MODELOWANIE INŻYNIERSKIE 2017 nr 62, ISSN 1896-771X TURBINA WIATROWA O POZIOMEJ OSI OBROTU Z ELEMENTAMI SILNIKA TURBOWENTYLATOROWEGO Mariola Jureczko 1a, Piotr Błędowski 1b 1 Instytut Mechaniki Teoretycznej i Stosowanej, Politechnika Śląska a Mariola.Jureczko@polsl.pl, b bledowski.pio@icloud.com Streszczenie Ideą badań przedstawionych w artykule było zwiększenie wydajności turbiny wiatrowej o poziomej osi obrotu poprzez zmodernizowanie jej konstrukcji. W tym celu zastosowano elementy konstrukcyjne turbowentylatorowego silnika odrzutowego firmy Rolls-Royce serii Trent XWB oraz innych elementów stosowanych w General Aviation. Następnie przeprowadzono numeryczną analizę opływu zmodernizowanej turbiny w celu sprawdzenia jej wydajności. Uzyskane wyniki pozwalają stwierdzić, iż przyjęto właściwy trend w modernizacji turbin wiatrowych typu HAWT. Słowa kluczowe: turbina wiatrowa typu HAWT, obliczeniowa mechanika płynów HORIZONTAL AXIS WIND TURBINE WITH ELEMENTS TURBOFAN JET ENGINE Summary The idea behind the research presented in the article was to maximize efficiency of wind turbine with horizontal rotation axis through construction changes. For this purpose, there were used construction elements of Rolls- Royce s turbo fan jet engine from line Trent XWB, and some other parts used in General Aviation. Next proceeded numerical analysis of flow around modernized turbine to check its efficiency. The results allow to state that proper trend in modernization process HAWT wind turbines has been adopted. Keywords: Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT), computational fluid dynamics 1. WPROWADZENIE Zapotrzebowanie ludzkości na energię elektryczną rośnie z dnia na dzień, podczas gdy w dwa razy szybszym tempie maleją zasoby nieodnawialnych źródeł energii. Dlatego aktualnie można zaobserwować tak duże zainteresowanie odnawialnymi źródłami energii. Najbardziej rozpowszechnionym odnawialnym źródłem energii, który cieszy się największym zainteresowaniem zarówno naukowców, jak i biznesmenów, jest energia pozyskiwana z wiatru. We współczesnych konstrukcjach turbin wiatrowych dąży się przede wszystkich do minimalizacji kosztów związanych z ich wytwarzaniem, stosowanymi materiałami, transportem i uruchamianiem przy jednoczesnej maksymalizacji ich wydajności. Dlatego też stosuje się coraz nowsze rozwiązania konstrukcyjne i materiałowe. Niektóre współczesne turbiny wiatrowe podlegają jedynie drobnym modyfikacjom poprawiającym ich sprawność, a inne w ogóle nie przypominają już konwencjonalnych turbin wiatrowych, gdyż m.in. pozbawione są powszechnie znanych łopat napędzających generatory (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9). Obecnie wiadomo już, że wydajność energetyczna turbin wiatrowych związana jest nie tylko z przepływem przez nie mas powietrza, ale także drganiami, w które mogą być wprowadzone. Wiatrowe zespoły prądotwórcze pracują przy prędkościach wiatru z zakresu 5 25 m /s. Za niska prędkość wiatru generuje zbyt małe moce, a przy prędkości przekraczającej 30 m /s zespoły są wyłączane, gdyż istnieje 37
