| Etapa 2 (an 2018): REZUMATUL ETAPEI Această lucrare reprezintă livrabilul final al proiectului "Testări experimentale privind validarea conceptului de VAWT cu rotoare contra rotative" (acronim EXTWIG) finanţat prin Programul 2 - Creşterea competitivităţii economiei româneşti prin cercetare, dezvoltare şi inovare, Proiect experimental demonstrativ (PED). În această etapă a fost realizată asamblarea şi testarea modelului experimental în cadrul sufleriei aerodianamice a INCDT COMOTI din sediul de la Măgurele. DESCRIEREA STIINTIFICA SI TEHNICA în asamblarea modelului experimental a fost utilizată documentaţia tehnică realizată în prima etapă unde a rezultat un model cad 3D. Acest model poate fi observat în figura 1.
Figura 1. - Modelul CAD 3d al demonstratorului Plecând de la acest model a fost realizat suportul metalic al turbinei eoliene din profile de tip 'L' cu dimensiunea de 40x40x4 mm, acestea fiind sudate cu suduri în colţ. La baza suportului s-au proiectat suporţi pentru prinderea modelului în podea, în vederea stabilizării întregului ansamblu. Găurile de prindere în podea au diametrul O10 şi sunt asezate la distanţă de 644 mm în pătrat. în figurile 3 şi 4 este prezentat suportul cu dimensiunile sale reale realizat pentru integrarea sa în cadrul tunelului aerodinamic.
Figura 5. - Arborele interior Componetele arborelelui interior sunt cuplate cu ajutorul unui cuplaj rigid realizat din duraluminiu(figura6).
Figura 6. - Cuplaj rigid Arborele exterior(figura 7) a fost realizat dintr-o singură bucată de ţeavă din otel cu perete gros de 9 mm. Acesta este lăgăruit cu ajutorul a doi rulmenti.
Figura 7. - Arborele exterior Pentru rulmenţii folosiţi în lagaruirea arborelelui exterior au fost executate două carcase din duraluminiu. Carcasele sunt prezentate în figura 7.
Figura 8. - Carcase rulmenţi Prinderea palelor de arbori se face prin intermeniu unor flanşe care sunt fixate cu ajutorul unor ştifturi filetate de M4.
Figura 9. - Flanşe prindere pale Arborele interior este lăgăruit atât în arborele exterior căt şi în cadrul metalic. Pentru lăgăruire în cadrul metalic a fost realizată o flanşă(figura 10) iar pentru cea în arborele exterior a fost făcut un capac(figura 11).
Pentru conectarea generatorului electric la modelul experimental, o piesa intermediară a fost realizată din duraluminiu. Această piesa este prezentată în figura 12.
Figura 12. - Piesă intermediară Generatorul cu magneţi permaneţi a fost realizat de către partenerii de la Universitate Tehnică din Cluj Napoca. în prima etapă s-a ales varianta cu două armaturi, ambele mobile,cu recuperarea energiei electrice prin intermediul unui sistem cu inele şi perii. Prin testarea în laborator a generatorului s-a demonstrat faptul că acesta are o eficienţă de conversie a energiei bună, însă pierderi mecanice suplimentare datorită sistemului perii-inele. Ns= Ps+ Pr (1) unde Ns este numărul de poli ai rotorului interior, Ps este numărul de perechi de polistatorice şi Pr este numărul de perechi de poli magnetici ai rotorului exterior.în primă fază, o analiză de câmp cu elemente finite este implementată în software-ul comercial JMag-Designer pentru a simula generatorul propus. Dimensiunile geometrice principale sunt prezentate în tabelul I.
Figura 13. Generatorul electric propus Tabelul I Dimensiunile geometrice ale generatorului propus
înfăşurările statorice sunt conectate serie pe trei faze având 50 înfăşurări / crestătură cu o rezistenţă de fază de 0.28 Ω. Viteza de rotaţie a fost impusă la 600 rpm pentru rotorul exterior şi respectiv 900 rpm pentru rotorul interior.
Figura 14. Densitatea fluxului magnetic şi distribuţia liniilor de flux în generator. în figura 14 este reprezentată densitatea fluxului magnetic şidistribuţia liniilor de flux în generator, la densitatea nominală de curent de 6,5 A / mm2. Saturaţia locală este prezentă în principal în poli feromagnetic din rotorul interior. în restul componentelor feromagnetice, valorile sunt sub 1,2 T, ceea ce sugerează, în mod clar, că modelul actual trebuie optimizat.
