بخشی از مقاله
چکیده
توربینهای بادی نقش به سزایی در استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر دارند. پره توربین بادی تحت تاثیر گسترهای از نیروهای مختلف قرار دارد. نیروهای گرانشی و گریز از مرکز با روش های محاسباتی ساده تعیین میگردند. برای محاسبه نیروی آیرودینامیکی مقاطع مختلف پره به صورت عددی تحلیل میشوند. معادلات بقای جرم و مومنتوم به صورت متوسط زمانی، برای حل جریان در حالت دائم و تراکم ناپذیر مورد استفاده قرار میگیرند.
برای مدلسازی جریان آشفته، از مدل SST k- استفاده میشود. با استفاده از تغییرات ضریب پسا و برآ در طول پره توزیع نیروی آیرودینامیکی در طول پره محاسبه میگردد. با استفاده از اطلاعات سایت بادی سیاه-پوش تغییرات نیروهای وارده بر ریشه پره توربین در طول 24 ساعت بدست میآید. بازه نیروی گرداننده در طی 24 ساعت 1/5 تا 10 کیلونیوتن و برای نیروی محوری در بازه 16 تا 34 کیلونیوتن بدست آمد.
مقدمه
انرژی باد یکی از منابع انرژی تجدید پذیر است که میتواند سهم مهمی در تامین انرژی کشور دارا باشد. در این راستا توربین های بادی نقش به سزایی را ایفا میکنند. بدون شک مهمترین و حساس ترین بخش توربین بادی پره می باشد که تحت تاثیر گستره ای از نیروهای مختلف قرار دارد. به عنوان گامی موثر جهت طراحی و ساخت توربینهای بادی که حداکثر بازدهی را داشته باشند، لازم است نیروهای وارد بر پره توربین بادی شناسایی و محاسبه شوند.
به طور کلی نیروهای وارد بر پره توربین بادی عبارتند از:
· نیروی گرانشی ناشی از وزن پره که به صورت تناوبی در هر دور چرخش روتور به پره وارد شده و دارای دو مولفه محوری - راستای - z و برشی - راستای - x میباشد.
· نیروی گریز از مرکز که با سرعت دورانی پره متناسب است. به دلیل اینکه طراحی سیستم این توربین ها به گونهای است که سرعت دورانی پره همواره ثابت میباشد در نتیجه این نیرو به صورت استاتیکی و با مقداری ثابت بر پره وارد می شود.
· نیرو های آیرودینامیکی که ناشی از جریان خارجی بوده و با تغییر سرعت باد در طول زمان متغیر می باشند.
· نیروی ژیروسکوپی ناشی از تغییر امتداد روتور در حال چرخش است. از آن سو که نرخ چرخش yaw روتور بسیار کوچک می باشد، میتوان از اثرات آن صرف نظر کرد.
به شرط دانستن مشخصات هندسی پره و نحوهی توزیع جرم در طول پره، میتوان مقادیر نسبتا دقیقی از دو دسته اول نیروها را با روش های محاسباتی ساده تعیین نمود. باید توجه داشت که نیروهای آیرودینامیکی وارد بر پره توابعی از متغیرهای متعدد میباشد. این مسئله باعث میگردد تا محاسبه این نیروها به روش های دقیق ریاضی بسیار دشوار شود. در این میان متداولترین روش، حل عددی خواهد بود. در این راستا می توان مقاطع پره را به صورت دو بعدی مدلسازی کرده و با تحلیل جریان حول آنها نیروهای آیرودینامیکی را در طول پره محاسبه کرد.[2] پس از محاسبه نیروهای ذکر شده در طول پره با برآیندگیری و انتقال نقطه اثر آنها میتوان نیروهای موثر بر ریشه پره توربین بادی را به دست آورد.
در تحقیق حاضر مدلسازی و تحلیل دو بعدی پره توربین بادی 660 کیلووات در مقاطع مختلف از ریشه تا نوک در سرعتهای مختلف مربوط به شرایط طراحی توربین انجام میشود. با بررسی جریان حول پره، پارامترهای تعیین کننده مانند ضریب برآ و پسا در طول پره و همچنین نیروهای محوری و گرداننده از ریشه تا نوک تعیین میگردد. با در دست داشتن اطلاعات مربوط به سرعت باد در یک بازه 24 ساعته در سایت بادی سیاهپوش مقادیر نیروهای محوری و گرداننده محاسبه شده است. با برایندگیری از نیروهای آیرودینامیکی، نیروهای گرانشی و گریز از مرکز، نیروهای وارده بر مقطع ریشه پره توربین بادی در طی زمان، محاسبه میشوند.
