بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
طراحی و بررسی ارتعاشات یک پره توربین بادی مگاواتی
چکیده
در این مقاله به منظور بررسی ارتعاش پرههای توربین بادی مگاواتی، یک پره توربین بادی مگاواتی بر اساس شناسایی و انتخاب ایرفویل پرهی توربینهای بادی، طراحی شده است. برای تحلیل ایرفویل و بدست آوردن ضرایب برآ و پسا، از نرم افزارهای ایکسفویل1 و فلوئنت2 استفاده شده است. به منظور تحلیل ارتعاشی پره توربین بادی مگاواتی طراحی شده، از نرم افزار آباکوس جهت مدلسازی و شبیه سازی آن استفاده شده است. فرکانسهای طبیعی پره در 5 مود اول استخراج و ارائه شده است. مدلسازی و شبیه سازی انجام شده در آباکوس، ابتدا با یک نمونه مقاله مورد راستی آزمایی قرار گرفته است. سپس به آنالیز حساسیت پره پرداخته شده است. با تغییر پارامترهای مختلف پره، تاثیر آنها بر روی فرکانسهای طبیعی پره مورد مطالعه قرار گرفته است. در نهایت به بررسی نتایج پرداخته شده است.
واژه های کلیدی
پره، طراحی، ارتعاشات، مدلسازی، فرکانس طبیعی
آمادهسازی مقاله مقدمه
یکی از مشکلات عمدهی موجود در توربینهای بادی، مشکل ارتعاش پایه و پرههای توربین میباشد. در واقع مشکل ارتعاش توربینهای بادی یک ایدهی قدیمی است.
توربینهای بادی مدرن امروزی با توان بالا در ردهی مگاوات ساختار کلی (پره ها و برج) الاستیک و بلند و باریک دارند. بنابراین آنها سازههایی هستند که به مقدار زیاد متمایل به ارتعاش هستند. علاوه بر این، به دلیل نیروهای سیکلیک وارد بر توربین، میزان تحریک آن نیز نسبت به ارتعاش بالاست. این نیروها میتوانند باعث تحریک یک زیر سیستم شده و در نهایت باعث به ارتعاش درآمدن کل توربین شوند .[1]
توربینهای بادی باید تمامی اجزایشان در مراحل طراحی مورد بررسی ارتعاشی و آنالیز مودال قرار گیرند و فرکانسهای اصلی آنها با فرکانس کاری توربین چک شود.
آنالیز ارتعاشی سیستم به هدف تایید پایداری دینامیکی سیستم و دوری از پدیدهی رزونانس در بازه کاری صورت میگیرد.
در این مقاله یک پره توربین بادی مگاواتی طراحی میشود. پره-ی طراحی شده در نرم افزار آباکوس مدلسازی شده و فرکانسهای طبیعی آن استخراج میشود. در نهایت به آنالیز حساسیت پرداخته شده و با تغییر پارامترهای مختلف، تاثیر آنها بر روی فرکانسهای طبیعی پره بررسی میشود.
شناسایی و انتخاب ایرفویل پره توربین بادی مگاواتی
هنگام انتخاب ایرفویل باید به پارامترهایی نظیر توان ژنراتور، طول پره، استحکام مورد نیاز ونوع کنترل توربین نیز توجه کرد. برای اکثر پرهها در قسمت داخلی پره از ایرفویل ضخیم استفاده میشود (ملاحظات ساختاری). این ضخامت بین%18- %24انتخاب میشود.[2]
در انتخاب ایرفویل در ناحیه داخلی سعی میشود ایرفویل با ضریب برآی بالایی انتخاب شود. این موضوع به عدم تاثیر زبری بر ایرفویل نیز کمک میکند. هر چه به سمت ناحیه خارجی پیش می-رود، به دلیل گشتاور ایجاد شده و مشکلات استحکامی، بهتر است این ضریب کاهش یابد. در جدول1 تعدادی از ایرفویلهای مناسب با توجه به معیارهای ذکر شده بهوسیله نرمافزار ایکسفویل تحلیل و مقایسه شدهاند.
