Thiết kế và mô phỏng turbin gió trục ngang loại 20KW

1

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU...........................................................................................................2
1. Giới thiệu Turbin gió.............................................................................................3
1.1 Turbin gió trục ngang....................................................................................3
1.2 Tubin gió trục đứng.......................................................................................4
2. Khí động học Turbin gió trục ngang.....................................................................5
2.1 Khái niệm hoạt động thực của rotor..............................................................5
2.2 Thuyết động lượng và hệ số công suất của rotor...........................................6
2.3 Số Betz giới hạn............................................................................................7
2.4 Lý thuyết phân tố cánh..................................................................................8
2.5 Thuyết động lượng phân tố cánh (BEM)....................................................10
3 Thiết kế cánh quạt rotor loại 20KW.....................................................................11
3.1 Tính bán kính cánh quạt rotor.....................................................................11
3.2 Profin cánh..................................................................................................13
3.3 Chiểu dài dây cung cánh.............................................................................17
3.4 Góc đặt cánh................................................................................................20
3.5 Mô hình turbin.............................................................................................22
4. Mô phỏng turbin bằng phương pháp CFD..........................................................23
4.1 Tổng quan về CFD......................................................................................23
4.2 Chia lưới và mô phỏng................................................................................24
5. Kết luận và mở rộng............................................................................................30
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................32


2

LỜI NÓI ĐẦU
Nguồn năng lượng đang là một vấn đề toàn cầu.Cũng với sự phát triển của các ngành công nghiệp,năng
lượng hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt.Nhu cầu tìm ra loại năng lượng mới,sạc,có thể tái tạo

được,…thây thế nguồn năng lượng hóa thạch truyền thống là bào toán đặt ra từ lâu đối với các
quốc gia phát triển như Anh,Mỹ,Pháp,…
Cùng với việc mở cửa hội nhập của nền kinh tế,Việt Nam cũng gặp phải những khó khăn và trở ngại
chung khi thiếu hụt về năng lượng,trong khi các nguồn năng lượng truyền thống dần không đủ
đáp ứng.Mặt khác,Việt Nam còn có lợi thế là hơn 3000km bờ biển nên nguồn năng lượng gió là
rất dồi dào.Với ưu thế về vị trí địa lý này,Việt Nam hoàn toàn có thể sử dụng nguồn năng lượng
gió.Và những năm gần đây,khai thác năng lượng gió đang được nhà nước quan tâm.
Với đề tài “Thiết kế và mô phỏng turbin gió trục ngang loại 20KW” ,Chúng em đã thiết kế loại turbin này
sao cho nó gần giống với loại turbin đã được lắp ở Quảng Nam,do công ty WestWind sản suất,từ
đó kiểm nghiệm hiệu suất bẳng phương pháp CFD.Đây là một đề tài rất hay,có liên quan thực
tế.Tuy nhiên đây cũng là một đề tài mới vì vậy trong quá trinhg làm đồ án chúng em không tránh
khỏi những sai sót và hạn chế về kiến thức.Chúng em rất mong nhận được sự góp ý và đánh giá
của các thầy cô giáo trong bộ môn

1. Giới thiệu Tubin gió

Về cơ bản có thể chia loại tubin gió theo nhiều hình thức khác nhau : theo cấu tạo
hoạt động, theo công suất hay theo số cánh quạt. Tuy nhiên có thể chia tubine gió
theo 2 loại cơ bản sau đây : Tubine gió trục ngang và tubine gió trục đứng.


3
1.1. Tubin gió trục ngang (HAWT)

Hình 1.1 Turbine gió trục ngang
Đây loại tubin 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 tubin 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.
1 số đặc điểm của tubin gió trục ngang :
- Đây là loại tubin gió có hiệu suất cao nhất.
- Thích hợp với nhiều vận tốc gió khác nhau.
- Hình dạng và kích thước lớn nên đòi hỏi chỉ số an toàn cao.
- Tuy có hệ thống điều chỉnh hướng để đón gió xong vẫn giới hạn ở 1 góc quay
nhất đinh nên chỉ thích hợp cho nhưng nơi có vận tốc gió ổn định.


4

Hình 1.2 Sơ đồ cấu tạo turbin gió trục ngang

1.2 Tubin gió trục đứng (VAWTs)

Hình 1.3 Turbine gió trục đứng
Đây là loại tubin mới phát triển trong thời gian gần đây.
- Dải vận tốc gió hoạt động 3-40m/s.
- Chiều cao tubin dưới 30m.
- Số cánh quạt 2 - 4 cánh.


5

- Bán kính cánh quạt dưới 10m.
Đặc điểm :
- Dải vận tốc gió hoạt động là khá rộng.
- Tubin hoạt động không phụ thuộc vào hướng của vận tốc dòng khí nên có thể
lắp đặt ở vị trí có vận tốc gió cao với dòng chảy không ổn định.