Procesul de optimizare vizează găsirea celei mai bune soluţii pentru creşterea performanţei conversiei energiei. Prin urmare, punerea problemei în termeni matematici pentru a îndeplini aceste condiţii reprezintă o problemă importantă a procesului de optimizare a designului. în acest sens, a fost propusă ecuaţia (2) pentru funcţia obiectiv Sopt, de a găsi cel mai bun compromis între eficienţa generatorului şi creştereaputerii acestuia. Fiecare din cele două elemente are o pondere egală în funcţia obiectiv. Sopt= ( Pel / Pmec )*0.5 + ( Pel / Pelin ) *0.5 (2) unde, Pel reprezintă puterea electrică; Pmec desemnează puterea mecanică, respectiv Pelin este puterea electrică iniţială a generatorului.
Figura 15. Evolutia funcţiei obiectiv pe durata optimizării. Variabilele de proiectare folosite în etapa de optimizare sunt rezumate în tabelul II, împreună cu limitele asociate acestora. Unele constrângeri au fost, de asemenea, luate în considerare pentru a asigura procesul de optimizare: Tabelul II constrângerile geometrice
După finalizarea a peste 140 de iteraţii, pentru viteza de rotaţie constantă a celor două rotoare, modelul optimizat este prezentat în Fig.16.
Figura 16. Generatorul electric optimizat în cele ce urmează, este realizată o comparaţie a rezultatelor obţinute înainte şi după optimizare la nivelul cuplului electromagnetic produs, precum şi a nivelului curentului, tensiunii şi puterii generate. Rezultatele ne arată că eficienţa generatorului a fost îmbunătăţită cu 5% şi mai mult, puterea generată a crescut cu mai mult de 50% după optimizare, considerând aceeaşi valoare a sarcinii pe care debitează generatorul.
Figura 17. Cuplul electromagnetic înaintesidupăoptimizare
Figura 18. Curentul generat înainte si dupăoptimizare
Figura 19. Tensiunea generată înainte si după optimizare
Figura 20. Puterea electrică generată înainte si după optimizare Tabelul III Comparaţie între rezultatele obţinute înainte şi după optimizare.
în instrumentarea testului experimental au fost folosit un tahometru(figura 14) pentru măsurarea turaţiei şi un manometru(figura 15) pentru măsurara vitezei curentului din sufleria aerodinamică.
Figura 23. - Modelul experimental instalat în cadrul sufleriei
Figura 24. - Măsurarea turaţiei Din cauza supra-dimensionării generatorului, a pierderilor mari generate de acesta în circuitul magnetic (deci şi la funcţionarea în gol), a cuplului de dantură a generatorului (datorat magneţilor permanenţi), a puterii mici debitate de turbină, dar şi a frecărilor foarte mari din rulmenti nu s-au putut face măsuratori cu generatorul conectat la model. Astfel au fost realizate măsuratori ale turaţiei la diferite viteze al curentului pentru mersul în gol fără a avea generatorul conectat. în tabelul 1 sunt prezentate măsuratorile făcute. Tabel IV. Măsurători experimentale
Figura 25. - Variaţia turaţiei celor două turbine cu viteza curentului | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Etapa 1 (an 2017): REZUMATUL ETAPEI Aceasta etapă face parte din proiectul "Testări experimentale privind validarea conceptului de VAWT cu rotoare contra rotative" (acronim EXTWIG) depus pe Programul 2 - Creşterea competitivită?ii economiei româneşti prin cercetare, dezvoltare şi inovare, Proiect experimental demonstrativ (PED). Obiectivul principal al acestui proiect consta in validarea noului concept de turbina eoliana cu ax vertical prin realizarea de teste experimentale in cadrul tunelului aerodinamic. Astfel se poate confirma puterea predictionata cu ajutorul analizelor numerice realizate anterior. Obiectivul secundar consta in determinarea performantei conceptului pentru diferite configuratii la unghiuri de atac diferite. In aceasta etapa a fost proiectat si realizat modelul experimental ce urmeaza a fi testat in suflaria aerodinamica a INCDT COMOTI din sediul de la Magurele. DESCRIEREA STIINTIFICA SI TEHNICA Realizarea desenelor de execuţie Date de intrare privind proiectarea modelului experimental al turbinei:
