scoala doctorala interdisciplinara departament:inginerie ...old.unitbv.ro/portals/31/sustineri de...

65
1 Investeşte în oameni! FONDUL SOCIAL EUROPEAN Programul Operaţional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007 – 2013 Axa prioritară 1 „Educaţie şi formare profesională în sprijinul creşterii economice şi dezvoltării societăţii bazate pe cunoaştere” Domeniul major de intervenţie 1.5. „Programe doctorale şi post-doctorale în sprijinul cercetării” Titlul proiectului: Burse doctorale si postdoctorale pentru cercetare de excelenta Numărul de identificare al contractului: POSDRU/159/1.5/S/134378 Beneficiar: Universitatea Transilvania din Braşov Partener: Universitatea Transilvania din Brasov Scoala Doctorala Interdisciplinara Departament:Inginerie Mecanică Ing. Raluca Dora IONESCU DESIGNUL ŞI OPTIMIZAREA TURBINELOR EOLIENE CU AX VERTICAL, DE MICĂ PUTERE, IMPLEMENTABILE ÎN MEDIUL URBAN DESIGN AND OPTIMIZATION OF SMALL POWER VERTICAL AXIS WIND TURBINES, IMPLEMENTABLE IN URBAN ENVIRONMENT Conducător ştiinţific Prof.dr.ing. Ioan SZÁVA BRASOV, 2014

Upload: others

Post on 09-Feb-2020

10 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

1

Investeşte în oameni!

FONDUL SOCIAL EUROPEAN

Programul Operaţional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007 – 2013

Axa prioritară 1 „Educaţie şi formare profesională în sprijinul creşterii economice şi dezvoltării societăţii bazate pe cunoaştere”

Domeniul major de intervenţie 1.5. „Programe doctorale şi post-doctorale în sprijinul cercetării”

Titlul proiectului: Burse doctorale si postdoctorale pentru cercetare de excelenta

Numărul de identificare al contractului: POSDRU/159/1.5/S/134378

Beneficiar: Universitatea Transilvania din Braşov

Partener:

Universitatea Transilvania din Brasov

Scoala Doctorala Interdisciplinara

Departament:Inginerie Mecanică

Ing. Raluca Dora IONESCU

DESIGNUL ŞI OPTIMIZAREA TURBINELOR

EOLIENE CU AX VERTICAL, DE MICĂ PUTERE,

IMPLEMENTABILE ÎN MEDIUL URBAN

DESIGN AND OPTIMIZATION OF SMALL POWER

VERTICAL AXIS WIND TURBINES, IMPLEMENTABLE IN

URBAN ENVIRONMENT

Conducător ştiinţific

Prof.dr.ing. Ioan SZÁVA

BRASOV, 2014

2

MINISTERUL EDUCAŢIEI NAŢIONALE

UNIVERSITATEA “TRANSILVANIA” DIN BRAŞOV

BRAŞOV, B-DUL EROILOR NR. 29, 500036, TEL. 0040-268-413000, FAX 0040-268-

410525

RECTORAT

D-lui (D-nei)

..............................................................................................................

COMPONENŢA

Comisiei de doctorat

Numită prin ordinul Rectorului Universităţii „Transilvania” din Braşov

Nr. 6784 din 25.07.2014

PREŞEDINTE: Prof. Dr. Ing. Mircea NĂSTĂSOIU

Universitatea Transilvania din Braşov

CONDUCĂTOR

ŞTIINŢIFIC:

Prof. Dr. Ing. Ioan SZÁVA

Universitatea Transilvania din Braşov

REFERENŢI: Prof. Dr. Ing. Polidor BRATU

Universitatea Dunărea de Jos din Galaţi

Dr. Mat. Cercet.st.gr.I. Veturia CHIROIU

Insitutul de Mecanica Solidelor al Academiei Ro., Bucureşti

Prof. Dr. Ing. Mat. Sorin VLASE

Universitatea Transilvania din Braşov

Data, ora şi locul susţinerii publice a tezei de doctorat: 27.09.2014, ora 1200

,

sala CP8.

Eventualele aprecieri sau observaţii asupra conţinutului lucrării vă rugăm să

le transmiteţi în timp util, pe adresa [email protected]

Totodată vă invităm să luaţi parte la şedinţa publică de susţinere a tezei de

doctorat.

Vă mulţumim.

3

CUPRINS (lb. romana)

Pg.

teza

Pg.

rezumat

LISTA DE NOTAŢII 8 8

LISTA DE ABREVIERI 10 10

INTRODUCERE 12 11

1. STADIUL ACTUAL AL CERCETĂRILOR ÎN DOMENIUL

TURBINELOR EOLIENE CU AX VERTICAL

14 13

1.1 Stadiul actual. Problematică generală. 14 13

1.1.1 Turbinele eoliene. Definire şi rol funcţional 15 13

1.1.2 Tipuri distincte de centrale eoliene 16 14

1.1.3 Turbine eoliene de mică putere implementate în mediul urban 18 16

1.1.4 Componentele turbinei cu ax vertical 20 17

1.1.5 Concluzii asupra stadiului actual – problematică generală 22 18

1.2 Cercetări teoretice. Calcule analitice deosebite 24 21

1.2.1 Modele de calcul 24 21

1.3 Cercetări teoretice. Calcule numeirce deosebite 34 24

1.4 Cercetări experimentale 40 25

1.4.1 Reducerea la scară a unei turbine eoliene 41 25

1.4.2 Alegerea materialelor pentru model 43 25

2. OBIECTIVELE TEZEI DE DOCTORAT 45 27

3. CERCETĂRI ANALITICE PROPRII 46 28

3.1 Determinarea dimensiunilor de bază ale rotorului 48 30

3.2 Determinarea influenţei flapsurilor asupra performanţelor rotorului 50 33

3.2.1. Performanţele profilului NACA0018 51 33

3.2.2. Performanţele profilului NACA0018 cu flapsuri 53 33

3.2.3. Determinarea momentului la noul rotor 55 35

3.3 Concluzii şi contribuţii 57 36

3.3.1. Concluzii 57 36

3.3.2. Contribuţii 58 36

4. CERCETĂRI NUMERICE PROPRII 59 38

4.1 Analiza CFD 2D a profilului aerodinamic şi a rotorului în secţiune

ecuatorială (3 pale)

60 38

4.1.1. Analiza profilului NACA0018 64 38

4.1.2. Analiza 2D a rotorului cu 3 pale la nivelul planului ecuatorial 68 39

4

4.2 Analiza modală şi fluid-structură a turbinei 3D 70 39

4.2.1. Model virtual rotor 72 39

4.2.2. Definirea materialului pentru pale 75 39

4.2.3. Analiza modală 77 40

4.2.4. Analiza CFD 87 44

4.2.5. Analiza structurală statică 91 45

4.2.6. Analiza structurală tranzitorie - dinamică 94 46

4.2.7. Analiza modală – structurală în stare dezechilibrată 96 46

4.2.8. Analiza vibraţiilor torsionale 99 46

4.2.9. Analiza modală şi structurală prototip 103 47

4.3 Concluzii şi contribuţii 107 47

4.3.1. Concluzii 107 47

4.3.2. Contribuţii 108 47

5. CERCETĂRI EXPERIMENTALE PROPRII 109 49

5.1 Consideraţii privind metodele experimentale implicate în efectuarea

măsurătorilor

109 49

5.1.1. Aspecte generale 109 49

5.1.2. Video Image Correlation (VIC) 111 49

5.1.3. ESPI-Shearography 114 50

5.1.4. Analiza dimensională, instrument de facilitare a măsurătorilor 117 52

5.1.5. Concluzii privind eficienţa metodelor experimentale propuse 119 52

5.2 Strategia privind efectuarea unor teste de validare ale simulărilor

numerice

120

53

5.2.1. Teste privind efectul forţelor inerţiale asupra stării de solicitare a

palelor

122 53

5.2.2. Teste privind funcţionarea turbinelor în tunele aerodinamice 128 54

5.3 Realizarea prototipului 130 54

5.4 Concluzii şi contribuţii 132 55

5.4.1. Concluzii 133 55

5.4.2. Contribuţii 129 55

6. SOLUŢII INOVATIVE REZULTATE ÎN URMA

CERCETĂRILOR TEORETICE ŞI EXPERIMENTALE

130 56

7. CONCLUZII FINALE ŞI PERSPECTIVE 131 57

7.1 Concluziile autoarei la problematica studiată 131 57

7.2 Contribuţiile autoarei la problematica studiată 132 57

7.3 Diseminarea rezultatelor 133 57

5

7.4 Perspective de utilizare a rezultatelor obţinute 133 57

BIBLIOGRAFIE 134 59

ANEXE

Scurt Rezumat (romana/engleza) - 61

CV - 62

6

CUPRINS (lb. engleza)

Pg.

teza

Pg.

rezumat

NOTATIONS 8 8

ABBREVIATIONS 10 10

INTRODUCTION 12 11

1. THE STATE OF THE ART REGARDING THE RESEARCH IN

VERTICAL AXIS WIND TURBINES

14 13

1.1 State of the art. General aspects. 14 13

1.1.1 Wind turbines. Definition and role 15 13

1.1.2 Distinct types of wind turbines 16 14

1.1.3 Small power wind turbines implemented in urban environment 18 16

1.1.4 Vertical axis wind turbines components 20 17

1.1.5 Conclusions regarding the state of the art 22 18

1.2 Theoretical research. Special analythical calculus 24 21

1.2.1 Calculus models 24 21

1.3 Theoretical research. Special numerical calculus 34 24

1.4 Experimental research 40 25

1.4.1 Scaling of a wind turbine 41 25

1.4.2 Choosing the materials for the model 43 25

2. THESIS OBJECTIVES 45 27

3. PERSONAL ANALYTHICAL RESEARCH 46 28

3.1 Defining the rotor main dimensions 48 30

3.2 Defining the flaps influence on rotor performance 50 33

3.2.1. NACA0018 airfoil performance 51 33

3.2.2. NACA0018 with flapsuri 53 33

3.2.3. Establishing the rotor shaft torque 55 35

3.3 Conclusions and contributions 57 36

3.3.1. Conclusions 57 36

3.3.2. Contributions 58 36

4. PERSONAL NUMERICAL RESEARCH 59 38

4.1 CFD 2D analysis of the aerodynamic profileand of the rotor at

equator

60 38

4.1.1. NACA0018 profile analysis 64 38

4.1.2. 2D analysis of the rotor 68 39

4.2 Modal analysis and Fluid-structure-interraction 3D rotor 70 39

4.2.1. Rotor virtual model 72 39

7

4.2.2. Material for the blades 75 39

4.2.3. Modal analysis 77 40

4.2.4. CFD analysis 87 44

4.2.5. Static structural analysis 91 45

4.2.6. Transient structural analysis 94 46

4.2.7. Modal – structural analysis – unbalanced rotor 96 46

4.2.8. Torsional vibrations analysis 99 46

4.2.9. Modal and structural analysis of te prototype 103 47

4.3 Conclusions and contributions 107 47

4.3.1. Conclusions 107 47

4.3.2. Contributions 108 47

5. EXPERIMENTAL RESEARCH 109 49

5.1 About experimental methods used in measurements 109 49

5.1.1. General aspects 109 49

5.1.2. Video Image Correlation (VIC) 111 49

5.1.3. ESPI-Shearography 114 50

5.1.4. Dimensional analysis 117 52

5.1.5. Conclusions regarding the experimental methods efficiency 119 52

5.2 Numerical simulations testing validation strategy 120

53

5.2.1. Testing regarding the inertial forces on the blades structure 122 53

5.2.2. testing regarding turbine functioing in wind tunnels 128 54

5.3 Prototype manufacturing 130 54

5.4 Conclusoins and contributions 132 55

5.4.1. Conclusions 133 55

5.4.2. Contributions 129 55

6. INNOVATIVE SOLUTIONS BASED ON EXPERIMENTAL

TESTING

130 56

7. FINAL CONCLUSIONS AND PERSPECTIVES 131 57

7.1 Author conclusions regarding the theme 131 57

7.2 Author contributions regarding the theme 132 57

7.3 Dissemination of results 133 57

7.4 Further research 133 57

BIBLIOGRAPHY 134 59

Short abstract (romana/engleza) - 61

CV - 62

Listă de notaţii

8

LISTĂ DE NOTAŢII

A Arie rotor măturată de vânt (rotor swept area) [m2]

AR l/c raportul de formă al palei -

B Număr pale rotor -

c Lungimea corzii palei [m]

CD Coeficientul de rezistenţă aerodinamică (drag coefficent) -

CD0 Coeficientul de rezistenţă aerodinamică la portanţă nulă -

CL Coeficientul de portanţă -

CM Coeficientul de moment -

CN Coeficient normal -

CP Coeficientul de putere -

CT Coeficientul tangenţial -

D Diametru rotor [m]

DA Rezistenţa aerodinamică [N]

FN Forţa normală relativă la linia corzii [N]

FT Forţa tangenţială relativă la linia corzii [N]

H Înălţime rotor; [m]

Htotal Înălţime rotor = H; utilizat pentru desemnarea înălţimii totale a rotorului [m]

Hturb Înălţimea rotorului secţionat [m]

Hc Înălţime clădire [m]

l Lungimea palei [m]

L Portanţa [N]

L Lungimea palei [m]

P Putere la axul rotorului [W]

Pel Putere electrică [W]

M Moment (torque) [Nm]

n Raportul între raza prototipului şi cea a modelului real 1:1 [-]

NP Număr pale -

r Rază rotor [m]

R Rază rotor ecuator [m]

Rmax Rază rotor ecuator, utilizat în calculul ariei rotorului secţionat [m]

Re Numărul Reynolds -

t Grosimea palei [m]

V0 Viteza vântului nedisturbat (free stream velocity) [m/s]

W Viteza relativă medie a profilului [m/s]

x Coeficientul de viteză periferică (λ) -

x’ Coordonata în lungul palei la punctul de grosime maximă [m]

α Unghiul de icidență / atac al fluxului pe pală [rad] sau [o]

β D/H

η Forma palei -

ζ z/H; Înălţimea adimensională -

λ Coeficientul de viteză periferică (x) -

ρ Densitatea aerului [kg/m3]

Listă de notaţii

9

σ Soliditatea rotorului (= B*c/D) -

θ Unghiul azimutal al palei turbinei [o]

δ Unghiul pantei palei [o]

ν Vâscozitatea cinematică [m2/s]

ω Viteza unghiulară [rad/s]

Listă de abrevieri

10

LISTĂ DE ABREVIERI

BAWT Building Augumented Wind Turbines (turbine integrate în clădiri)

BEM Blade element momentum

CAD Computer Aided Design (Proiectare virtuală)

CAE Computer Aided Engineering (Calcule inginereşti avansate pe platformă virtuală)

CFD Computational Fluid Dynamics (Analiza virtuală fluido-dinamică)

DMS Double disk – multiple stream tubes

FEA Finite Elements Analysis (Analiza cu elemente finite)

HAWT Horizontal Axis Wind Turbine – Turbină eoliană cu ax orizontal

VAWT Vertical Axis Wind Turbine – Turbină eoliană cu ax vertical

Introducere

11

INTRODUCERE

La nivel global, una din principalele direcţii de cercetare este aceea a reducerii consumului

de energie şi a eficientizării energetice. În acest context, Energiile Regenerabile sunt o soluţie

din ce în ce mai căutată şi care face deja parte din axele prioritare de cercetare şi dezvoltare a

proiectelor la nivel global, cu scopul de reducere a consumului energetic pentru următorii ani şi

creştere a gradului de utilizare a surselor de energii regenerabile. Energia Eoliană este una dintre

principalele surse de Energie Regenerabilă.

Energia eoliană este transformată în energie electrică prin intermediul Turbinelor Eoliene.

Majoritatea turbinelor sunt de mari dimaniuni, poziţionate pe uscat sau în largul mării. Una din

direcţiile de cercetare actuale este în domeniul turbinlor eoliene de mică putere, care oferă

posibilitatea producerii energiei electrice aproape de locul de utilizare.

