Thiết kế cánh cho Turbine
Profile cánh
Ủy ban Cố vấn Quốc gia về Hàng không (NACA) đã phát triển các series 4, 5 và 6 chữ số để thiết kế cánh máy bay và cánh turbine gió Thiết kế cánh máy bay ngày càng tinh vi hơn, với các biến thể bổ sung, nhưng hai giá trị hình học cơ bản vẫn là trung tâm của tất cả các series cánh máy bay NACA.
Trong lĩnh vực turbine gió, các profile NACA đã được áp dụng để nghiên cứu đặc tính khí động học nhờ vào những ưu điểm vượt trội về số Re, góc tấn, chiều dài dây cung, hệ số lực nâng và lực đẩy, cũng như tỉ lệ trượt và hệ số áp suất Các profile NACA phổ biến cho turbine gió trục ngang (HAWTs) bao gồm NACA 44xx, NACA 23xxx, NACA 63xxx, và NACA LS, đã thu hút nhiều sự quan tâm trong nghiên cứu và phát triển.
Profile NACA 4-digit được sử dụng phổ biến toàn cầu cho nhiều ứng dụng như cánh máy bay và cánh turbine gió Do đó, em đã chọn profile NACA 4-digit để thiết kế cho cánh turbine gió.
Hệ = số lưc nâng: CL = 7,172 ∞ + 0,3
Từ các dữ liệu hiệu suất có sẵn của NACA 4-digit, ta có CD/CL là 0,01 ở góc tấn α
= 4° hệ số lưc nâng tương ứng CL=0,8.
Chiều dài dây cung cánh
Xuất phát từ lý thuyết động lượng phân tố cánh (BEM), mô-men quay của rotor được xem xét trong bài viết này Để đơn giản hóa quá trình tính toán, giả sử rằng giá trị của một số biến là xấp xỉ bằng 0.
W: vận tốc tương đối của dòng chảy
R: bán kính c: chiều dài dây cung cánh
: tỉ số vận tốc đầu mũi cánh
Vế phải của biểu thức trên phụ thuộc vào hệ số dòng a, a’ Để hiệu suất của cánh max thì a, a’ phải thoả mãn biểu thức (3.3): a 1
Hình 3 2 Số cánh và tốc độc đầu cánh
Hoặc dưa vào bảng bên dưới:
Với 3 cánh quạt của turbine gió, tỷ số λ = 6 và hệ số C1 = 0.8, chúng ta tiến hành xây dựng sự biến thiên theo tỷ số bán kính x Tỷ số này được chia thành 10 phần bằng nhau, mỗi khoảng cách là 25mm, như được trình bày trong bảng dưới đây.
Bảng 3 2.Kết quả tính toán dây cung cánh
Góc đặt cánh
Trong đó: U.(1-) là tốc độ gió tại cánh
U rel là tốc độ gió tương đối
= p + là gió góc tương đối
Sử dụng biểu thức hệ số lưc nâng:
Có góc tấn của cánh theo bảng sau:
Bảng 3 3 Kết quả tính toán góc tấn Để tính góc đặt cánh ta sẽ xác định góc tới của dòng khí theo công thức:
Bảng 3 4 Kết quả tính toán
Hình 3 5 Kết quả hình 3D 3.1.4 Xây dựng cánh Turbine bằng phần mềm Siemens NX11.
Yêu cầu kích thước cánh:
3.1.4.2 Dựng cách Turbine. Để dưng cánh Turbine ta thưc hiện theo các bước:
-Tạo các mặt phẳng vẽ phác với khoảng cách xác định.
-Kết nối các Profile thành đường dẫn.
Dưa vào phần mềm DESIGNFOIL ta có profile NACA 4-digit cánh dưới đây.
Vì giới hạn của việc in 3D nên ta điều chỉnh profile cánh 4-digit của NACA cho phù hợp với việc in 3D sau đó xuất profile vào phần mềm NX11.
Hình 3 7 Profile Naca 4-digit khi xuất sang phần mềm NX11
3.1.4.3.2 Tạo các mặt phẳng vẽ.
Từ thanh công cụ chọn File-New, hộp thoại New hiện ra; Đặt tên file mới là “Turbine” tại ô Name.
Chọn đơn vị đo (Unit) là Millimeters.