În privinţa înălţimii suportului s-au luat în considerare dimensiunile evacuării sufleriei din cadrul INCDT Comoti din Măgurele (fig.1). Figura 1. - Sufleria Comoti din Magurele. Procesul de proiectare este în general un proces iterativ format din mai multe etape ce trebuie să fie atinse si rezolvate în funcţie de tipul proiectului:
Procesul de proiectare asistat de calculator nu diferă faţă de proiectarea propriu-zisă, ca etape, însă acestea sunt redefinite astfel:
Ansamblul turbină eoliană axială a fost proiectat astfel încât:
Aceasta documentatie s-a realizat utilizand software-ul Solid Edge ST4. S-au stabilit dimensiunile suportului metalic, tinand cont de dimensiunile palelor si de diametrul de asezare al acestora. S-au analizat fortele/solicitarile pentru rulmenti si s-au ales urmatorii rulmenti (de catre alt compartiment):
In urma acestei analize, s-a proiectat sistemul de lăgăruire cu locaşurile şi carcasele rulmenţilor. Totodată, în urma dimensiunilor palelor, s-au ales lungimile celor 3 arbori, 2 arbori interiori şi un arbore exterior. Din considerente de fabricaţie, arborele interior s-a decis să fie împarţit în două segmente datorită lungimii mari ( aprox. 1000 mm) comparativ cu diametrul redus ( Ø 12) şi conectarea acestora cu un cuplaj cu 6 începuturi şi surub vierme 19/5,3-26,5-5H7-6H7. Figura 6. - Arborele interior superior. Figura 7. - Cuplaj cu 6 începuturi şi surub vierme 19/5,3-26,5-5H7-6H7. Braţele palelor au fost executate din fibră de carbon (HexPly M49/42%/200T2X2/ CHS03K pentru uşurarea ansamblului pală - bucşă - braţ pale - flansă prindere pe arbore.Datorită umerilor destinaţi montării rulmenţilor, n-a fost posibilă realizarea prinderilor braţelor pe arbori direct şi astfel au fost proiectate flanşe speciale ce fac legătura între arbori şi braţele palelor. Pentru montarea arborilor pe suportul metalic, s-au proiectat 3 traverse: a. una superioară pentru fixarea suportului rulment oscilant. Aceasta are prevazute alezaje ovalizate ce permit alinirea arborilor pe suportul de metal. Figura 12. - Traversa superioara. b.Două inferioare, ce au fixat suportul bază pentru rulment şi care permit arborilor (cel exterior şi cel interior) trecerea către generator, conectarea fiind realizată printr-o flansă de tip stea. c. Figura 13. - Cele doua traverse. Palele turbinei eoliene, sunt plasate pe două rânduri (diametre de Ø 450 mm, respectiv Ø 280 mm) iar prinderile acestora sunt proiectate astfel încât să se învârtă independent. Figura 14. - Aşezarea palelor şi prinderea lor pe arbori. Palele interioare sunt încastrate pe arborele exterior prin flanşele de legatură cu acesta. Figura 15. - Desenul de ansamblu realizat 3D în Solid Edge. Odată finalizat desenul 3D, s-a trecut la realizarea planşelor/desenelor de execuţie, ţinându-se cont de standardele specifice desenului tehnic. Figura 16. - Suportul metalic sudat. Suportul metalic al turbinei eoliene s-a realizat integral din profile de tip 'L' cu dimensiunea de 40x40x4 mm, acestea fiind sudate cu suduri în colţ. Alegerea materialelor pentru palele aerodinamice
Materialele compozite polimerice sunt cea mai bună soluţie pentru a diminua masa structurii, în acelaşi timp asigurând rezistenţă şi rigiditate. în Figura26 poate fi observat un grafic ce poate fi utilizat pentru selectarea materialelor pentru fabricarea structurilor uşoare şi rigide. în această figură liniile punctate definesc raportul E/?, unde:
Figura 17. - Graficul lui Ashby pentru selecţia materialelor utilizate pentru fabricarea structurilor uşoare şi rigide Elementele ranforsante utilizate pentru fabricarea palelor de turbină eoliană sunt sub formă de fibre lungi. Principalele tipuri de fibre utilizate sunt:
Figura 18. Curbe tensiune - deformaţie pentru principalii precursori ai materialelor compozite Tabelul 1. - Proprietăţi ale elementelor ranforsante sub formă de fibre şi proprietăţile materialelor compozite ce integrează acest tip de fibre [2].
