Profiiliteoriaa I

1. Profiiliteoriaa I Tuulivoimalan lavan profiilin suunnittelusta ja valinnasta sekä vaikutuksesta tuulivoimalan toimintaan Tuulitaito Erkki Haapanen 24.9.2001Slide 1 © Tuulitaito

2. Profiilin muodon määritteitä... Etureuna Alipainepuoli Jättöreuna Profiilin pinta painepuoli, tuulen puoli Keskilinja Tuulitaito Erkki Haapanen 24.9.2001Slide 2 © Tuulitaito

3. .. ja nimityksiä Jättöreunan paksuus Paksuimman kohdan etäisyys Paksuus Etureunan- pyöristyssäde Maksimikaarevuuden etäisyys Maksimi kaarevuus Tuulitaito Erkki Haapanen 24.9.2001Slide 3 © Tuulitaito

4. Profiilin päämitat • Jänne, profiilin leveys • Paksuus, % jänteestä • Kaarevuus, % jänteestä Tuulitaito Erkki Haapanen 24.9 .2001Slide 4 © Tuulitaito

5. 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 © Tuulitaito

6. Paine- ja virtaus profiilin ympärillä © Tuulitaito

7. Nopeusjakauma profiilin ympärillä • Virtausnopeus: • on suurempi profiilin kaarevalla yläpinnalla kuin alapinnalla • nopeusero aiheuttaa sirkulaationja nostovoiman © Tuulitaito

8. Nopeusjakauma suunnittelupisteessä q = virtausnopeus pinnan suuntaan rajakerroksen yläpuolella Vo = vapaan virtauksen nopeus • Profiilin suunnittelu alkaa nopeusjakauman valinnasta laitteen toiminnan kannalta keskeisimpien valintakriteerien perusteella © Tuulitaito

9. Painejakauma • Paine-erot aiheuttavat: • Yläpinnalla alipaineen • Alapinnalla ylipaineen • Erotuksesta syntyy nostovoima • Painekerroin © Tuulitaito

10. Painejakauma vektorein Transitio Alipaine repii verhouslevyä irti pinnasta © Tuulitaito

11. 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 © Tuulitaito

12. 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. © Tuulitaito

13. 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 © Tuulitaito

14. Virtaus patopisteen ympärillä © Tuulitaito

15. Nopeusjakauman muoto.. • Turbulenttivirtaus, pullea Detalji läheltä jättöreunaa • Laminaarivirtaus, suora Detalji läheltä etureunaa © Tuulitaito

16. Rajakerroksen nopeusjakauma Pintaa vastaan kohtisuora akseli Nopeusjakauma Rajakerroksen paksuus Pinta © Tuulitaito

17. Nopeusjakauman muoto • Virtauksen irtoaminen tapahtuu kohdassa, jossa rajakerroksen nopeusjakautuman derivaatta pinnassa on nolla Detalji läheltä jättöreunaa Irtoaminen © Tuulitaito

18. Irronneen virtauksen nopeusjakauma © Tuulitaito

19. 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 Kovera ”kuppi” © Tuulitaito

20. Osasakkaustilan painevektorit Irtoamiskohta, sakkauksen alku © Tuulitaito

21. Laminaarikupla Tulovirtaus on laminaarinen Kupla häviää ja virtaus kiinnittyy laminaarisesti Virtaus muuttuu heti kiinnittymisen jälkeen turbulenttiseksi Pinnassa virtaus hidastuu Syntyy kupla, jolloin pinnassa on akanvirta ja rajakerros paksunee hyppäyksen omaisesti © Tuulitaito

22. 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 © Tuulitaito

23. Jättöreunassa on turbulenttinen virtaus Virtaus on irti ja pinnassa akanvirta © Tuulitaito

24. 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 © Tuulitaito

25. Transitio painejakaumassa Transitiopisteessä virtaus muuttuu laminaarisesta turbulenttiseksi Transitio Paine-ero pienenee irtoamisen jälkeen Alkava irtoaminen © Tuulitaito

26. 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 © Tuulitaito

27. Profiilin suunnitteluperusteita.. • Hyvä liitosuhde edellyttää alhaista vastusta • transitiopiste mahdollisimman etäälle, 50 - 60%C • edellyttää kiihtyvää nopeusjakaumaa etureuna-alueella • 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 © Tuulitaito

28. 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 © Tuulitaito

29. 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 © Tuulitaito

30. 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. © Tuulitaito

31. 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 © Tuulitaito

32. Työvirheen vaikutus painejakaumaan 0.05%C aaltomaisuus aiheuttaa etureuna-alueella teräviä paineaaltoja, jotka toimivat turbulaattorin tavoin © Tuulitaito

33. Työvirheen vaikutus polaariin ja CL:ään CLcrit laskee © Tuulitaito

34. Minivirheen vaikutus nopeusjakaumaan Aaltomainen virhe aiheuttaa Bernoullin lain mukaan aalto- maisia häiriöitä © Tuulitaito

35. Minivirhe näkyy painejakaumassakin Muodon 0.01%C aaltomaisuus näkyy painejakaumassakin aaltoina © Tuulitaito

36. Muotovirheen vaikutus polaariin ja nostovoimaan 0.01 %:n käyrät eroavat Sakkaus aikaistuu © Tuulitaito

37. 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 © Tuulitaito

38. 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 © Tuulitaito

39. Esimerkki simuloiduista muotovirheistä Muotovirhe simuloidaan profiilikoordinaatteihin, jotka syötetään laskentaohjelmaan, ja lasketaan kaikki aerody-naamiset parametrit, jolloin voidaan verrata erilaisten virheiden vaikutukset suoritusarvoihin. Tällöin voidaan määrittää rajat esimerkiksi valmistus-toleransseille ja huoltotarpeille © Tuulitaito

40. Profiiliarvojen hankinta • Klassikko: • Theory of Wing Sections • Laskentaohjelma: • XFOIL • laskee annetun profiilin • voi kehittää uusia profiileja © Tuulitaito

41. 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 © Tuulitaito

42. Nopeusjakauman superpositio Symmetrinen perusprofiili + Keskilinja © Tuulitaito

43. Superpositiomenetelmä = Käyrän profiilin nopeusjakauma + kohtauskulman nopeusjakauma © Tuulitaito

44. Superpositiomenetelmä = Käyrä profiili, jolla on kohtauskulma © Tuulitaito

45. Painejakauma nopeusjakaumasta • Painejakauma saadaan nopeusjakaumasta kaavalla: • Painejakaumasta integroidaan nostovoima ja painevastus • Nopeus- ja painejakauman avulla määritellään kitkavastus • Profiilin kokonaisvastus on painevastuksen ja kitkavastuksen summa © Tuulitaito

46. Valmiita profiiliarvoja, CL(a), CD(a) © Tuulitaito

47. Nostovoimakerroin • 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 © Tuulitaito

48. Vastuskerroin © Tuulitaito

49. 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 potkurin kehitystyöhön © Tuulitaito