A publicação a seguir é baseada na tradução livre da obra cientifica dos pesquisadores Agrim Sareen, Chinmay A. Sapre e Michael S. Selig do Departamento de Engenharia Aeroespacial da Universidade de Illinois, EUA.
Link da publicação original:
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/we.1649 ou acesse o QR Code abaixo:
Título em inglês:
Effects of leading edge erosion on wind turbine blade performance.
Título traduzido:
Efeitos da erosão no bordo de ataque no desempenho da pá na turbina eólica.
Resumo
Este artigo apresenta os resultados de um estudo para investigar o efeito da erosão de ponta sobre o desempenho aerodinâmico de um aerofólio de turbina eólica. Os testes foram conduzidos no aerofólio da turbina eólica DU 96-W-180 em três números Reynolds entre 1 milhão e 1,85 milhão, e ângulos de ataque abrangendo a faixa nominal de baixo arrasto do aerofólio. O aerofólio foi testado com erosão de borda de ataque simulada, variando o tipo e a gravidade da erosão para investigar a perda de desempenho devido a uma borda de ataque erodida. Os testes também foram executados com bugs simulados no aerofólio para avaliar o impacto do acúmulo de insetos no desempenho do aerofólio. O objetivo era desenvolver uma compreensão básica dos efeitos aerodinâmicos dos vários níveis de erosão da borda de ataque e quantificar seu impacto relativo no desempenho do aerofólio. Os resultados mostram que a erosão da borda de ataque pode produzir degradação substancial do desempenho do aerofólio, produzindo um grande aumento no arrasto juntamente com uma perda significativa na sustentação perto do canto superior do polar de arrasto, que é a chave para maximizar a produção de energia da turbina eólica. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.
PALAVRAS-CHAVE Turbina eólica, erosão do bordo de ataque, desempenho, aerodinâmica.
As lâminas das turbinas eólicas são expostas à precipitação que ocorre em uma variedade de formas e a uma miríade de partículas aerotransportadas abrasivas que podem, com o tempo, erodir suas superfícies, principalmente na borda de ataque. Essas partículas transportadas pelo ar podem causar danos significativos à erosão da lâmina, o que reduz o desempenho aerodinâmico e, portanto, a captura de energia. Além disso, em alguns ambientes, detritos de insetos e outras partículas transportadas pelo ar podem se acumular nas bordas de ataque das pás da turbina eólica. Erosão da lâmina de ponta e acúmulo e contaminação de detritos podem reduzir drasticamente o desempenho da lâmina, particularmente na região do rotor de alta velocidade, que é crucial para o desempenho ideal da lâmina e captura de energia. borda, que aumentam em densidade com o tempo e se combinam para formar goivas. Se deixadas para as forças da natureza, as goivas aumentam em tamanho e densidade e se combinam para causar delaminação perto da borda de ataque. Como exemplo, a Figura 1 mostra a extensão dos danos que a erosão do bordo de ataque pode causar nas pás das turbinas eólicas em serviço. A Figura 1 (a) mostra uma lâmina com poços e goivas perto do bordo de ataque, enquanto a Figura 1 (b) mostra uma lâmina muito mais velha com delaminação ao longo de todo o bordo de ataque. Embora a natureza prejudicial da erosão do bordo de ataque seja bem conhecida em toda a indústria, poucos esforços foram feitos para quantificar o efeito da erosão no desempenho da turbina eólica. Estudos anteriores1–7 concentraram-se no acúmulo de gelo, poeira, detritos de insetos e aspereza da borda de ataque em geral nas pás de turbinas eólicas e não na erosão das pás. Além disso, a maioria desses estudos foi de natureza qualitativa, com poucos dados apresentados sobre o efeito do acréscimo no desempenho da turbina eólica. Quase todos os estudos anteriores8,9 que tratam da erosão usaram uma faixa de rugosidade ou uma fita em ziguezague aplicada perto da borda de ataque do aerofólio para simular a contaminação da superfície. Embora esta abordagem seja amplamente usada devido à sua simplicidade, ela não modela com precisão a erosão da borda de ataque em uma lâmina de turbina eólica real, onde a modificação de forma é na verdade “negativa”, isto é, erodida.