Configuraţiile structurale de materiale uzuale utilizate în structura palelor de turbină eoliană pot fi grupate în două categorii: Figura 19. - Configuraţii structurale uzuale, întâlnite în palele de turbină eoliană: a) schema unui laminat monolitic; b) schema unui compozit tip sandwich Tehnologii uzuale de realizare a palelor de turbină eoliană din materiale compozite polimerice ranforsate cu fibre Tehnologia autoclavei este o tehnologie clasică de obţinere a materialelor compozite polimerice. Polimerizarea compozitelor termorigide implică atât procese mecanice cât şi chimice, astfel în timpul procesului de polimerizare este aplicată presiunea pentru îndepărtarea aerului din structură şi a substanţelor volatile, consolidând structura. Din punct de vedere chimic, reacţia de polimerizare este iniţiată de temperatură (în cazul tehnologiei autoclavei), putând fi activată şi de expunerea la radiaţii UV, microunde sau fascicul de electroni. Autoclava este o incintă închisă ermetic, în interiorul căreia se introduc precursorii materialelor compozite (ex. prepreg-urile) pentru polimerizare, proces realizat prin aplicarea simultană a presiunii, temperaturii şi vidului, parametrii controlaţi automat pe toată durata procesului. înainte de introducerea în autoclava, pe o matrita se aşează materialul (prepreg-ul), aceasta fiind apoi introdusă într-un sac de vid şi vidată. în timpul procesului de polimerizare, presiunea şi temperatura sunt aplicate componentei prin atmosfera din autoclavă, sacul de vid fiind utilizat pentru aplicarea suplimentară a presiunii şi protejarea laminatului de gazele din autoclavă. Parametrii ciclului de polimerizare sunt stabiliţi în funcţie de proprietăţile materialului şi dimensiunea acestuia (în special grosimea acestuia). Ciclul de polimerizare se realizează în general în două stadii: în primul stadiu presiunea şi vidul sunt aplicate în timp ce temperatura este crescută cu o viteză constantă până la un nivel intermediar şi menţinută o scurtă perioadă de timp. Temperatura reduce vâscozitatea răşinii permiţându-i circularea, astfel bulele de aer şi substanţele volatile putând fi mai uşor de eliminat, în acelaşi timp, răşina începe să "ude" fibrele. în stadiul al doilea, are loc o creştere de temperatură, viteza de încălzire este stabilită astfel încât să permită stabilizarea vâscozităţii la un anumit nivel care să ducă la consolidarea materialului, evitându-se scurgerea excesivă a răşinii. Temperatura este crescută până la valoarea finală la care polimerizează materialul şi menţinută suficient timp până la finalizarea completă a reacţiei. Tehnologia autoclavei poate garanta o distribuţie aproape uniformă a presiunii, nu poate garanta o distribuţie uniformă a temperaturii pe suprafaţa matriţei. Distribuţia uniformă a temperaturii nu depinde doar de construcţia autoclavei, ci şi de forma componentei ce se doreşte a fi realizată, de grosimea peretelui structurii şi grosimea matriţei, de numărul de piese introduse în autoclavă, de proprietăţile termice ale componentei şi ale matriţei şi de proprietăţile reactive ale sistemului polimeric (răşina şi catalizator/întăritor). Evaluând aceste considerente producătorii de materiale compozite recomandă pentru fiecare tip de prepreg realizat un proces de polimerizare optim pentru obţinerea performanţelor superioare. Avantajele tehnologiei autoclavei: Dezavantajele tehnologiei autoclavei: Figura 21. - Realizarea unei pale de turbină eoliană prin tehnologia autoclavei Pentru creşterea calităţii structurii şi eliminarea defectelor datorate personalului care participă la realizarea produsului (manoperă), se încearcă atomatizarea procesului de fabricaţie a palelor de turbină eoliană. Tabelul 2. - Proprietăţile matricii epoxidice
Tabelul 3. - Proprietăţile fizice ale prepreg-ului polimerizat
Tabelul 4. - Proprietăţi mecanice ale prepreg-ului polimerizat la temperatura de 120şC timp de 60 min, presiune 7 bari, depresiune -0,9 bari
