Estudo experimental em túnel de vento de turbinas de eixo horizontal

The aim of this work was to study the horizontal axis hydrokinetic and wind turbines. The main objective of this study was to find a semi empirical law to make the transposition of the performance results of a small turbine, in air, to the prototype, in water. Experimental tests were carried out in a wind tunnel of 1,2 x 1,2 m of section to the small turbine. The tests were realized at wind speed of 8, 10 and 12 m/s. The methodology used in the tests was based in keep constant the wind speed and to varying the rotation velocity of the turbine. A key element of the methodology was the control of the rotation velocity using a PID controller and the modulation technique PWM. During the test torque and rotation velocity were measured. To achieve the expect results were located on the blades transition strips to force the transition from laminar flow to turbulent, and blockage effect of the wind tunnel wall was removed from the measured power data applying a blockage correction method. The transposition of results was carried out using the performance data obtained with the experimental tests and the semi empirical law proposed. The proposed equation dependence of the Reynolds numbers and a scale factor. The scale factor, m, is calculate using the equations of BEM method, which relates the power coefficients with axial and radial induction factors. CFD and BEM numerical simulations were realized to the small turbine, in the air, and the prototype, in water. In the case of the small turbine, the numerical simulations were validated with the Cp experimental data in the wind tunnel. For the other hand, the prototype simulations were used to validate the results obtained with the transposition of results. All that results validate the numerical and experimental methodology used. It should be noted that the semi empirical law proposed is robust for the turbine studied in this case. Key-words: wind tunnel tests. CFD simulations. BEM simulations. horizontal axis turbines. Lista de ilustrações Figura 1 – Participação(%) por fonte na produção mundial de eletricidade em 2013 2 Figura 2 – Turbina eólicas comerciais: (a) HAWT-Duas pás; (b) HAWTTrés pás; (c) HAWT-Com difusor; (d) VAWT-tipo Savonius; (e) VAWT-tipo Darrieus; (f) VAWT-tipo Savonius e Darrieus. . . . . . . . . . . . . . . . 4 Figura 3 – Turbina hidrocinéticas comerciais: (a) HAWT-Turbina marinha de dois pás; (b) HAWTTrés pás de Verdant Power; (c) HAWT-Trés pás de Hammerfest; (d) HAWT-Multipás de Lunar Energy ; (e) HAWTMultipás de UEK; (f) H-Darrieus de Alternative Hydro. . . . . . . . . . 5 Figura 4 – Capacidade energética de sistemas eólicos e hidrodinâmicos (Cp=0,35) 6 Figura 5 – Esquema do disco atuador e do tubo de velocidade . . . . . . . . . . . . 13 Figura 6 – (a) Trajetória de uma partícula de ar no passo pelo rotor. (b) Rotor de três pás de raio R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Figura 7 – Triângulo de velocidades mostrando a velocidade induzida . . . . . . . . 18 Figura 8 – Comparação do coeficiente de potência ótimo de Glauert de uma turbina incluindo efeitos de rotação com o limite de Betz. Representação do Cp/Cp,Betz vs. TSR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Figura 9 – Tubo de corrente anular através do rotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 Figura 10 – Discretização na pá pelo método BEM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Figura 11 – Triângulo de velocidades na pá. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 Figura 12 – Forças locais na pá . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Figura 13 – Variação do CT com o fator de indução axial a. – Teoria BEM; ●: Correção empírica de Glauert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 Figura 14 – Cálculo de αopt a partir da curva de CL/CD vs α . . . . . . . . . . . . . 29 Figura 15 – Ponto de inflexão para o cálculo do αopt da curva polar CL vs CD . . . 30 Figura 16 – Separação da camada limite, reversão do fluxo e estol em um perfil aerodinâmico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Figura 17 – Curva CL vs α. Regiões pré (a) e pós-estol (b) . . . . . . . . . . . . . . . 32 Figura 18 – Linhas de corrente em volta do perfil aerodinâmico: (a) Região pré-estol da curva CL vs α. Camada limite colada ao corpo; (b) Região pós-estol da curva CL vs α. Descolamento da camada limite e reversão do fluxo. 33 Figura 19 – Camada limite: (a) Baixo número de Reynolds. Separação completa da camada limite e estol. (b) Alto número de Reynolds. Transição laminar-turbulenta. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 Figura 20 – Curvas CL vs α para vários números de Reynolds (NACA 65(3)618). Simulações XFOIL com Ncrit = 9, para os casos de Re = 5 ⋅ 106 e Re = 5 ⋅ 105, e Ncrit = 5 para Re = 5 ⋅ 104. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 Figura 21 – Curvas CD vs α para vários números de Reynolds (NACA 65(3)618). Simulações XFOIL com Ncrit = 9, para os casos de Re = 5 ⋅ 106 e Re = 5 ⋅ 105, e Ncrit = 5 para Re = 5 ⋅ 104. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 Figura 22 – Curva CL vs α (NACA 65(3)618). Simulações XFOIL com Ncrit = 5. — : ’transition strip’ em 20% da corda; : Sem ’transition strip’ . . . . . 36 Figura 23 – Vistas acotadas (m) do túnel de vento do Laboratório de Energia e Ambiente da Faculdade de Tecnologia da UnB . . . . . . . . . . . . . . . 39 Figura 24 – Túnel de vento do Laboratório de Energia e Ambiente da Faculdade de Tecnologia da UnB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 Figura 25 – Modelo reduzido no interior do túnel de vento. . . . . . . . . . . . . . . . 41 Figura 26 – Esquema do modelo reduzido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 Figura 27 – Detalhe da montagem do motor em balanço sobre a estrutura . . . . . 42 Figura 28 – Esquema do ensaio experimental do modelo reduzido . . . . . . . . . . . 43 Figura 29 – Tubo de Pitot no interior do túnel de vento e manômetro de coluna inclinada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 Figura 30 – Detalhe da célula de carga e o braço metálico e do sensor de proximidade indutivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 Figura 31 – Esquema dos sensores utilizados no modelo reduzido para medidas de velocidade e torque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 Figura 32 – Esquema do circuito elétrico para modulação da carga aplicada ao rotor 46 Figura 33 – Modulação por largura de pulso (PWM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 Figura 34 – Diagrama de blocos do sistema de controle da velocidade PID . . . . . 48 Figura 35 – Esquema do modelo do disco atuador com as velocidades do escoamento em várias seções . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 Figura 36 – Relação entre os coeficientes de potência, para protótipo e modelo, Cpprot/Cpmod , com TSR para o raio médio da pá. . . . . . . . . . . . . . . 55 Figura 37 – Rotor simplificado usado nas simulações do protótipo . . . . . . . . . . 58 Figura 38 – Domínio computacional usado na simulação do modelo reduzido . . . . 59 Figura 39 – Malha no domínio computacional com 7,5 ⋅ 106 nós . . . . . . . . . . . . 60 Figura 40 – Detalhe do refinamento da malha a montante e a jusante no rotor . . . 60 Figura 41 – Detalhe do refinamento da malha no rotor e na pá . . . . . . . . . . . . 61 Figura 42 – Condições de contorno usadas na simulação . . . . . . . . . . . . . . . . 62 Figura 43 – (a) Montagem inicial do modelo; (b) Montagem melhorada para reduzir o sombreamento nas pás . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 Figura 44 – Detalhe do ’transition strips’ em uma pá . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 Figura 45 – Curvas experimentais de Cp vs. λ. ●: Montagem inicial; ∎: Montagem melhorada; ▼: Transition Strips. (a) 8 m/s; (b) 10 m/s; (c) 12 m/s . . 68 Figura 46 – Curvas experimentais de Cp vs. λ para 12 m/s. ∎: Curva experimental Transition Strips; ▼: Curva experimental Correção de bloqueio . . . 69 Figura 47 – Curva de desempenho Cp vs. λ do modelo reduzido. ▼: CFD; ∎: Experimental-Correção bloqueio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 Figura 48 – Curva de desempenho Cp vs. λ do modelo reduzido. ●: BEM; ▼: CFD. 71 Figura 49 – Curva de desempenho Cp vs. λ do protótipo. ●: BEM; ▼: CFD. . . . . 72 Figura 50 – Linhas de correntes sobre as pás e em volta do perfil aerodinâmico médio das mesmas para o modelo reduzido (a) λ = 2,8; (b) λ = 3,9; (c) λ = 6,4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 Figura 51 – Linhas de correntes sobre as pás e em volta do perfil aerodinâmico médio das mesmas para o protótipo (a) λ = 2,8; (b) λ = 3,9; (c) λ = 6,4 77 Figura 52 – Velocidade axial do escoamento em volta da turbina para modelo reduzido (esquerda) e protótipo (direita) para varios valores de λ (a) λ = 2, 8; (b) λ = 3,9; (c) λ = 6,4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 Figura 53 – Energia cinética de turbulência do escoamento em volta da turbina para modelo reduzido (esquerda) e protótipo (direita) para varios valores de λ (a) λ = 2,8; (b) λ = 3,9; (c) λ = 6,4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 Figura 54 – Comparação das curvas de Cp vs. λ numérica e experimental após aplicar a correção de bloqueio. ●: Transposição modelo-protótipo; ●: Experimental Correção bloqueio; ●: CFD-modelo; ∎: CFD-protótipo . 83 Figura 55 – Aerofólio NACA 65(3)618 usado nas pás . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 Figura 56 – Modelo tridimensional da pá . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 Figura 57 – Haste móvel e tubo de Pitot usados na medida dos perfis de velocidade 96 Figura 58 – Perfil de velocidade na linha central para as velocidades média de 8,8 m/s e 12,9 m/s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 Figura 59 – Montagem experimental do anemômetro de fio quente para mediç