :-bolţ9 -ti7ă9 /, ;-arcuri9 1-şaibă9 .-carcasă9 8-contragreutate

?ai trebuie menţionat că forţa portantă creşte odată cu creşterea unghiului de atac,

până la atingerea unei valori ma$ime, după care aceasta scade, componenta de împingeredevenind mai importantă (fig 41)9 ca urmare, rotorul turbinei va fi încetinit


5/8

'ig 4 +istem electronic de reglare a pasului paletelor

'ig 4/ ?ecanismul de reglare a pasului paletelor

'ig 41 ?odificarea forţei portante odată cu creşterea unghiului de atac

%n fig 4. se pre"intă principiul de funcţionare al unei maşini eoliene cu rotor vertical,cu ecran9 se observă că circulaţia aerului peste paletele care se rotesc contra curentului esteobturată de ecranul (:) &ceste turbine au, de obicei, a$ul vertical9 pot e$ista şi turbine cu a$ori"ontal, dar în acest ca" este necesară e$istenţa unui sistem de orientare pe direcţia vântului


6/8

'ig 4. *urbină eoliană cu a$ vertical, cuecran (vedere de sus)

4-rotor9 :-ecran

'ig 48 *urbină eoliană cu paletebatante (vedere de sus)

4-tambur9 :-paletă

#otorul turbinei din fig 48 este de asemenea vertical, dar paletele sunt prevă"ute cuun mecanism de prindere care permite două po"iţii ale acestora= tangente la tamburul centralsau pe direcţia ra"ei tamburului 6aletele care se rotesc contra curentului de aer sunt în po"iţietangentă la tambur, astfel încât suprafaţa asupra căreia acţionea"ă vântul să fie minimă9paletele care se rotesc în sensul curentului de aer sunt po"iţionate radial faţă de tambur, astfel

încât suprafaţa asupra căreia acţionea"ă vântul să fie ma$imă@a turbinele eoliene cu diferenţă de presiune cuplul motor apare ca urmare diferenţeidintre forţele aerodinamice ce acţionea"ă asupra paletelor9 ca urmare, acestea trebuie astfelconstruite încât re"istenţele aerodinamice ale celor două feţe ale paletei să fie cât mai diferite

%n mod obişnuit, paletele au formă semisferică, semicilindrică sau de cilindru parabolic#otorul din fig 4; este prevă"ut cu cupe semisferice, la care partea concavă are o

re"istenţă aerodinamică mult mai mare decât partea conve$ă!na dintre variantele constructive

de turbine cu diferenţă de presiune estecea echipată cu rotor de tip +avonius (fig40), formată din doi semicilindri alecăror a$e sunt decalate, astfel încât să

permită intrarea curentului de aer întreaceştia %n acest ca", cuplul motor apareatât datorită diferenţei de re"istenţă cât şidatorită impulsului creat prin schimbareadirecţiei curentului de aer în interiorulrotorului

'ig 4; *urbină eoliană cu cupe

a) b)'ig 40 *urbină eoliană cu rotor +avonius

a) principiul de funcţionare9 b) vedere generală


7/8

&cest tip de turbină necesită pentru demara7 cele mai scă"ute vite"e ale vântului (B1mCs) şi permite reglarea puterii preluate de la curentul de aer prin modificarea distanţei dintrecei doi semicilindri @a depăşirea vite"ei admisibile a vântului, prin apropierea până lasuprapunere a a$elor semicilindrilor, puterea preluată devine nulă şi turbina nu se mai roteşte

*urbinele eoliene cu flu$ transversal (fig :5) reali"ea"ă o dublă deviere a curentului deaer9 acesta este deviat mai întâi de către paletele care se deplasea"ă în direcţia vântului şi apoi

curentul de aer acţionea"ă asupra paletelor care se deplasea"ă contra vântului variantă îmbunătăţită a acestei turbine este cea cu flu$ transversal şi concentratori periferici la carepaletele fi$e asigură diri7area aerului asupra paletelor rotorului sub un unghi corespun"ător

'ig :5 *urbina cu flu$ transversal

@a turbinele cu incidenţă variabilă, unghiul de atac se modifică ciclic, pe măsură ce rotorul se învârte %n funcţie de modul în care se reali"ea"ă modificarea unghiului de atac, aceste turbinepot fi incidenţă necontrolată sau cu incidenţă controlată9 în primul ca", unghiul de atac nu estecontrolat pentru a fi menţinut între anumite limite optime, în timp ce în cel de al doilea ca"unghiul de atac se modifică, prin rotirea palelor

@a turbina din fig :4, angrena7ul conic () este prevă"ut cu o roată dinţată fi$ă,

solidară cu un sistem (1) de orientare după direcţia vântului, care angrenea"ă cu roţile dinţateaflate pe arborii (/) 'iecare paletă este montată pe câte un arbore vertical, prevă"ut deasemenea cu o roată dinţată conică, ce angrenea"ă cu cea de a doua roată de pe arborele (/)&tunci când rotorul se roteşte, sistemul format din angrena7ele (:) şi () şi din arborii (/)asigură rotirea continuă a fiecărei palete între o po"iţie perpendiculară pe direcţia vântului şi opo"iţie paralelă la curentul de aer

'ig :4 *urbină cu incidenţă variabilă controlată4-pală9 :, -angrena7e conice9 /-arbore9 1-sistem de orientare


8/8

Elemente de Aerodinamica a Rotorului Captatorului Eolian

Documents

Transcript of Elemente de Aerodinamica a Rotorului Captatorului Eolian