Astfel, obiectul cercetării acestei teze este creşterea eficienţei de conversie şi reducerea

încărcărilor structurale pentru o turbină eoliană cu ax vertical de mică putere. În optimizarea

designului, printre aspectele abordate se pot enumera: forma şi dimensiunile rotorului, soliditatea

rotorului, reducerea vibraţiilor prin elemente elastice, întroducerea elementelor cu geometrie

variabilă. În vederea atingerii obiectivelor tezei, s-a formulat tematica capitolelor prezentate în

teză:

Capitolul 1: este destinat prezentării succinte a stadiului actual al cercetării în domeniul

turbinelor eoliene cu ax vertical, având ca finalitate formularea obiectivelor tezei.

Capitolul 2: Obiectivele tezei

Capitolul 3: este destinat cercetărilor analitice proprii bazate pe modelele teoretice

existente. Astfel s-au studiat atât proprietăţile profileor aerodinamice, cât şi s-a făcut

predimensionare noului rotor.

Capitolul 4: sunt prezentate cercetările numerice proprii, care au la bază simulări complexe

pe platformă virtuală. Scopul este de a obţine rezultate cât mai corecte referitoare la solicitările

apărute în structură în timpul funcţionării.

Capitolul 5: prezintă testările experimentale şi analiza rezultatelor.

Capitolul 6: se referă la soluţiile inovative rezultate în urma cercetărilor.

Capitolul 7: este destinat concluziilor finale şi contribuţiilor originale.

Această cercetare oferă mai multe perspective în ceea ce priveşte fructificarea rezultatelor

teoretice şi experimentale obţinute (prin contracte de cercetare, colaborări cu colaborări cu

instituţii şi universităţi din ţară şi străinătate, constituirea unui grup /unui nucleu/ de cercetare pe

această tematică pentu optimizări ulterioare ale turbinelor cu ax vertical etc.).

Introducere

12

***

Doresc să mulţumesc mult conducătorului de doctorat, domnului Profesor Ioan Száva,

care m-a îndrumat şi m-a sprijinit atât tehnic cât şi moral în tot acest parcurs al tezei.

De asemenea, mulţumesc ColectivuluiDepartamentului, care prin sugestii şi sfaturi au

contribuit la elaborarea unei strategii mai eficiente privind investigaţiile teorietice şi

experimentale. Sincere mulţumiri îi revin Dlui Prof. Sorin Vlase, care printr-o urmărire continuă

a activităţii şi prin sugestii deosebit de pertinente a asigurat efectuarea cercetărilor teoretice şi

experimentale.

Multe mulţumiri adresez referenţilor oficiali, Dnei Dr.Mat.Cercet.St.Gr.I Veturia Chiroiu,

Dlui Prof.Dr.Ing. Polidor Bratu şi Dlui Prof.Dr.Ing.Mat. Sorin Vlase pentru sfaturi şi

îndrumări, precum şi pentru răbdarea cu care au efectuat parcurgerea lucrării, iar prin

sugestiile oferite au contribuit la obţinerea unei teze cu un aport semnificativ la problematica

abordată.

Adresez mulţumiri şi Dlui Prof.Dr.Ing. Călin-Ioan Roşca, Decanului Facultăţii de

Inginerie Mecanică, care a facilitat realizarea tezei, precum şi pentru sfaturile şi sugestiile

oferite.

Multe mulţumiri Dlui Dr.Ing. Péter Dani, pentru ajutorul oferit în realizarea comenzii

electronice a sistemului de antrenare al turbinei montat pe stand.

De asmenea, mulţumesc Dlui Dr.Ing. Botond-Pál Gálfi, pentru ajutorul oferit în pregătirea

şi realizarea investigaţiilor experimentale, precum şi în prelucrarea datelor obţinute cu sistemul

VIC-3D.

Mulţumesc colegilor şi profesorilor de la Universitatea din Trento pentru ajutorul oferit şi

sfaturile valoroase.

Companiei ITI pentru software-ul Simulation X, care a permis o abordare modernă şi de

mare eficienţă.

Nu în ultimul rând doresc să mulţumesc familiei mele şi lui Luca, care au fost alături de

mine în tot acest parcurs, pentru toate sfaturile, sprijinul şi răbdarea lor.

1. Stadiul actual

13

1. STADIUL ACTUAL AL CERCETARILOR ÎN DOMENIUL

TURBINELOR EOLIENE CU AX VERTICAL

Teza are ca domeniu de studiu conversia energiei eoliene în mediul construit. Pornind de la

rezultatele amănunţite ale studiilor efectuate în ultimii ani - care urmăresc determinarea

eficienţei turbinelor în mediul construit, a particularităţilor de design şi ale impactului pe care îl

are rugozitatea crescută a terenului asupra curgerii aerului – se propun noi soluţii de design a

structurii turbinelor eoliene cu ax vertical destinate implementării urbane.

Studiul stadiului actual are scopul de a prezenta ceea ce a fost deja dezvoltat ca modelare

numerică şi ceea ce a fost deja creat în domeniu ca soluţie tehnică, reprezentând punctul de

plecare al cercetării tezei. De asemenea, este o etapă obligatorie, care ajută la definirea

obiectivelor tezei şi la depistarea problemelor încă nerezolvate în domeniul turbinelor eoliene de

mică putere, cu ax vertical. Ajută la găsirea aspectelor care pot fi îmbunătăţite şi la nişa care ar

putea răspunde unor probleme încă nerezolvate, cerute de piaţa în domeniu.

În prima parte sunt analizate conceptele de baza ale teoriei, şi se face o clasificare a

solutiilor existente, a componentelor şi a problemelor ridicate de mediul de implementare.

În a doua parte sunt abordate aspectele teoretice (calcule numerice şi analitice). Astfel, se

prezintă parametrii de design, teoriile, metodele de calcul şi de simulare care au fost utilizate,

caracteristici turbinelor eoliene cu ax vertical, care reprezintă obiectul cercetării în această teză.

A treia parte prezintă stadiul actual si metodologia de testare experimentală. Subcapitolul

tratează, atât metodele de reducere la scară ale prototipului testat, cât şi metodele de testare,

echipamentul necesar, pregatirea standului şi prelevarea şi interpretarea datelor.

1.1. STADIUL ACTUAL. PROBLEMATICĂ GENERALĂ

1.1.1. Turbinele eoliene. Definire şi rol funcţional

Turbinele eoliene sunt sisteme care transformă energia cinetică preluată de la vânt în

energie mecanică – prin intermediul palelor. Energia mecanică este la rândul ei transformată în

energie electrică – prin intermediul unui generator electric. Astfel, funcţionalitatea principală a

unei turbine eoliene este aceea de a produce energie electrică. Pornind de la această idee, deci

putem spune că, turbinele eoliene pot fi utilizate de sine stătătoare sau în sisteme hibride

împreuna cu orice altă sursă de energie electrică, cum ar fi: panouri solare fotovoltaice, micro-

hidroturbine etc.

Turbinele eoliene pot fi împărţite în două mari categorii, în funcţie de orientarea axului

rotorului: cu ax vertical şi cu ax orizontal. Pe piaţă, o mai mare popularitate o au cele cu ax

orizontal, toate arătând similar, imaginea generică a unei turbine eoliene fiind aceea cu un rotor

având trei pale, axul dispus de-alungul fluxului de aer. Acest design este potrivit pentru zonele

deschise, rurale. Când vine însă vorba de implementarea în mediul urban, acestea trebuiesc

poziţionate altfel, iar designul rotorului trebuie gândit cu atenţie. În ultimii ani, s-a acordat o

atenţie crescută soluţiilor cu ax vertical, deoarece au dovedit performanţe mai bune pentru

implementarea în mediul construit.

1. Stadiul actual

14

Fig.1.1 Structura generala a unei turbine eoliene (a. Ax orizontal, b. Ax vertical) [75]

În această lucrare, se urmăreşte dezvoltarea unei noi turbine eoliene cu ax vertical,

destinate implementării în mediul urban. În consecinţă, în următoarele capitole se vor prezenta în

detaliu turbinele cu ax vertical, de la construcţia generală, până la soluţii constructive pe

componente, cât şi soluţiile existente pe piaţă şi eficienţa acestora.

1.1.2. Tipuri distincte de centrale eoliene

În continuare vor fi prezentate pe scurt caracteristicile turbinelor cu ax vertical în funcţie

de principiul de funcţionare - deoarece acesta are o mare influenţăa asupra eficienţei conversiei.

După prezentarea generală a tipurilor, se va trece la o analiză a turbinelor existente, punându-se

accentul pe turbinele de mică putere, cu ax vertical, implementate in mediul urban. Astfel, se

determină problemele întâlnite în implementarea acestora, soluţiile găsite de producători, cât şi

aspectele încă nerezolvate în acest domeniu.

Turbinele cu ax vertical sunt caracterizate printr-un ax de rotaţie poziţionat vertical.

Acestea nu necesită un sistem de orientare faţă de direcţia vântului, putând prelua vântul din

orice direcţie, iar inerţia de răspuns la schimbările bruşte de vânt este mică. Turbinele cu ax

vertical au de asemenea o bună performanţă în curgerea turbulentă.

Există două tipuri principale de turbine eoliene cu ax vertical, in funcţie de principiul de

funcţionare:

a) Savonius:

Acest design este bazat pe principiul rezistenţei aerodinamice (drag-type) – vântul

“împinge” palele de forma unor cupe, ceea ce implică limitări ale vitezei maxime de rotire

posibile, care este întotdeauna egală sau mai mică decât viteza vântului.

Aceste turbine au fost studiate, iar în literatură întâlnim numeroase articole care prezintă

soluţii tehnice ale conceptului de bază şi performanţele acestora. Ceea ce s-a urmărit în cercetare

a fost obţinerea unui coeficient de putere mai bun, deci a unei performanţe crescute. Se poate

reţine din aceste studii [20] faptul ca s-au obţinut rezultate mult mai bune la configuraţiile cu 2 si

3 pale, iar creşterea numărului de pale are ca efect scăderea performanţei. Astfel, cel mai bun CP

a fost înregistrat la configuraţia cu 2 pale: 0.25, în schimb cea cu 3 pale ajunge numai la 0.16. În

[97] este studiată şi influenţa numărului de rotoare (stages), astfel se arată că un Cp mai mare se

obţine la un rotor simplu (Cp = 0.14 la 6 m/s), faţă de varianta cu 3 rotoare (Cp = 0.08, la 6 m/s).

1. Stadiul actual

15

Mertens [1], arată că dacă neglijăm rezistenţa aerodinamică a palei care se mişcă în contra

vântului (Cd,l), atunci putem afla coeficientul maxim de putere al unei astfel de configuraţii, în

funcţie de raportul dintre viteza palei şi cea a curentului de aer (λ – Tip speed ratio – TSR).

Putem obţine coeficientul maxim, λopt = 1/3, astfel: .

Rezultă că acest design de rotor - Savonius - poate converti, la nivelul rotorului, în putere

mecanică, maximum 11% din puterea aflată în fluxul nedisturbat de aer.

În lucrarea sa [19], Mertens încadrează varianta cu palele suprapuse elicoidale într-o

categorie aparte, de turbine hibride de tip Savonius. Acestea folosesc, atât cuplul aerodinamic,

cât şi forţa de aspiraţie (apărută prin utilizarea palelor elicoidale şi a spaţiului interior dintre

acestea), care conferă o creştere a coeficientului maxim de putere. In Fig.1.2 este reprezentată o

astfel de configuraţie. S-a constatat că, coeficientul maxim de putere, la o distanţă de g/Dt – 0.10

– 0.15 şi λopt ≈ 0.9, are valoarea de: .

Fig.1.2 Turbina Savonius hibrida [19]

b) Darrieus: are la bază principiul portanţei (lift-type), palele având profil aerodinamic,

deci fac posibilă rotirea rotorului cu o viteză mai mare decât cea a vântului. Turbinele

cu ax vertical, bazate pe principiul portanţei, pot fi la rândul lor împărţite în mai multe

soluţii constructive:

- Darrieus clasic: este cel mai întâlnit design de turbină Darrieus. Principalul avantaj al

acesteia este forma palelor – Troposkein ideală – care induce încărcări minime pe pale

şi deci, pe structură. Ca variante, palele pot avea forme similare, simplificate: de forma

unei parabole, a doua drepte şi un arc de cerc. Este unită direct la capete de axul

turbinei şi poate avea sau nu bare intermediare de susţinere, funcţie de dimensiunile

rotorului. Forma generică este aceea a unei “pale de mixer”. [20]

- Giromill: este o turbină cu palele drepte, articulate astfel încât să maximizeze energia

extrasă din vânt, menţinând curgerea aerului deasupra palei constantă în timpul rotaţiei

rotorului [20].

- H-Darrieus: este o variantă a designnului clasic, care are palele paralele cu axul

turbinei, diametrul rotorului rămânând constant de-alungul întregii inălţimi. Palele sunt

legate în mijloc sau la capete de axul turbinei.

- Darrieus sau H-Darieus cu Pale elicoidale: palele sunt rotite cu un anumit unghi (de

regula 60 grade), astfel încât să asigure un moment cât mai uniform în timpul rotaţiei

1. Stadiul actual

16

Fig.1.4. Exemplu de

VAWT implementat în

mediul urban [134]

Fig. 1.3 Cele două tipuri de turbine VAWT cu variantele constructuve

a) Savonius, b) Darrieus clasic c) H-Darrieus, d) Helical Darrieus, [13]

În [19], conform teoremei lui Bernoulli, Mertens arată că, pentru un design de rotor bazat

pe principiul portanţei, coeficientul maxim de putere are valoare de 0.59. În realitate însă, trebuie

înţeles că nu se atinge acest coeficient de putere. Cu toate acestea, din punctul de vedere al

coeficientului de putere, designul bazat pe principiul portanţei este indiscutabil cel care oferă

posibilitatea de a atinge un Cp cat mai aproape de această limită. Pe acest principiu se bazează

atât designul turbinelor cu ax orizontal, cât şi varainta de turbine eoliene cu ax vertical, Darrieus.

Când vine însă vorba de turbinele eoliene cu ax vertical, Darrieus, de mică putere,

destinate mediului urban, trebuie luată în considerare şi una dintre cele mai importante probleme

ale acestui design: incapacitatea de a porni singură la viteze mici ale vântului. Astfel, devine

necesară gândirea unei soluţii care să rezolve acest inconvenient. Produsele aflate pe piaţă, cât şi

conceptele patentate oferă următoarele soluţii:

- utilizarea generatorului ca motor,

- orientarea palelor sau a unei porţiuni din pale perpendicular pe direcţia vântului pentru

a utiliza componenta de rezistenţă aerodinamică (ca o pala de tip Savonius).

- combinarea unui rotor Darrieus cu unul mai mic de tip Savonius – soluţie hibridă.

- Pale elicoidale (pe principiul turbinei de apa Gorlov).

- Utilizarea unui profil aerodinamic asimetric cu o curbură mică (camber maxim 3%)

1.1.3. Turbine eoliene de mică putere implementate în mediul urban

În mediul urban, datorită particulatităţilor ridicate de acesta,

designul turbinelor eoliene trebuie atent adaptat. Astfel, pornind de

la tipurle de turbie prezentate mai înainte, au fost proiectate şi

implementate o serie de turbine eoliene care din start corespund

unui set minimal de cerinţe: să poată funcţiona în condiţii de vânt

turbulent, să pornească la viteze mici ale vântului, să fie silenţioase,

nivelul vibraţiilor să fie cât mai scăzut şi să nu dăuneze structurii pe

care este montată turbina, să fie de mică putere, să se integreze

armonios în mediu, iar curba de putere reală să fie cât mai aproape

de curba de putere teoretica. Astfel, în ultimii ani au aparut pe piaţă

un numar tot mai mare de centrale destinate mediului urban.

Una din principalele probleme ale turbinelor cu ax vertical

(VAWT) bazate pe principiul portanţei este slaba lor abilitate de

autopornire la viteze mici ale vântului. Aceasta este in primul rand datorată valorilor Re foarte

mici corespunzătoare designului palei [56].

