Wstęp
Celem realizowanego zadania było wyznaczenie sił działających na łopaty turbiny oraz podporę na skutek obciążeń aerodynamicznych. Obliczenia wykonano dla niestacjonarnego przepływu trójwymiarowego.
Geometria, dla której wykonano obliczenia została przygotowana przez CTO S.A. Ogólny widok turbiny przedstawiono na Rys. 1. Podstawowe wymiary turbiny przedstawiono w Tab. 1. W tabeli zamieszczono także wartości prędkości wiatru i prędkości obrotowej w warunkach ekstremalnych. Parametry te zostały określone przez Partnerów projektu.
Rysunek 1. Turbina wiatrowa
Tabela 1. Podstawowe parametry turbiny i warunki ekstremalne
| Średnica wirnika | 140 m |
| Położenie osi obrotu | 160 m |
| Średnica wieży w dolnej części | 6 m |
| Średnica wieży w górnej części | 4 m |
| Prędkość wiatru | 30 m/s |
| Prędkość obrotowa | 12 obr/min |
Opis przyjętej metodyki
Ogólny widok obszaru obliczeniowego przedstawiono na Rys. 2. Obszar podzielono na dwa podobszary, pierwszy, zewnętrzny dla obiektów niewirujących (wieża i gondola) oraz obszar cylindryczny dla wirnika. Siatka niestrukturalna została wygenerowana w programie Hexpress/NUMECA. Obliczenia niestacjonarne dla tej wielkości modelu są czasochłonne, wobec czego w obszarach przyściennych zastosowano funkcję ścianki, co umożliwia zastosowanie rzadszej siatki w warstwie przyściennej. Obliczenia wykonano dla siatki składającej się ~10 mln elementów.
Obliczenia wykonano programem FINE/OPEN Numeca oraz ANSYS/Fluent z modelem turbulencji k-epsilon dla różnych prędkości wiatru oraz prędkości obrotowych, koncentrując się na przypadkach charakterystycznych dla największych obciążeń. Prędkość wiatru przed turbiną założono zgodnie z rozkładem potęgowym.
Rysunek 2. Obszar obliczeniowy
 |
 |
Rysunek 3. Widok ogólny siatki
Rysunek 4. Strona ciśnieniowa łopaty w pobliżu gondoli
Wyniki
Wykonane obliczenia przepływu niestacjonarnego umożliwiają analizę struktury przepływu w obszarze turbiny oraz określenie sił działających na łopaty i wieżę.
Charakterystyczne obszary przepływu jako efekt interakcji wirnika turbiny z wieżą zostały przedstawione na rys. 5. Na rysunku pokazano wartość prędkości w przekroju osiowym, na którym widoczny jest ślad wieży i przemieszczających się łopat.
W dolnej części podpory ślad wieży jest wyraźnie większy niż w górnej części, co jest efektem większej średnicy opływanego cylindra. Jednak w górnej części wieży występuje cykliczna interakcja struktur generowanych przez przemieszczające się łopaty z wieżą. W górnej i dolnej części rysunku zaznaczono obszar wirów generowanych na końcówce łopat. W dolnym położeniu łopat te wiry oddziałują na ślad za wieżą. W obszarze za wieżą wyraźnie widoczny jest ślad generowany przez łopaty, który jest obecny daleko za turbiną. Częstotliwość z jaką generowana jest ta struktura zależny od prędkości obrotowej turbiny.
Na rys. 6 pokazano prędkość w omawianym przekroju w kolejnych wybranych chwilach, odpowiadających kolejnym położeniom wirnika. Rysunki w chwili t1 i t4 odnoszą się do przypadków dolnego i górnego położenia łopaty.
Rysunek 5. Prędkość w przekroju osiowym turbiny
Rysunek 6. Prędkość w przekroju osiowym turbiny dla wybranych położeń łopat
Na rys. 7 pokazano prędkość w przekroju położonym 100 m nad powierzchnią wody, czyli w obszarze położonym 20 m od środka obrotu. Kolejne widoki przedstawiają 3 charakterystyczne położenia łopaty względem wieży: w fazie zbliżania się do wieży, w położeniu przed wieżą i w fazie oddalania się od wieży. Przemieszczające się łopaty wpływają na generowaną silną nierównomierność przepływu, co wpływa na poziom hałasu oraz na obciążenia aerodynamiczne całej konstrukcji. Na wykresie przedstawiono wartości składowej siły działającej zgodnie z kierunkiem wiatru. Widoczna jest różnica wartości w obu przypadkach, jednak można ją uznać jako mało znaczącą. Należy podkreślić wpływ oddziaływania łopat z wieżą, istotnie wpływający na zmianę wartości siły i jej spadek o ok. 20% przy przejściu w sąsiedztwie podpory. Pulsacje wartości sił mogą być także znaczące dla dynamiki konstrukcji wsporczej, ponieważ wpływ śladu łopatkowego na niestacjonarność opływu podpory przejawia się zmianą sił o ok. 40% wartości maksymalnej.
Wpływ położenia łopaty względem podpory na działające siły pokazano także na rys. 8, gdzie wyraźnie widoczna jest zmiana wartości siły w pobliżu podpory, co jest efektem oddziaływania łopaty z podporą.
Rysunek 7. Siła działająca na łopatę w funkcji położenia
Rysunek 8. Rozkład siły działającej na łopatę wzdłuż promienia
Przedstawione wyniki są przykładem analizy aerodynamicznej jaką można wykonać dla dowolnych układów turbin wiatrowych celem wyznaczenia sił działających na poszczególne elementy konstrukcji. Szczególnie istotnym wynikiem prowadzonej analizy może być informacja o rozkładzie niestacjonarnych sił na łopatach lub podporze (wieży) całej konstrukcji, co jest niezwykle istotnym elementem wpływającym na poprawne wyznaczenie stanu naprężeń całej konstrukcji.