Transcript osa 2

Profiiliteoriaa I
Tuulivoimalan lavan profiilin
suunnittelusta ja valinnasta
sekä
vaikutuksesta tuulivoimalan toimintaan
Tuulitaito
Erkki Haapanen
4/13/2015
24.9.2001Slide 1
Haapanen
Erkki
© Tuulitaito
Profiilin muodon määritteitä...
Etureuna
Alipainepuoli
Jättöreuna
Keskilinja
Tuulitaito
Erkki Haapanen
4/13/2015
24.9.2001Slide 2
Haapanen
Erkki
© Tuulitaito
Profiilin pinta
painepuoli,
tuulen puoli
.. ja nimityksiä
Etureunanpyöristyssäde
Paksuimman
kohdan
etäisyys
Paksuus
Maksimikaarevuuden
etäisyys
Maksimi kaarevuus
Tuulitaito
Erkki Haapanen
4/13/2015
24.9.2001Slide 3
Haapanen
Erkki
Jättöreunan
paksuus
© Tuulitaito
Profiilin päämitat
•Jänne, profiilin leveys
•Paksuus, % jänteestä
•Kaarevuus, % jänteestä
Tuulitaito
4/13/2015 Erkki
Haapanen
© Tuulitaito
Erkki Haapanen
24.9 .2001Slide 4
Profiilin tehtävä
• Muuttaa ilmavirran energia lapaan
vaikuttaviksi voimiksi:
– Nosto- ja vastusvoima sekä momentti
• Bernoullin lakia noudattaen
– Kineettisen ja staattisen paineen summa on vakio
– Eli nopeuden kasvu vähentää painetta ja
päinvastoin
• Voimat pyörittävät potkuria ja pyörimisliike
käyttää:
– Generaattoria joko vaihteen välityksellä tai ilman
– Pumppua tai muuta voimalaitetta
4/13/2015 Erkki
Haapanen
© Tuulitaito
Paine- ja virtaus profiilin ympärillä
4/13/2015 Erkki
Haapanen
© Tuulitaito
Nopeusjakauma profiilin ympärillä
• Virtausnopeus:
– on suurempi profiilin kaarevalla yläpinnalla kuin
alapinnalla
– nopeusero aiheuttaa sirkulaation ja nostovoiman
4/13/2015 Erkki
Haapanen
© Tuulitaito
Nopeusjakauma
suunnittelupisteessä
q = virtausnopeus
pinnan suuntaan
rajakerroksen
yläpuolella
Vo = vapaan
virtauksen
nopeus
• Profiilin suunnittelu alkaa nopeusjakauman
valinnasta laitteen toiminnan kannalta
keskeisimpien valintakriteerien perusteella
4/13/2015 Erkki
Haapanen
© Tuulitaito
Painejakaum
a
• Paine-erot
aiheuttavat:
– Yläpinnalla
alipaineen
– Alapinnalla
ylipaineen
• Erotuksesta
syntyy
nostovoima
• Painekerroin
4/13/2015 Erkki
Haapanen
© Tuulitaito
Painejakauma vektorein
Alipaine repii verhouslevyä irti pinnasta
4/13/2015 Erkki
Haapanen
© Tuulitaito
Transitio
Tuulivoimalan profiilin
vaatimukset
• Tyvi paksu, jotta saadaan rakennelujuutta
• Hyvä liitosuhde L/D = CL / CD koko
toimialueella
• Erityisen suurta CLMAX - arvoa ei tarvita
• Juohea sakkauskäyttäytyminen erityisesti
sakkaus-rajoitetuissa voimaloissa on tarpeen
• Toimittava myös likaantuneena ja kuluneena
• Toimittava myös turbulenttisissa oloissa
4/13/2015 Erkki
Haapanen
© Tuulitaito
Rajakerros
• Rajakerros on pinnan välittömässä
läheisyydessä oleva ohut kerros, jossa
virtausnopeus häiriintyy pinnan vaikutuksesta.
• Aivan pinnassa virtausnopeus on nolla
• Rajakerroksen yläpuolella virtausnopeus on
”Kitkattoman virtauksen eli
potentiaalivirtauksen” nopeus.
• Rajakerroksessa syntyy viskoosivoimien
vaikutuksesta kitkaa, joka vastustaa virtausta.