1. Stadiul actual

17

1.1.4. Componentele turbinei cu ax vertical

În acest subcapitol s-a realizat o sinteză a solutiilor întâlnite în industria turbinelor eoliene

cu ax vertical şi care pot fi aplicate în cazul variantelor implementate în mediul urban.

Fig. 1.5. Schema componentelor unei turbine VAWT

1. Stadiul actual

18

În ceea ce priveşte rotorul, acesta poate fi de tip Savonius sau de tip Darrieus, cu pale

drepte sau elicoidale. Un parametru important este numărul de pale – în mediul urban cele mai

întâlnite variante sunt cele cu 3 pale.

Profilul aerodinamic al turbinelor de tip Darrieus are o mare importanţă în performanţa

turbinelor eoliene, influenţând, atât puterea obţinută, cât şi capacitatea de autopornire. Profilul

standard pentru o turbina de tip Darrieus este unul simetric (de exemplu NACA00XX). Mai

multe teste au fost întreprinse de laboratoarele SANDIA pentru o turbina Darrieus de 2 m cu

profil NACA0012 [58]. Alte studii au investigat performanţele obţinute cu profilul NACA0018

[59, 60]. A fost demonstrat că, în cazul VAWT este preferabil să avem profile mai groase, cu o

rază a bordului de atac mai mare [60]. Rezultă că sunt recomandate profilele NACA0018 şi

NACA0021 [61].

În ultimul timp, multe dintre designurile de turbine comerciale H-Darrieus (ex. UGE)

utilizează profile aerodinamice curbate (datorita portanţei ridicate), cuplate cu pale elicoidale. În

acest mod cresc abilitatea de autopornire şi ajută la reducerea încărcărilor (îmbunătăţiri propuse

de Claessens la turbina Turby a TU Delft) [8, 62]

Cu scopul de a îmbunătăţi performanţele profilului aerodinamic, în ultimii ani au fost

implementate soluţii preluate din industria aeronautică. Elementele adiţionale ale profilului

aerodinamic pot fi active (Flapsuri, voleţi) sau soluţii pasive (generatoare de vârtejuri, voleţi

ficşi, flapsuri Gurney).

Fig.1.6. Exemplu de rotor VAWT cu elemente mobile de tip flapsuri [65, 68]

In studiul sau [70], Paul Veers investigheaza solutia unui rotor cu pale deformabile, care in

functie de viteza de rotatie isi schimba geometria (i.e. raportul H/D). Astfel, a obtinut o turbina

care lucreaza la un coeficient de putere maxim pe o plaja mai mare de λ

1.1.5. Concluzii asupra stadiului actual - problematică generală

In acest capitol au fost prezentate caracteristicile generale ale turbinelor cu ax vertical,

punandu-se accentul pe solutiile destinate implementarii mediului urban. In urma studiului s-au

desprins o serie concluzii:

C.1. : Dintre variantele de turbine eoliene de mică putere, implementabile în mediul

urban, cele cu ax vertical se dovedesc a fi mai potrivite, datorită abilităţii acestora

de a capta vântul din toate direcţiile, de a funcţiona în condiţii de turbulenţe si

permit accesul mai uşor la ansamblul sistemului de control – electric.

1. Stadiul actual

19

C.2. O mare influenţă asupra performanţelor turbinelor eoliene de mică putere, cu ax

vertical, o au atât forma palelor şi aria măturată, cât şi profilul aerodinamic ales.

C.3. Principalele probleme ridicate de implementarea în mediul construit sunt:

a. Efectul clădirilor asupra resursei eoliene (curgere înclinată, raportul

Warwick)

b. Dimensiunea rotorului funcţie de dimensiunea clădirii

c. Vibraţii, zgomot, solicitările structurii

C.4. Metodele de creştere ale performanţelor turbinelor de tip Darrieus clasic se

concentrează în primul rând pe:

a. creşterea coeficientului de putere CP

- Prin mărirea raportului H/D (deci prin alungirea rotorului)

- Prin schimbarea profilului aerodinamic

- Prin schimbarea geometriei palei

- Prin introducerea elementelor de geometrie variabilă

b. Influenţa numărului de pale

c. Influenţa grosimii palei (coarda)

d. Influenţa profilului aerodinamic

e. Varierea profilului aerodinamic

f. Creşterea CP la valori λ mai mici (λ=3 – 4)

C.5. Metodele de reducere ale încărcărilor structurale

a. Profil aerodinamic

b. Sistem de amortizare (elemente elastice, generator asincron)

c. Elemente mobile (flapsuri, voleţi)

C.6. Metodele pentru facilitarea auto-pornirii pot fi grupate pe următoarele trei

categorii sau domenii: aerodinamic, materiale şi mecanic.

C.7. Din punct de vedere aerodinamic sunt:

a. Profil aerodinamic (simetric sau curbat)

b. Număr mai mare de pale

c. Elemente mobile (flapsuri, voleţi)

d. Creşterea solidităţii: prin mărirea numărului de pale sau a lungimii corzii

e. Elemente pasive (voleţi ficşi, generatoare de vârtejuri, flapsuri Gurney etc)

f. Soluţii hibride (cuplare cu rotor Savonius)

g. Soluţii întâlnite la alte turbine (HAWT şi H-Darrieus)

h. Creşterea numărului Reynolds

Din punct de vedere mecanic sunt:

a. Soluţii externe (utilizarea generatorului ca motor)

b. Utilizarea elementelor de tip flapsuri în sistemul de frână aerodinamică

c. Elemente elastice

Din punct de vedere al materialelor sunt:

a. Materiale utilizate cât mai uşoare

1. Stadiul actual

20

Considerând aspectele enumerate anterior, avem ca premise pentru noul design:

Cerinte rezultate in urma:

Studiului recomandarilor din rapoarte

si carti

Segmentului de piata careia se

adreseaza noul design

Cerinte inca nerezolvate de turbinele

existente

Ax vertical;

Funcţionare în condiţii de turbulenţe;

De mică putere: 500 W > P < 2500 W;

Dimensiunile de gabarit: D<2.5 m, H<2

m, H/D >= 1;

1.6<λ <2, Soliditate: 0.3% – 0.6 %, Re >

300.000;

Cut-in (design) < 3 m/s;

3 pale;

Viteza nominală: 11 m/s;

Putere nominală: 1.5 – 2 kW, Cp max >

0.35;

Viteza variabilă;

Profil aerodinamic, asimetric, curbura <4

Curba de putere cât mai largă;

Annual Energy Output: 2 kWh la 5 m/s

viteza medie;

Sistem de amortizare vibraţii, Zgomot

redus, Vibraţii reduse;

Materiale uşoare;

Reducerea complexităţii sistemului;

Sistemul de control: obiectivul final al

turbinei este posibilitatea de legare la

reţea;

Elemente care reduc vibraţiile pentru

turbinele amplasate pe clădiri;

Pornirea la viteze mici ale vantului;

Turbină eoliană destinata implementării

urbane care să fie eficientă la viteze mici

ale vantului (mai mici de 3 m/s);

Scăderea incărcarilor, a vibaţiilor şi a

zgomotului;

Cp>0.35 la λ<2 si Re=200.000 – 300.000

Zgomot redus;

Modul de amplasare;

Siguranţa la viteze mari ale vântului;

Elemente care cresc portanţa şi întârzie

desprinderea stratului limită la turbinele de

tip Darrieus clasic (cu profil Troposkein);

Integrarea armonioasă în mediul construit

Functionarea la TSR mic;

Facilitarea pornirii unei turbine Darrieus

clasic (tip batator de ou);

Tabel.1.1. Cerinţele noului design

1. Stadiul actual

21

1.2. CERCETĂRI TEORETICE. CALCULE ANALITICE DEOSEBITE.

Acest subcapitol prezintă o abordare generală a modelelor teoretice aplicate în modelarea

turbinelor cu ax vertical, VAWT. Se porneşte de la o trecere în revistă a modelelor, dupa care se

alege un model simplificat de calcul şi un model complex. Modelele teoretice aplicate turbinelor

eoliene cu ax vertical se împart în două categorii majore. Modelul matematic aplicat turbinelor

de tip Savonius şi modelul teoretic aplicat turbinelor de tip Darrieus.

Cum obiectivul tezei este acela de a dezvolta o turbină eoliană de tip Darrieus, în

continuare vor fi prezentate modelele din literatura care au fost utilizate în modelarea analitică a

turbinei. Modelul simplificat, dezvoltat iniţial de Strickland şi continuat de Wilson-Lissaman

[24] – Un sigur disc şi tuburi multiple de curent - are rolul de a studia influenţa diferiţilor

parametrii de design şi de a ajuta la o predimensionare aproximativă a modelului. Modelul

complex, dezvoltat de Paraschivoiu [20] – Două discuri în tandem şi tuburi multiple de curent -

este o rafinare a modelului simplificat, prin care putem varia o serie mai mare de parametrii, iar

sensibilitatea la schimbarea parametrilor este mai mare. Ambele modele de calcul sunt validate

utilizând date experimentale furnizate de laboratoarele Sandia petru modelul de Darrieus clasic,

de 2m.

Scopul acestei etape este acela de a stabili cât mai corect performanţele diferitelor

configuraţii de rotoare şi de a permite modificarea datelor de intrare astfel încât să aducem

designul turbinei la parametrii doriţi. Este o soluţie pentru o predimensionare – optimizare

rapidă, prin care se elimină din start variantele cu performanţe scăzute. Trebuie ţinut cont şi de

faptul că, nici unul dintre aceste modele nu asigură funcţionarea la parametrii de design finali ai

turbinei, în condiţiile reale de exploatare. De aceea se recomandă ca după definirea designului

prin metode analitice, să se treacă la modelarea CAD 3D a acestuia şi să se urmeze simulări mai

laborioase dar mai exacte, prin intermediul metodelor CFD (Computational Fluid Dynamics) şi a

simulărilor virtuale de tip CAE, iar în paralel, testarea unui prototip la scară.

1.2.1. Modele de calcul.

In calculul turbinelor de tip Darrieus s-au ales ca modele pentru predimensionare si

optimizare initiala doua metode – una simplificata si una complexa, care au la baza teoria

momentului elementului de pala (Blade Element Momentum theory - BEM):

a. Metoda simplificata: Metoda turburilor multiple de curent cu un singur disc actuator

(single actuator multiple streamtubes) [19, 20]

b. Metoda complexa: Metoda tuburilor de curent multiple cu discuri in tandem (double

actuator multiple streamtubes) [19, 20]

Metodele tuburilor de curent sunt construite pe principiul conservării momentului într-un

flux semi-constant, egalând forţele de pe palele turbinei cu schimbările în momentul aflat de-

alungul fluxului, prin turbină [16]. Astfel, se presupune că o serie de tuburi de curent, egale,

străbat rotorul, iar pentru fiecare în parte momentul de-alungul fluxului egalează forţele de pe

pale pe direcţia fluxului.

Modelul cu un singur disc – care înlocuieşte rotorul într-o secţiune perpendiculară pe

direcţia fluxului – consideră vitezele induse ca fiind constante.

1. Stadiul actual

22

Teoria elementului de pala (BEM) consideră rotorul împărţit în elemente de pală, tratate

independent, obţinute prin intersectarea rotorului cu planuri paralele, orizontale, conţinute în

tubul de curent. Pentru fiecare element de pală se calculează forţele care acţionează.

Fig 1.7. Comparaţie a metodelor de analiză care au la bază teoria BEM

Fig.1.8. Reprezentare a triunghiurilor de viteze

şi a forţelor aerodinamice

Fig.1.9. Componente geometrice profil pală.

a. Metoda simplificată a tubului de curent multiplu cu un singur disc [114, 20, 19]

Puterea mecanică la nivelul axului rotorului se calculează după formula:

(2.1)

Se observa ca parametrii la care se poate interveni sunt: .

Aria măturată a rototului, A, este dependentă de înălțimea a rotorului și de raza a

turbinei, iar pentru geometria parabolei este de forma [16]:

(2.4)

Fig.1.10. Tubul de curent singular si planul discului care conține aria măturată a turbinei –

independentă de numărul de pale

1. Stadiul actual

23

Fig.1.11. Schemă a paramerilor de

care depinde CP

Calculul coeficientului de putere :

Coeficientul de putere al turbinei este o expresie a cantitatii de putere extrasa din totalul de

putere disponibila [20].

In [3] acesta este exprimat ca depinzand de:

(2.6)

Coeficientul de putere depinde direct de urmatorii parametrii:

– care este un factor de forma al palei. Este

influentat de dependenta curbei CL-α a

profilului aerodinamic, si de raportul de

forma al palei (2.7)

– soliditatea rotorului care se calculeaza

dupa forma (2.4) este influenţat direct de

numărul de pale , coarda profilului si

lungimea palei .

– care defineste inclinarea palei intr-un

anumit punct – este un parametru de formă,

depinzand de forma palei si de H si Rmax.

– coeficientul de viteza periferica (notat si

cu ), ecuatia (2.8). Depide de valoarea R si ω

si de viteza vantului, .

Fig.1.12. Parametrii geoometrici turbină VAWT [paraschivoiu]

Puterea la axul turbinei poate fi astfel calculată cu expresia:

(2.14)

Concluzie:

Metoda de analiza simplificata poate oferi o idee “globala” asupra performantelor turbinei,

dar, din pacate nu ofera o influenta reala a mai multor parametri, cum ar fi numarul de pale , a

valorilor in cazul unghiurilor cand stratul limita se desprinde. De asemenea, influenta

profilului aerodinamic este minima, iar acuratetea predictiilor este slaba. De aceea, dupa

intelegera metodei de lucru, a legaturilor dintre parametrii si a modului de abordare al problemei,

s-a trecut, pentru studierea noului concept, la analiza prin metoda complexa cu doua discuri

1. Stadiul actual

24

actuatoare in tandem, care este prezentata in continuare. In cadrul acestei analize complexe s-a

pornit de la validarea metodei prin rezultatele experimentale pentru turbina Sandia de 2m (curba

CP-λ).

b. Metoda simplificată a tubului de curent multiplu cu discuri în tandem [15, 16, 19]

Teoria DMS (Double Multiple Streamtube Model) imbina teoria discurilor în tandem

(dublu disc) cu cea a momentului elementului de pala (BEM). Fluxul de aer este impartit intr-un

set de tuburi mai mici, atat pe orizontala cat si pe verticala, la fel ca si in cazul metodei

simplificate. Palele trec prin acest tub, in rotatia lor de 360 grade, extragand energie si reducand

din viteza fluidului. Datorita configuratiei turbinelor cu ax vertical, palele trec prin fiecare tub de

flux de doua ori. Astfel rotorul este impartit in doua (parte din amonte a fluxului – upstream, si

partea din aval – downstream). Double disk sunt defapt doua discuri independente, lucrand in

tandem.

1.3. CERCETĂRI TEORETICE. CALCULE NUMERICE DEOSEBITE.

În domeniul turbinelor eoliene, un studiu aprofundat, referitor la testările şi parametrii de

investigat, este oferit de Carlo Bottasso [5]. El împarte analiza în trei etape:

a) Analiza statică

b) Analiza modală

c) Analiza CFD cuplată cu

structurală

- Forţe externe

- Încărcări inerţiale la

viteze de rotaţie

unghiulară constantă

- Încărcări aerodinamice

fixe

- Frecvenţe şi moduri

proprii

- Analiza pe componente

- Analiza completă la

diferite viteze

unghiulare

- Momentul rezultat la nivelul

axului rotorului

- Forţele aerodinamice pe pale

- Vibraţii torsionale

Tabel. 1.2. Etapele modelării unei turbine eoliene [5]

Astfel, reiese că o mare importanţă o are atât geometria utilizată, cât şi calitatea mesh-ului

şi gândirea succesiunii de paşi în analiză, astfel încât să se poată corela rezultatele. În primul

rând trebuie definită analiza: ceea ce dorim să obţinem şi mijloacele de care dispunem. Datele de

intrare de care avem nevoie şi datele de ieşire pe care le putem obţine. Astfel, strategia de

rezolvare a modelului virtual poate oferi rezultate suficient de sugure şi de apropiate de cele

experimentale.