TURBINA WIATROWA O POZIOMEJ OSI OBROTU Z ELEMENTAMI SILNIKA (...) ryzyko uszkodzeń mechanicznych. Dla wydajności elektrycznej zespołów wiatrowych, oprócz prędkości wiatru, istotna jest też jego stałość występowania w danym miejscu, gdyż od tego zależna jest ilość wyprodukowanej energii w ciągu roku. Z kolei ten czynnik jest podstawą do oceny rentowności całej instalacji. Z tego względu są one lokalizowane w miejscach stałego występowania wiatru o prędkości zwykle większej niż 6 m /s (10). Dlatego warunki wietrzności panujące na większości terenów naszego kraju można uznać za niekorzystne. O ile zmiana warunków wietrznych na danym terenie nie jest możliwa, o tyle można modyfikować konstrukcje wiatrowych zespołów prądotwórczych poprzez stosowanie różnorodnych rozwiązań technicznych mających wpływ na zwiększenie lokalnych wartości prędkości przepływu powietrza oraz ukierunkowanie tego przepływu w sposób optymalizujący jej wykorzystanie. W artykule przedstawiono innowacyjną turbinę wiatrową typu HAWT. W zaprojektowanej konstrukcji turbiny wiatrowej, w celu zwiększenia jej wydajności energetycznej, przy warunkach przepływu powietrza powszechnie uznawanych za mało korzystne, wykorzystano elementy silnika turbowentylatorowego. Założono konstrukcję składającą się z trzech pierścieni, przy czym pierścień zewnętrzny na jego końcu przeciwlegle rozwarstwiono, a konstrukcję pierścienia środkowego zmodyfikowano. Na wlocie turbiny umieszczono nieruchome łopatki kierunkowe przepływu powietrza, powodujące przyspieszenie oraz bezpośrednie skierowanie przepływającego powietrza na łopatki wirnika. Założono, że sprężarka składa się z dwóch różnych geometrycznie pierścieni, które w połączeniu z łopatkami o różnej geometrii oraz wyprofilowaną końcówką wału powodują maksymalną kompresję objętości właściwej powietrza oraz sprzężenie jego ciśnienia, zwiększając tym samym parametry przepływu masy powietrza przez turbinę. Mając na celu zwiększenie sprawności turbiny wiatrowej przy przepływie powietrza z mniejszymi prędkościami, opracowano model turbiny wiatrowej z elementami silnika turbowentylatorowego firmy Rolls-Royce oraz elementami opatentowanymi i stosowanymi w General Aviation. Model geometryczny tej turbiny przedstawiono na rys. 1. i 2. Został on wykonany w wersji bezpłatnej dla studentów programu CAD Autodesk Inventor. Na schematach zostosowano następujące oznaczenia: 1-pierścień zewnętrzny (dyfuzor), 2- pierścień środkowy, 3- pierścień wewnętrzny, 4 stabilizatory zewnętrzne, 5 stabilizatory wewnętrzne, 6 łopatki wentylatora, 7 śmigła o zmiennym skoku, 8 łopatki stabilizujące przepływ, 9 statory wirnika, 10 rotory wirnika, 11 kompresor, 12 wał. Rys. 1 Model geometryczny innowacyjnej turbiny wiatrowej - widok ogólny Dla tak zaprojektowanej turbiny wiatrowej przeprowadzono badania numeryczne przepływu. Badania te przeprowadzono w wersji bezpłatnej dla studentów programu Autodesk Flow Design umieszczonego w chmurze, przy czym najpierw wykonano model geometryczny turbiny wiatrowej w wersji bezpłatnej dla studentów programu CAD Autodesk Inventor. 2. MODEL GEOMETRYCZNY TURBINY WIATROWEJ Rys. 2 Model geometryczny innowacyjnej turbiny wiatrowej przekrój poprzeczny Zmodyfikowana turbina wiatrowa wyposażona jest w dużej średnicy pierścień zewnętrzny o zwiększającym się 38
Mariola Jureczko, Piotr Błędowski przekroju poprzecznym (1), który spełnia rolę dyfuzora. Powietrze napływające do dyfuzora o mniejszej początkowo średnicy przekroju poprzecznego przepływa początkowo ze stałą prędkością. W tym miejscu występują największe wartości prędkości przepływu mas strumienia powietrza. Obszar przyspieszonego ruchu mas powietrza utrzymuje się zarówno wzdłuż całego dyfuzora, jak i w znacznej odległości za nim (rys.4). Średnica tego obszaru ma wartość zbliżoną do początkowej średnicy dyfuzora. Na końcu dyfuzora, na kołnierzu