با توجه به اینکه در تحلیل، فرض بر ثابت بودن ایرفویل بدون تغییر ضخامت میشود و حداقل ضخامت ناحیه داخلی پره میبایست 18 باشد، ضخامت زیر18 در نظر گرفته نمیشود تا از لحاظ ساختاری مسئله قابل قبولتر باشد. در این انتخاب صرفا ضخامت و بالا بودن راندمان آیرودینامیکی (نسبت نیروی برآ به پسا) در نظر گرفته می-شود. بر این اساس و با توجه به نتایج جدول1 ، ایرفویلS831 برای تحلیل بیشتر انتخاب میشود. در این انتخاب از سایر معیار ها صرف نظر شد. برای مثال اگر این ایرفویل با ایرفویل هم ضخامت خود یعنیS833 مقایسه شود، مشاهده میشود که S833 در رینولدز و سرعتهای مختلف، L/D تقریبا ثابتی دارد. اما ایرفویلS831 در رینولدزهای مختلف رفتار متفاوتتری دارد. ضمن اینکه در ایرفویلS833 ماکزیمم ضریب برآ به ضریب پسا در رینولدزهای مختلف بین 3 تا 8 درجه است که در مقایسه با S831 که بین 6 تا 13 درجه است، مطلوبتر است.
با توجه به اینکه در برای محاسبه توان، به ضرایب پسا و برآ نیاز است، از نرمافزار فلوئنت نیز برای تحلیل این ایرفویل استفاده شد. در جدول 2 مقایسهای از نتایج تحلیل، بوسیله نرمافزارهای فلوئنت و ایکسفویل آورده شده است.
پس از انتخاب ایرفویل مناسب برای توربین بادی به محاسبه ی توان پرداخته میشود.
توان یک توربین بادی متشکل از 3 پره، از فرمول (1) به دست میآید.[3]
این رابطه، B تعداد پره ها، چگالی سیال (هوا)، سرعت نوک پره، طول کورد، r شعاع پره، سرعت زاویه ای، ضریب برآ، ضریب پسا و زاویه پیچش پره میباشد.
با فرض در همه مقاطع پره، جایگذاری عدد 3 برای تعداد پرهها و انتگرالگیری از عبارت (1)، عبارت (2) حاصل میشود.
در این رابطه و α به ترتیب نسبت سرعت نوک پره به سرعت باد و زاویه حمله ایرفویل میباشند.
مشخصات فیزیکی پره، مشابه توربین [4] KBP-2000M
انتخاب میشود. بدین ترتیب سرعت زاویهای در بازه 10-25 دور بر دقیقه. قطر روتور 90 متر و نسبت سرعت نوک پره به سرعت باد نیز 8 انتخاب میشود.
با جایگذاری مقادیر فرض شده و بدست آمده از تحلیل فلوئنت، توان توربین محاسبه میشود.
با توجه به بدست آمدن توان 2 مگاوات، پرهی مورد نظر در نرمافزار آباکوس مدلسازی و تحلیل ارتعاشی میشود.
مدلسازی و تحلیل ارتعاشی
به منظور مدلسازی پرهی مورد نظر، در نرمافزار آباکوس، ابتدا به رسم سطح مقطع پره پرداخته میشود. با در اختیار داشتن تعداد زیادی از مختصات ایرفویل انتخاب شده (s831) [5]، میتوان آن را در محیط آباکوس همانند شکل 1 رسم کرد.
پس از رسم سطح مقطع پره، طول پره به میزان 45 متر در نظر گرفته میشود. به منظور راستیآزمایی نتایج با یک نمونه مقاله، جنس پره از آلومینیوم در نظر گرفته میشود. خواص فیزیکی فلز آلومینیوم در جدول3 آورده شده است .[6]
پس از تعریف خواص مادهی مورد نظربرای پره و انجام برخی تحلیلها و بیان روشهایی برای حل فرکانسهای طبیعی پره در 5 مود ارتعاشی، در نرمافزار آباکوس، به تعریف شرایط مرزی مسئله پرداخته میشود.
در این مسئله با توجه به نحوه کارایی ایرفویل، باید قسمت انتهایی را در همهی جهتها به جز جهت دوران آن هنگام نصب شدن به توربین ثابت فرض کرد (شکل.(2