Hình 3 8 Tạo file vẽ 3D của cánh
Để thêm các mặt phẳng phụ trong phần mềm, bạn cần chọn biểu tượng trên thanh công cụ, lúc này hộp thoại DATUM PLANE sẽ hiện ra bên trái Tiếp theo, hãy chọn mặt phẳng Top làm tham chiếu Trong ô Distance, bạn có thể nhập khoảng cách, ví dụ như 25mm, để thiết lập khoảng cách giữa mặt phẳng phụ thứ nhất và mặt phẳng Top.
Sau đó lại lấy mặt phẳng MP1 là mặt phẳng chuẩn để tạo mặt phẳng phụ thứ
2 với khoảng cách là 25 mm Cứ như vậy ta lập 4 mặt phẳng với khoảng cách như vậy.
Lấy MP4 làm chuẩn tạo thêm MP5 với khoảng cách là 25mm, rồi ta nhập thêm 2 mặt phẳng MP6, MP7 với khoảng cách như vậy.
Tương tư ta tạo mặt phẳng MP6, MP7, MP8, MP9, MP10 cùng khoảng cách là 25mm.
Hình 3 9 Tạo mặt phẳng MP1 cách 25mm so với mặt phẳng Top
Hình 3 10 Các mặt phẳng sau khi đã được tạo
Sau khi lập xong các mặt phẳng phụ như trên ta kích chuột vào biểu tượng
Khi mở hộp thoại Sketch, bạn cần chọn mặt phẳng Top Sau đó, hộp thoại Sketch sẽ được kích hoạt và bạn chọn Sketch trong hộp thoại Lúc này, màn hình đồ họa sẽ xuất hiện.
Ta chọn mặt phẳng muốn vẽ và nhập file Naca vào sau đó chọn OK.
Hình 3 11 Chọn mặt phẳng để vẽ profile
Trong màn hình Sketch ta sẽ chọn các đường muốn vẽ trong khung Direct Sketch.
Hình 3 12 Các thanh công cụ của (Direct Sketch)
Bên phải của khung Direct Sketch là công cụ đo kích thước nhanh bao gồm như hình dưới.
Hình 3 13 Công cụ đo kích thước (Rapid Dimension)
Từ góc toạ độ của mặt phẳng ta dưng các đường trục chính và trục nghiên cánh như hình.
Trong hình 3.14, các góc tọa độ và trục của cánh được thể hiện rõ Trục hoành nằm ngang được chọn làm khớp nối giữa mặt nạ Turbine và cánh Do đó, độ nghiêng của cánh được xác định là góc giữa trục tung và mặt phẳng mà cánh được đặt.
Tiếp theo, chúng ta sẽ vẽ các chi tiết cánh của NACA theo mẫu ban đầu, đồng thời điều chỉnh kích thước cho phù hợp với từng mặt phẳng cụ thể.
Hình 3 15 Vẽ Profile của cánh theo tiêu chuẩn của Naca
Sau khi hoàn thành bản vẽ ta nhấn biểu tượng phẳng thứ nhất. để hoàn thành bản vẽ của mặt
Tiếp tục ta chọn biểu tượng Sketch và chọn mặt phẳng thứ 2 để thưc hiện bản vẽ thứ 2
Tương tư từ góc toạ độ của mặt phẳng ta dưng các đường trục chính và trục nghiên cánh.
Hình 3 16 Dưng các góc toạ độ và trục của cánh ở MP2
Tiếp theo ta vẽ các chi tiết cánh của NACA theo chuẩn mẫu ban đầu đã nhập thay đổi chi tiết các kích thước cho phù hợp
Hình 3 17 Vẽ Profile của cánh theo tiêu chuẩn của Naca ở MP2
Tương tư với các mặt phẳng còn lại ta sẽ được kết quả như sau:
Hình 3 18 Kết quả sao khi đã vẽ đầy đủ các mặt 3.1.4.3.3 Tạo các khớp nối với Turbine.
Để chọn thêm các mặt phẳng phụ, bạn cần nhấp vào biểu tượng trên thanh công cụ Sau đó, hộp thoại DATUM PLANE sẽ hiện ra ở phía bên trái, cho phép bạn chọn mặt phẳng mong muốn.
Top làm tham chiếu Bây giờ trên ô Distance cho phép bạn nhập khoảng cách vào và ta nhập theo kính thước ở bảng 20mm là độ dài của khớp nối.
Từ góc toạ độ của mặt phẳng ta dưng các đường trục chính và trục ngang bằng với tâm điểm của cánh như hình.