în ceea ce priveşte design-ul palelor de turbină, acestea au un design simplu, fără lonjeroane pentru rigidizare. Design-ul final al palelor a fost stabilit în urma experimentelor realizate în laborator, astfel configuraţia finală de material a palelor (atât cele mari cât şi cele mici) presupune două pliuri de prepreg, ce integrează două bucşe metalice şi patru pliuri de prepreg în zona bucşelor (elemente de rigidizare). îmbinarea pliurilor se realizează prin suprapunerea acestora, nefiind utilizat un adeziv (în acest caz adezivul este chiar matricea compozitului, suplimentar existenţa fibrelor lungi pe distanţe mari duce la rigidizarea structurii şi la creşterea rezistenţei). Fabricarea palelor turbinei eoliene Figura 22. - Schema detaliată a unui ansamblu însăcuit şi vidat (caz în care sunt realizate laminate/structuri plate) Pentru realizarea palelor din materiale compozite polimerice termorigide au fost utilizate două matriţe metalice (fiecare matriţă fiind formată din două semimatriţe - Error! Reference source not found.), una pentru pala cu dimensiunile l=500 mm, c=70 mm (pala mare) şi una pentru pala cu dimensiunile l=500 mm, c=45 mm (pala mică). Protocolul tehnologic de realizare a palelor de turbină este acelaşi pentru ambele tipuri de pale (fiind diferită doar dimensiunea pliurilor). Figura 23. - Pliurile de prepreg anterior şi ulterior marcării şi tăierii găurilor pentru inserţia bucşelor Figura 24. - Bucşele şi pliurile de prepreg utilizate pentru rigidizarea zone de inserţie a bucşelor Au fost desprinse foliile de protecţie ale celor două pliuri de prepreg pentru rigidizare şi al unui pliu utilizat pentru suprafaţa palei. Cele două pliuri de rigidizare au fost puse unul peste celălalt şi apoi a fost introdusă bucşa, acest ansamblu fiind ulterior aşezat peste pliul de prepeg cu perforaţie de 10 mm. Peste zona de inserţie a bucşelor au fost aşezate alte două pliuri de rigidizare şi ulterior ultimul pliu ce reprezintă suprafaţa interioară a palei. Figura 25. - Aşezarea pliurilor pe matriţă şi rigidizarea zonei bucşelor Figura 26. - Realizarea sacului de vid intern şi îmbinarea pliurilor de prepreg Figura 27. - închiderea matriţei şi realizarea sacului de vid extern Figura 28. - Pala de turbină ulterior polimerizării şi desprinderii de pe matriţă Utilizând acelaşi tip de material şi acelaşi ciclu de polimerizare au fost realizate capacele palelor de turbină. Capacele au fost ataşate la extremităţile palelor utilizând un adeziv bicomponent (Araldite AW 106 şi întăritor Hardener HV 953 U - proporţii de 1:1). Figura 29. - a) Capacele palelor de turbină; b) Ataşarea capacelor; c) Palele de turbină cu capace Figura 30. - Palele de turbină ulterior vopsirii Braţele de prindere ale palelor de turbină pe ax au fost realizate din material compozit (prepreg Hexply M49/42%/200T2X2/CHS-3K, 2015). Pentru realizarea acestora au fost utilizate două matriţe metalice şi câte 8 pliuri de prepreg (dimensiune desfăşurată a unui braţ de prindere pentru pala mare 237x10x3 mm, respectiv pentru pala mică 184x10x1 mm), realizarea laminatelor din care au fost debitate braţele de prindere este prezentată în Figura. Figura 31. - Realizarea unui laminat compozit din care au fost debitate braţele pentru prinderea palelor de turbină de ax Definirea sistemului de lăgăruire
Rulmenţii destinat turbinei eoliene cu ax vertical au rolul de a transmite sarcinile şi mişcările prin elementele de rulare aflate între inelele sau plăcile rulmenţilor. La alegerea rulmenţilor destinaţi acestei aplicaţii ce implică doi arbori contrarotativi au fost luate în calcul următoarele considerente: Calculul la durabilitate porneşte de la definiţia durabilităţii unui rulment. Prin durabilitate se înţelege durata de funcţionare exprimată în milioane de rotaţii la care un rulment rezită până la apariţia ciupiturilor. Optimizarea, fabricarea si testarea generatorului electric cu magneti permanenti Tabel 5 Variabile utilizate în procesul de optimizare şi limitele lor de variaţie. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||