otaczającym jego wylot, przepływające powietrze załamuje się. W tym miejscu po stronie zawietrznej występuje obszar o prędkości przepływu zbliżonej do wartości zero. Natomiast po stronie nawietrznej kołnierz stanowi swego rodzaju przeszkodę uniemożliwiającą przepływ masy powietrza. W obszarze podwyższonej prędkości przepływu mas powietrza można zaobserwować obniżenie wartości ciśnienia statycznego (rys.5). Ten obszar obniżonej wartości ciśnienia statycznego występuje w całym wnętrzu dyfuzora oraz, dzięki zastosowaniu na jego końcu kołnierza, także za nim. Prowadzi to do dodatkowego zasysania mas powietrza z obszaru przed dyfuzorem. Dzięki tak zaprojektowanej konstrukcji pierścienia zewnętrznego uzyskano podwójny efekt: większą prędkość powietrza napływającego na statory (9) i rotory (10) wirnika umieszczonego w kompresorze (11) oraz dzięki wykorzystaniu energii kinetycznej strumienia powietrza następuje obniżenie wartości ciśnienia statycznego, a przez to zwiększenie sprawności i mocy jednostkowej układu. Powietrze napływające na pierścień zewnętrzny (1), kierowane jest na trzy tory: do przestrzeni pomiędzy pierścieniem zewnętrznym (1) a środkowym (2), gdzie przepływa przez stabilizatory zewnętrzne (4); do przestrzeni pomiędzy pierścien (2) a wewnętrznym (3), gdzie stabilizatory wewnętrzne (5); wewnątrz pierścienia wewnętrznego (3), gdzie przepływa przez dalsze elementy konstrukcyjne turbiny wiatrowej. (10) obracają się pomiędzy statorami powoduje wytworzenie sił nośnych niem środkowym przepływa przez Powietrze zassane w pierścieniu wewnętrznym (3) przepływa przez śmigła (7) i łopatki stabilizujące przepływ (8). Jego energia wykorzystywana jest do napędzania łopatek wentylatora (6), zamocowanego na wale (12). Wał (12) ciągnie się przez całą długość turbiny wiatrowej. Następnie powietrze to sprzężane jest w kompresorze (11). Umieszczone są w nim sprężarki zbudowane z wirujących łopatek typu rotor (10) oraz nieruchomych łopatek typu stator (9). Rotory wirnika (9), a ich profil zwiększających przepływ powietrza. W ten sposób energia kinetyczna wiatru przetwarzana jest na energię mechaniczną wału. Dodatkowo mniejsza prędkość wylotowa powietrza przyczynia się do zmniejszenia hałasu generowanego przez turbinę. Turbiny silników turbowentylatorowych muszą charakteryzować się wysoką wytrzymałością i odpornością na wysokie temperatury. Dlatego to łopatki tych turbin charakteryzują się m..in. specjalną geometrią, zapewniającą wysoką wytrzymałość na przeciążenia. Na rys. 3. przedstawiono modele geometryczne zaprojektowanych kształtów poszczegółnych łopatek kierowniczych turbiny wiatrowej. Przy ich projektowaniu oparto się na rozwiązaniach stosowanych w silnikach turbowentylatorowych. a) b) Rys. 3. Modele geometryczne łopatek kierowniczych: a) typu rotor, b) typu stator, c) wirnika o zmiennym skoku. Łopatki te osadzone są na kierownicach. Łopatki typu rotor (rys. 3.a) obracają się w przeciwnym do siebie kierunku, a łopatki typu stator (rys. 3.b) nie. Łopatki typu rotor obracają się, wytwarzając siłę nośną skierowaną na przeciwległe i asymetrycznie ustawione łopatki typu stator, które, w zależności od ich ustawienia, zmniejszają lub zwiększają ową siłę oraz ciśnienie. 