Tuulivoimalan lavan profiilin suunnittelusta ja valinnasta Profiiliteoriaa I Tuulivoimalan lavan profiilin suunnittelusta ja valinnasta sekä vaikutuksesta tuulivoimalan toimintaan Tuulitaito Erkki Haapanen 24.9.2001Slide 1 4/7/2017 Erkki Haapanen © Tuulitaito

Profiilin muodon määritteitä... Etureuna Alipainepuoli Jättöreuna Profiilin pinta painepuoli, tuulen puoli Keskilinja Tuulitaito Erkki Haapanen 24.9.2001Slide 2 4/7/2017 Erkki Haapanen © Tuulitaito

.. ja nimityksiä Jättöreunan Paksuimman paksuus kohdan Paksuus etäisyys Paksuus Etureunan- pyöristyssäde Maksimikaarevuuden etäisyys Maksimi kaarevuus Tuulitaito Erkki Haapanen 24.9.2001Slide 3 4/7/2017 Erkki Haapanen © Tuulitaito

Profiilin päämitat Jänne, profiilin leveys Paksuus, % jänteestä Kaarevuus, % jänteestä Tuulitaito Erkki Haapanen 24.9 .2001Slide 4 4/7/2017 Erkki Haapanen © Tuulitaito

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 4/7/2017 Erkki Haapanen © Tuulitaito

Paine- ja virtaus profiilin ympärillä 4/7/2017 Erkki Haapanen © Tuulitaito

Nopeusjakauma profiilin ympärillä Virtausnopeus: on suurempi profiilin kaarevalla yläpinnalla kuin alapinnalla nopeusero aiheuttaa sirkulaation ja nostovoiman 4/7/2017 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 4/7/2017 Erkki Haapanen © Tuulitaito

Painejakauma Paine-erot aiheuttavat: Erotuksesta syntyy nostovoima Yläpinnalla alipaineen Alapinnalla ylipaineen Erotuksesta syntyy nostovoima Painekerroin 4/7/2017 Erkki Haapanen © Tuulitaito

Painejakauma vektorein Transitio Alipaine repii verhouslevyä irti pinnasta 4/7/2017 Erkki Haapanen © Tuulitaito

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 4/7/2017 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. 4/7/2017 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 4/7/2017 Erkki Haapanen © Tuulitaito

Virtaus patopisteen ympärillä 4/7/2017 Erkki Haapanen © Tuulitaito

Nopeusjakauman muoto.. Laminaarivirtaus, suora Detalji läheltä etureunaa Turbulenttivirtaus, pullea Detalji läheltä jättöreunaa 4/7/2017 Erkki Haapanen © Tuulitaito

Rajakerroksen nopeusjakauma Pintaa vastaan kohtisuora akseli Nopeusjakauma Rajakerroksen paksuus Pinta 4/7/2017 Erkki Haapanen © Tuulitaito

Nopeusjakauman muoto Virtauksen irtoaminen tapahtuu kohdassa, jossa rajakerroksen nopeusjakautuman derivaatta pinnassa on nolla Detalji läheltä jättöreunaa Irtoaminen 4/7/2017 Erkki Haapanen © Tuulitaito

Irronneen virtauksen nopeusjakauma 4/7/2017 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 Kovera ”kuppi” 4/7/2017 Erkki Haapanen © Tuulitaito

Osasakkaustilan painevektorit Irtoamiskohta, sakkauksen alku 4/7/2017 Erkki Haapanen © Tuulitaito

Laminaarikupla Tulovirtaus on Kupla häviää ja laminaarinen virtaus kiinnittyy laminaarisesti Virtaus muuttuu heti kiinnittymisen jälkeen turbulenttiseksi Pinnassa virtaus hidastuu Syntyy kupla, jolloin pinnassa on akanvirta ja rajakerros paksunee hyppäyksen omaisesti 4/7/2017 Erkki Haapanen © Tuulitaito

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 4/7/2017 Erkki Haapanen © Tuulitaito

Jättöreunassa on turbulenttinen virtaus Virtaus on irti ja pinnassa akanvirta 4/7/2017 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 4/7/2017 Erkki Haapanen © Tuulitaito

Transitio painejakaumassa Transitiopisteessä virtaus muuttuu laminaarisesta turbulenttiseksi Transitio Paine-ero pienenee irtoamisen jälkeen Alkava irtoaminen 4/7/2017 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 4/7/2017 Erkki Haapanen © Tuulitaito

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 4/7/2017 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 4/7/2017 Erkki Haapanen © Tuulitaito

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 4/7/2017 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. 4/7/2017 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 4/7/2017 Erkki Haapanen © Tuulitaito

Työvirheen vaikutus painejakaumaan 0.05%C aaltomaisuus aiheuttaa etureuna-alueella teräviä paineaaltoja, jotka toimivat turbulaattorin tavoin 4/7/2017 Erkki Haapanen © Tuulitaito

Työvirheen vaikutus polaariin ja CL:ään CLcrit laskee 4/7/2017 Erkki Haapanen © Tuulitaito

Minivirheen vaikutus nopeusjakaumaan Aaltomainen virhe aiheuttaa Bernoullin lain mukaan aalto- maisia häiriöitä 4/7/2017 Erkki Haapanen © Tuulitaito

Minivirhe näkyy painejakaumassakin Muodon 0.01%C aaltomaisuus näkyy painejakaumassakin aaltoina 4/7/2017 Erkki Haapanen © Tuulitaito

Muotovirheen vaikutus polaariin ja nostovoimaan käyrät eroavat Sakkaus aikaistuu 4/7/2017 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 4/7/2017 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 4/7/2017 Erkki Haapanen © Tuulitaito

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 4/7/2017 Erkki Haapanen © Tuulitaito

Profiiliarvojen hankinta Klassikko: Theory of Wing Sections Laskentaohjelma: XFOIL laskee annetun profiilin voi kehittää uusia profiileja 4/7/2017 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 4/7/2017 Erkki Haapanen © Tuulitaito

Nopeusjakauman superpositio Symmetrinen perusprofiili + Keskilinja 4/7/2017 Erkki Haapanen © Tuulitaito

Superpositiomenetelmä = Käyrän profiilin nopeusjakauma + kohtauskulman nopeusjakauma 4/7/2017 Erkki Haapanen © Tuulitaito

Superpositiomenetelmä = Käyrä profiili, jolla on kohtauskulma 4/7/2017 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 kitkavastuksen summa 4/7/2017 Erkki Haapanen © Tuulitaito

Valmiita profiiliarvoja, CL(a), CD(a) 4/7/2017 Erkki Haapanen © Tuulitaito

Nostovoimakerroin Kertoimet esitetään eri Reynoldsin luvuille, tyypillisesti: 3 000 000 6 000 000 9 000 000 sekä standardikarheudelle, Tuulivoimalan Re-lukualue Akkulaturit 100 000 Kotivoimalat 250 - 500 000 600 kW 2 000 000 2 MW 4 000 000 4/7/2017 Erkki Haapanen © Tuulitaito

Vastuskerroin 4/7/2017 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 potkurin kehitystyöhön 4/7/2017 Erkki Haapanen © Tuulitaito