1. Stadiul actual

25

În Fig. 1.13. este prezentata o propunere de analiză oferită de firma Ansys, pentru o turbină

eolienă cu ax orizontal.

Fig.1.13. Exemplu de analiză cuplată în Ansys [109].

1.4. CERCETĂRI EXPERIMENTALE.

Investigaţiile experimentale sunt o parte foarte importantă a cercetării. Astfel, în cazul

testărilor experimentale sunt o serie de aspecte care trebuie să fie analizate cu multă atenţie:

a. Parametrii pe care dorim să-i obţinem

b. Echipamentul de care dispunem

c. Dimensiunile posibile ale prototipului de testare

d. Scalarea prototipului

e. Determinarea parametrilor care îşi schimbă caracteristicile în cazul prototipului pentru

a păstra similitudinea

f. Timpul necesar testărilor

g. Achiziţia şi prelucrarea datelor

h. Interpretarea şi validarea datelor experimentale. Validarea simulărilor virtuale.

i. Optimizarea prototipului.

1.4.1. Reducerea la scară a unei turbine eoliene

Într-un studiu aprofundat, C. Bottasso [5] oferă o serie de parametri care intră în analiza

turbinelor eoliene, şi factorul de reducere la scară pentru prototip.

Astfel avem:

• Rt/Rp = n, factorul de scalare; depinde de raza prototipului Rt şi de cea reală Rp

• Ωt/Ωp= 1/(nk), viteza unghiulară, unde k poate lua valori k=1,2....

• Ret/Rep=n/k, numărul Reynolds

• Mt/Mp =n3/k

2, momentul la axul rotorului

• ρmt/ρmp=n0, densitatea materialului

• (EJ)t/(EJ)p=n4/k

2, rigiditatea la incovoiere

1.4.2. Alegerea materialelor pentru model

Alegera meterialelor, după cum s-a văzut, este un aspect foarte important în consistenţa şi

similitudinea dintre modelul real şi cel redus la scară va fi de asemenea foarte importanta. Un

1. Stadiul actual

26

studiu referitor la utilizarea materialelor în designul ingineresc este dată de Ashby. În Fig. 1.14.

este reprezentată diagrama variaţiei modulului lui Young cu densitatea.

Fig. 1.14. Diagrama Modul Young – densitate, Ashby [2]

2. Obiectivele tezei de doctorat

27

2. OBIECTIVELE TEZEI DE DOCTORAT

In cadrul prezentei lucrari de doctorat, autoarea si-a propus atingerea urmatoarelor obiective

majore:

O.1. Realizarea unei documentări de ultimă oră şi evidenţierea aspectelor încă nesoluţionate

din domeniul turbinelor eoliene cu ax vertical, de mică putere;

O.2. Analiza numerică a efectului elementelor fixe (ex.: a voleţilor) asupra performanţelor

profilului aerodinamic;

O.3. Analiza numerică a efectului elementelor mobile (ex.: a flapsuri) asupra performanţelor

profilului aerodinamic;

O.4. Conceperea unor modele noi care să fie brevetabile, ţinând seama de noutatea designului

(profil pale şi sistem de amortizare);

O.5. Analiza numerică cu model simplificat, cu scopul de a predimensiona structura;

O.6. Analiza numerică avansată cu scopul de a optimiza ansamblul din punct de vedere

structural;

O.7. Calculul privind solicitarea reală la nivelul axului, ţinând seama de natura oscilantă (dupa

o solicitare de tip oscilant) a momentului rezultant;

O.8. Utilizarea unui program avansat de simulare a oscilaţiilor torsionale la nivelul axului;

O.9. Analiza modală a ansamblului din timpul funcţionarii;

O.10. Conceperea unui model redus la scară, prin utilizarea teoriei similitudinii;

O.11. Analiza numerică a stării tensionat – deformate pentru modelul redus la scară;

O.12. Realizarea fizică a modelului redus la scară;

O.13. Conceperea şi realizarea unui stand original pentru evidenţierea efectului forţei de inerţie

asupra stării tensionat-deformate a palei;

O.14. Efectuarea unor teste de mare precizie privind efectul forţei de inerţie;

O.15. Validarea modelului numeric utilizat, pe baza rezultatelor măsuratorilor;

O.16. Conceperea unui stand original utilizabil la tunele aerodinamice existente;

O.17. Realizarea unei sinteze a cercetărilor teoretice şi experimentale efectuate;

O.18. Sinteza contribuţiilor la tematica abordată;

O.19. Stabilirea unor direcţii viitoare de cercetare;

O.20. Diseminarea rezultatelor cercetărilor teoretice şi experimentale prin publicaţii;

3. Cercetări analitice proprii

28

3. CERCETĂRI ANALITICE PROPRII

În dezvoltarea turbinei s-au parcurs două etape ale modelării analitice: o predimensionare

rapidă cu scopul de a înţelege metoda, prin aplicarea teoriei simplificate, a unui singur disc şi a

tuburilor multiple de curent; iar a doua etapă a constat din varierea diferiţilor parametrii (raportul

D/H, lungimea corzii – deci soliditatea σ, coardă variabilă, profilul aerodinamic, utilizarea unei

combinaţii de profile aerodinamice) prin aplicarea metodei discului în tandem si a tuburilor de

curent multiple, care oferă o acurateţe mult mai mare în estimarea performanţelor. Această a

doua etapă a fost realizată cu ajutorul softului QBlade, dezvoltat de [10, 11] de la Universitatea

Tehnică Berlin [27]. O validare a ambelor metode s-a realizat utilizând datele oferite de

Laboratoarele Sandia în [3, 19], pentru o turbină clasică de tip Darrieus, cu diametrul de 2m.

Astfel, în analiza de predimensionare, se porneşte de la metoda prezentata de [3, 19],

utilizându-se un rând de date de intrare şi o serie de parametrii de ieşire. Obiectivul este acela de

a observa influenţa diferiţilor parametri de intrare asupra curbei Cp-λ, şi de a putea estima

puterea maximă pentru un anumit design.

În continuare este prezentat algoritmul de predimensionare prin metoda simplificată.

Relaţiile de calcul, care stau la baza modelului utilizat [3, 19, 49] sunt o combinare a metodei

utilizând un singur tub de curent şi un singur disc, dezvoltată de Wilson-Liesseman, cu cea a

tuburilor multiple şi cu cea a momentului elementului de pala (BEM). Astfel s-a creat un

algoritm în Excel, unde, la modelul simplificat, au fost incluse îmbunătăţirile introduse de [bat..]

referitoare la raportul AR al palei, cât şi o metodă îmbunătăţită de calcul a CP, care ia în

considerare influenţa desprinderii stratului limită şi a profilului aerodinamic funcţie de numărul

Reynolds, dezvoltată special pentru acest studiu. Din păcate, limitările acestui model sunt:

utilizează numai profile simetrice şi nu ţine cont de inclinarea palei – deci, se pot utiliza numai

pale drepte şi nu elicoidale.

Modelul are ca date de intrare: geometria rotorului, parametrii de portanţă şi rezistenţă

aerodinamică ai profilului, viteza vântului sau λ, soliditatea. Ca date de ieşire sunt: curba de

putere în termeni de CP-λ, şi coeficientul de moment (CM-H).

Predimensionarea are ca obiective optimizarea unei turbine de tip Darrieus pentru

funcţionarea in mediul urban. Ca urmare, obiectivul principal de design este optimizarea turbinei

pentru a obtine 1 kW de putere , la o viteza nominala de si care sa inceapa sa

produca la viteze mici ale vantului, de cel mult 3 m/s, specifice mediului urban. Densitatea

aerului este o constanta, iar viteza nominala de design a vantului este considerata de 7 m/s, cu

1.4 – 1.5 mai mult decât viteza locaţiei de implementare (considerată 5 m/s).

Pentru validarea modelului de analiză al turbinei s-au utilizat urmatoarele date de intrare

ale turbinei Sandia 2m [19] şi forma palei cu datele profilului adimensional preluate din [21]:

D/H A [m2] c [mm] σ B t/c profil

0.984 0.657 58.77 0.2 3 0.12 NACA 0012

Tabel.3.1. Parametrii turbină Sandia 2m

3. Cercetări analitice proprii

29

Fig.3.1. Rotorul Darrieus Sandia de 2m. Câmp experimental [57] si modelare QBlade

În Fig.3.1. sunt prezentate rezultatele experimentale obţinute la testările prototipului

Darrieus de 2m. Datele au fost preluate si prelucrate fiind mai apoi utilizate in validarea QBlade.

Deşi în raportul Sandia este prezentată şi curba de putere adimensională pentru testările în

tunelul aerodinamic, aceasta nu a fost luată în calcul la validarea QBlade. Motivaţia omiterii

acestor rezultate este legată de corecţiile de blocaj făcute pentru aceste testări, care au alterat

similitudinea cu rezultatele modelului analitic şi experimental în câmp deschis, rezultând o

diferenţă mare între curba din tunel şi celelalte curbe (câmp testare, validare QBlade). Este

cunoscut faptul ca, blocajul în tunelul aerodinamic este greu de evaluat depinzând de mai mulţi

factori, printre care şi raportul dintre coarda modelului – înălţimea tunelului combinate cu

corecţiile de perete ale tunelului, cu schema de acurateţe şi cu calitatea modelului [22] . În [67],

pentru a valida metoda BEM s-a utilizat acelaşi rotor Sandia şi aceeaşi curbă experimentală.

Metoda QBlade a fost validată şi în [82] utilizând rotorul Sandia de 17 m. Pentru această teză,

autoarea a ales ca rotor pentru validare cel de 2m deoarece este apropiat ca dimensiuni de noul

concept de VAWT care va fi dezvoltat, şi astfel se poate face uşor o comparaţie între noul

concept şi o turbina Darrieus clasică.

Astfel, în Fig.3.2. se poate vedea validarea QBlade. Diferenţa în acest caz, dintre curbele

experimentale şi curba de validare QBlade – adica nesuprapunerea perfectă a curbelor – sunt

datorate unei subevaluari a valorilor la unghiuri mici de atac (subevaluarea se datorează

algoritmului de evaluare a performanţelor profilului aerodinamic care are la bază metoda Xfoil)

şi expansiunii tuburilor de flux – care nu este considerată în acest model de calcul. Pe lângă

acestea, sunt ignorate în analiză şi o serie de elemente geometrice constructive (braţe, ax). Ca

rezultat, curba de putere pentru validare diferă numai la valori mai mari ale λ. Curba Cp-λ

obţinută s-a dovedit suficient de corectă pentru a confirma validarea.

Fig.3.2. Validarea algoritmului in QBlade.

-0.05

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

1 2 3 4 5 6 7 8

CP

[-]

λ (TSR) [-]

CP vs TSR

CP exp

CP calc

3. Cercetări analitice proprii

30

3.1. DETERMINAREA DIMENSIUNILOR DE BAZĂ ALE ROTORULUI

In determinarea dimensiunilor de baza ale rotorului s-a pornit de la cerinta de design de a

obţine o turbină care să producă 1kW.

Forma palei este o parabolă, după coordonatele adimensionale preluate din lucrarea [21].

Profilul aerodinamic a fost ales un NACA0018. Aşa cum a fost prezentat şi anterior, în

ultimul timp, studiul din domeniul turbinelor eoliene cu ax vertical s-a îndreptat spre utilizarea

profilelor mai groase, deoarece oferă o plajă mai mare de unghiuri de atac înainte de

desprinderea stratului limită. Pe de alta parte, odata cu creşterea grosimii profilului, scade şi

performanţa acestuia. La numere Reynolds mici, studiile recomandă profile subţiri, cu o mică

curbură pe intrados [56, 59]. Acestea însă ajung rapid în zona de desprindere a stratului limită şi

nu oferă nici rezistenţa structurală necesară.

Parametru

Valoare Unitate

H 2.5 [m]

R 1 [m]

B 3 [-]

L 3.334 [m]

A 3.33 [m2]

Tabel.3.2. Parametrii geometrici noua turbină.

Cu parametrii prezentaţi mai sus, şi considerând o valoare λ = 3, coeficientul de putere

teoretic al rotorului este CP = 0.332. Curba de putere rezultată este prezentată în Fig3.3.

Fig.3.3. Curba de putere a turbinei propuse, calculată cu metoda simplificată.

Următorul pas în optimizarea rotorului a constat în studiul influenţei solidităţii asupra

curbei de putere, prin varierea grosimii corzii. Astfel, în Fig.3.4 se poate observa curba de putere

obţinută prin modelarea în QBlade a rotorului şi varierea corzii. Au fost investigate trei tipuri de

solidităţi (Tabel 3.3.). Din rezultate se poate observă că, prin creşterea solidităţii, putem obţine,

-0.05

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5

CP

[-]

λ [-]

CP vs λ

3. Cercetări analitice proprii

31

cu mici modificări în valoarea CPmax, o scădere a valorii λ, corespunzătoare CPmax. Acest lucru

conduce la o reducere a zgomotului emis.

Soliditate σ Cpmax λ

0.2 0.322 5.0

0.4 0.336 3.4

0.5 0.332 3.0

Tabel.3.3. Variaţia valorii CPmax şi a λ corespunzător, funcţie de soliditate. Modelul rotorului

realizat în QBlade

Fig.3.4. Variaţia curbei de putere cu soliditatea

Din Tabelul.3.3 rezultă că cea mai bună soluţie obţinută este cea cu soliditatea de σ = 0.4,

care dă o lungime a corzii de c = 0.13m. Soliditatea de σ = 0.5 oferă o lungime mai mare a corzii,

de c = 0.16m.

Cum scopul acestui studiu este în principal acela de a reduce vibraţiile şi a optimiza

structura, şi nu doar de a îmbunătăţi din punct de vedere aerodinamic rotorul, s-a realizat o

analiză a valorilor momentului de-alungul înălţimii rotorului pentru cele două solidităţi (i.e. 0.4

şi 0.5).

În Fig.3.5. şi Fig.3.6. sunt prezentate valorile momentului normalizat rezultate de-alungul

înălţimii rotorului.

În Fig.3.5. sunt prezentate valorile pentru rotorul cu σ = 0.4, la valori ale λ de 2 – 6. Se

observă astfel, că momentul rămâne pozitiv de-alungul întregii înălţimi până la λ = 5, deci

aproape în toată plaja de funcţionare a rotorului.

În Fig.3.6. sunt prezentate valorile pentru rotorul cu σ = 0.5. Se vede că, la valori mici ale λ

momentul este mai mare decât în cazul solidităţii de 0.4, dar, odata cu creşte valoarea λ, se va

reduce valoarea momentului.

-0.05

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

1 2 3 4 5 6 7 8

CP

λ

CP vs λ

0.2

0.4

0.5

3. Cercetări analitice proprii

32

Se poate concluziona că, deşi soliditatea de 0.4 oferă un moment mai mare la λ mari, la

valori λ mici, creşterea solidităţii oferă caracteristici mai bune. Acest lucru înseamnă că un rotor

cu soliditate mai mare are un comportament mai bun la auto-pornire. Se ştie că în mediul urban

vitezele medii sunt relativ mici (3 – 5 m/s), şi deci, este preferabil un moment mai mare la valori

λ mici. Considerând acest aspect, în cazul turbinei dezvoltate în această teză, a fost aleasă o

soliditate de 0.5.

Fig.3.5. Variaţia momentului pe înălţime, la σ = 0.4.

Fig.3.6. Variaţia momentului pe înălţime, la σ = 0.5.

Parametrii finali pentru turbina dezvoltată, la scara 1:1, sunt prezentaţi în tabelul 3.4.