3. ANALIZA NUMERYCZNA TURBINY WIATROWEJ Numeryczną analizę opływu modelu zaprojektowanej turbiny wiatrowej typu HAWT wykonano, wykorzystując metody obliczeniowej mechaniki płynów (Computational Fluid Dynamics - CFD). Do tego celu użyto wersji bezpłatnej dla studentów i nauczycieli programu Autodesk Flow Desig symuluje przepływ powietrza i modeli numerycznych w aerodynamicznym 3D (11). Num meryczne analizy opływu wykonano w trybie statycznym, gdyż użyty program nie ma możliwości przeprowadzania analiz metodą dynamiczną. Program ten nie umożliwia również zadawania ani zmiany zagęszczania siatki przed dokonaniem analiz. W programie tym nie można także zadać wstępnych obciążeń ani zmieniać kierunku oraz kąta natarcia przepływającego powietrza na dany element. c) gn. Oprogramowanie to umożliwia testowanie wirtualnym tunelu 39
TURBINA WIATROWA O POZIOMEJ OSI OBROTU Z ELEMENTAMI SILNIKA (...) Założono, że wszystkie elementy innowacyjnej turbiny wiatrowej wykonane są z twardego polichlorku winylu PVC-U ze względu na jego właściwości mechaniczne (m.in. wysoką sztywność i wytrzymałość), plastyczne, wysoką odporność na wpływy atmosferyczne oraz gęstość, która przyczyniła się do redukcji masy całej konstrukcji. Wymiary wirtualnego tunelu aerodynamicznego dobrano proporcjonalnie do wymiarów turbiny, zgodnie z sugestiami zawartymi w (11). Przyjęto wstępną wartość prędkości przepływu powietrza jako 100 m /s, a jej rozkład na całej płaszczyźnie wstępnej tunelu przyjęto jako równomierny. Przyjęty kąt natarcia wynosił 90. W obliczeniach przyjęto następujące założenia: symetrię geometrii i symetrię przepływu co umożliwiło użycie modelu połówkowego, zagadnienie policzono jako stan ustalony. Rys. 4 Rozkład wypadkowej prędkości przepływu powietrza dla 100 m /s Na rys. 5 zamieszczono wyniki numerycznych obliczeń dotyczących cisnienia statycznego. Badania przeprowadzone zostały w płaszczyźnie przepływu powietrza przez turbinę. Wyniki analiz przedstawiono w postaci płaszczyzn oraz linii prądów Na płaszczyznach przedstawiono kontury ciśnienia oraz wektory prędkości na wskroś przepływu. Na rys. 4 zamieszczono wyniki obliczeń numerycznych rozkładu przepływu prędkości dla całej turbiny wiatrowej. Powietrze napływając na turbinę wiatrową ma równomierną prędkość. Następnie na obszarze odpowiadającym średnicy początkowej pierścienia zewnętrznego zaobserwować można wzrost prędkości przepływu mas powietrza. Obszar przyspieszonego ruchu mas powietrza utrzymuje się nie tylko wzdłuż całej długości przekroju turbiny, ale także poza nią, przy czym średnica tego obszaru od strony zawietrznej odpowiada średnicy pierścienia wewnętrznego. Uzyskane wyniki potwierdzają również prawidłowe przyjęcie kształtu pierścienia zewnętrznego dyfuzora. Zwiększająca się jego średnica od strony nawietrznej stanowi powierzchnię oporową, uniemożliwiającą przepływ powietrza. Natomiast od strony zawietrznej zaobserwować można obszar o prędkości przepływu mas powietrza zbliżonej do zera. Powierzchnia tego obszaru odpowiada różnicy średnic pomiędzy pierścieniem zewnętrznym, a środkowym. Rys. 5 Rozkład ciśnienia statycznego dla prędkości 100 m/s Analizując uzyskane wyniki można zuważyć, iż w obszarze odpowiadającym podwyższonym prędkościom przepływu mas powietrza od strony zawietrznej nastąpiło znaczne obniżenie ciśnienia statycznego. Obszar ten zajmuje całe wnętrze turbiny wiatrowej oraz, dzięki zaprojektowanej konstrukcji pierścienia zewnętrznego, również cały obszar za turbiną. Zjawisko to przyczynia się do dodatkowego zasysania mas powietrza sprzed turbiny. Na rys. 6. i rys. 7. zamieszczono wyniki obliczeń numerycznych dla łopatki typu rotor dotyczące rozkładu prędkości przepływu powietrza i ciśnienia statycznego, odpowiednio. 40