Hình 3 19 Tạo mặt trước của khớp nối
Tương tư với mặt sau của khớp nối
Hình 3 20 Tạo mặt sau của khớp nối
3.1.4.3.4 Tạo đường bề mặt phủ các lớp profile vừa tạo.
Trên thanh menu chọn biểu tượng sau đó chọn vào mục Through Curves để tạo được đường dẫn giữa các mặt
Hình 3 21 Vị trí của biểu tượng Surface trên thanh công cụ
Sau khi chọn tính năng Through Curves, bạn sẽ thấy một bảng chọn mặt phẳng bên trái Hãy chọn hai mặt phẳng cần tạo bề mặt khối: đầu tiên chọn mặt phẳng thứ nhất và sau đó nhấn Add New Set để chọn mặt phẳng thứ hai Lúc này, chương trình NX11 sẽ tạo ra một bề mặt nối liền giữa hai mặt phẳng Cuối cùng, hãy chọn OK để lưu lại kết quả.
Hình 3 22 Tạo bề mặt phủ giữa 2 profile của mặt phẳng
Để làm tương tư với các profile còn lại, trước tiên chọn từng chiều cho khớp nối hình vuông, sau đó nhấn "Add New Set" và tiếp tục chọn chiều cho mặt phẳng thứ hai của khớp nối, đảm bảo rằng chiều của mặt phẳng thứ nhất và thứ hai cùng hướng Sau khi hoàn thành tương tư với tất cả 10 profile, bạn sẽ nhận được kết quả như hình.
Hình 3 23 Tất cả mặt phẳng khi đã tạo lớp phủ
3.1.4.3.5 Vẽ cánh quay theo chiều ngược lại.
Thưc hiện lại các bước như trên với cánh quay ngược chiều theo profile sau:
Hình 3 24 Profile cánh quay theo chiều ngược lại
Sau khi thưc hiện tất cả các profile ta được:
Hình 3 25 Các mặt của cánh quay ngược chiều sau khi đã vẽ
Thưc hiện tạo đường phủ các bề mặt như cánh quay cùng chiều kim đồng hồ ta sẽ được hình 3D của cánh quay nghịch.
Hình 3 26 Hình dạng của cánh quay ngược sau khi đã tạo đường phủ
Sau khi vẽ xong in 3D sẽ được mẫu như hình:
Xây dưng cánh Turbine bằng phần mềm Siemens NX11
Máy phát điện là thành phần thiết yếu trong Turbine gió, chịu trách nhiệm chuyển đổi cơ năng thành điện năng Việc thiết kế và lựa chọn máy phát điện cần phù hợp với loại Turbine đã được chọn, với ưu tiên cho các phương pháp điều khiển và điều kiện gió tại khu vực quy hoạch Ngoài việc biến đổi năng lượng, máy phát điện còn giúp điều khiển điện áp thông qua tốc độ quay của Turbine.
Turbine được kết nối trực tiếp với rotor của máy phát qua một trục truyền động, điều này cho phép máy phát hoạt động với tốc độ quay chậm hơn so với máy phát thông thường Thiết kế này giúp máy phát có công suất điện cao, từ đó cải thiện hiệu suất cảm ứng từ Việc điều khiển trực tiếp không chỉ loại bỏ tổn thất và chi phí bảo trì liên quan đến hộp số mà còn giảm thiểu hư hỏng do hộp số gây ra, theo một số nghiên cứu Hơn nữa, điều này giảm liên kết xoắn trên các trục truyền động, dẫn đến kích thước trục nhỏ hơn và giảm khối lượng tháp đỡ trong trường hợp sử dụng H-rotor Sự lựa chọn máy phát điện xoay chiều với kích từ bằng nam châm vĩnh cửu cũng góp phần nâng cao hiệu quả hoạt động.
Các thông số cơ bản:
Loại máy phát: roto mỏ chim.
Số vòng quay: n= 250vòng/phút.
- Kích từ bằng nam châm vỉnh cửu
-Đảm bảo độ tin cậy tối đa cho hệ thống, điều chỉnh tư động trong mọi điều kiện sử dụng.
- Đảm bảo đặc tính của hệ điều chỉnh, có chất lượng cao và ổn định trong khoảng thay đổi tốc độ và tải.
- Đảm bảo khởi động dễ dàng và độ tin cậy cao.
- Kích thước nhỏ gọn, độ bền cao, chịu rung sóc tốt.