H R σ N c

[m] [m] [-] [-] [m]

2.5 1 0.5 3 0.16

Tabel.3.4. Parametrii finali ai prototipului 1:1, după modelarea în QBlade

-1.0

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

-4.0 -2.0 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 16.0 z [m

]

M [Nm/m]

Moment pe element de înălţime σ = 0.4

TSR = 2 TSR = 3 TSR = 4 TSR = 5 TSR = 6

-1.0

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

-6.0 -4.0 -2.0 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 z [m

]

M [Nm/m]

Moment pe element de înălţime σ = 0.5

TSR = 2 TSR = 3 TSR = 4 TSR = 5 TSR = 6

3. Cercetări analitice proprii

33

3.2. DETERMINAREA INFLUENŢEI FLAPSURILOR ASUPRA

PERFORMANŢELOR ROTORULUI

Unul din obiectivele acestui design de turbina este imbunatatirea performantelor la viteze

mici ale vantului. In acest scop, s-a realizat un studiu preliminar al influentei diferitelor unghiuri

ale flapsurilor asupra performantelor profilului NACA0018 si asupra curbei de putere a turbinei.

Analiza s-a realizat cu ajutorul softului QBlade dezvoltat de TU Berlin. Datorita faptului ca

softul are integrat solverul Xfoil dezvoltat de Mark Drela de la MIT [73], s-au putut evalua

performantele diferitelor profile aerodinamice.

Trebuie tinut cont de faptul ca analiza in QBlade , fata de o analiza mai complexa CFD, are

cateva limitari: are acuratete acceptabila numai pentru numere Reynolds mari, iar efectul

elementelor aditionale (axul turbinei, elemente de rigidizare/legatura) nu este luat in considerare.

Una din problemele intalnite la numere Re mici este separarea laminara si reatasarea, care au loc

mai mult la numere mari Re, si deci, estimarea acestora este dificila. Alt aspect negativ al

modelarii in QBlade este imposibilitatea de a modela profile cu flapsuri cu fanta, sau pale cu

elemente multiple.

3.2.1. Performanţele profilului NACA0018

Asa cum s-a mentionat la inceputul subcapitolului, s-a utilizat pentru modelarea

performantelor profilului, pana la desprinderea stratului limita. Extrapolarea pe 360 grade este

facuta in QBlade cu modelul Montgomerie. Analiza pentru toate cazurile a fost facuta la numere

Reynolds de 150000 si 300000 pentru care Timmer [60] ofera rezultate experimentale.

In Fig.. sunt prezentate rezultatele analizei. Se poate observa ca, datorita subestimarii

coeficientului de rezistenta aerodinamică CD, cu aproximativ 9%, unghiul de desprindere a

stratului limita creste de la 12.1 grade la 17 grade pentru valori Re = 150000, si de la 18 grade la

21 grade pentru Re = 300000. De asemenea, valoarea coeficientului de portanta CL la AoA α=12

grade este marita in Xfoil, de la 0.987 (Timmer), la 1.102, pentru Re=150000, si pentru α=18

grade, de la 1.055 (Timmer), la 1.23, la un Re=300000.

Fig.3.7. NACA0018 CL – α Fig.3.8. NACA0018 CL – CD

3.2.2. Performanţele profilului NACA0018 cu flapsuri

Pentru aceasta simulare a fost alesa o dimensiune fixa a flapsului, la 25% din lungimea

corzii, la care s-a variat doar unghiul de inclinare.

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

0 5 10 15 20 25

CL

α [deg]

NACA 0018

Xfoil Re 150k

Xfoil Re 300k

Timmer Re 150k

Timmer Re 300k 0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

0.005 0.015 0.025 0.035 0.045

CL

CD

Xfoil Re 150k

Xfoil Re 300k

Timmer Re 150k

Timmer Re 300k

3. Cercetări analitice proprii

34

Prima configuratie este la 2 grade , rezultand ca valoare AOA cu maximum CL/CD (Fig7)

este 6.5 cu CL=0.89. Coficientul maxim de portanta este CLmax=1.255, rezultand o valoare mai

mare decat pentru NACA0018.

A doua configuratie este cu flapul inclinat la 5 grade. Rezultatele arata o crestere a

coeficientului maxim de portantaCLmax=1.35, dar o descrestere in AOA corespunzatoare valorii

maxime CL/CD=46.99, la AOA=6 si CL=0.914.

A treia valoare este de 10 grade inclinare. Si aici coeficientul maxim de portanta creste la

CLmax=1.4373, dar se obtine un raport CL/CD mai mic, inducand prea multa rezistenta

aerodinamica pentru a fi eficient. De asemenea scade si valoarea AOA pentru raportul maxim

CL/CD=47.7, la AOA=4.5 si CL=0.94. In acest caz, curba CL-CD arata o crestere semnificativa a

coeficientului de rezistenta aerodinamica la CL intre 0.6 si -0.5.

Pentru ultima configuratie investigata, cu flaps la 20 grade, se vede o crestere a

CLmax=1.73, dar o mai mica CL/CD si deci, induce prea multa rezistenta aerodinamica. Se observa

ca valoarea maxima CL/CD este mai mica decat in celalalte cazuri, aratand ca valoarea

componentei de rezistenta aerodinaica este foarte mare, si deci, profilul poate fi utilizat numai ca

frana aerodinamica, la viteze mari ale vantului si la rotatii mari, ca sistem suplimentar de limitare

a puterii.

Fig.3.9. Curba CL – α pentru profilul NACA0018 cu flapsuri

Fig.3.10. Curba CL – CD pentru profilul NACA0018 cu flapsuri

Considerând performanţele profilelor aerodinamice, s-a trecut la investigarea efectului

acestora asupra performanţelor rotorului definit la începutul subcapitolului. În Fig.3.11. Sunt

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25

CL

α [deg]

CL-AOA Re=150000

NACA0018 flap 2 deg flap 5 deg flap 10 deg flap 20 deg

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08

CL

CD

CL-CD

Re=150000

NACA0018

flap 2 deg

flap 5 deg

flap 10 deg

3. Cercetări analitice proprii

35

reprezentate curbele de putere pentru două designuri de turbine eoliene VAWT, cu acelaşi

diametru maxim şi aceeaşi înălţime: Darrieus clasic şi un H-Darrieus. Pentru ambele rotoare s-a

constatat o creştere a coeficientului de putere pentru valori ale unghiului flapsului până la 10

grade, şi o descreştere a CPmax pentru valori mai mari de 20 grade. Astfel se poate concluziona

ca, valori mici ale unghiului flapsurilor (2 – 10 grade) ajuta la cresterea performantelor turbinei,

dar valori ridicate (peste 20 grade) scad performantele si deci, se recomanda utilizarea acestora

ca sistem ajutator la controlarea puterii.

Fig.3.11. Influenţa unghiului flapsului asupra curbei de putere la o VAWT

3.2.3. Determinarea momentului la noul rotor

Următoarea etapă în modelarea analitică este determinarea mometului. Modelul ales este

turbina cu soliditatea σ = 0.5, care dezvoltă un CPmax la valoarea de λ = 3. S-au studiat atât

variaţiile coeficientului de moment pe o rotaţie la diferite λ, cât şi variaţia forţelor axiale si

transversale în timpul unei rotaţii. Următorul pas a constat în analizarea variaţiei de moment la

diferite viteze de rotaţie (Fig.3.12).

Fig.3.12. Momentul rotorului la diferite rpm şi viteze ale vântului

-0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0

CP

λ [-]

CP-λ VAWT

SANDIA_flap 5 deg

SANDIA_flap 20 deg

H-Darrieus flap 5 deg

H-Darrieus flap 20 deg

-10.00

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

0.0 60.0 120.0 180.0 240.0 300.0 360.0

M [

Nm

]

θ [grade]

Momentul rotorului

7 m/s 270 rpm 11 m/s 270 rpm

7 m/s 134 rpm 11 m/s 134 rpm

3. Cercetări analitice proprii

36

3.3. CONCLUZII ŞI CONTRIBUŢII

3.3.1. Concluzii

1. Modelul de calcul utilizat este suficient de exact pentru a fi utilizat în predimensionarea

turbinei noi.

2. Profilul palei este preferabil să fie mai gros pentru a întârzia desprinderea stratului

limită. Din acest motiv este preferabil un profil de tipul NACA0018 sau NACA0021, unui profil

de tipul NACA0012.

3. Din punct de vedere structural, profilul aerodinamic este preferabil să fie mai gros.

4. Coeficientul maxim de putere, în urma calculelor prin metoda simplificată, are valoarea

de CPmax = 0.332, la o λ = 3.

5. Creşterea solidităţii rotorului σ, conduce la o mutare a CPmax către valori λ mai mici.

6. Creşterea σ conduce însă la o scădere a CPmax . S-a observat că această scădere, în cazul

rotorului analizat nu este mare, deci face posibilă alegerea solidităţii şi pe alte considerente,

având impact mic asupra performanţelor finale ale turbinei.

7. Deşi soliditatea de 0.4 a oferit cel mai bun coeficient de putere, în urma studiului

momentului la diferite viteze λ şi solidităţi, s-a observat că soliditatea de 0.5 produce un moment

mai mare la valori λ mici, şi deci favorizează autopornirea turbinei. Astfel, pentru noul design, a

fost aleasă soliditatea de 0.5.

8. Studiul influenţei flapsurilor asupra performanţelor turbinei a arătat ca, la unghiuri mici

de înclinare (mai mic de 10 grade), efectul flapsurilor este acela de a creşte performanţele

turbinei. În schimb, valori ale unghiului flapsului mai mari de 20grade au dus la o scădere a

performanţelor turbinei, ceea ce a dus la concluzia că la unghiurile mai mari de 20 grade,

flapsurile pot fi utilizate ca sistem secundar de reglare a puterii turbinei.

9. Momentul la nivelul axului rotorului depinde atat de viteza de rotaţie, cât şi de viteza

vântului. Astfel, se observă, ca la creşterea vitezei de rotaţie momentul se uniformizează, pe când

la viteze mici de rotaţie tinde să aibă un caracter neuniform. Din acest motiv studiul influenţei

vitezei de rotaţie asupra vibraţiilor structurale este foarte important.

3.3.2. Contribuţii

1. Crearea modelului de calcul analitic si validarea acestuia prin compararea rezultatelor

obţinute în simulări, cu rezultatele experimentale.

2. Determinarea dimensiunilor de bază ale rotorului pentru o turbină care să producă 1kW

la o viteză a vântului de 11 m/s.

3. Realizarea curbei de putere a noii turbine prin metoda simplificată. Coeficientul maxim

de putere teoretic este CP = 0.332, la o valoare λ = 3.

4. Studiul influenţei solidităţii asupra curbei de putere a unei turbine eoliene cu ax vertical

de tip Darrieus clasic.

3. Cercetări analitice proprii

37

5. Studiul momentului de-alungul înălţimii rotorului, în funcţie de soliditatea rotorului.

6. Determinarea influenţei flapsurilor asupra performanţelor rotorului.

7. Determinarea performanţelor profilului aerodinamic NACA0018 cu flapsuri la 2, 5, 10,

20 grade.

8. Validarea şi interpretarea rezultatelor obţinute prin Xfoil. Determinarea erorilor de

calcul şi compararea cu rezultatele experimentale.

9. Determinarea moemntului la noul rotor la diferite viteze de rotaţie.

4. Cercetări numerice proprii

38

4. CERCETĂRI NUMERICE PROPRII

Unul din obiectivele majore ale acestei teze este reducerea vibraţiilor în structura turbinei

eoliene. Astfel, autoarea urmăreşte atât reducerea încărcărilor la nivelul palelor, cât şi

introducerea unor elemente de amortizare a vibraţiilor, la ieşirea din rotor.

Considerând Tabelul 1.2., în acestă teză, s-a ales ca ordine a etapelor în analiză,

urmatoarea soluţie:

Fig.4.1. Etapele în analiza virtuală a prototipului scara 1:1.

Analiza numerică a noului rotor de turbina Darrieus a fost impărţită în trei categorii

majore: 1) Analiza CFD 2D a profilului aerodinamic şi a rotorului în secţiune ecuatorială (3

pale). 2) Analiza modală şi interacţiunea fluid-structură a turbinei 3D. 3) Analiza modală şi

structurală a prototipului redus la scară.

4.1. ANALIZA CFD 2D A PROFILULUI AERODINAMIC ŞI A ROTORULUI ÎN

SECŢIUNE ECUATORIALĂ (3 PALE).

4.1.1. Analiza profilului NACA0018.

Această analiză are în primul rând scopul de a valida metoda de lucru şi modelarea cu

ajutorul softului Ansys CFX. Astfel, se urmăreşte crearea parametrilor şi determinarea

caracteristicilor profilului.

Fig.4.2. Presiunile la nivelul profilului NACA0018, la un α=10 grade

Analiza CFD

•Definire geometrie

•Generare mesh

•Parametrii limită

•Rezultate

Analiza Structurală

•Generare geometrie

•Generare mesh structural

•Aplicare materiale

•Cuplare geometrie cu cea din CFD

•Importare presiuni din CFD

•Introducere cuple şi forţe / momente

•Rezultate

Analiza Modală

•Analiza modală neîncărcată, liberă - Frecvenţe şi Moduri proprii

•Analiza modală la diferite viteze de rotaţie: diagrama Campbell (1 si 3)

•Analiza modală cu încărcări din structural

4. Cercetări numerice proprii

39

4.1.2. Analiza 2D a rotorului cu 3 pale la nivelul planului ecuatorial.

Prin această analiză se pot urmări fenomenele la nivelul planului ecuatorial, cu rază

maximă.

4.2. ANALIZA MODALĂ ŞI FLUID-STRUCTURĂ A TURBINEI 3D.

4.2.1. Model virtual rotor

Modelul virtual al rotorului reprezintă puntul de început al simulărilor virtuale în platforma

CAE. Modelul respectă atât dimensiunile de gabarit, cât şi detaliile specifice modelului

dezvoltat, la scara 1:1.

Pornind de la datele prezentate în Tabelul 3.4., şi aplicând profilul de parabolă (conform

[21]), pentru forma palei, şi profilul NACA0018 pentru secţiunea palei, modelul virtual a fost

realizat în softul CAD SolidWorks. Etapele realizării sunt:

a) Importarea coordonatelor profulului aerodinamic (NACA0018, 600 puncte,

generat în softul Rfoil) şi aplicarea grosimii palei.

b) Importarea formei palei (coordonate preluate din [..Paraschivoiu] şi din analiza

simplificată): parabolă.

c) Crearea palei

d) Generarea rotorului (circular pattern): 3 pale

e) Crearea axului turbinei

f) Elementele de legatură

g) Ansamblu

h) Salvarea in format IGS pentru export

Fig.4.3. Geometrie rotor realizată în SlidWorks.

4.2.2. Definirea materialului pentru pale

Materialul ales este un compozit din fibră de sticlă. S-a acceptat convenţia de a utiliza un

material cu proprietăţi quasi-izotrope, pentru a facilita modelarea şi simularea sistemului. Astfel,

pentru turbina a fost ales un material de tipul MAT (cu Roving tocat) [72]. Acesta a fost adaugat

4. Cercetări numerice proprii

40

la librăria de materiale (Engineering Data) din softul Ansys, platforma Workbench 14.5. cu

următoarele proprietăţi:

Proprietate Valoare Unitate

Densitatea 1400 Kg / m3

Material izotropic (Izotropic material)

Modulul lui Young 7.7E+09 Pa

Coeficientul lui Poisson 0.3 -

Modul de elasticitate global 6.4167E+09 Pa

Modulul de forfecare 2.9615E+09 Pa

Tabel.4.2. Proprietăţi material MAT

Restul ansamblului (axul turbinei si elemente de prindere sunt din aliaj de aluminiu).

4.2.3. Analiza modală

4.2.3.1. Analiza modală: frecvenţe şi moduri proprii ale structurii

Scopul analizei modale este acela de a determina frecvenţele şi modurile proprii ale

structurii, în timpul vibraţiei libere, fără nici o constrângere sau forţă aplicată. Modelul virtual

este realizat cu elemente finite (FEM), cu întreaga geometrie 3D, şi nu doar de tipul beam.

Pentru fiecare element component al geometriei este aplicat materialul corespunzător. Astfel,

pentru pale avem materialul compozit definit anterior, iar pentru ax avem aliaj de aluminiu.