Mariola Jureczko, Piotr Błędowski rzędami ruchomych łopat typu rotor w przeciwnych do siebie kierunkach powoduje powstawanie dużej siły nośnej na każdej z nich oraz duży spadek ciśnienia za każdą z nich. Następuje również sprężanie powietrza przez nie przepływającego, co równoznaczne jest ze zwiększeniem prędkości jego przepływu. Rys. 6. Rozkład wypadkowej prędkości przepływu powietrza dla 100 m /s dla łopatek typu rotor Na rys. 10. i rys. 11. zamieszczono wyniki obliczeń numerycznych dla łopatek kierowniczych wirnika o zmiennym skoku, dotyczące rozkładu prędkości przepływu powietrza i ciśnienia statycznego, odpowiednio. Rys. 7 Rozkład ciśnienia statycznego dla prędkości 100 m/s dla łopatek typu rotor Analizy wykazały, że zastosowanie sekwencji obracających się w tym samym kierunku łopatek typu rotor o założonej geometrii, znajdujących się w dwóch rzędach, powoduje znaczny spadek ciśnienia za nimi, co powoduje efekt zassania strumienia powietrza przy wylocie z turbiny. Na rys. 7. i rys. 8. zamieszczono wyniki obliczeń numerycznych dla łopatki typu stator, dotyczące rozkładu prędkości przepływu powietrza i ciśnienia statycznego, odpowiednio. Rys. 8 Rozkład wypadkowej prędkości przepływu powietrza dla 100 m/s dla łopatek typu stator Rys. 10 Rozkład wypadkowej prędkości przepływu powietrza dla 100 m/s dla łopatek kierowniczych wirnika o zmiennym skoku Rys. 11 Rozkład ciśnienia statycznego dla prędkości 100 m/s dla łopatek kierowniczych wirnika o zmiennym skoku Analizy wykazały, że zastosowanie łopatek obracjacych się w odpowiedniej sekwencji na wale wraz z założonym ich kształtem oraz zmiennym skokiem przyczynia się do zwiększenia momentu obrotowego wału przy mniejszej prędkości powietrza na wlocie, ale pod dużym kątem natarcia. Sytuacja to ma również miejsce przy dużych prędkościach powietrza na wlocie i małych kątach natarcia. 4. PODSUMOWANIE Rys. 9 Rozkład ciśnienia statycznego dla prędkości 100 m/s dla łopatek typu stator Analizy wykazały, że zastosowanie nieruchomych łopat typu stator oraz ich umieszczenie pomiędzy dwoma W badaniach przedstawionych w niniejszym artykule autorzy podjęli próbę zmodyfikowania konstrukcji typowej turbiny wiatrowej typu HAWT w celu zmaksymalizowania jej sprawności energetycznej. Zastosowano m.in. zwielokrotnioną liczbę pierścieni, przy czym każdy z nich miał inną geometrię przekroju poprzecznego oraz inny kształt, co nadało im inne właściwości pracy w konstrukcji. Konstrukcja pierścienia zewnętrznego na jego końcu została przeciwległe rozwarstwiona, co spowodowało, że działa on tak samo jak dwuprzepływowy wentylatorowy silnik RR, tj. tzw. system 41
TURBINA WIATROWA O POZIOMEJ OSI OBROTU Z ELEMENTAMI SILNIKA (...) bajpasów, przez które przepływa okrężnie osobna masa powietrza zwiększająca ciąg turbiny. Zaprojektowany pierścień wewnętrzny turbiny wiatrowej ze względu na swoją unikalną geometrię powoduje, iż podczas jednocze- wewnętrznej i snego przepływu mas powietrza po jego zewnętrznej stronie strugi zderzają się pod różnymi kątami, tworząc przestrzenny toroidalny wir aerodyna- Ponadto wyko- miczny zasysający powietrze za turbinę. rzystano wał o konstrukcji zwiększającej wydajność i lekkość konstrukcji turbiny oraz specjalne stopniowanie na jego końcu, które wspomaga przepływ powietrza. W zmodyfikowanej konstrukcji turbiny wiatrowej zasto- o różnych sowano również układy kilkudziesięciu łopatek kształtach i przekrojach. Na wlocie turbiny umieszczono