O objetivo deste estudo foi testar um aerofólio de turbina eólica com modificações de forma para simular a erosão de vanguarda ao longo dos estágios evolutivos de desenvolvimento. A erosão da superfície foi modelada pela observação de registros fotográficos de pás de turbinas eólicas em operação e pás corroídas em reparo. O objetivo era desenvolver uma compreensão básica dos efeitos aerodinâmicos de vários tipos e magnitudes da erosão da borda de ataque e quantificar seu impacto relativo no desempenho do aerofólio.
Figura 01: Fotografias de pás de turbinas eólicas afetadas pela erosão da borda de ataque com (a) poços e goivas, e (b) laminação de borda dianteira (cortesia da 3M).
O objetivo final da realização do estudo foi examinar os potenciais efeitos prejudiciais da erosão do bordo de ataque e, consequentemente, a necessidade de desenvolvimento contínuo de estratégias de mitigação de erosão.
2 ABORDAGEM E MÉTODOS EXPERIMENTAIS
2.1 Instalação de túnel de vento
O teste foi realizado no túnel de vento subsônico de baixa turbulência da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign mostrado esquematicamente na Figura 2. O túnel de vento é um tipo de retorno aberto com uma razão de contração de 7,5: 1. A seção de teste retangular tem 0,853 ± 1,219 m (2,8 ± 4,0 pés) de seção transversal e 2,438 m (8 pés) de comprimento. Ao longo do comprimento da seção de teste, a largura aumenta em aproximadamente 1,27 cm (0: 5 pol.) Para compensar o crescimento da camada limite ao longo das paredes laterais do túnel de vento. As velocidades da seção de teste variam até 71,53 m / s (160 mph) por meio de um motor elétrico de corrente alternada de 93,25 kW (125 hp) acionando um ventilador de cinco pás. A câmara de sedimentação do túnel contém um favo de mel de 10,16 cm (4 pol.) De espessura e quatro telas anti-turbulência. O número máximo de Reynolds que pode ser alcançado é 4,92 milhões / m (1,5 milhão / pés). A velocidade do ar e a pressão dinâmica na seção de teste foram determinados por medições de pressão estática na contração do túnel de vento. A pressão ambiente foi medida com um transdutor de pressão absoluta. A temperatura ambiente foi medida com um termopar. A força axial, a força normal e o momento de lançamento do aerofólio foram medidos usando uma força externa de três componentes e equilíbrio de momento montado sob a seção de teste. O modelo foi montado com o eixo da envergadura na direção vertical.
A sustentação e o arrasto foram calculados a partir das forças normal e axial, mas um valor de arrasto mais preciso foi determinado a partir das medições do ancinho. O rake continha 59 sondas de pressão total em uma largura total de 24,77 cm (9:75 pol.). Sete sondas em cada um dos lados externos do ancinho foram espaçadas 6,86 mm (0:27 pol.) Entre si, e as 45 sondas internas restantes foram espaçados de 3,43 mm (0: 135 pol.). Oito perfis de esteira foram medidos para cada ângulo de ataque começando 10,16 cm (4 pol.) Acima e terminando 7,62 cm (3 pol.) Abaixo do vão central, e os valores de arrasto locais resultantes foram calculados. Apenas as medições de arrasto wakerake são relatadas neste artigo. Todas as medições foram corrigidas para os efeitos do túnel de vento e validadas comparando os dados obtidos para um modelo de aerofólio S809 com os dados obtidos em Delft e The Ohio State University.
Figura 02: Esquema do túnel de vento subsônico de baixa turbulência da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign.