Chọn máy phát cho Turbine
Chọn máy phát
Máy phát điện là thành phần thiết yếu trong turbine gió, có vai trò chuyển đổi cơ năng thành điện năng Việc thiết kế và lựa chọn máy phát điện cần phù hợp với loại turbine đã chọn, trong khi các turbine được thiết kế dựa trên các phương pháp điều khiển và điều kiện gió của khu vực quy hoạch Ngoài việc biến đổi năng lượng, máy phát điện còn giúp điều chỉnh điện áp thông qua tốc độ quay của turbine.
Turbine được kết nối trực tiếp với rotor của máy phát thông qua trục truyền động, giúp điều khiển máy phát một cách hiệu quả Loại máy phát này có tốc độ quay chậm hơn so với máy phát thông thường và được thiết kế với số lượng điện cực lớn để tối ưu hóa cảm ứng từ Việc điều khiển trực tiếp không chỉ loại bỏ tổn thất mà còn giảm thiểu chi phí bảo trì và các vấn đề liên quan đến hộp số, vốn là nguyên nhân chính gây hư hỏng cho turbine gió Hơn nữa, việc này cũng làm giảm liên kết xoắn trên các trục truyền động, giúp cho kích thước trục nhỏ hơn và giảm khối lượng tháp đỡ trong trường hợp sử dụng H-rotor Lựa chọn máy phát điện xoay chiều với kích từ bằng nam châm vĩnh cửu là một giải pháp tối ưu.
Các thông số cơ bản:
Loại máy phát: roto mỏ chim.
Số vòng quay: n= 250vòng/phút.
- Kích từ bằng nam châm vỉnh cửu
-Đảm bảo độ tin cậy tối đa cho hệ thống, điều chỉnh tư động trong mọi điều kiện sử dụng.
- Đảm bảo đặc tính của hệ điều chỉnh, có chất lượng cao và ổn định trong khoảng thay đổi tốc độ và tải.
- Đảm bảo khởi động dễ dàng và độ tin cậy cao.
- Kích thước nhỏ gọn, độ bền cao, chịu rung sóc tốt.
Cấu tạo của máy phát điện xoay chiều
Cấu tạo của máy phát điện xoay chiều gồm: Stato, Roto, bánh đai truyền, cánh quạt làm mát, bộ đi-ốt chỉnh lưu điện áp
Hình 3 28: Cấu tạo máy phát điện xoay chiều
Hình 3 29 Cấu tạo chi tiết của máy phát điện xoay chiều
Rotor được cấu tạo từ hai nửa, mỗi nửa có các cực bằng thép non Bên trong rotor có cuộn dây kích từ, nhận dòng điện từ cuộn kích từ Hai đầu dây của cuộn kích từ được kết nối với hai vòng tiếp điện bằng đồng, đặt trên trục rotor nhưng cách điện với trục Các chổi than được lắp trong giá đỡ và tiếp xúc với các vòng tiếp điện này.
Khi Rotor quay các vấu cưc rotor trở thành nam châm điện với các từ cưc bắc nam xen kẽ nhau.
Dạng ống được cấu tạo từ các lá thép kỹ thuật điện cách điện nhằm giảm dòng điện phu-cô Bên trong, các rãnh được thiết kế để xếp các cuộn dây ứng điện, trong đó cuộn dây ứng điện bao gồm ba pha với các cuộn dây riêng biệt Các cuộn dây pha của stato có thể được đấu nối theo hình sao hoặc hình tam giác.
Hình 3 31 Đấu mạch sao và tam giác trong máy phát điện xoay chiều
Hình 3 32 Bố trí các cuộn dây ứng điện trong phần ứng Stator
3.2.2.3 Nguyên lý phát điện của máy phát điện xoay chiều.
Trong máy phát điện một chiều, phần ứng điện quay (Stato) và phần cảm điện đứng yên (Roto) được bố trí như vậy Ngược lại, trong máy phát điện xoay chiều, phần ứng điện đứng yên còn phần cảm điện quay.
Máy phát điện xoay chiều hoạt động dựa trên nguyên lý đơn giản: một nam châm điện quay trong vòng dây ứng điện Nam châm được kích thích bởi dòng điện một chiều thông qua hai vòng trượt và chổi than Khi cực bắc của nam châm quét qua nhánh dây ứng bên phải, dòng điện sẽ chạy từ trước ra sau Sau khi nam châm quay 180 độ, cực nam sẽ quét qua nhánh bên phải, lúc này dòng điện trong nhánh sẽ chạy từ sau ra trước, tạo ra dòng điện xoay chiều trong vòng dây phần ứng.
