بررسي عوامل موثر بر راندمان توربين محور عمودي داريوس به روش آيروديناميكي

Investigation of effective parameters on darrieus wind turbine efficiency with aerodynamics models

توربين داريوس يكي از انواع توربين‌هاي بادي محور عمودي است كه با وجود ساختار ساده، تحليل بسيار پيچيده‌اي دارد. مكانيزم ديناميكي پيچيده جريان در اطراف اين ماشين باعث شده مساله بهينه‌سازي آيروديناميكي آن هنوز يك مساله باز باقي بماند. از طرفي با توجه به تعداد زياد پارامترهاي موثر بر عملكرد توربين، استفاده از حل‌هاي مبتني بر ديناميك سيالات محاسباتي، باوجود دقت بالا، به دليل زمان محاسبات بسيار زياد، به‌ندرت با هدف بهينه‌سازي توربين مورد استفاده قرار مي‌گيرد. لذا در اين مقاله از روش تحليلي چند تيوب جرياني دوگانه براي محاسبه اثر عوامل ضخامت پره، صلبيت، عدد رينولدز، گام زاويه‌اي و ضريب منظري بر راندمان و گشتاور راه‌اندازي توربين استفاده شده است. با توجه به اينكه روش تحليلي چند تيوب جرياني دوگانه، يك روش نيمه تجربي است، ضرايب برآ و پسآي مقاطع مورد استفاده در زواياي حمله مختلف، با استفاده از اطلاعات آزمايشگاهي موجود وارد كد شده است. نتايج نشان مي‌دهد افزايش ضخامت، عدد رينولدز و صلبيت موجب افزايش قابليت خود راه‌اندازي توربين مي‌شود. همچنين افزايش صلبيت موجب كاهش دامنه كاري توربين در سرعت‌هاي مختلف روتور خواهد شد. از طرفي افزايش ضريب منظري منجر به افزايش راندمان به‌خصوص در سرعت چرخش ميانه مي‌شود. همچنين نتايج نشان مي‌دهند كه توربين با صلبيت متغير (توربين با پره منحني) مي‌تواند علاوه بر خود راه‌اندازي بهتر، در دامنه سرعت‌هاي روتور وسيع‌تري مورد استفاده قرار گيرد. اما بررسي پره با ضخامت متغير نشان داد، تغيير ضخامت پروفيل در طول پره، تاثير مثبتي بر خود راه‌انداز بودن توربين ندارد. افزايش گام زاويه‌اي، تاثير مناسبي بر عملكرد دارد. مقايسه نتايج مطالعه حاضر با نتايج تجربي نشان مي‌دهد كد استفاده شده از دقت مناسبي برخوردار است، اما با بالاتر رفتن سرعت دوراني روتور از سرعت دوراني نامي دقت اين روش كاهش مي‌يابد.

Darrieus turbine is a type of vertical axis wind turbine which, unlike itʹs simple structure, makes behavior analysis is a hard computational task. Because of the complex flows around the machines, aerodynamic optimization problem still remains an open question. In this paper, a numerical algorithm based on the Double Multiple Stream tube model is used to calculate the effect of the parameters that influence the efficiency of the Darrieus turbine. This method is a semi-empirical method using lift and drag coefficients obtained from experimental data. Comparison between the results of the present study with the experimental measurements shows that although the developed algorithm gives acceptable results, for higher rotational speeds it achieves nominal rotational velocity, and the model accuracy becomes lower. The aim of this paper is to find optimal conditions, parametrically analyze the effect of blade thickness, solidity, Reynolds number, pitch angle and aspect ratio on turbine efficiency and start. The results show that increasing thickness, Reynolds number and solidity cause an increase in the turbine self-start capability. On the other hand, increasing the solidity of the turbine will reduce working range, and increasing the aspect ratio will increase efficiency, especially at the nominal rotational velocity. The results also show that the designed turbine, having variable solidity, can have the benefits of both low and high solidity turbines simultaneously. But manufacturing variable thickness blades does not have proper justification. Limited increase in pitch angle can also have positive effect on efficiency.