nieruchome łopatki kierunkowe przepływu powietrza, które powodują przyspieszenie oraz bezpośrednie skierołopatki wirnika. wanie przepływającego powietrza na Łopatki te w celu możliwości zmiany ich kąta natarcia w zależności od prędkości przepływu mas powietrza posiadalszej konstruk- dają układ niezależnego sterowania. W cji turbiny wiatrowej zaprojektowano sekwencję nieru- geometrii, chomych, o zmiennej w ich górnej części statorów przepływu powietrza, których zadaniem jest stabilizacja strumienia masy przepływającego powietrza. Następnie zaprojektowano odpowiednią sekwencję mniejszej liczby niż stosowana w silnikach odrzutowych, ruchomych łopatek rotorów i nieruchomych statorów. Łopatki te umieszczono w następującej sekwencji: ru- zwrócone w przeciw- chome rotory, po nich nieruchome, nym kierunku do rotorów statory i znów w przeciwle- rotory. Sekwen- głym kierunku umieszczone do statorów cja ta przyczynia się do powstania dużej siły nośnej na każdej z kilkudziesięciu łopatek statorów i rotorów, co w konsekwencji prowadzi do kompresji powietrza i jego odrzutu tak, jak ma to miejsce w silniku odrzutowym. Ten system łopat zabudowano specjalnym kompresorem, składającym się z dwóch różnych od siebie geometrycz- z rotorami, statorami nych pierścieni, które w połączeniu i profilowaną końcówką wału powodują maksymalną kompresję i podciśnienie, zwiększając tym samym prze- pływ masy powietrza w turbinie. Wyniki uzyskane z przeprowadzonych badań numerycz- Design wykazują, że nych w programie Autodesk Flow sprawność nowatorskiej konstrukcji kilkukrotnie zwiękzwiększanie prędkości sza sprawność turbiny poprzez przepływu przez nią wiatru, a co za tym idzie, znacznie efektywniejsze pozyskiwanie energii z wiatru. Literatura 1. Nalepa K., Miąskowski W., Pietkiewicz P., Piechocki J., Bogacz P.: Poradnik małej energetyki wiatrowej. Olsztyn 2011. 2. Jamieson P.: Innovation in wind turbine design. John Wiley & Sons, 2011. ISBN 9780470699812. 3. Paulides J., Encica L., Jansen J., Lomonova E., van Wijck D.: Small-scale urban Venturi wind turbine: directand drives, IEMDC'09; drive generator. In: Proceedings of the IEEE international conference electric machines 2009. p. 1368 73. 4. Zhong Y., Critoph R. E., Thorpe R., Tamainot-Telto Z., Aristov Y. I.: Isothermal sorption characteristics of the BaCl2 NH3 pair in a vermiculite host matrix. Appl Therm Eng 2007, 27, p. 2455 62. 5. UK HE. Wind power. http://www.homeenergyuk.com/domestic/green-power/wind-power Dostęp: 25.10.2016 6. Alibaba. WindWall 3 kw wind turbine. http://french.alibaba.com/product-free/windwall-3 kw-windturbine- and Industrial 109199832.html Dostęp: 25.10.2016. 7. Newman B. G.: Multiple actuator disc theory for wind turbines, Journal of Wind Engineering Aerodynamics 1986, 24, p. 215-225. 8. Davis S.: A Wind Turbine Without Blades. 2015. http://powerelectronics.com/blog/ /wind-turbine-without- blades Dostęp: 25.10.2016 9. Stinson L.: The future of wind turbines? No blades. 2015. https://www.wired.com/2015/05/future-wind- i terenach wiejskich. turbines-no-blades/ Dostęp: 25.10.2016 10. Dobrowolski A.: Inwestycje w niskoemisyjną energetykę na terenach niezurbanizowanych Bieżące działania prezesa Urzędu Regulacji Energetyki, Warszawa 2013 11. Help oprogramowania Autodesk http://help.autodesk.com Dostęp: 25.10.2016 Artykuł dostępny na podstawie licencji Creative Commons Uznanie autorstwa 3.0 Polska. http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/pl 42