Sức mạnh của dòng điện tuỳ thuộc vào ba yếu tố:
- Tốc độ quay của phần cảm điện (Nam châm quay)
- Sức mạnh từ trường phần cảm điện
- Số vòng dây ứng điện
Hình 3 33 Sơ đồ nguyên lý của máy phát điện xoay chiều một pha
Khi khởi động, dòng điện một chiều từ ắc quy được cung cấp cho cuộn dây kích từ, tạo ra từ trường trên roto Từ trường này sẽ quét qua các đầu cực của stato, tạo ra sức điện động xoay chiều trong các cuộn dây phần ứng Nhờ vào khối chỉnh lưu ở đầu ra của cuộn dây phần ứng, dòng điện cung cấp cho mạch ngoài của máy phát điện sẽ trở thành dòng điện một chiều Sức điện động trong mỗi cuộn dây có thể được tính toán theo công thức cụ thể.
Trong đó: f:Tần số sức điện động (f= p.n/60)
K W : Hệ số cuộn dây phần ứng
: Từ thông giữa khe hở roto và stato.
Chọn bộ chỉnh lưu cho Turbine
Nắn dòng một pha nữa kỳ
Sơ đồ nắn dòng xoay chiều 1 pha nữa kỳ ít được sử dụng trong thực tế do chất lượng điện áp 1 chiều sau khi nắn không đạt hiệu suất cao.
Hình 3 35 Sơ đồ nắn dòng một pha nữa kỳ
Sơ đồ nắn dòng sử dụng đi-ốt cho phép dòng điện chỉ đi theo một chiều Trong nửa chu kỳ đầu, dòng điện di chuyển từ cực dương của máy phát đến cực dương của đi-ốt, qua pha phụ tải và trở về cực âm của máy phát Ở nửa chu kỳ sau, đi-ốt ngăn cản dòng điện đi qua phụ tải, đảm bảo dòng điện chỉ hoạt động theo một chiều.
Vì vậy dòng điện sau khi nắn vẫn còn quá mấp mô.
Nắn dòng một pha theo sơ đồ cầu
Sơ đồ nắn dòng cho nguồn điện xoay chiều một pha rất phổ biến trong hệ thống điện của ô tô và máy kéo Nó được áp dụng trong nhiều bộ phận, đặc biệt là trong rơle khống chế của hệ thống điều khiển máy khởi động điện.
Hình 3 36 Sơ đồ nắn dòng cả kỳ 1 pha theo sơ đồ cầu
Nguyên lý làm việc của máy phát diễn ra qua hai nửa chu kỳ Ở nửa chu kỳ đầu, khi thế dòng được đặt vào điểm a và thế âm vào điểm b, dòng điện sẽ di chuyển từ (+) máy phát đến điểm a qua Đ 1, tiếp tục qua R T và Đ 3 để trở về điểm b, rồi quay về (-) máy phát Ở nửa chu kỳ sau, khi thế dòng được đặt vào điểm b và thế âm vào điểm a, dòng điện sẽ di chuyển từ (+) máy phát tới điểm b qua Đ 2.
R T qua Đ 4 rồi về (a) và về (-) máy phát.
Nắn dòng ba pha nữa kỳ
Sơ đồ nắn dòng 3 pha nữa kỳ hiếm khi được sử dụng trong sơ đồ điện của ô tô và máy kéo Nó chủ yếu chỉ cung cấp dòng kích thích cho máy phát điện khi máy phát điện đang hoạt động.
Hình 3 37 Sơ đồ nắn dòng 3 pha nữa kỳ
Xét pha I: Có dòng điện đi từ (+) I đến R t qua Đ 2 rồi về (-) của I
Xét pha II: Có dòng điện đi từ (+) II đến R t qua Đ 3 rồi về (-) của II
Xét pha III: Có dòng điện đi từ (+) III đến R t qua Đ 1 rồi về (-) của III
Nắn dòng 3 pha toàn kỳ
Sơ đồ này được sử dụng phổ biến trên hầu hết các ô tô và máy kéo hiện nay Ưu điểm nổi bật của nó là điện áp một chiều sau khi được nắn có trị số hiệu dụng cao và tần số thấp, cho phép tạo ra tín hiệu gần như là đường thẳng hơn.