4/13/2015 Erkki
Haapanen
© Tuulitaito
Rajakerroksen nopeusjakauman
muoto
• Osoittaa, miten virtaus käyttäytyy
– Laminaarinen virtaus, lineaarinen muoto
– Turbulenttinen virtaus, pullea muoto
– Käännepiste:
• virtaus irtoaa
• kuplan muodostus
• sakkaus alkaa
• On tärkeä työväline profiilia kehitettäessä
• Kertoo, missä vastus syntyy
4/13/2015 Erkki
Haapanen
© Tuulitaito
Virtaus patopisteen ympärillä
4/13/2015 Erkki
Haapanen
© Tuulitaito
Nopeusjakauman
muoto..
– Laminaarivirtaus, suora
– Turbulenttivirtaus,
pullea
Detalji läheltä etureunaa
Detalji läheltä jättöreunaa
4/13/2015 Erkki
Haapanen
© Tuulitaito
Pintaa vastaan
kohtisuora akseli
Rajakerroksen
nopeusjakauma
Nopeusjakauma
Rajakerroksen
paksuus
Pinta
4/13/2015 Erkki
Haapanen
© Tuulitaito
Nopeusjakauman
muoto
– Virtauksen irtoaminen tapahtuu kohdassa, jossa
rajakerroksen nopeusjakautuman derivaatta pinnassa
on nolla
Detalji läheltä jättöreunaa
Irtoaminen
4/13/2015 Erkki
Haapanen
© Tuulitaito
Irronneen virtauksen
nopeusjakauma
4/13/2015 Erkki
Haapanen
© Tuulitaito
Irronneen virtauksen
painejakauma
Painejakaumassa erottuu:
• Terävä alipainepiikki etureunassa
• Notkahdus irtoamispisteessä
• Profiilin alapinnan ”kuppi” kantaa
Alfa = 12.5°
• Kupin tehtävänä on kääntää
alapinnan virtausta siten, että
se nappaa yläpuolen mukaansa
ja estää siten sakkausta
• Patopiste noin 5% etureunasta
• Profiili toimii edelleen hyvin
• CL = 1.64 ja L/D = 50.93
Kupin ansiota
4/13/2015 Erkki
Haapanen
© Tuulitaito
Kovera ”kuppi”
Osasakkaustilan painevektorit
Irtoamiskohta,
sakkauksen
alku
4/13/2015 Erkki
Haapanen
© Tuulitaito
Tulovirtaus on
laminaarinen
Laminaarikupla
Virtaus muuttuu heti
kiinnittymisen jälkeen
turbulenttiseksi
Pinnassa
virtaus
hidastuu
Syntyy kupla, jolloin
pinnassa on akanvirta
4/13/2015 Erkki
Haapanen
© Tuulitaito
Kupla häviää ja
virtaus kiinnittyy
laminaarisesti
ja rajakerros paksunee
hyppäyksen omaisesti
Laminaarikupla on
• Laminaarisen virtauksen lyhyt irtoaminen
pinnasta
– Kuplan kiinnittyessä virtaus muuttuu turbulenttiseksi
– Ennakoi sakkausta ja voi aiheuttaa sakkaukseen
johtavan virtauksen irtoamisen
• Pinnassa virtaus on eteen päin:
– aiheuttaa voimakasta pyörteilyä
– paksuntaa rajakerrosta
– lisää vastusta
• saattaa parantaa virtauksen kiinni pysymistä
lisäämällä rajakerroksen energiaa alhaisilla
Re-luvuilla
4/13/2015 Erkki
Haapanen
© Tuulitaito
Jättöreunassa on turbulenttinen
virtaus
Virtaus on irti ja
pinnassa akanvirta
4/13/2015 Erkki
Haapanen
© Tuulitaito
Transitio laminaarisesta
turbulenttiseksi
Turbulaattori on esimerkiksi pinnassa oleva pieni kohouma,
joka on rajakerrosta paksumpi:
• Aiheuttaa pyörteitä, joka muuttaa virtauksen turbulenttiseksi
• Turbulenttinen rajakerros on paksumpi kuin laminaarinen
• Näkyy painejakaumassa terävänä mutkana
• Turbulaattori lisää rajakerroksen energiaa ja saa virtauksen
pysymään kiinni hieman kauemmin
4/13/2015 Erkki
Haapanen
© Tuulitaito
Transitio painejakaumassa
Transitio
Transitiopisteessä
virtaus muuttuu
laminaarisesta
turbulenttiseksi
Paine-ero pienenee
irtoamisen jälkeen
Alkava irtoaminen
4/13/2015 Erkki
Haapanen
© Tuulitaito
Rajakerros aiheuttaa kitkavastusta
• Profiilin haitallinen vastus on pääosin
rajakerroksessa syntyvää kitkavastusta
• Profiilisuunnittelussa pyritään:
– pitämään rajakerros mahdollisimman ohuena
– virtaus kiinni profiilissa myös suurilla kohtauskulmilla
– profiilin ominaisuudet eivät saa kärsiä liikaa
epäpuhtauksista ja pinnan karheudesta
• Virtaus pysyy kiinni
– kun nopeus kiihtyy
– paine alenee
4/13/2015 Erkki
Haapanen
© Tuulitaito
Profiilin suunnitteluperusteita..