2.2 Modelos de erosão e plano de testes
A primeira etapa na modelagem da erosão foi entender como a erosão se desenvolve nas pás da turbina eólica, para as quais foram usadas fotografias das pás erodidas fornecidas pela 3M. O conjunto de dados fotográficos coletados pela 3M de operadores de usinas eólicas cobriu uma variedade de tamanhos de pás de rotor (até e incluindo rotores em escala de megawatts) que estiveram em operação por 1 ano a +10 anos. As fotos revelaram que o processo de erosão começa com a formação de pequenos buracos próximos ao bordo de ataque da lâmina. À medida que a densidade dos poços aumenta com o tempo, eles se combinam para formar goivas maiores e mais profundas. Este processo continua até que finalmente resulte na delaminação centrada em torno da borda de ataque. A delaminação, que começa no bordo de ataque e cresce em sua extensão no sentido da corda com o tempo, é o estágio final do processo de erosão. Duas observações importantes foram feitas a partir das fotografias e da literatura disponível. Em primeiro lugar, a densidade de fossos e goivas é máxima perto da borda de ataque e diminui na direção da corda. Em segundo lugar, há um impacto maior (e, portanto, maior erosão) na superfície inferior porque o ângulo de ataque médio local é positivo para uma turbina eólica em operação. Com base no processo de erosão acima, o modelo de túnel de vento foi testado com três tipos diferentes de erosão características: poços, goivas e delaminação de ponta. Os testes foram executados primeiro com fossas (Tipo A), depois com fossas e goivas (Tipo B) e finalmente com fossas, goivas e delaminação da borda de ataque (Tipo C) para simular o processo de erosão. O grau de cada tipo de erosão também variou em estágios, com cada estágio sucessivo tendo aproximadamente duas vezes o número de fossas e goivas e o dobro da extensão de delaminação que o anterior. O tamanho (profundidade e diâmetro) e extensão da corda dos poços, goivas e delaminação da borda de ataque foram baseados em estimativas em escala reduzida obtidas a partir de fotografias de pás de turbinas de vento erodidas fornecidas pela 3M (Tabela I). A profundidade dos poços, goivas e delaminação da borda de ataque foi definida para ser 0,51 mm (0,02 pol.), 2,54 mm (0,10 pol.) E 3,81 mm (0,15 pol.), Respectivamente. O diâmetro médio dos poços e goivas foi igual à profundidade. Para contabilizar as diferenças na magnitude e na extensão da corda das características de erosão na superfície superior em comparação com a superfície inferior, foi usada uma proporção de 1: 1,3. A proporção foi escolhida com base em observações dos dados fotográficos. Com base nesta proporção, a extensão da corda das fossas e goivas foi fixada para todos os casos em s = c 10% na superfície superior es = c 13% na superfície inferior, e o número de fossas e goivas na a superfície inferior foi definida para 1,3 vezes a da superfície superior. Usando a mesma proporção, a extensão da delaminação da borda de ataque foi definida como s = c 1%, 2% e 3% na superfície superior es = c 1,3%, 2,6% e 3,9% na superfície inferior. Tabela II mostra a matriz de teste listando o número de poços e goivas (ao longo de toda a extensão do modelo) e o grau de delaminação da borda de guia na superfície superior do modelo de túnel de vento para cada caso (tipo e estágio) testado. Como mencionado anteriormente, o número de fossas e goivas na superfície inferior foi 1,3 vezes o da superfície superior listado na Tabela II. O movimento da esquerda para a direita na tabela avança de um tipo de erosão para o próximo e o movimento descendente ao longo de uma coluna avança de um estágio inferior para o superior (degradação superior). O número de cavidades (P), o número de goivas (G) e a extensão da delaminação (DL) para cada caso são separados por uma barra e listados na ordem mencionada. Por exemplo, o caso de erosão Tipo C / Estágio 3 (C3) tinha 400 poços e 200 goivas na superfície superior (520 poços e 260 goivas na superfície inferior) e leve delaminação da borda de ataque. Da mesma forma, o caso do Tipo C / Estágio 4 (C4) teve 800 fossas e 400 goivas na superfície superior (1040 fossas e 520 goivas na superfície inferior) e delaminação moderada do bordo de ataque. Cada configuração (tipo e estágio) foi testado em três números Reynolds: Re D 1.000.000, 1.500.000 e 1.850.000. Todos os casos que foram testados foram representativos de observações reais e baseados em dados de erosão e fotografias da 3M.
Tabela 01: Especificações das características nominais de erosão.
Tabela 02: Matriz de teste com o número aproximado de poços (P), número de goivas (G) e magnitude da delaminação da borda de ataque (DL) na superfície superior do modelo de erosão para cada caso testado.