Hình 3 38 Sơ đồ nắn dòng 3 pha cả kỳ
Khi a là dương nhất, b là âm nhất: Có dòng điện đi từ (a) qua Đ 1 qua R t về Đ 5 rồi về b rồi về (-) của a.
Sau 120 o thì b là dương nhất, c âm nhất: Có dòng điện đi từ (b) qua Đ 2 qua R t qua Đ 6 rồi về c rồi về (-) của b.
Sau 120 o thì c là dương nhất, a âm nhất: Có dòng điện đi từ (c) qua Đ 3 qua R t qua Đ 4 rồi về a rồi về (-) của c.
Ta chọn nắn dòng 1 pha theo sơ đồ cầu.
Chọn trục cho hệ thống Turbine
Tháp
Tháp gió giữ vai trò quan trọng trong việc nâng đỡ các cánh quạt và vỏ bọc động cơ của tua-bin gió ở độ cao lý tưởng Các loại tháp phổ biến trong tua-bin hiện đại bao gồm tháp khung dàn, tháp ống và tháp dây nối đất Hình 3.13 minh họa các loại tháp này.
Hình 3 39 Các loại tháp Turbine gió
Cột tháp khung dàn và tháp hình ống được sử dụng với Turbine gió lớn, còn tháp hình treo chỉ sử dung với Turbine nhỏ.
Cột tháp dạng khung giàn
Cột tháp dạng khung dàn được chế tạo từ những mặt nghiêng mối hàn thép, mang lại lợi thế về chi phí do chỉ cần một nửa nguyên liệu so với cột tháp hình ống nhưng vẫn đảm bảo độ vững chãi tương đương Tuy nhiên, vì lý do thẩm mỹ, cột tháp khung dàn ngày càng ít được sử dụng cho các turbine gió cỡ lớn và hiện đại hiện nay.
Cột thép hình ống
Hầu hết các tua bin gió lớn sử dụng cột thép hình ống dài từ 20 đến 30 mét, có mặt bích ở mỗi đầu và được nối lại tại các điểm Các cột tháp có hình nón với đường kính tăng dần về phía chân đế, giúp tăng cường độ bền và tiết kiệm nguyên liệu.
Cột thép dạng dây nối đất
Nhiều turbine gió nhỏ được thiết kế với cột tháp thu hẹp, hỗ trợ bởi dây nối, giúp tiết kiệm trọng lượng và chi phí Tuy nhiên, loại cột tháp này gặp khó khăn trong việc ổn định, khiến nó ít phù hợp cho các khu vực nông trại Hơn nữa, cột tháp dễ bị nghiêng, dẫn đến nguy cơ hư hỏng và ảnh hưởng đến an toàn tổng thể.
Chọn loại tháp hình ống.
53
So sánh kết quả thí nghiệm với lý thuyết đã chứng minh
Turbine gió có thể được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau, như cấu tạo hoạt động, công suất và số cánh quạt Tuy nhiên, hai loại chính của turbine gió là turbine gió trục ngang và turbine gió trục đứng.
2.1.1 Turbine gió trục ngang (HAWT).
Hình 2 1 Turbine gió trục ngang Đây loại Turbine gió phổ biến trên thị trường
Công suất phát điện từ vài trăm W đến vài MW.
Dải vận tốc gió hoạt động từ 4m/s-25m/s.
Chiều cao cột chống Turbine 6m (loại công suất nhỏ) – 120m (loại công suất lớn)
Số cánh quạt 2-3 cánh quạt.
Bán kính cánh quạt từ 3m - 45m.
Số vòng quay cánh quạt 20 – 40vòng/phút.
63
Turbine gió có thể được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau, bao gồm cấu tạo hoạt động, công suất và số cánh quạt Tuy nhiên, hai loại chính của turbine gió là turbine gió trục ngang và turbine gió trục đứng.
2.1.1 Turbine gió trục ngang (HAWT).
Hình 2 1 Turbine gió trục ngang Đây loại Turbine gió phổ biến trên thị trường
Công suất phát điện từ vài trăm W đến vài MW.
Dải vận tốc gió hoạt động từ 4m/s-25m/s.
Chiều cao cột chống Turbine 6m (loại công suất nhỏ) – 120m (loại công suất lớn)
Số cánh quạt 2-3 cánh quạt.
Bán kính cánh quạt từ 3m - 45m.
