بخشی از مقاله
چکیده
هدف از انجام این تحقیق تحلیل تنش ناشی از توزیع فشار بر روي پرهي توربین بادي به طول ده متر میباشد. جنس پره از چوب بالسا در نظرگرفته شده و ایرفویل مقطع آن انتخاب شده است. جهت استخراج توزیع فشار، ابتدا پره درنرمافزار Ansys 13 مدل شده است.
با توجه به معایب مدل خطی، مدل غیر خطی پره در نظرگرفته شده است. در مدل خطی وتر ایرفویل سطح مقطع پره و همچنین زاویه آن نسبت به صفحهي چرخش، در راستاي طول پره به صورت خطی تغییر میکند. سپس توزیع فشار در طول پره استخراج شده و پس از آن تنشهاي وارده بر پره با توجه به توزیع فشار وارد بر آن بدست آمده است. جهت بررسی صحت نتایج توزیع فشار برنامهاي تحلیلی با زبان متلب نوشته شده است.
این برنامه توزیع فشار به ازاي ایرفویل استاندارد را محاسبه مینماید. نتایج نرمافزار Ansys 13 براي همان ایرفویل تطبیق مناسبی با نتایج برنامهي متلب دارد، لذا میتوان به صحت نتایج توزیع فشار بدست آمده برروي پره و نیز تنش ناشی از آن اعتماد نمود.
-1 مقدمه
در میان تمام انرژيهاي نو و تجدیدپذیر، تکنولوژي استفاده از انرژي باد رو به رشد است. جهت جذب این انرژي، از توربین بادي استفاده میشود. مهمترین بخش توربین بادي، پرهي آن است. در حال حاضر روشهاي طراحی پرهي توربین بادي شامل تئوري المان پره1، دینامیک سیالات محاسباتی2، آزمایش تونل باد و روشهاي دیگر است.
در تئوري مومنتم دو مدل درنظر گرفته میشود. مدل اول بر مبناي تئوري مومنتم خطی و رابطهي برنولی استوار است. در این تئوري فرض شده که جریان در پشت توربین هیچگونه گردشی ندارد. در این تحلیل، جهت استفاده از قانون برنولی، حجم کنترل به اندازه کافی دور از پره درنظر گرفته میشود.
مرز این حجم کنترل، سطح خارجی استوانه و دو سطح مقطع آن میباشد. حرکت روتور سبب ایجاد گسستگی در فشار هنگام عبور از روتور میشود. در این حجم کنترل، همانند شکل 1، چهار مقطع درنظر گرفته میشود. مقطع اول قبل و دور از پره، مقطع دوم اندکی قبل از پره، مقطع سوم کمی بعد از پره و مقطع چهارم بعد و دور از پره در نظر گرفته میشود. از این مدل رابطهي نیروي محوري استخراج میگردد.
فاکتور القاي محوري a به صورت رابطهي - 1 - تعریف میشود بنابراین معادلهي نهایی نیروي محوري به شکل رابطهي - 2 - استخراج میشود
در روابط - 1 - و U1 - 2 - ، U2 ، U ، T ، ρ و r به ترتیب سرعت جریان در مقطع 1، سرعت جریان در مقطع 2، سرعت جریان آزاد، نیروي محوري، چگالی هوا و شعاع موضعی روتور میباشند.
شکل:1 حجم کنترل پیرامون روتور چرخان
مدل دوم بر این مبنا استوار است که در حالت واقعی جهت چرخش جریان در پشت روتور، خلاف جهت چرخش آن است.
چنانچه فرض شود که سرعت زاویهاي جریان پشت روتور - - ω، از سرعت زاویهاي روتور - - Ω، کمتر باشد، میتوان فرض نمود که فشار دوردست جریان با فشار در جریان آزاد برابر است. . هدف از انجام این تحقیق، طراحی و دستیابی به بهترین ابعاد وترپرهي توربین بادي با ظرفیت 25 kw به ازاي سرعت بادm 7 U = است.
فرض این تحقیق بر مبناي استفاده از یک جریان حلقوي با شعاع میشود که فشار، فاکتور القاي محوري و چرخش دنباله تابعی از شعاع باشند.
شکل:2 مدل دوم - روش اول- المان حلقوي چرخان
حجم کنترلی بهگونهاي چسبیده به پره درنظر گرفته میشود که با سرعت زاویهاي آن بچرخد - به شکل 2 توجه شود - . باید توجه داشت که در این حالت قانون برنولی صادق نیست و نیز هنگام عبور سیال از روتور، سرعت زاویهاي سیال نسبت به روتور از - - Ω به - ω 1 - Ω+ افزایش مییابد. این در حالی است که مؤلفهي محوري سرعت ثابت میماند. پس از آن معادلات انرژي در دو سوي پره جهت دستیابی به رابطهاي که بیانگر افت فشار دو سوي روتور است به کار گرفته میشوند. روابط بدست آمده از این مدل در قالب معادلات - 3 - و - 4 - ارائه شده اند.
در روابط - 3 - و - 4 - و Q - 5 - ، Ω، a' ، ω به ترتیب گشتاور وارد بر پرهي توربین، سرعت دورانی و فاکتورهاي القاي زاویهاي پره و سرعت دورانی جریان پشت پره میباشد. از آنجا که نیروي محوري به حجم کنترل بستگی ندارد، لذا روابط - 2 - و - 3 - با هم برابرند.
در رابطهي - 6 - و R - 7 - ، λr و λ شعاع روتور ، نسبت سرعت موضعی و نسبت سرعت نوك پره میباشد. نسبت سرعت نوك پره به عنوان نسبت سرعت نوك پره به سرعت جریان آزاد در نوك پره تعریف میشود. رابطه ي - 6 - نتیجه ي مهم برابري دو مدل است.
در تئوري المان پره نیروهاي عمل کننده بر پرهي توربین را میتوان به عنوان تابعی از ضرایب برا و پسا و زاویهي حمله بیان نمود - شکل . - 3 با توجه به این تئوري روابط - 8 - و - 9 - جهت طراحی استخراج میشوند.
شکل :3 مدل دوم - روش دوم نیروهاي آیرودینامیکی بر روي یک المان از پره