O aerofólio utilizado para os testes foi o DU 96-W-180. O DU 96-W-180 é um aerofólio de 18% de espessura projetado na Delft University, Holanda.10 Ele foi projetado para ser usado na estação de lâmina de 75%. Além de ser usado em turbinas eólicas em operação, é usado ativamente em pesquisas de energia eólica e encontrado na literatura.10–12Para preencher a matriz de teste na Tabela II, modelos de túnel de dois ventos foram usados para os testes. Os modelos tinham um vão de 0,851 m (33: 5 pol.) Com uma corda de 0,457 m (18 pol.). A erosão foi lentamente aplicada aos modelos começando com o Tipo A e passando para o Tipo B e, em seguida, o Tipo C. Depois de cada modelo foi testado para um caso específico, ele foi devolvido à oficina de modelos, corroído para o próximo estágio e novamente testado. Usando os dois modelos de túnel de vento, o processo continuou até que todos os casos fossem cobertos. As localizações das características de erosão nos modelos foram baseadas em uma distribuição gaussiana com impacto máximo próximo à borda de ataque do aerofólio. Essa distribuição era semelhante à que seria observada em uma lâmina de turbina eólica erodida. Uma ilustração mostrando a distribuição dos poços, goivas e a extensão da delaminação da borda de ataque foi gerada para cada modelo, que o fabricante do modelo então usou como referência e imitou a distribuição da erosão no próprio aerofólio. A Figura 3 mostra um exemplo para o modelo de erosão C3, com a distribuição correspondente de recursos de erosão nas superfícies superior e inferior ao longo de um intervalo de 80 mm (3,15 pol.) De 0–13% s / c. O fabricante do modelo recebeu desenhos que cobriu todo o período com uma distribuição única não repetida. A Figura 4 mostra uma imagem do modelo de erosão C3 real correspondendo ao caso mostrado na Figura 3. Fotografias semelhantes foram registradas para cada modelo de erosão. Além dos três tipos de erosão, o aerofólio também foi testado com colisões simuladas de insetos aplicando um especial0 Fita 3M de 0,09 mm (0,0035 pol.) De espessura cortada em pequenos pedaços e aplicada perto da borda de ataque do modelo de túnel de vento. Insetos simulados foram adicionados ao aerofólio limpo em dois estágios; o primeiro estágio tendo 35 elementos discretos ao longo de todo o vão de 33,5 pol (0,851 m), e o segundo tendo 75. Erros simulados também foram adicionados ao modelo com poços (A1 com 35 erros e A2 com 75 erros) para avaliar os efeitos combinados de erosão e insetos.
Figura 03: Ilustração que mostra o padrão de erosão nominal Tipo C / Estágio 3 (C3) com poços, goivas e delaminação da borda de ataque na (a) superfície superior e (b) inferior do modelo de erosão DU 96-W-180 ao longo de 80 mm (3,15 pol.) intervalo de 0-13% s / c.
Figura 04: Fotografia do modelo do túnel de vento DU 96-W-180 com erosão de borda de ataque Tipo C / Estágio 3.
3 RESULTADOS E DISCURSSÃO
3.1 Limpar aerofólio
Antes de testar o aerofólio DU 96-W-180 com erosão do bordo de ataque, uma linha de base precisava ser determinada contra a qual o efeito da erosão do bordo de ataque seria comparado. A Figura 5 mostra o desempenho do aerofólio DU 96-W-180 limpo nos três números de Reynolds. Este conjunto de dados forneceu a linha de base usada para medir o efeito da erosão da borda de ataque no desempenho do aerofólio.
Figura 05: Características do aerofólio para o DU 96-W-180 limpo nos três números de Reynolds.
Figura 06: Efeito da erosão de borda de ataque Tipo A sobre o desempenho do aerofólio DU 96-W-180 e o aumento percentual resultante no arrasto em Re = 1.000.000.