În urma simulării, au rezultat frecvenţele naturale ale structurii împreună cu modurile

asociate (Fig.4.4.).

Fig.4.4. Frecvenţele proprii ale structurii, primele 25 moduri

0.00

20.00

40.00

60.00

80.00

100.00

120.00

140.00

160.00

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

Fre

cve

nţă

[H

z]

Mod

4. Cercetări numerice proprii

41

Mod Frecvenţa [Hz] Forma

7 19.59

Încovoiere

8 20.31

Încovoiere

9 24.214

Încovoiere

10 25.734

11 33.13

Încovoiere +

torsiune

12 46.526

Torsiune

4. Cercetări numerice proprii

42

13 55.671

Torsiune

14 59.177

Încovoiere +

Torsune

15 59.504

Încovoiere +

Torsune

Tabel 4.3. Modurile proprii 7 – 15

Din Tabelul 4.3. se poate vedea că modurile 7-13 afectează în mare parte doar palele, la

încovoiere sau torsiune. Doar modurile 14 şi 15 supun la încovoiere şi o uşoara torsiune axul

turbinei. De aceeea şi aceste moduri au o importanţă marită.

4.2.3.1. Analiza modală cu viteză de rotaţie impusă: diagrama Campbell

Cu ajutorul diagramei Campbell se vor putea identifica vitezele critice de rotaţie ale

turbinei, corespunzătoare intrării în rezonanţă.

În analiza realizată în Ansys au fost definite vitezele de rotaţie de interes. În tabelul 4.4

sunt prezentate valorile introduse şi corespondentul lor, în funcţie de dimensiunile rotorului,

considerând formula:

(4.1).

Şi λ = 2.8, corespunzătoare CPmax, R = 1, avem:

rpm 60 120 180 240 300

ω [rad/s] 6.28 12.56 18.849 25.13 31.415

Tabel. 4.4. Valorile vitezei de rotaţie până la V0=10m/s

Prima analiză este efectuată pentru rotorul simplu, fără stâlpul de susţinere.

4. Cercetări numerice proprii

43

Fig. 4.5. Diagrama Campbell pentru rotorul simplu, 3 pale

Astfel pentru valoarea 1π (axul), linia critică, corespunzătoare frecvenţelor de 1, 2, 3, 4 şi 5

Hz se află sub valorile frecvenţelor naturale. Pentru valoarea 3π, corespunzătoare celor 3 pale

(frecvenţele de 3, 6, 9, 12 şi 18 Hz), viteza critică de rotaţie este la nivelul a: 21.231, 22.001,

22.116, 23.178 şi 23.533 rad/s.

4.2.3.2. Analiza modală cu încărcări preluate din structural.

După determinarea frecveţelor naturale ale structurii este important de investigata influenţa

încărcărilor datorate forţelor aerodinamcie. Astfel, în urma analizei CFD au fost extrase

presiunile de pe structură, corespunzatoare unui time-step şi apoi au fost aplicate într-o analiză

static-structurală.

În Fig.4.6. sunt reprezentate frecvenţele proprii ale rotorului. Se observă faptul, că valorile

sunt mai mici decât la rotorul nesolicitat, ceea ce arată că analiza structurală a întregului

ansamblu este importantă din punctul de vedere al implementării.

Fig.4.6. Frecvente proprii ale structuri încărcate cu presiuni din CFD

0

10

20

30

40

50

60

70

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Fre

cve

nţă

[H

z]

Mod

4. Cercetări numerice proprii

44

4.2.3.3. Analiza modală cu stâlp de susţinere.

A fost realizată şi o analiză structurală a întregului ansamblu: rotor şi stâlp de susţinere de

6m înălţime, pentru a studia vibraţiile care apar în structură.

4.2.4. Analiza CFD

Analiza CFD are ca scop evaluarea forţelor aerodinamice şi a presiunilor exercitate de

fluid pe structură. Simularea a fost relizată cu ajutorul softului Ansys CFX

Ca prima etapa, pentru facilitarea analizei s-au eliminat elementele de legatura între pale şi

axul turbinei. Astfel în analiza CFD au fost introduse numai axul rotorului (creat în Ansys

Design Modeler) şi cele 3 pale preluate din geometria creată în SolidWorks.

Urmează crearea domeniilor fluide: mesh-ul final al modelului are 715944 noduri şi

4067376 elemente.

Parametrii care definesc limitele sunt:

Analiză Transient

La nivelul Intrării (Inlet): V0=7m/s, Turbulenţa de mică intensitate =1%

La nivelul ieşirii (Outlet): Presiunea relativa = 0Pa

Fluidul este aer la 25oC

Axa de rotaţie: globală X

Modelul de curgere: k-ε

Transferul de căldură: izotermal, 25 oC

Intervalul de timestep: unghi de 5 grade.

Fig.4.7. Domeniile şi geometria pentru analiza CFD

4. Cercetări numerice proprii

45

Analiza CFD 3D a fost realizată cu scopul de a oferi datele pentru preîncărcarea structurii

în analiza structurală. În Fig.4.8. se pot vedea presiunile pe pale şi vitezele în planul ecuatorial.

Fig.4.8. Domeniul rotativ. Presiuni pe pale şi viteze ale vântului în planul ecuatorial.

4.2.5. Analiza structurală statică

In cadrul acestei analize se urmaresc deformatiile si solicitarile in structura. Analiza se

relizeaza individual pentru fiecare timestep din analiza CFD, astfel, putandu-se evalua, la o

anumita pozitie unghiulara, ce modificari structurale apar.

In Fig.4,9. sunt reprezente suprafetele corespunzatoare analizei CFD si cupla cilindrica (cu

toate miscarile fixe) de la baza axului.

Fig.4.9. Cuplele şi încărcările aplicate pe

structură.

Fig.4.10. Presiuni importate pe structură,

corespunzătoare timestep-ului 72.

Fig.4.11. Deformaţii datorate forţelor aerodinamice, corespunzătoare timestep-ului 72.

4. Cercetări numerice proprii

46

Prin legarea modulelor de CFD si Static structural din Ansys, s-a realizat importul

presiunilor pe suprafata (Fig.4.10.).

Rezultatele analizei arată o deplasare de maximum 1.8574E-004 m la nivelul unei pale, iar

un minim de 0 m, la nivelul cuplei cilindrice de pe ax.

4.2.6. Analiza structurală tranzitorie - dinamică

Este următorul pas în analiză şi are ca scop studiul deformaţiilor care apar în structură sub

efectul forţelor aerodinamice, inerţiale şi centrifuge. De asemenea permite studiul influenţei

forţelor aerodinamice asupra vibraţiilor structuii.

Fig.4.12. Sucesiunea etapelor şi legătura dintre module (exemplu)

4.2.7. Analiza modală - structurală în stare dezechilibrată.

În acest subcapitol este studiat efectul dezechilibrării rotorului. Oricât de bine ar fi

echilibrat acesta, într-un prototip real va exista cu siguranţă un mic dezechilibru.

În simulare acesta poate fi realizat sau prin marirea grosimii uneia dintre pale, sau prin

schimbarea densitatii materialului pentru o pala.

4.2.8. Analiza vibraţiilor torsionale.

Una din principalele probleme la rotor este apariţia unor vibraţii torsionale. Astfel, s-a

studiat efectul acestora în softul SimulationX, printr-o analiză simplificată, de tip 1D. Analiza a

avut ca parametru de intrare momentul variabil la axul rotorului, datorat forţelor aerodinamice,

importat din analizele prezentate anterior, la care a fost adaugat elementul de ax al turbinei şi

cuplajul elastic (au fost studiate două variante: cu şi fără cuplaj elastic), Fig.4.12. Studiul are ca

scop analiza influenţei elementului elastic asupra atenuării vibraţiilor la nivelul axului turbinei.

Fig.4.13. Analiza vibraţiilor torsionale în SimulationX

4. Cercetări numerice proprii

47

Fig.4.14. Momentul importat la nivelul axului rotorului, corespunzător unei rpm=300

4.2.9. Analiza modală şi structurală prototip.

Pentru a putea valida şi compara rezultatele experimentale cu modelările virtuale, sa

realizat o simulare virtuală a prototipului. În capitolul următor este descris prototipul utilizat.

4.3. CONCLUZII ŞI CONTRIBUŢII

4.3.1. Concluzii

Cercetările numerice complexe au dus la mai multe concluzii, dintre care:

1. Asupra modurilor proprii de vibraţie ale structurii o mare importanţă o au geometria şi

materialele utilizate. Dacă, din considerente aerodinamice, la geometrie nu se poate interveni,

atunci alegerea materialului este decisivă.

2. Frecvenţele proprii ale structurii trebuie atent studiate pentru a nu intra în fenomenul de

rezonanţă cu structura-suport a turbinei eoliene.

3. Este necesar, atât studiul rotorului simplu, cât şi al întregului ansamblu rotor – stâlp de

susţinere.

4.3.2. Contribuţii

Cercetările numerice au condus la mai multe contribuţii, dintre care:

1. Analiza 2D a profilului aerodinamic şi a rotorului la nivelul planului ecuatorial

2. Modelarea CAD 3D a modelului turbinei (în varianta completă şi în varianta simplificată

pentru analiza CFD)

3. Efectuarea analizei modale a turbinei, atât la scara 1:1, cât şi pentru modelul redus la

scară. Analiza modală are ca şi etape studiul frecventelor şi modurilor proprii ale structurii, dar şi

analiza frecvenţelor atunci, când structura este încărcată.

4. Realizarea şi interpretarea diagramei Campbell.

5. Analiza modală cu încărcările preluate din modelul structural, încărcat cu forţele

aerodinamice rezultate în urma simulării CFD.

15.00

20.00

25.00

30.00

35.00

40.00

45.00

0.00 100.00 200.00 300.00 400.00

Mo

me

nt

[Nm

]

θ [grade]

4. Cercetări numerice proprii

48

6. Analiza CFD a modelului 3D, constituit din cele 3 pale şi axul rotorului, fără elementele

de legătură.

7. Analiza structurală, atât ca studiu al deformaţiilor datorate forţelor înerţiale, cât şi ca

studiu al deformaţiilor datorate forţelor aerodinamice.

8. Analiza structurală – modală în stare dezechilibrată a rotorului.

9. Analiza vibraţiilor torsionale şi a efectului elementelor de legătură elastice asupra

acestora.

5. Cercetări experimentale proprii

49

5. CERCETĂRI EXPERIMENTALE PROPRII

5.1. CONSIDERAŢII PRIVIND METODELE EXPERIMENTALE IMPLICATE ÎN

EFECTUAREA MĂSURĂTORILOR

5.1.1. Aspecte generale

În vederea efectuării unor teste de mare precizie şi totodata utilizabile în validarea

rezultatelor modelării numerice, autoarea a ales două metode optice ultramoderne de mare

precizie.

Ambele metode, după cum se va vedea în continuare, oferă posibilitatea efectuării unor

masurători atât în condiţii statice, quasi-dinamice şi dinamice de încărcare.

În cazul de faţă, datorită variaţiei momentului rezultant la nivelul axului turbinei între

limitele Mmin – Mmax, după un ciclu oscilant, solicitările palelor dar şi ale întregului sistem devin

deosebit de complexe.

Din modelarea numerică au rezultat, atât solicitările, cât şi deformaţiile palelor, iar

metodele experimentale propuse vor avea rolul de a valida aceste rezultate numerice.

Standurile originale concepute de autoarea tezei vizează efectul forţelor de inerţie asupra

palelor în timpul antrenării forţate a turbinei, precum şi comportamentul real al turbinei într-un

tunel aerodinamic.

În vederea conceperii unui model redus la scară cât mai precis, se poate utiliza în locul

Teoriei Similitudinii, metoda denumita Analiza Dimensională.

După cum se va vedea în continuare Analiza Dimensională utilizează un număr redus de

parametri globali, care se obţin printr-o serie de operaţii matematice cu factorii de scală ai

Teoriei Similitudinii clasice. În consecinţă, efectuarea unui număr relativ mic de incercări

permite, pe baza utilizării acestor parametri globali, preconizarea rezultatelor altor încercări mult

mai complexe.

5.1.2. Video Image Correlation (VIC-3D)

De fapt această metodă, a Corelării Digitale a Imaginilor (Digital Image Correlation - DIC)

denumită şi Video Image Correlation (VIC), reprezintă la ora actuală una deosebit de eficientă şi

de mare perspectivă.

Astfel, în vederea efectuării unor investigaţii experimentale de mare precizie (de ordinul

micrometrilor m /micronilor/), cu magnitudini variind de la câţiva microni la câţiva cm şi

totodată a monitorizării simultane a unor suprafeţe relativ mari din structurile supuse analizei, a

fost dezvoltată metoda Corelării Digitale a Imaginilor (DIC/VIC).

În cazul de faţă se va prezenta sistemul produs de compania ISI-Sys GmbH, Kassel,

Germania, având soft-ware de la Correlated Solutions, USA [51, 69, 70].

În principiu, metoda este bazată pe utilizarea imaginilor înregistrate simultan de către două

camere video, care asemănător ochiului uman, vor oferi o imagine spaţială a obiectului analizat.

Părţile principale ale sistemul VIC-3D (varianta, care permite monitorizarea câmpului de

deplasări şi de deformaţii în spaţiu /3D/) sunt: două camere video de înaltă rezoluţie, montate pe

un trepied rigid, prin intermediul unei traverse de Aluminiu de asemenea foarte rigidă (fig. 5.1).

5. Cercetări experimentale proprii

50

Cele două camere vor fi dispuse pe traversă astfel, încât să privească obiectul analizat pe

cât posibil sub aceleaşi unghiuri (evident, simetric dispuse).

În prealabil, obiectul analizat va fi vopsit (dat cu spray) în vederea obţinerii unor pete cu

dimensiuni, formă şi distribuţie aleatoare, care pe fundalul culorii iniţiale a corpului, vor asigura

un bun contrast şi o identificare ulterioară uşoară ale acestora.

Cu ajutorul unui etalon special se reazizeaza calibrarea acestor camere video (fig. 5.2).

Acest etalon este constituit dintr-un set de puncte calibrate şi dispuse la distanţe de asemenea

bine-definite.

În timpul procesului de calibrare, etalonul va fi poziţionat în spaţiu la nivelul suprafeţei

obiectului analizat şi (etalonul) va efectua rotiri discrete, atât în planul orizontal, cât şi vertical,

iar cele două camere video vor înregistra toate aceste poziţii distincte.

În continuare aceste imagini de la calibrare sunt analizate în program, care efectuează

calibrarea propriu-zisă a sistemului de camere stereo şi determină totodată şi precizia de

măsurare a sistemului optic astfel asamblat (Fig.5.1.).

Fig.5.1. Elemente de bază ale sistemului VIC-3D

Fig.5.2. Diferite imagini de calibrare de de la ambele camere [70, 73, 77]

5.1.3. ESPI-Shearography (Electronic Speckle Pattern Interferometry,

Shearography)

De fapt acest sistem optic poate fi considerat drept o variantă utilizabilă în condiţii

industriale ale Interferometriei Holografice, deoarece prin soft-ware-ul îşi poate asigura

eliminarea deplasărilor de corp rigid, datorate mai cu seamă efectelor nedorite ale vibraţiilor

produse în mediul înconjurător.

În cazul de faţă se va prezenta sistemul produs de compania ISI-Sys GmbH, Kassel,

Germania.

5. Cercetări experimentale proprii

51

Schema de principiu a montajului optic de la sistemul ESPI-Shearography (ESPI-

Electronic Speckle Pattern Interferometry, Shearography- metodă optică bazată pe translatarea

imaginii/ shearing/) este redată în figura 5.2.

Fig. 5.2. Schema de principiu a montajului optic la ESPI/Shearografie [70]

Sursa de lumină coerentă (provenită de la laser, aici: diodă laser de mW100 ) iluminează

suprafaţa corpului/obiectului opac.

Fiecare punct 21 , PP al suprafeţei corpului acţionează (lucrează) ca o oglindă minusculă şi

reflectă lumina incidentă în toate direcţiile.