Số vòng quay cánh quạt 20 – 40vòng/phút.
2.1.2 Turbine gió trục đứng (VAWTs).
Hình 2 2 Turbine gió trục đứng Đây là loại Turbine mới phát triển trong thời gian gần đây.
Dải vận tốc gió hoạt động 3-40m/s.
Bán kính cánh quạt dưới 10m. Đặc điểm:
Dải vận tốc gió hoạt động là khá rộng.
Turbine có khả năng hoạt động hiệu quả mà không bị ảnh hưởng bởi hướng của vận tốc dòng khí, cho phép lắp đặt ở những vị trí có tốc độ gió cao và dòng chảy không ổn định.
Tuy nhiên hiệu suất của Turbine chỉ bằng 50% so với Turbine trục ngang khi hoạt động ở cùng 1 vận tốc gió.
2.2 Công suất của một Turbine gió.
Công suất của một Turbine gió tạo ra có thể xác định theo các tính toán dưa trên mô hình sau:
Hình 2 3 Mô hình chuyển động của gió và Turbine
Giả sử không khí di chuyển với vận tốc v trong thời gian t để vượt qua quãng đường D, diện tích bề mặt A tương ứng với diện tích do cánh quạt quét, và tỉ trọng không khí là ρ, thì khối lượng không khí chuyển động m sẽ được tính toán dựa trên các yếu tố này.
Hay: Động năng của khối không khí có khối lượng m chuyển động với vận tốc v:
Vì công suất được tính bằng năng lượng E cho một đơn vị thời gian, do đó công suất của Turbine gió P sẽ là:
Với hệ số hoàn thiện hay Betz limit C, công thức tính công xuất trên có thể viết lại như sau:
Trong đó: ρ - tỉ trọng không khí, kg/m 3 (khoảng 1,225 kg/m 3 ở mưc nước biển, khi cao độ càng tăng tỉ trọng không khí càng giảm)
Bề mặt quét của cánh quạt hướng thẳng vào chiều gió, với tốc độ gió v tính bằng mét trên giây (m/s) và công suất P tính bằng watt (Watts) Theo lý thuyết, hệ số C được tính bằng 16/27, tương đương với 0.59, tuy nhiên, trên thực tế, hệ số C thường dao động khoảng 0.35.
Công suất của turbine gió được xác định bởi lập phương của tốc độ gió, diện tích bề mặt quét của cánh quạt và tỉ trọng không khí.
2.3 Khí động học Turbine gió trục ngang.
2.3.1 Giới thiệu Turbine gió trục ngang hệ 2 lớp cánh ghép đồng trục.
Turbine mới của Nga ứng dụng công nghệ tiên tiến với hai hệ cánh đồng trục quay ngược chiều nhau (2x5 cánh), dựa trên ý tưởng cánh quạt hai lớp trong máy bay trực thăng Thiết bị này hoạt động hiệu quả ở tốc độ gió thấp từ 3 m/s và đạt công suất định mức khi gió đạt 8-10 m/s, trong khi công nghệ truyền thống yêu cầu tốc độ gió từ 12-14 m/s Điều này khiến Turbine trở thành lựa chọn lý tưởng cho điều kiện gió tại Việt Nam, với hiệu suất vượt trội hơn so với các Turbine gió truyền thống.
Hình 2 4.Mô hình Turbine gió hệ 2 dàn cánh ghép đồng trục
2.3.2 Các yếu tố lý thuyết cánh quạt thứ nhất của Turbine gió.
Hình 2 5 Sư thay đổi áp suất và vận tốc gió qua cánh Turbine gió
Hình 2.5 thể hiện sự biến đổi của dòng chảy khi đi qua cánh quạt rotor, với các thông số ∞, , lần lượt mô tả dòng chảy ở xa phía trước rotor, tại rotor, và xa phía sau rotor.
Xét định luật bảo toàn động lượng cho dòng chảy qua rotor tại 3 tiết diện ở xa vô cùng phía trước, phía sau và ngay tại rotor:
Trong đó: ρ– mật độ không khí
A – diện tích dòng không khí trao đổi năng lượng với rotor. Đặt
Với a – hệ số thu hẹp dòng chảy
Thay vào biểu thức trên ta được:
Rotor có diện tích dòng không khí hẹp, ảnh hưởng đến dòng chảy Không khí và rotor tương ứng với phần diện tích ∞ = (1 − ) Quá trình này liên quan đến việc chuyển đổi năng lượng qua rotor, với hệ số được gọi là hệ số thu.