3.2 Erosão do bordo de ataque
Depois de testar o aerofólio limpo para obter a linha de base, os modelos de erosão foram testados com base na matriz de teste discutida anteriormente (Tabela II). As Figuras 6–8 mostram a polar de arrasto, a curva de sustentação e o coeficiente de momento de pitching de quarto de corda para modelos de erosão A1, A2 e A3 em comparação com o aerofólio limpo nos três números de Reynolds. As figuras também comparam o aumento percentual no arrasto devido à erosão da borda de ataque para os três casos. Os valores Delta CD foram calculados usando o aerofólio limpo como linha de base. Os gráficos mostram que, embora o primeiro estágio da erosão Tipo A tenha pouco impacto sobre o aerofólio, o efeito prejudicial da erosão da borda de ataque cresce rapidamente conforme a erosão progride para os Estágios 2 e 3. Além do aumento no arrasto, as curvas de sustentação para esses casos também mostram um decréscimo significativo no coeficiente de sustentação em ângulos mais altos de ataque próximo a (Cl / Cd) max quando limpo.
Figura 07: Efeito da erosão da borda de ataque Tipo A no desempenho do aerofólio DU 96-W-180 e o aumento percentual resultante no arrasto em Re = 1.500.000.
Figura 08: Efeito da erosão da borda de ataque Tipo A no desempenho do aerofólio DU 96-W-180 e o aumento percentual resultante no arrasto em Re = 1.850.000.
As Figuras 9-11 e 12-14 mostram as medições para os casos de erosão B2, B3 e B4 e os casos C3, C4 e C5, respectivamente. Os gráficos mostram tendências semelhantes às da erosão Tipo A, com a magnitude da degradação no desempenho aumentando progressivamente à medida que o número de poços, goivas e extensão da delaminação do bordo de ataque aumenta. O efeito dos ataques de insetos no desempenho do aerofólio pode ser visto nas Figuras 15 e 16. A Figura 15 mostra a polar de arrasto e a curva de sustentação para um aerofólio com apenas insetos. A Figura 16 mostra os efeitos combinados dos insetos e da erosão da borda de ataque no aerofólio. As medições mostram que os insetos também podem degradar significativamente o desempenho do aerofólio, tanto em termos de sustentação quanto de arrasto.
Figura 09: Efeito da erosão da borda de ataque Tipo B sobre o desempenho do aerofólio DU 96-W-180 e o aumento percentual resultante no arrasto em Re = 1.000.000.
Figura 10: Efeito da erosão de borda de ataque Tipo B sobre o desempenho do aerofólio DU 96-W-180 e o aumento percentual resultante no arrasto em Re = 1.500.000.
Figura 11: Efeito da erosão da borda de ataque Tipo B sobre o desempenho do aerofólio DU 96-W-180 e o aumento percentual resultante no arrasto em Re = 1.850.000.
Figura 12: Efeito da erosão da borda de ataque Tipo C no desempenho do aerofólio DU 96-W-180 e o aumento da porcentagem resultante no arrasto em Re = 1.000.000.
3.3 Efeitos no desempenho da turbina eólica
A Tabela III resume o efeito prejudicial da erosão da borda de ataque no desempenho do aerofólio DU 96-W-180. A tabela lista o aumento percentual no arrasto e o decréscimo no coeficiente de sustentação devido à erosão para todos os casos testados. Essas perdas correspondem a uma condição de operação típica de turbina eólica de velocidade variável, ou seja, próximo ao ponto de operação limpo .Cl = Cd / max. A tabela também mostra a perda prevista na produção anual de energia (AEP) para modelos de erosão A2, B3 e C4 . Os dados são baseados em uma análise realizada para estimar a perda potencial de desempenho de uma turbina eólica com erosão de ponta semelhante em suas pás. O projeto e a análise foram realizados usando o código de projeto de turbina eólica PROPID.13 A turbina eólica foi modelada em uma turbina de classe 2,5 MW e analisada em condições limpas e ásperas (degradadas) para estimar a perda em AEP devido à erosão e sujeira. Uma vez que os números de Reynolds para uma turbina eólica de 2,5 MW são significativamente maiores, a análise foi realizada apenas para estimar o efeito na potência ao assumir as mesmas perdas. Para todos os casos, o controlador estava ativo no sentido de que a potência do rotor atingiu a potência nominal de 2,5 MW, embora em diferentes velocidades do vento devido a vários graus de degradação. A degradação no desempenho do aerofólio foi aplicada ao longo de toda a lâmina, mas a maior parte da perda de PEA mostrada na tabela deriva principalmente da parte externa da lâmina. Nas previsões, uma distribuição da velocidade do vento Weibull (k D 2) foi usada. Os dados tabulados mostram que a perda medida no desempenho varia de um aumento de 6-500% no arrasto indo de erosão leve a forte. Os dados também mostram que o aumento no arrasto está associado a uma perda significativa no coeficiente de sustentação, que foi medido como sendo tão alto quanto 0,17 para o pior caso (C5). As estimativas de perda de AEP revelam que mesmo uma pequena quantidade de erosão da borda de ataque pode resultar em uma perda anual de energia de aproximadamente 3-5%. As perdas anuais de energia para os casos de erosão pesada com poços, goivas e delaminação podem se aproximar de 25%, embora um pouco menos na aplicação real devido à distribuição variável de erosão ao longo da lâmina do Hub à ponta.