O parte din lumina reflectată ajunge la interferometrul Michelson, unde, prin intermediul

cubului divizor CD (sau „Beam-splitter”- semioglindă) şi a celor două oglinzi („Sheare Mirror”

şi Phase Shift Mirror”) ajunge la nivelul planului imaginii (reprezentat de planul focal, fie al unui

aparat foto clasic, fie al unei camere CCD).

Prin rotirea fină a oglinzii „Sheare Mirror” cu unghiul 2/s , două puncte ale obiectului

21 , PP , situate iniţial la distanţa x („Shear Amont”/cantitate de translatare a imaginii) ajung să

se suprapune într-un singur punct P din planul imaginii.

Astfel, fasciculele de lumină aferente celor două puncte vor interfera în planul focal al

imaginii.

Printre caracteristicile metodei ESPI/Shearograpahy se pot menţiona:

Oferă câmpul de deplasări în domeniul 2/....0 cu precizie de cca. nm25...20 , unde

nm630 este lungimea de undă a sursei de lumină utilizată, care de obicei este o diodă laser

cu lumină în roşu;

Permite investigarea, atât în plan, cât şi în spaţiu a acestor deplasări;

Poate fi aplicată fenomenelor statice, cvasi-dinamice, respectiv dinamice; în acest ultim

caz nu numai fenomene periodice (vibraţii staţionare), dar şi aperiodice (de tipul unor şocuri) pot

fi urmărite si analizate;

Suprafaţa care se poate monitoriza depinde, atât de caracteristicile montajului optic, cât şi

de puterea surselor de iluminare;

Împreună cu metoda VIC practic asigură acoperirea cca. a 85..90% din cerinţele

investigaţiilor experimentale (câmpurile de deplasări şi de deformaţii) din aplicaţiile uzuale

inginereşti.

5. Cercetări experimentale proprii

52

5.1.4. Analiza dimensională, instrument de facilitare a măsurătorilor

5.1.4.1. Similitudine dimensională

Un model este similar din punct de vedere dimensional cu prototipul lui, dacă şi numai

dacă pentru cele două sisteme fizice toate variabilele a-dimensionale sunt identice atât din

punctul de vedere constructiv, cât şi din cel al mărimii. În caz contrar, nu avem similitudinea

dimensională a modelului cu prototipul. Trebuie reţinut faptul că, o similitudine geometrică nu

reprezintă nici condiţia necesară şi nici aceea suficientă pentru a avea o similitudine

dimensională.

5.1.4.2. Factorul de scală

Factorul de scară se referă întotdeauna la o variabilă fizică concretă, cum ar fi spre

exemplu: factorul de scară al densităţii. În consecinţă, avem atâtea factori de scară, câte mărimi

fizice (variabile fizice) avem. Nu avem noţiuni, ca „factorul de scară al modelului” sau „factorul

de scară al prototipului”!

Prin definiţie, Factorul de scară al unei variabile fizice este raportul mărimilor variabilei

aferente modelului şi a prototipului.

Astfel, spre exemplu, avem Factorul de scară a lungimii:

1

2

L

LSL , unde 2L şi 1L reprezintă lungimea modelului, respectiv a prototipului.

Trebuie menţionat faptul că, întotdeauna în numărător avem valoarea aferentă modelului,

iar la numitor: aceea aferentă prototipului

5.1.4.3. Legea modelului

Legea modelului este o relaţie sau un set de relaţii, stabilit (stabilite) între Factorii de scară

relevante aferente unui caz concret de modelare. Există exact atâtea relaţii în legea modelului,

câte variabile a-dimensionale avem. În consecinţă, Legea modelului este constituită/formată

dintr-un număr de relaţii.

5.1.4.4. Categorii de variabile

În orice (experiment de) modelare există trei categorii distincte de variabile fizice:

• Categoria 1: valoare acestei variabile (sau valorile acestor variabile) fie că sunt

cunoscute a priori (dinainte), fie că se pot alege liber;

• Categoria 2: Valoarea acestei variabile este determinată printr-o Lege relevantă/adecvată

a modelului;

• Categoria 3: Valoarea acestei variabile se obţine prin măsurători efective pe model

5.1.5. Concluzii privind eficienta metodelor experimentale propuse

Din prezentarea succinta a metodelor propuse, rezultă faptul că acestea pot constitui un

instrument deosebit de util în analiza acestor turbine eoliene, chiar daca în literatura de

specialitate cercetari de acest tip nu prea au fost publicate. De asemenea, autoarea tezei îşi

exprimă speranţa că metodologia utilizată poate fi aplicata la scară largă şi la alte structuri

similare.

5. Cercetări experimentale proprii

53

5.2. STRATEGIA PRIVIND EFECTUAREA UNOR TESTE DE VALIDARE ALE

SIMULARILOR NUMERICE

5.2.1. Teste privind efectul fortelor inertiale asupra starii de solicitare a palelor

În acest sens a fost conceput un stand original format din turbina realizată la scară (n=0.3),

un cuplaj elastic, motorul electric pas cu pas de antrenare, respectiv sistemul de monitorizare al

deformaţiilor (VIC sau ESPI). Acest subansamblu (turbină – cuplaj – motor) este fixat pe un

trepied suficient de rigid astfel încat în timpul funcţionării turbina să-şi păstreze poziţia

nominală.

Antrenarea forţată a turbinei prin intermediul motorului pas cu pas este realizată, atât la

viteza unghiulară constantă, cât şi la viteze unghiulare variabile dupa un ciclu oscilant oferind

intervalul (Mmin – Mmax) în conformitate cu analiza numerică efectuată.

Comanda electronică originală a motorului pas cu pas asigură, atât un reglaj precis al

vitezei unghiulare, cât şi o referinţă de timp pentru evaluarea corecta a fenomenelor dinamice.

În urma antrenării forţate a turbinei, la nivelul palelor, efectul forţei centrifuge va conduce

la deformarea acestor pale. În această versiune simplificată a standului (cand nu avem

funcţionare intr-un tunel aerodinamic), devine posibilă doar evaluarea în deformaţii şi în tensiuni

a palelor.

Pe baza metodologiilor descrise la VIC si ESPI, se pregătesc palele, iar software-ul

ambelor sisteme de monitorizare permite captarea imaginilor cu frecvenţa de rotaţie a palelor. În

consecinţă, vom avea posibilitatea să urmărim (şi să stocăm datele aferente) câmpul de

deformaţii 3D la nivelul unei pale. De asemenea, software-ul permite determinarea imediată şi a

deformaţiilor specifice liniare sau unghiulare pentru acelaşi câmp vizual. Aceste date obţinute

prin experiment vor servi drept parametrii de validare a validării numerice.

In cazul in care se doreste evaluarea prin experiment a efectului momentului oscilant

asupra sistemului, atunci se elimina cuplajul elastic din sistem. Ambele versiuni (cu şi fără

atenuare) au fost simulate cu ajutorul softului SimulationX.

Fig. 5.3. Stand destinat monitorizării efectului forţelor centrifuge prin antrenarea axului turbinei

1. turbină supusă testelor

2. cuplaj elastic

3. motor electric pas-cu-

pas, cu turaţie şi moment

variabil periodic. Fixat pe

un suport rigid.

4. cameră CCD

5. suport rigid

6. trepied rigid

5. Cercetări experimentale proprii

54

5.2.2. Teste privind funcţionarea turbinelor în tunele aerodinamice

În cazul în care va fi accesibil un tunel aerodinamic, atunci se va utiliza sistemul redat în

Fig.5.4. unde, în locul motorului pas cu pas se va conecta generatorul de curent. În acest caz

antrenarea se face de către ventilatorul tunelului aerodinamic (adică de un curent de aer cu o

anumită viteză), iar parametrii în curent şi în tensiune se vor obtine de la nivelul generatorului de

curent.

Deformaţiile si deformaţiile specifice produse la nivelul palelor din timpul funcţionarii vor

fi monitorizate şi stocate de sistemul VIC sau ESPI.

Vizualizarea palei de către sistemul VIC sau ESPI va deveni posibilă prin geamurile de

vizitare prevăzute în peretele tunelului aerodinamic.

În cazul în care construcţia tunelului permite un singur geam de vizualizare mai mare (cca.

400x400mm), atunci se va prevedea un singur geam, în caz contrar, două geamuri de vizitare. Se

recomandă utilizarea unor geamuri din sticlă optica, care elimină fenomenele nedorite de

refractare a luminii si deformare a imaginilor captate.

Fig. 5.3. Reprezentarea standului de testare

5.3. REALIZAREA PROTOTIPULUI

Prototipul este alcătuit din cele trei pale, realizate din material compozit (descris in Tabelul

4.2), cu următorii parametrii:

R H c t Grosime MAT Grosime Gelcoat

[m] [m] [mm] [mm] [mm] [mm]

0.3 0.75 50 19 2 0.6

Tabel 5.1. Parametrii geometrici prototip

1. Geam de vizitare

2. Tunel aerodinamic

3. Sistem VIC (cameră

CCD, suport rigid –

traversă rigidă din

aluminiu, trepied).

4. Prototip

5. Cercetări experimentale proprii

55

Ţinând cont de Teoria Similitudinii între modelul real şi cel redus la scară, au rezultat

următoarele dimensiuni:

DARRIEUS

σ=0.5

DARRIEUS prototip

redus la scară

H 2.5 0.75 m

R 1 0.3 m

c 0.16 0.05 m

Tabel. 5.2. Parametrii prototip redus la scară

În Fig.5.4. este o reprezentare virtuală a prototipului relizat.

Fig. 5.4. Standul de testare (modelare virtuală)

5.4. CONCLUZII ŞI CONTRIBUŢII

5.4.2. Contribuţii

Cercetările experimentale au dus la mai multe contribuţii, dintre care:

1. Realizarea unui stand experimental pentru determinarea vibraţiilor şi a deformaţiilor în

structura turbinei eoliene.

2. Conceperea strategiei de măsurare

3. Efectuarea măsurătorilor în condiţii statice şi dinamice

4. Evaluarea statistică a rezultatelor

5. Validarea modelelor teoretice proprii prin rezultate experimentale obţinute

6. Soluţii inovative rezultate

56

6. SOLUŢII INOVATIVE REZULTATE ÎN URMA CERCTĂRILOR

TEORETICE ŞI EXPERIMENTALE

În urma cercetărilor doctorandei au rezultat următoarele soluţii inovative:

1. Studiul momentului la nivelul axului turbinei şi determinarea influenţei solidităţii asupra

momentului la viteze mici λ.

2. Introducerea elementelor mobile şi pasive pe segmente de pală, la un rotor Darrieus

clasic cu scopul de a reduce încărcările şi de a îmbunătăţi caracteristica de auto-pornire a

rotorului.

3. Introducerea şi studiul elementelor flexibile cu scopul de a reduce vibraţiile transmise de

structura rotorului.

4. Modelarea virtuală a rotorului studiat, prin îmbinarea şi cuplarea rezultatelor obţinute

din modelul fluido-dinamic cu cel structural, şi prin acest fel, obţinând astfel o analiză cu grad

mare de complexitate şi care oferă rezultate de calitate superioară.

5. Crearea unui stand nou experimental, pentru studierea deformaţiilor care apar pe pale şi

în structură.

7. Concluzii finale şi perspective

57

7. CONCLUZII FINALE ŞI PERSPECTIVE

7.1. CONCLUZIILE AUTOAREI LA PROBLEMATICA STUDIATĂ

1. Asupra modurilor proprii de vibraţie ale structurii o mare importanţă o au geometria şi

materialele utilizate. Dacă, din considerente aerodinamice, la geometrie nu se poate interveni,

atunci alegerea materialului este decisivă.

2. Profilul palei este preferabil să fie mai gros pentru a întârzia desprinderea stratului

limită. Din acest motiv este preferabil un profil de tipul NACA0018 sau NACA0021, unui profil

de tipul NACA0012.

3. Studiul influenţei flapsurilor asupra performanţelor turbinei a arătat ca, la unghiuri mici

de înclinare (mai mic de 10 grade), efectul flapsurilor este acela de a creşte performanţele

turbinei. În schimb, valori ale unghiului flapsului mai mari de 20grade au dus la o scădere a

performanţelor turbinei, ceea ce a dus la concluzia că, la unghiurile mai mari de 20 grade,

flapsurile pot fi utilizate ca sistem secundar de reglare a puterii turbinei.

7.2. CONTRIBUŢIILE AUTOAREI LA PROBLEMATICA STUDIATĂ

Cercetările au dus la mai multe contribuţii, dintre care:

1. Determinarea dimensiunilor de bază ale rotorului pentru o turbină care să producă 1kW

la o viteză a vântului de 11 m/s.

2. Studiul influenţei solidităţii asupra curbei de putere a unei turbine eoliene cu ax vertical

de tip Darrieus clasic.

3. Determinarea performanţelor profilului aerodinamic NACA0018 cu flapsuri la 2, 5, 10,

20 grade

4. Efectuarea analizei modale a turbinei, atât la scara 1:1, cât şi pentru modelul redus la

scară. Analiza modală are ca şi etape studiul frecvenţelor şi modurilor proprii ale structurii, dar şi

analiza frecvenţelor atunci când structura este încărcată.

5. Analiza structurală, atât ca studiu al deformaţiilor datorate forţelor înerţiale, cât şi ca

studiu al deformaţiilor datorate forţelor aerodinamice.

6. Analiza vibraţiilor torsionale şi a efectului elementelor de legătură elastice asupra

acestora.

7.3. DISEMINAREA REZULTATELOR

Rezultatele cercetării au fost valorificate prin:

Publicarea a 6 articole ştiinţifice în volume de specialitate (2 ISI, 4 BDI B+)

Participarea la 5 conferinţe internaţionale, dintre care:

o EWEA 2012, 16 – 19 apr 2012, Copenhaga, Danemarca, Proceedings

online.

o Energy and sustainability 2013, conferinta internationala Wessex,

Bucuresti, Romania, 19 – 21 iunie 2013, Proceedings: ISBN: 978-1-84564-

728-5.

7. Concluzii finale şi perspective

58

o INCER, Bucuresti, Romania, 20 – 22 iun 2013, Proceedings: ISSN 2344-

1720.

Participarea la o şcoală de vară:

o REIC Summer School - 8th International Summer School in Renewable

Energy and Energy Efficency in South East Europe - Energy Planning in

function of local sustainable development. Fojnica, Bosnia and Herzegovina

Efectuarea unui stagiu doctoral extern, la Universitatea UNITN, Trento, Italia.

Stagiul a avut ca rezultate participare la două conferinţe internaţionale.