1 hệ số đặc trưng cho sư trao đổi năng lượng giữa dòng
2.3.3 Thuyết động lượng và hệ số công suất của rotor cho cánh quạt thứ nhất.
Mặt trước và mặt sau của rotor tạo ra sự chênh lệch về áp suất, dẫn đến sự xuất hiện của lực Lực này là nguyên nhân chính làm thay đổi động lượng của dòng khí khi đi qua rotor.
Phương trình Becnuli áp dụng cho dòng chảy ta có:
1 2 2 + + ℎ = Áp dụng cho dòng chảy trước cánh quạt rotor thứ nhất
Tương tư như vậy cho dòng chảy sau cánh quạt rotor thứ nhất
Thay vào phương trình (2.10) ta được:
Biểu thức (2.13) cho ta thấy rằng vận tốc vào rotor và vận tốc ở xa vô cùng phía sau rotor đều giảm đi một lượng ∞
Thay biểu thức (2.13) vào biểu thức (2.10) ta có
Công suất truyền cho rotor chính là công giãn nở của dòng khí
Hệ số công suất của rotor được định nghĩa là tỷ lệ giữa công suất truyền cho rotor và động năng của dòng khí đi qua diện tích quét của rotor trong một đơn vị thời gian.
Thay vào trên ta có = 4 (1 − ) 2
2.3.4 Số Betz giới hạn. Đạo hàm biểu thức (2.16) theo ta có
Hiệu suất tối đa của rotor, được xác định bởi định luật Betz do nhà vật lý Albert Betz phát hiện vào năm 1926, không thể đạt được ở bất kỳ loại turbine nào Nguyên nhân không phải do giới hạn thiết kế, mà là do dòng chảy không khí vào turbine bị thu hẹp so với dòng chảy tự do qua bề mặt rotor.
Và điều này đã được chứng minh trong thưc tế Các tubin gió hiện đại ngày nay đều có hiệu suất chỉ đạt 30-45%.
2.3.5 Các yếu tố lý thuyết cánh quạt thứ hai của Turbine gió.
Hình 2 6 Sư thay đổi áp suất và vận tốc gió qua Turbine
Hình 2.6 thể hiện sự biến đổi của dòng chảy khi đi qua cánh quạt thứ hai của rotor Các thông số , , lần lượt mô tả dòng chảy ở phía sau cánh quạt thứ nhất, tại rotor, và ở khoảng cách xa phía sau rotor.
Xét định luật bảo toàn động lượng cho dòng chảy qua rotor tại ba tiết diện: một ở phía sau cánh quạt thứ nhất, một tại cánh quạt rotor thứ hai và một ở xa vô cùng phía sau rotor.
Thay vào biểu thức trên ta được:
Với rotor có diện tích, sau cánh quạt đầu tiên, dòng không khí sẽ giảm một lượng tương ứng với phần diện tích ∞ = (1 − ) Điều này cho thấy sự trao đổi năng lượng giữa dòng không khí và rotor.
2.3.6 Thuyết động lượng và hệ số công suất của rotor cho cánh quạt thứ 2.
Do cũng có bước nhảy về áp suất giữa mặt trước và mặt sau của cánh quạt thứ
2 của rotor nên xuất hiện lưc.
Phương trình Becnuli cho dòng chảy ta có:
2 2 + + ℎ = Áp dụng cho dòng chảy trước cánh quạt rotor thứ 2
Tương tư như vậy cho dòng chảy sau cánh quạt rotor thứ 2 1
Thay vào phương trình (2.20) ta được:
Thay vào biểu thức (2.20) ta có
Công suất truyền cho rotor chính là công giãn nở của dòng Đặt :
Từ hệ 1 cánh quạt rotor ta có :
Hệ số công suất của rotor được định nghĩa là tỷ lệ giữa công suất truyền cho rotor và động năng của dòng khí đi qua diện tích quét của rotor trong một đơn vị thời gian.
Thay vào trên ta có :
= 4 (1 − ) 2 [1 + (1 − ) 3 (1 − ) ] Đây là phương trình hiệu suất 2 lớp cánh với a ,b là hệ số thu hẹp dòng chảy
*Tham khảo phần chứng minh hiệu suất 2 lớp cánh từ anh Phan Văn Thưởng lớp cao học KDD16A.
3.1 Thiết kế cánh cho Turbine.