Figura 13: Efeito da erosão da borda de ataque Tipo C no desempenho do aerofólio DU 96-W-180 e o aumento da porcentagem resultante no arrasto em Re =1.500.000.
Figura 14: Efeito da erosão da borda de ataque Tipo C no desempenho do aerofólio DU 96-W-180 e o aumento da porcentagem resultante no arrasto em Re = 1.850.000.
Figura 15: Comparação da polar de arrasto e curva de sustentação do aerofólio e aerofólio DU 96-W-180 limpos com insetos em Re = 1.500.000.
Figura 16: Comparação da polar de arrasto e curva de sustentação do aerofólio limpo DU 96-W-180 e casos de erosão A1 e A2 com e sem insetos em Re = 1.500.000.
Tabela 03: Efeito da erosão de bordo de ataque no desempenho das pás da turbina eólica, conforme estimado pelo PROPID.
4 CONCLUSÃO
O aerofólio DU 96-W-180 foi testado com vários tipos e magnitudes de erosão da borda de ataque e ataques de insetos simulados. Os resultados revelaram que a erosão da borda de ataque pode ser significativamente prejudicial ao desempenho do aerofólio. Os dados dos testes mostraram um aumento de arrasto de 6–500% devido à erosão da borda de ataque (casos de erosão leve a pesada). A erosão também causou uma redução substancial no coeficiente de sustentação, especialmente nos ângulos de ataque mais altos que são experimentados pelas turbinas eólicas durante sua operação. Semelhante à erosão da borda de ataque, erros simulados na borda de ataque também resultaram em uma degradação significativa no desempenho do aerofólio. Com base na análise realizada usando P ROPID, estimou-se que um aumento de 80% no arrasto, que foi causado por um grau relativamente pequeno de erosão na borda de ataque, pode resultar em perda de aproximadamente 5% na produção anual de energia. Para um aumento no arrasto de 400–500% juntamente com a perda de sustentação, conforme observado para muitos dos casos de erosão moderada a pesada, essa perda na produção anual de energia pode chegar a 25%. Esses resultados lançam luz sobre o efeito prejudicial da erosão da borda de ataque e a necessidade de estratégias de mitigação de erosão. Métodos que poderiam reduzir ou eliminar a erosão da borda de ataque ajudariam a prevenir perdas incorridas devido à degradação no desempenho das pás da turbina eólica após apenas alguns anos de operação.
RECONHECIMENTOS
Os autores desejam agradecer à Divisão de Energia Renovável da 3M (St Paul, MN) por fornecer o financiamento para esta pesquisa, materiais de teste de amostra e dados sobre erosão da turbina eólica e Jennifer L. Kamarainen e sua equipe técnica da 3M por sua cooperação que foi fundamental para fazer isso estudo possível. Além disso, P erformance Composites, Inc. (Compton, CA) é agradecida por permitir a inclusão de previsões de degradação de desempenho devido à erosão. Por fim, os autores agradecem a Shreyas Narsipur por sua ajuda nos testes do túnel de vento.
REFERÊNCIAS
No texto original.
Baixe aqui o PDF e-artigo digital 01.2021- Efeitos da erosão do bordo de ataque no desempenho da pá na turbina eólica.
Sobre o organizador e tradutor livre: João Marcelo Ribeiro Saraiva é Diretor de operações e membro do corpo técnico da Horus Soluções Verticais.