• Hyvä liitosuhde edellyttää alhaista vastusta
– transitiopiste mahdollisimman etäälle, 50 - 60%C
– edellyttää kiihtyvää nopeusjakaumaa etureunaalueella
– alapinnan on suunnattava virtaus siten, ettei se
agitoi sakkausta. Tämä edellyttää myös paksulla
profiililla paksua jättöreunaa.
– pienikin häiriö etureunassa aiheuttaa transition ja
vastuksen kasvun
– profiilin kaarevuus lisää nostovoimaa
4/13/2015 Erkki
Haapanen
© Tuulitaito
Profiilin virheiden vaikutus: syyt
• Profiilin muoto saattaa poiketa teoreettisesta
jo uutena tai siihen saattaa tulla virheitä
käytössä.
• Pinta karheutuu kulumisesta, likaantumisesta
ja eroosiosta johtuen
• Laitteiston värinät aiheuttavat turbulenssia
• Tuuli on puuskaista ja pyörteistä sekä tulee
vinosti
• Profiilin toimintapiste ei ole oikea
– lavat eivät ole keskenään samoissa kulmissa
– voimalan säätö ei toimi
oikein
4/13/2015 Erkki
© Tuulitaito
Haapanen
Profiilin virheiden vaikutus:
vaikutukset
• Muotovirhe:
– siirtää transitiokohtaa etureunaa kohti ---> kitkavastus
kasvaa
– muuttaa CLMAX -arvoa --- > Aiheuttaa sakkaussäädetyllä
voimalalla joko ali- tai ylitehoja
– polaari muuttuu, toimintapisteet siirtyvät paikoiltaan
– saattaa aiheuttaa ylimääräistä kohinaa tai melua
– pienenkin virheen vaikutus tulee esiin lähestyttäessä
sakkaustilaa
4/13/2015 Erkki
Haapanen
© Tuulitaito
Huonon
etusauman
vaikutus
Virhe 0.05%C aallonpituus
1.5%C, joka on tyypillinen
arvo huonosti sovitetulle
etureunalle.
Kuvassa on vain 0.05%C virhe,
koska 0.01%C virhettä ei voi
erottaa tällaisessa kuvassa.
4/13/2015 Erkki
Haapanen
© Tuulitaito
Häiriöaallon pohjan
nopeusjakauma
Pienikin aaltomaisuus
aiheuttaa aallon pohjassa
virtauksen hidastumista ja
kohtauskulman kasvaessa
kuplan muodostusta.
Kuvassa kupla on juuri
syntymässä vaikka
kohtauskulma on vain 7°.
Kuplan jälkeen virtaus
muuttuu turbulenttiseksi ja
rajakerroksen paksuus kasvaa
4/13/2015 Erkki
Haapanen
© Tuulitaito
Työvirheen
vaikutus
painejakaumaan
0.05%C aaltomaisuus aiheuttaa
etureuna-alueella teräviä
paineaaltoja, jotka toimivat
turbulaattorin tavoin
4/13/2015 Erkki
Haapanen
© Tuulitaito
Työvirheen vaikutus polaariin ja
CL:ään
CLcrit laskee
4/13/2015 Erkki
Haapanen
© Tuulitaito
Minivirheen vaikutus
nopeusjakaumaan
Aaltomainen virhe aiheuttaa
Bernoullin lain mukaan aaltomaisia häiriöitä
4/13/2015 Erkki
Haapanen
© Tuulitaito
Minivirhe näkyy
painejakaumassakin
Muodon 0.01%C
aaltomaisuus näkyy
painejakaumassakin
aaltoina
4/13/2015 Erkki
Haapanen
© Tuulitaito
Muotovirheen vaikutus polaariin ja
nostovoimaan
0.01 %:n
käyrät eroavat
Sakkaus
aikaistuu
4/13/2015 Erkki
Haapanen
© Tuulitaito
Profiilin virheiden vaikutus: syyt
• Pinnan karheutuminen:
– lisää kitkavastusta heikentäen suoritusarvoja ja
tuottoa
– aiheuttaa kohinaa ja nostaa melutasoa
– alentaa sakkausrajaa
– alhaisilla Re-luvuilla saa virtauksen pysymään
kiinni
4/13/2015 Erkki
Haapanen
© Tuulitaito
Muita vaikuttavia tekijöitä
• Laitteiston värinät aiheuttavat turbulenssia,
joka aikaistaa transitiota
• Tuuli on puuskaista ja pyörteistä sekä tulee
vinosti aiheuttaen epätasaista kuormitusta ja
väsytystä
• Profiilin toimintapiste ei ole oikea
– lapojen asetuskulmat eivät ole keskenään yhtä
suuria
– voimalan säätö ei toimi oikein
– käytetään tyvijatketta lavassa, joka on suunniteltu
pienempään voimalaan
4/13/2015 Erkki
Haapanen
© Tuulitaito
Esimerkki simuloiduista
muotovirheistä
Muotovirhe simuloidaan profiilikoordinaatteihin, jotka
syötetään laskentaohjelmaan, ja lasketaan kaikki aerodynaamiset parametrit, jolloin voidaan verrata erilaisten
virheiden vaikutukset suoritusarvoihin.