- Tuy nhiên hiệu suất của tubin chỉ bằng 50% so với tubin trục ngang khi hoạt
động ở cùng 1 vận tốc gió.
2. Khí động học Turbin gió trục ngang
2.1 Khái niệm hoạt động thực của rotor

Hình 2.1 Sự thay đổi áp suất và vận tốc gió qua turbine
Đây là sơ đồ miêu tả các biến đổi của dòng chảy khi đi qua đĩa rotor. Với các
thông số lần lượt đặc trưng cho dòng chảy ở xa vô cùng phía trước rotor, tại rotor,
và xa vô cùng ở phía sau rotor.


6

Xét định luật bảo toàn khối lượng cho dòng chảy qua rotor tại 3 tiết diện ở xa vô
cùng phía trước, phía sau và ngay tại rotor :
= =
Đặt
(2.1)
Thay vào biểu thức trên ta được :
(2.2)
Ta thấy rằng với rotor có diện tích thì tương ứng với phần diện tích
của dòng không khí là trao đổi năng lượng với rotor. Hệ số được gọi là hệ số thu
hẹp của dòng chảy. Đây là 1 hệ số đặc trưng cho sự trao đổi năng lượng giữa dòng
không khí và rotor.
2.2 Thuyết động lượng và hệ số công suất của rotor

Do mặt trước và mặt sau rotor có bước nhảy về áp suất nên suất hiện lực và lực
này la nguyên nhân thay đổi động lượng của dòng khí qua rotor.
= ( - ).

(2.3)

Phương trình Becnuli cho dòng chảy ta có
Áp dụng cho dòng chảy trước đĩa
(2.4)
Tương tự như vậy cho dòng chảy sau đĩa
(2.5)
Kết hợp (3.3) và (3.4) ta có
Thay vào phương trình (3.2) ta được
Mà nên ta có


7

(2.6)
Điều này có nghĩa là vận tốc vào rotor và vận tốc ở xa vô cùng phía sau rotor đều
giảm đi 1 lượng
Thay vào biểu thức (4.1) ta có
(2.7)
Công suất truyền cho rotor chính là công giãn nở của dòng khí
(2.8)
Hệ số công suất của rotor là tỷ số giữa công truyền cho rotor và động năng dòng
khí đi qua diện tích quét của rotor trong 1 đơn vị thời gian

Thay vào trên ta có

(3.8)

2.3. Số Betz giới hạn

Đạo hàm biểu thức (3.8) theo ta có

Ta thấy rằng →
Tức là hiệu suất của
rotor max. Đây cũng
chính là nội dung
định luật Betz được
nhà vật lý người Đức Albert Betz tìm ra vào năm 1926. Với mọi loại tubin thì đều
không thể đạt được hệ số công suất lớn nhất này. Không phải sự giới hạn khi thiết
kế mà là dòng chảy của không khí vào tubin bị thu hẹp đi so với dòng chảy tự do
qua bề mặt rotor.
Và điều này đã được chứng minh trong thực tế. Các tubin gió hiện đại ngày nay


8

đều có hiệu suất chỉ đạt 30-45%.
2.4 Lý thuyết phân tố cánh
Lực tác dụng lên phân tố cánh phụ thuộc và 2 yếu tố có thể thay đổi được là kích
thước cánh và góc tấn nhờ sự xác định vận tốc tương đối với cánh. Thành phần vận
tốc chuyển động dọc theo bán kính của cánh rotor coi như không đáng kể.
Biết được hình dáng phân tố cánh ta có thể xác định được các hệ số lực nâng và lực
cản và biến thiên của chúng theo góc tấn.
Xét tubin gió quay với vận tốc góc là và vận tốc dòng khí là .
Tubin có N cánh, bán kính R và chiều dài dây cung là c. Góc đặt cánh là là góc
giữa đường khí động cánh và mặt phẳng quay của đĩa.
Cả 2 yếu tố đều có thể biến thiên theo bán kính cánh quạt.