توربین بادی مورد بررسی
توربین بادی که در حال حاضر در کشور تولید میشود و در اکثر سایت های بادی کشور مورد بهره برداری قرار میگیرد، توربین بادی660 کیلووات میباشد. این توربین سه پره ای از نوع محور افقی موسوم به HAWT و رو به باد است. مشخصات هندسی و سایر اطلاعات مورد نیاز این توربین در جدول شماره 1 آورده شده است. جهت تحلیل عددی جریان حول پره لازم است اطلاعات مربوط به مقاطع در دست باشد. 10 مقطع مختلف از ریشه تا نوک پره برای تحلیل عددی انتخاب شده است. نمای کلی پره و مقاطع مختلف آن در شکل شماره 1 نشان داده شده است.
جدول :1 اطلاعات هندسی پره توربین بادی
داده های مربوط به تغییرات سرعت باد در یک شبانه روز از اطلاعات سالانه سایت بادی سیاهپوش انتخاب شده است. اطلاعات روزانه جهت و سرعت باد در بازه های زمانی 10 دقیقه توسط دیتالاگر یک دکل هواشناسی به ارتفاع 40 متر که توسط سازمان انرژی های نو در این منطقه نصب شده است، ثبت میگردد.[5] نمودار تغییرات سرعت باد در یک بازه زمانی 24 ساعته مربوط به سایت بادی سیاهپوش در شکل شماره 2 آمده است.
شکل :1 نمای کلی و مقاطع مختلف پره توربین بادی
شکل :2 نمودار تغییرات سرعت باد در یک بازه زمانی 24 ساعته
مدلسازی
معادلات حاکم معادلات بقای جرم و مومنتوم به صورت متوسط زمانی، برای حل جریان در حالت دائم و تراکم ناپذیر مورد استفاده قرار میگیرد. معادلات بقای جرم و مومنتوم برای مختصات کارتزین به صورت زیر میباشد:
در این تحقیق برای مدلسازی جریان آشفته، از مدل SST k- استفاده شده است. مدل SST k- یک مدل نسبتا دقیق و قابل اطمینان است که برای مدلسازی بخش قابل توجهی از جریانهای خارجی استفاده میشود.
شبکه محاسباتی برای تولید شبکه محاسباتی جهت تحلیل جریان از نرمافزار
گمبیت استفاده شده است. شبکه دوبعدی ایجاد شده برای مدلسازی از نوع C و باسازمان میباشد. برای مدلسازی دقیق لایه مرزی و محاسبه ضرایب آیرودینامیکی، ارتفاع سلولهای محاسباتی روی ایرفویل در حدود 1×10- 5m میباشد. با توجه به تغییر نوع ایرفویل از ریشه تا نوک پره، برای مقاطع مختلف شبکه محاسباتی تولید می-شود. ابعاد شبکه محاسباتی طوری در نظر گرفته میشود که ویک به وجود آمده در پشت پره درون شبکه محاسباتی قرار بگیرد. تعداد شبکه محاسباتی برای مقاطع مختلف بین 20000 تا 40000 در نظر گرفته شده است.
شرایط مرزی
برای میدان محاسباتی از شبکه نوع C استفاده شده است. در مرز ورودی از شرط سرعت ورودی استفاده میشود. با توجه به اطلاعات منطقه سیاهپوش سرعت باد در طول شبانه روز در بازه 5 تا 20 متر بر ثانیه در نظر گرفته میشود. سرعت خطی پره نیز از اولین مقطع در ریشه تا نوک پره، به صورت خطی از 13/43 تا 70/14 متر بر ثانیه افزایش مییابد. مرز ورودی در فاصلهای حدود 15 برابر طول وتر ایرفویل در نظر گرفته شده است. برای سطح ایرفویل از شرط مرزی دیواره استفاده شد. برای مرز خروجی جریان در میدان محاسباتی، شرط فشار خروجی اعمال گردیده است. محل مرز خروجی در حدود 30 برابر طول وتر ایرفویل در پایین دست جریان انتخاب شده است، تا جریان به حالت کاملا توسعه یافته برسد.