Tällöin voidaan määrittää rajat esimerkiksi valmistustoleransseille ja huoltotarpeille
4/13/2015 Erkki
Haapanen
© Tuulitaito
Profiiliarvojen hankinta
• Klassikko:
– Theory of Wing Sections
• Laskentaohjelma:
– XFOIL
• laskee annetun profiilin
• voi kehittää uusia profiileja
4/13/2015 Erkki
Haapanen
© Tuulitaito
Superpositioperiaate, ohuen
siiven teoria
• Jaetaan profiili osatekijöihin, joille löytyy
taulukkoarvot
– Symmetrinen muoto
– Keskilijan muoto
– Kohtauskulma
• Lasketaan yhteen profiilin ympäri tapahtuvan
virtauksen nopeudet ja lasketaan lopputuloksesta
painejakauma, josta saadaan lasketuksi profiilin
nostovoima ja vastus sekä vääntömomentti
• Äärettömän työläs menetelmä
4/13/2015 Erkki
Haapanen
© Tuulitaito
Nopeusjakauman superpositio
Symmetrinen perusprofiili
+
Keskilinja
4/13/2015 Erkki
Haapanen
© Tuulitaito
Superpositiomenetelmä
= Käyrän profiilin
nopeusjakauma
+ kohtauskulman nopeusjakauma
4/13/2015 Erkki
Haapanen
© Tuulitaito
Superpositiomenetelmä
= Käyrä profiili, jolla on kohtauskulma
4/13/2015 Erkki
Haapanen
© Tuulitaito
Painejakauma nopeusjakaumasta
• Painejakauma saadaan
nopeusjakaumasta
kaavalla:
• Painejakaumasta
integroidaan nostovoima
ja painevastus
• Nopeus- ja
painejakauman avulla
määritellään kitkavastus
• Profiilin kokonaisvastus
on painevastuksen ja
4/13/2015 Erkki
© Tuulitaito
kitkavastuksen
summa
Haapanen
Valmiita profiiliarvoja, CL(a), CD(a)
4/13/2015 Erkki
Haapanen
© Tuulitaito
Nostovoimakerr
oin
Kertoimet esitetään eri
Reynoldsin luvuille,
tyypillisesti:
3 000 000
6 000 000
9 000 000
sekä standardikarheudelle,
6 000 000
Tuulivoimalan Re-lukualue
Akkulaturit 100 000
Kotivoimalat 250 - 500 000
600 kW
2 000 000
2 MW
4 000 000
4/13/2015 Erkki
Haapanen
© Tuulitaito
Vastuskerro
in
4/13/2015 Erkki
Haapanen
© Tuulitaito
Uudet laskentamenetelmät
• Laskevat todellisen profiilin aerodynaamiset
arvot
• Huomioivat rajakerroksen ja Reynoldsin
luvun
• Niiden avulla voidaan kehittää uusia profiileja
– joissa otetaan huomioon profiilin
toimintaympäristön asettamat vaatimukset
– Voidaan laskea mielivaltaiseen määrään valittuja
poikkileikkauksia
– Saadaan käsitys poikkeamien vaikutuksesta,
virhearvio
• Ovat avanneet kokonaan uuden maailman
4/13/2015 Erkki
© Tuulitaito
Haapanen
potkurin kehitystyöhön