9

Tại 1 phân tố cánh r, vận tốc tiếp tuyến của phân tố cánh là và vận tốc tiếp tuyến
của vết là . Do đó vận tốc tiếp tuyến tương đối của dòng khí với phân tô cánh là


10

Tam giác vận tốc cho ta vận tốc tương đối của dòng chảy với phân tố cánh
(2.9)
Và góc tới được xác định bởi biểu thức :

Góc tấn của phân tố cánh :
Khi đó lực nâng và lực cản lên phân tố cánh là :

2.5 Thuyết động lượng phân tố cánh (BEM)

Xem như hệ số dòng chảy là không đổi trên diện tích quét của phân tố. Và không
có sự tương tác giữa các dòng gần kề nhau.
Thành phần lực khí động tác dụng lên N phân tố cánh theo chiều trục quay là :
(2.10)
Thành phần lực tác dụng lên N phân tố cánh theo phương tiếp tuyến là :
(2.11)


11

Sự thay đổi động lượng theo trục của dòng khí đi qua diện tích quét là :
Sự mất áp suất nguyên nhân do vết quay
Áp suất này tạo ra 1 lực tác dụng theo phương trục quay là :
Do đó cân bằng lực theo phương trục quay :

Do thành phần nên để tiện cho tính toán ta coi
Nên biểu thức trên trở thành :
(2.12)
Sự thay đổi động lượng góc của dòng khí truyền qua diện tích quét của phân tố :
Cân bằng với lực khí động theo phương tiếp tuyến ở biểu thức (2.11), ta có :
Hay :
(2.13)
3. Thiết kế cánh quạt rotor loại 20KW

Yêu cầu:
Tốc độ gió khởi động 2,5 m/s
Tốc độ gió bắt đầu phát 3 m/s
Tốc độ gió định mức 14 m/s
Tốc độ gió gập đuôi 16 m/s


12

Công suất định mức 20KW
Tốc độ quay Rotor 0-160 vg/ph
Loại turbine : 3 cánh , gió ngang
3.1 Tính bán kính cánh quạt rotor
Turbine gió công suất 20KW hoạt động ở vận tốc gió định mức 14 m/s.Dựa vào
công thức tính hiệu suất của turbine
(3.1)

η=

P
1

.ρ .U 3 .π .R 2
2

Hiệu suất turbine cực đại đạt
được theo lý thuyết là 0.593 nhưng các turbine gió ngày nay thì chỉ đạt giá trị η =
0.3 – 0.5
Vậy bán kính cánh quạt rotor là :
P
R=
1
(3.2)
.ρ .U ∞3 .π .η
Với P= 20KW
suất định mức )

( công

2

1,225 kg/m3 (khối lượng riêng ρ = của không khí)
= 14m/s

(Vận tốc gió định U ∞ mức)

Thay số vào ta được R = 2.75 – 3.55 m .
Mục đích của tính toán này là đi tìm hiệu suất của turbine gió đã được sử dụng
nên ta không quan tâm đến giá trị của công suất định mức.Do đó ta vẫn chọn bán
kính của rotor R=5m
Chọn tỉ số vận tốc đầu mũi cánh λ :

13

Hoặc
dựa
vào bảng bên
dưới :

Ta chọn λ
= 6. Khi đó
vận
tốc
quay của
rotor là :
3.2

Profile

Ω=

λ.U ∞ 6.14
=
= 16.8(rad / s )
R
5

cánh

Trong lĩnh
vực turbine gió,1 vài profile NACA đã được sử dụng để nghiên cứu đặc tính khí

động học vì nó có rất nhiều giá trị thuận lợi của số Re,góc tấn,chiều dài dây
cung,hệ số lực nâng và lực đẩy,tỉ lệ trượt,hệ số áp suất khỏe nhất và nhỏ nhất đã
được quan tâm đến. Vào những thập niên trước,thường sử dụng họ cánh cho turbin
gió trục ngang (HAWTs) là các họ NACA 44xx,NACA 23xxx,NACA 63xxx, và
NACA LS
Loại turbine gió sử dụng để tính toán trong phần này là loại có kích thước 510m.Các nhà nghiên cứu trên thế giới đã chỉ ra yêu cầu cho loại turbine này như
sau :
- Hệ số lực nâng lớn nhất ở miền đầu cánh (tip region airfoil) là 1,1 độ dầy
khoảng 16%.
- Hệ số lực nâng lớn nhất ở miền giữa cánh (outboard region airfoil) là 1,2 ; độ
dầy khoảng 21%.
- Hệ số lực nâng lớn nhất ở miền gốc cánh (root region airfoil) là 1,4 ; độ dầy


14

khoảng 24%
Trên cơ sở đó ta chọn profile NACA 63415 có những đặc tính sau đây :
- Chữ số đầu tiên nhân với 0,15 cho ta hệ số lực nâng Cl thiết kế
- 2 chữ số tiếp theo chia cho 2 ,cho ta khoảng cách từ độ dày lớn nhất đến đầu
mũi cánh tính theo % dây cung
- 2 chữ số cuối cho biết % độ dày lớn nhất của cánh theo dây cung
Sau đây là bảng hệ số lực nâng và lực cản theo góc tấn α của NACA 63415:


15


16

Dựa vào đồ thị lực nâng và lực cản CD , CL trên ta tính gần đúng sự phụ thuộc của
theo góc tấn α