روش حل عددی
تحلیل دوبعدی توسط نرمافزار Ansys Fluent نسخه 14 انجام شده است. حل بر پایه روش حجم محدود در مختصات کارتزین و شرایط دائمی میباشد. برای تصحیح میدان فشار از الگوریتم SIMPLEC استفاده میشود. برای مقاطع مختلف پره، در بازه سرعت باد منطقه سیاهپوش 5 - تا 20 متر بر ثانیه - حل عددی انجام شده است. سیال عامل هوا میباشد و با توجه به مرتبه سرعت هوا در حالات مختلف تحلیل عددی و دمای محیط، سیال عامل دارای عدد ماخ کمتر از 0/3 بوده و لذا به عنوان یک سیال تراکمناپذیر تلقی میگردد. ارتفاع سلولهای محاسباتی بر روی دیواره ایرفویل به گونه-ای در نظر گرفته شده است که مقدار y+ کوچکتر از 5 میباشد.
در صورت ارضا شدن این شرط، میتوان مدلسازی دقیقی از لایه مرزی مجاور دیواره داشت. جهت همگرایی تحلیل انجام شده، علاوه بر در نظر گرفتن متغیرهای اسکالر و برداری بدست آمده از تحلیل معالات حاکم، روند تغییرات ضرایب لیفت و درگ نیز مورد توجه بوده است. شاخص همگرایی حل، علاوه بر ثابت شدن ضرایب لیفت و درگ، برای معادلات حاکم از مرتبه 10-6 در نظر گرفته شده است.
صحت سنجی نتایج در طول پره از ایرفویلهایی با انواع مختلف استفاده شده است.
برای این ایرفویلها اطلاعات تجربی در مورد ضرایب آیرودینامیکی در دسترس نمیباشد. با توجه به این موضوع برای بررسی درستی مدلسازی، حل عددی برای یک ایروفویل استاندارد انجام شده و با نتایج تجربی مقایسه میشود. ایرفویل استاندارد انتخابی برای بررسی صحت حل عددی NACA 63-215 میباشد. برای عدد رینولدز 3×106، حل عددی برای ضرایب حمله مختلف انجام میشود. ضریب برآ و پسا برای این ایرفویل بر حسب زاویه حمله در شکل 3 نشان داده شده است. همانطور که مشاهده میشود نتایج حل عددی با دقت قابل قبولی با دادههای تجربی تطابق دارد.
شکل :3 مقایسه حل عددی با دادههای تجربی
نتایج
ابتدا نتایج آیرودینامیکی به صورت مختصر بررسی میشود و در ادامه برآیند تمام نیروهای وارده بر ریشه پره مورد بررسی قرار میگیرد. حل عددی برای 10 مقطع مختلف از ریشه تا نوک پره برای سرعت باد در بازه 5 تا 20 متر بر ثانیه انجام میشود. تغییرات ضریب پسا و برآ در طول پره بدست میآید.
با رشد پدیده استال بر روی ایرفویل، ضریب پسا نیز افزایش می-یابد. با حرکت از سمت ریشه به سمت نوک پره، به دلیل به تعویق افتادن جدایش جریان، ضریب پسا کاهش مییابد. رشد پدیده استال باعث کاهش در مقدار ضریب برآ میگردد.
با بدست آوردن ضرایب برآ و پسا میتوان توزیع نیروی آیرودینامیکی را بر روی پره محاسبه کرد. نیروی آیرودینامیکی دارای دو مولفه نیروی گرداننده - در جهت حرکت پره - و نیروی محوری - در جهت حرکت باد - می-باشد. با استفاده از توزیع نیروی آیرودینامیکی و انتگرالگیری از آن بر روی پره میتوان کل نیروی گرداننده و محوری وارد بر ریشه پره را محاسبه کرد. در شکلهای 4 و 5 تغییرات نیروی گرداننده و محوری بر حسب سرعت وزش باد نشان داده شده است. مشاهده میشود که با افزایش سرعت باد نیروی گرداننده و محوری افزایش مییابند. در شرایط طراحی توربین، تغییرات این نیروها ناچیز می-باشد و در محدوده ثابتی قرار میگیرند.
شکل :4 تغییرات نیروی گرداننده بر حسب سرعت وزش باد
شکل :5 تغییرات نیروی محوری بر حسب سرعت وزش باد
در شکل 2 توزیع سرعت باد در طول 24 ساعت در منطقه سیاه-پوش نشان داده شده است. با استفاده از شکلهای 4 و 5 میتوان رابطه بین سرعت باد و نیروی گرداننده و محوری را بدست آورد.