Elaborarea şi propunerea la OSIM a două brevete

8. Bibliografie

59

8. BIBLIOGRAFIE

Bibliografie selectivă:

[1] ***, Warwick wind trials, Final Report, Encraft, 2009

[2] Ashby, M.F., Materials selection in Mechanical Design, Third Edition, Elsevier, 2005,

ISBN 0 7506 6168 2

[3] Battisti, L., Wind Turbine Power Plants (Gli Impianti Motori Eolici), Ed. Lorenzo

Battisti Ed. 2012

[4] Bos, R., Self-starting of a small urban Darrieus rotor. Strategies to boost performance

in low-reynolds-number flows, TU Delft University, Master Thesis

[5] Bottasso, C., Wind turbie modeling, curs

[6] Vibratiile sistemelor elastice, P Bratu - Editura Tehnica, Bucuresti, 2000

[7] Sisteme elastice de rezemare pentru masini si utilaje, P Bratu - 1990 - Editura Technica

[8] Cace, J. Et al. Urban Wind Turbines – Guidelines for Small Wind turbines in the built

environment; Intelligent Energy Europe, 2007

[9] Claessens, M.C., The design and testing of airfoils for application in small vertical axis

wind turbines, MSc Thesis, Aerospace Engineering, Delft University of Technology,

2006

[10] Dutton, A. G., Halliday, J. A., Blanch, M. J., The feasibility of Building-

Mounted/Integrated Wind Turbines (BUWTs), Final Report, 2005

[11] EP_2610483_A1, Allot, G., Eolienne a axe vertical, 2012

[12] EP_2447525_A1, Komjathy, M., Vertical axis wind turbine, 2010

[13] Grignoux, T., Gibert, R., Neau, P., Buthion, C., Eoliennes en milieu urbain – Etat

de l’art; ARENE, Ile-de-France, 2004

[14] Hau, E., Wind turbines. Fundamentals, Technologies, Application, Economics, 2nd

edition, Springer, 2006, ISBN-13 978-3-540-24240-6

[15] Hayashi, T., Li, Y., Hara, Y., Wind tunnel tests on a three stage out-phase

Savonius Rotor, JSME International Journal Series B, 2005; 48:9-16

[16] Ionescu, D., Battisti, L., Dell’anna, S., Benini, E., “The influence of turbulence on

the power curve at small power urban wind turbines”, conferinta internationala INCER,

Bucuresti, Romania, 20 – 22 iun 2013

[17] Kirke, B.K., Evaluation of self-starting vertical axis wind turbines for stand-alone

applications, PhD Thesis, Griffith University, 1998

[18] Manwell, J.F., McGowan, J.G., Rogers, A.L., Wind energy explained. Theory,

design and application, Second Edition, Wiley, 2009, ISBN 978-0-470-01500-1

[19] Mertens, S., The energy yield of roof mounted wind turbines, Wind Engineering,

2003, Issue 2003-27-6, pg 507

[20] Mertens, S., Wind energy in the built environment. Concentrator effect of

buildings, Multi-Science, 2006, ISBN 0906522 35 8

[21] Paraschivoiu, I., Wind turbine design, with emphasis on Darrieus concept,

Polytechnic International Press, 2002, ISBN 2-553-00931-3

8. Bibliografie

60

[22] Paraschivoiu, I., Trifu, O., Saeed, F., H-Darrieus Wind Turbine with Blade Pitch

Control, International journal of Rotating Machinery, Volume 2009, article ID 505343,

7 pages, doi:10.1155/2009/50534

[23] Pechlivanoglou, G., Passive and active flow control solutions for wind turbine

blades, TU Berlin, PhD Thesis, 2013

[24] Ragheb, M., Wind turbines in the Urban Environment, Energy BC, 12/30/2008

[25] Raciti-Castelli, M., Benini, E., Effect of blade thickness on Darrieus vertical axis

wind turbine performance, Proceedings of CSSim 2011 2nd

International Conference

on Computer Modelling and Simulation, Brno, Czech Republic

[26] Sheldahl, E.R., Comparison of Field and Wind Tunnel Darrieus Wind Turbine

data, SAND80-2469, 1981

[27] Timmer, W.A., Two-dimensional low-Reynolds number wind tunnel results for

airfoil NACA 0018,, Wind Engineering Journal, Vol. 32, No.6, 2008, pp 525-537, ISSN

0309-524X

[28] US_20120107118_A1, Wu, H-Y., Chen, T-W., Wind turbine device having rotor

for starting up and avoiding overspeed, 2010

[29] US_20120195757_A1, Paulin, D., Vertical wind power generator, 2012

[30] US_20120243990_A1, Kosch, A. J., Vertical axis wind turbine, 2012

[31] US_20130149131_A1, O’Keefe, K., Surround for a vertical axis wind turbine,

2013

[32] US_20130156585_A1, Mangnano, S., Method and device for electrical power

generation from wind power and method for manufacture thereof, 2012

[33] US_3902072_A1, Quinn, P. J., Wind turbine, 1974

[34] US_4070131_A1, Yen, J. T., Tornado-type wind turbine, 1975

[35] US_4293274_A1, Gilman, F. C., Vertical axis wind turbine for generating usable

energy, 1979

[36] US_6320273_B1, Nemec, O., Large vertical-axis variable-pitch wind turbine

[37] US4508973 A, Payne, J. M., Wind turbine electric generator, 1985

[38] US5324164 A, Doering, M. N. et al., Fluid active device, 1994

[39] US5518367 A, Verastegui, R. E., Cross-wind-axis wind turbine, 1996

[40] US8120193 B2, Nightingale, C. G. E., Wind energy conversion system for

pitched roof building, 2012

[41] Van Bussel, G.J.W., The development of Turby, a small VAWT for the built

environment, TU Delft, section Wind Energy, Global Wind Energy Conference,

Advanced small turbine technology, 2004

[42] WO_2012069905_A2, Hassenflu, J.F., A wind turbine, 2011

[43] WO_2012177111_A2, Ennaji, M., Saadi, J., Eolienne a axe vertical, convertible,

autoregule, combinant une savonius et un darrieus, a aubage compose, 2012

[44] WO_2013117652_A1, Lacaze, A., Smadja, C., Silvert, F., A bearing assembly for

a vertical axis wind turbine, 2013

[45] Design and Wind Tunnel Testing of a Thick, Multi-Element High-Lift Airfoil,

Frederik Zahle, Mac Gaunaa, Niels N. Sørensen, Christian Bak Wind Energy

Department, DTU, DK-4000 Roskilde, Denmark

9. Rezumat

61

REZUMAT

Pe baza analizei limitelor stadiului actual s-a definit obiectivul acestei teze: creşterea

eficienţei de conversie şi reducerea încărcărilor structurale pentru o turbină eoliană cu ax vertical

de mică putere. Pentru atingerea obiectivelor tezei s-a realizat un nou rotor de turbina eoliana cu

ax vertical, de tip Darrieus. În optimizarea designului, printre aspectele abordate se pot enumera:

adaptarea formei şi a dimensiunilor rotorului astfel încât să funcţioneze la parametri nominali în

mediul urban, s-a adaptat soliditatea rotorului astfel încât sa se ajungă la o formă optimă între

coeficientul de putere şi momentul rezultat la axul turbinei. Un aspect important al studiului este

reducerea vibraţiilor prin elemente elastice la nivelul axului rotorului, cu scopul de a reduce

vibratiile transmise la structura pe care este montată turbina. În acest sens, s-a studiat şi

întroducerea elementelor cu geometrie variabilă la nivelul palelor şi al segmentelor de pale.

Etapele parcurse pentru stabilirea soluţiei optime sunt: 1) Analiza stadiului actual, 2)

Stabilirea obiectivelor tezei, 3) Cercetări analitice proprii ale rotorului şi ale profilului

aerodinamic, 4) Modelarea numerică a rotorului, cu studiul analizei modale, al solicitărilor

structurale, dar şi al forţelor aerodinamice obţinute în urma analizei CFD, 5) Testări

experimentale, într-un stand special creat, 6) concluzii finale şi perspective.

Din analiza rezultatelor se desprinde ideea că este oportună testarea turbinei eoliene, pe

lângă sistemul de reducere al vibraţilor, şi prin adăugarea elementelor de pală mobile.

ABSTRACT

Based on the state of the art limits analzsis, has been objective the purpose of this thesis:

the efficiencz increase in conversion and reduction of structural loading for small power a

vertical axis wind turbine. For reaching this objective, has been designed a new Darrieus vertical

axis wind turbine rotor. In the optimization process, among the studyed aspects are: adapting the

shape and dimensions of the rotor in such a way as to function in nominal parameters in urban

environment, the solidity of the rotor has been adapted such as to reach an optimum combination

of power coefficient and torque. An important aspect in this study is vibration reduction by

elastic elements at the rotor shaft level, with the aim of reducing the transmitted vibrations. In

this regard, has been studied the effect of variable-geometry elements at the blades.

The stages followed in this research aiming to define the optimal solution are: 1) State of

the art analysis, 2) Defiining the objectives, 3) Analythical studies of the rotor and the blade

profile, 4) Numerical modeling of the rotor, by performing modal analysis, structural loading

studies, and aerodynamic forces obtained by CFD, 5) Experimental testing, 6) Final conclusions

and perspectives.

From the results analysis, it emerges the point that it is highly necessary to continue the

research investingation and testing the turbie with variable geometry elements, besides the elastic

ones.

10. Curriculum Vitae

62

INFORMATII PERSONALE Dora Raluca IONESCU

Brasov, 500218, Romania +40 729 059 482 [email protected]

Sex F | Data nasterii 27/02/1987 | Nationalitate Romanian

EXPERIENTA

EDUCATION

TRAINING

2014 Feb - prezent Cadru didactic asociat

Universitatea Transilvania Brasov

▪ Desen artistic, Culoare in designul de produs, Dezvoltare durabila

2012 Feb – 2012 Iulie Cadru didactic asociat

Universitatea Transilvania Brasov

▪ Desen artistic, Culoare in designul de produs

2011 Oct – 2012 Feb Associated professor

Universitatea Transilvania Brasov

▪ Graphic Design

2009 - 2011 Research

ProDD research Institute – team work

▪ Design of furniture, CAD modelling, Animated rendering of building interiors and exteriors, street lighting design.

2009 - 2011 Master MB

Universitatea Transilvania Brasov

Facultatea de Design de Produs si mediu. Absolvit cu 10 (cursuri si dizertatie)

2005 - 2009 Licenta: Design Industrial. Inginerie. Eng.

Universitatea Transilvania Brasov

Absolvit ca sefa de promotie cu 9.69 si examenul de diploma: 10 SCOLI DE VARA

2012, 2 sapt REIC Summer School - 8th International Summer School in Renewable Energy and Energy Efficency in South East Europe - Energy Planning in function of local sustainable development. Fojnica, Bosnia and Herzegovina

2010, 2 sapt Socrates Summer School in Renewable Energy Sources: „RESchool 2010” University TEI,

Crete, Greece

2012, 5-9 Nov. Curse "Introducere in ANSYS 14 - Workbench, mechanical si Compozite"

Training certificate

Universitatea Transilvania Brasov, INAS.SA, Craiova

2012, 9-12 oct Curs "SolidWorks - Essentials, Drawings, Assembly and Part modelling"

Training certificate

Universitatea Transilvania Brasov , CADWorks, Craiova

2011, 30 May – 3 June Curs "Introductere in ANSYS 13 - Workbench and CFD" Training certificate

INAS.SA, Craiova

2011, Feb - May Curs "Leadership" and "Drept comercial" postgraduate

DIDIFR, Universitatea Transilvania Brasov

2010 oct – 2011 feb Modul pedagogic nivel II postgraduate

Universitatea Transilvania Brasov , DPPD

10. Curriculum Vitae

63

APTITUDINI PERSONALE

2010 nov – 2011 Jan Curs "Managementul proiectelor" postgraduate

DIDIFR, University Transilvania of Br Universitatea Transilvania Brasov asov

2010 Curs "Tehnici de negociere" and "Comunicare in afaceri" postgraduate

DIDIFR, Universitatea Transilvania Brasov

2009 oct – 2010 Feb Modul pedagogic nivel I postgraduate

Universitatea Transilvania Brasov, DPPD

Limba materna Romanian

Alte limbi INTELEGERE VORBIT SCRIS

Ascultare Citire INteractiune Vorbire

English C2 C2 C2 C2 C1

French B2 B2 B1 B1 B2

Italian B2 B2 B2 B1 B1

Aptitudini calculator - Foarte buna cunoastere a tuturor softurilor de baza (Microsoft Word, Excel,

PowerPoint etc)

- Grafica de calculator, filme, fotografie in:

o Adobe Photoshop

o Adobe Premiere Pro

o Adobe Lightroom

o Digital Photo Professional

o Corel Draw

- Modelare 3D CAD si CAD for CAE, Analiza si simulare virtualaç

o ANSYS: Design Modeler, Static Structural, Modal, CFD (solver CFX)

o Xflow: CFD

o CATIA (Sketcher, Part and Assembly design), CATIA FEA

o SolidWorks

o Rhinoceros

o MSC/MD ADAMS

- Randare si animatie

o Artlantis

o 3ds Max

o Archicad

- Calcule numeirce:

o Matlab (basic user)

Driving licence ▪ B

10. Curriculum Vitae

64

PERSONAL INFORMATION Dora Raluca IONESCU

Brasov, 500218, Romania +40 729 059 482 [email protected]

Sex F | Date of birth 27/02/1987 | Nationality Romanian

WORK EXPERIENCE

EDUCATION

TRAINING

2014 Feb - now Associated professor

University Transilvania Brasov

▪ Artistic drawing, Colour in Product design, Sustainable development (applications)

2012 Feb – 2012 July Associated professor

University Transilvania Brasov

▪ Artistic drawing, Colour in Product design

2011 Oct – 2012 Feb Associated professor

University Transilvania Brasov

▪ Graphic Design

2009 - 2011 Research

ProDD research Institute – team work

▪ Design of furniture, CAD modelling, Animated rendering of building interiors and exteriors, street lighting design.

2011 - present Doctoral studies – Mechanical Engineering PhD candidate

Small power vertical axis wind turbines

2013, 8.5 months: Practical mobility University of Trento, Italy

2009 - 2011 Master MB

University Transilvania of Brasov

Product design and environment Faculty:

Product design for sustainable development and environment protection, research

track.

Graduated with grade 10 both at the thesis and courses.

2005 - 2009 Diploma: Engineering Eng.

University Transilvania of Brasov

Technological Engineering Faculty, Industrial Design in english Graduated as head of promotion, with an average of 9.69 and diploma exam: 10

SUMMER SCHOOLS

2012, 2 weeks REIC Summer School - 8th International Summer School in Renewable Energy and

Energy Efficency in South East Europe - Energy Planning in function of local sustainable

development. Fojnica, Bosnia and Herzegovina

2010, 2 weeks Socrates Summer School in Renewable Energy Sources: „RESchool 2010” University

TEI, Crete, Greece

2012, 5-9 Nov. Course "Introduction in ANSYS 14 - Workbench, mechanical and Composites"

Training certificate

University Transilvania Brasov location, training held by INAS.SA, Craiova

2012, 9-12 oct Course "SolidWorks - Essentials, Drawings, Assembly and Part modelling"

Training certificate

University Transilvania Brasov location, training held by CADWorks, Craiova

2011, 30 May – 3 June Course "Introduction in ANSYS 13 - Workbench and CFD" Training certificate

INAS.SA, Craiova

10. Curriculum Vitae

65

PERSONAL SKILLS

2011, Feb - May Courses "Leadership" and "Commercial Law" postgraduate

DIDIFR, University Transilvania of Brasov

2010 oct – 2011 feb Pedagogical Module Level II postgraduate

Transilvania University of Brasov, DPPD (Teacher Training department)

2010 nov – 2011 Jan Course "Project Management" postgraduate

DIDIFR, University Transilvania of Brasov

2010 Course "Negociation techniques" and "Communication in Business"

postgraduate

DIDIFR, University Transilvania of Brasov

2009 oct – 2010 Feb Pedagogical Module Level I postgraduate

Transilvania University of Brasov, DPPD (Teacher Training department)

Mother tongue Romanian

Other language(s) UNDERSTANDING SPEAKING WRITING

Listening Reading Spoken interaction Spoken production

English C2 C2 C2 C2 C1

French B2 B2 B1 B1 B2

Italian B2 B2 B2 B1 B1

Levels: A1/2: Basic user - B1/2: Independent user - C1/2 Proficient user Common European Framework of Reference for Languages

Computer skills I have developed the skills at school (highschool, university, master, PhD), at

home (self-taught) or trainings.

- Very good knowledge of all the basic software (Microsoft Word, Excel,

PowerPoint etc)

- Computer graphics, movie and image processing (photography) in:

o Adobe Photoshop

o Adobe Premiere Pro

o Adobe Lightroom

o Digital Photo Professional

o Corel Draw

- 3D CAD modelling and CAD for CAE, Analysis and Virtual simulation, very

good knowledge of:

o ANSYS: Design Modeler, Static Structural, Modal, CFD (solver CFX)

o Xflow: CFD

o CATIA (Sketcher, Part and Assembly design), CATIA FEA

o SolidWorks

o Rhinoceros

o MSC/MD ADAMS

- Rendering, movie and animation

o Artlantis

o 3ds Max

o Archicad

- Numerical computing:

o Matlab (basic user)

Driving licence ▪ B