17

Với α biến thiên trong khoảng từ [-14 ÷ 14] độ ,ứng với [-0,2443 ÷ 0,2443] radial
Căn cứ vào trên ta thấy giá trị max = ( CL ) 102 đạt được khi Cl= 0,837 và
Cd=0,008 ứng với α = 0,075 radial ≈ CD 4 độ
Vậy ta sẽ xây dựng góc đặt và chiều dài dây cung của cánh sao cho dòng khí vào
có góc tấn α = 4 độ dọc theo chiều dài của cánh.
3.3 Chiểu dài dây cung cánh

Xuất phát từ biểu thức (2.13) liên quan tới mômen quay của rotor. Để tiện cho tính
toán, giả sử , khi đó :
Thay vào biểu thức trên :
Hay :
(3.3)
Vế phải của biểu thức trên phụ thuộc vào hệ số dòng . Để hiệu suất của cánh max
thì phải thỏa mãn biểu thức (3.13) :
(3.4)
Do đó (3.3) trở thành :
(3.5)
Với số cánh quạt của tubin gió là N=3 và . Ta xây dựng được sự biến thiên theo
( tỷ số bán kính ) theo bảng sau
tỷ số bán kính
0,1
0,2
0,3
0,4

0,5
0,6

Chỉ số dây cung theo bán kính
0.329
0.252
0.190
0.150
0.123
0.104


18

0,7
0,8
0,9
1,0

Đồ thị theo tỉ số bán kính :

0.090
0.079
0.071
0.064


19

Ta thấy rằng càng gần phía trục quay thì dây cung của phân tố cánh càng lớn dẫn

đến vật liệu làm cánh tăng lên nhiều. Và việc chế tạo hình dáng cánh quạt theo
đường cong này là rất khó đạt độ chính xác. Vị vậy với mục đích tiết kiệm vật liệu
và thiết kế cánh dễ chế tạo. Ta xây dựng dây cung cánh là 1 đường thẳng bậc nhất.
Vẽ đường thẳng đi qua 70% và 90% bán kính, đường thẳng này vẫn đảm bảo vùng
đạt hiệu suất cao của cánh quạt vẫn có góc tấn là 4 độ.
Vậy biến thiên dây cung theo tỉ số bán kính :
(3.6)


20
3.4 Góc đặt cánh

Biến đổi biểu thức (3.5)
Kết hợp với (3.6) ta sẽ có sự biến thiên của hệ số lực nâng dọc theo chiều dài bán
kính cánh :
Sử dụng biểu thức hệ số lực nâng :


21

Có góc tấn của cánh theo bảng sau :

Tỷ số bán kính
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7

0,8
0,9
1,0

Góc tấn của cánh (độ)
11.84
9.27
7.07
5.68
4.81
4.28
4,00
3.90
3.99
4.28

Để tính góc đặt cánh ta sẽ xác định góc tới của dòng khí theo công thức :

Bảng kết quả
Tỷ số bán kính

Góc tấn

Góc tới

Góc đặt cánh


22

0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0

11,84
9,27
7,07
5,68
4,81
4,26
4,00
3,90
3,99
4,28

34,49
25,70
19,12
14,97
12,24
10,32
8,91
7,83

6,98
6,30

22,65
16,43
12,05
9,30
7,43
6,04
4,91
3,93
2,99
2,02

3.5.Mô hình turbine

Từ tọa độ cánh NACA 63415 ,ta vẽ profile cánh tại các mặt cắt khác nhau với
chiều dài dây cung xác định.Các profile này được vẽ ứng với góc đặt cánh đã được
tính ở trên và được xâu trên phần mềm AutoCad , sử dụng tâm xâu là ¼ chiều dài
dây cung


23

Hình 3.1 Xâu profile
Kết quả:

Hình 3.2 Mô hình 3D turbine gió
4. Mô phỏng turbine bằng phương pháp CFD

4.1 Tổng quan về CFD
CFD (Computational Fluid Dynamics) là phương pháp tính toán động lực học
chất lỏng với sự trợ giúp của máy tính


24

Trong nội dung đồ án này em sử dụng phần mềm CFX của hãng ANSYS,một
trong những phần mềm tính toán động lực học chất lỏng mạnh nhất hiện nay,nó
được sử dụng rộng rãi trong các ngành xây dựng,sức khỏe và an toàn,công
nghệ,điện tử,môi trường,y học,…

CFX bao gồm 5 công cụ phần mềm:

4.2 Chia lưới và mô phỏng
Ta đặt turine trên tháp cao 12m,vùng tính toán là hình hộp chữ nhật có kích thước
Dài × Rộng × Cao = 40m×30m×20


25

Hình 4.1 Miền tính toán