ES2956069A1 - Procedimiento de simulacion numerica de la influencia de la membrana a base de ptfe en una caracteristica aerodinamica de pala de turbina eolica - Google Patents

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Abstract

La divulgación describe un procedimiento de simulación numérica de la influencia de una membrana a base de politetrafluoroetileno (PTFE) en una característica aerodinámica de una pala de turbina eólica y está relacionada con el campo técnico de los compuestos de polímero. El procedimiento de simulación comprende las etapas siguientes: seleccionar un generador de turbina eólica, un perfil aerodinámico de pala y una nanomembrana funcional a base de PTFE; establecer una red de cálculo de simulación numérica y un área de cálculo de un área de captura de energía eólica; determinar los principales parámetros de cálculo y un número de Reynolds para el cálculo de las características aerodinámicas; establecer un modelo geométrico cuyo límite de perfil aerodinámico se extienda 0,26 mm (grosor de membrana) a lo largo de una dirección normal para obtener una nueva geometría computacional; calcular utilizando un procedimiento de cálculo hidrodinámico y un procedimiento de volúmenes finitos; y obtener un resultado de cálculo de la simulación de los números de influencia. El cálculo de simulación numérica se realiza sobre las influencias de una nanomembrana compuesta funcional a base de PTFE en las características aerodinámicas del perfil aerodinámico de una pala y el rendimiento aerodinámico completo de una pala según la aerodinámica y la dinámica estructural, lo que proporciona una base científica para la aplicación de nuevos materiales y nuevas tecnologías en la generación de energía eólica.

Description

PROCEDIMIENTO DE SIMULACIÓN NUMÉRICA DE LA INFLUENCIA DE LA MEMBRANA A BASE DE PTFE EN
UNA CARACTERÍSTICA AERODINÁMICA DE PALA DE TURBINA EÓLICA
CAMPO DE LA TECNOLOGÍA
La divulgación se refiere al campo técnico de los compuestos de polímero y, en particular, se refiere a un procedimiento de simulación numérica de la influencia de una membrana a base de politetrafluoroetileno (PTFE) en una característica aerodinámica de una pala de turbina eólica.
ANTECEDENTES
La energía eólica es una energía limpia que tiene un enorme potencial de recursos y una tecnología básicamente madura, y juega un papel importante en la optimización de una estructura energética, que reduce la emisión de gases de efecto invernadero y aborda el cambio climático. A fines de 2018, la capacidad instalada de energía eólica en China había alcanzado los 210 millones de kwh. Obviamente, la energía eólica se ha convertido en un elemento central para impulsar la transformación energética de China y en una forma importante de abordar el cambio climático. No solo es una medida importante para implementar la prioridad ecológica y el desarrollo verde, sino también un medio importante para seguir avanzando en la revolución de la producción y el consumo de energía e impulsar la prevención y el control de la contaminación atmosférica. Con la implementación del "Plan de Acción Estratégico de Desarrollo Energético (2014-2020)" de la Oficina General del Consejo de Estado sobre la realización del objetivo de la energía eólica conectada a la red en 2020 con precios al nivel del carbón, todas las tarifas regulada de la energía eólica de China han pasado a ser competitivas, lo que fomenta en gran medida el desarrollo a gran escala de la industria de la energía eólica, impulsa la competencia leal y la supervivencia del más apto y promueve aún más el desarrollo saludable y sostenible de la industria de la energía eólica. Sin embargo, las tarifas reguladas de la energía eólica son un arma de doble filo. La determinación del nivel de tarifas reguladas permite que las tarifas reguladas compitan ferozmente, lo que inevitablemente fomenta que las empresas de energía eólica presten más atención a los estados de los recursos de proyectos de energía eólica, los niveles de tecnología de los equipos, los costes de generación de potencia y otros factores. La utilización eficaz de los recursos de energía eólica solo puede lograrse mediante la innovación tecnológica.
Una pala de turbina eólica es un componente clave de un generador de turbina eólica. Desempeña un papel fundamental en el volumen de captura de energía eólica y en la mejora de la seguridad y los beneficios económicos de la energía eólica. En el campo de la energía eólica, existen muchos estudios y experimentos correspondientes sobre el rendimiento aerodinámico de un perfil aerodinámico de pala: R.P.J.O.M. van Rooij y otras personas del Laboratorio Nacional Danés, teniendo como objetivo tres perfiles aerodinámicos de palas de diferentes grosores, propusieron un procedimiento que utiliza un efecto lateral interno para analizar la influencia del polvo superficial en el 10 % de la longitud de la cuerda de la pala en la posición sensible del perfil aerodinámico; el Laboratorio Nacional Danés y W.A. Timmer et al. concluyeron que el coeficiente de sustentación del perfil aerodinámico de la pala aumentaba con el aumento del número de Reynolds según diferentes números de Reynolds; Bao Nengsheng de la Universidad de Tsinghua aumentó la rugosidad localmente en la superficie del perfil aerodinámico de la pala, analizó la influencia de las diferentes posiciones de distribución y la diferente rugosidad en el rendimiento aerodinámico de la pala a través del laboratorio del túnel aerodinámico y estudió profundamente un principio de formación y una teoría general de la rugosidad de la superficie del perfil aerodinámico, para llegar a la conclusión de que el cambio en el coeficiente es más evidente cuando la longitud de disposición de una banda de rugosidad es el 10% de la longitud de la cuerda; Rennian Li de la Universidad de Tecnología de Lanzhou estudió el rendimiento aerodinámico de la superficie rugosa bidimensional del perfil aerodinámico de la pala DU-95-W2-180 de acuerdo con un procedimiento numérico para llegar a la conclusión de que un aumento de la rugosidad cerca del límite posterior del perfil aerodinámico de la pala puede mejorar el coeficiente de sustentación del perfil aerodinámico de la pala DU-95-W2-180; Nagaishi Akira de la Universidad de Tokai, Japón, realizó experimentos de rendimiento aerodinámico en túnel de viento con una pala de turbina eólica de eje horizontal como objetivo de investigación para llegar a la conclusión de que el flujo asimétrico en el punto de inflexión del límite del perfil aerodinámico circular comportaba un cambio de gradiente en el coeficiente de sustentación parcial y el coeficiente de resistencia, que se denominó "rugosidad", la cantidad de variación del coeficiente de sustentación máximo se produjo en un ángulo de ataque bajo después de que se aumentara el grosor de la rugosidad y el número de Reynolds fue más elevado.
A través del análisis de la literatura nacional y extranjera, se puede ver que las investigaciones actuales sobre el rendimiento del perfil aerodinámico de las palas de los grandes generadores de turbinas eólicas están relativamente maduras, pero utilizan la rugosidad de la superficie del revestimiento convencional original en la superficie de la pala como un objetivo de investigación y una base experimental, y las conclusiones resultantes son conceptos relevantes y resultados experimentales de la caracterización de la rugosidad del perfil aerodinámico de la pala según el revestimiento convencional, y las conclusiones obtenidas sobre la influencia de la rugosidad en el rendimiento del perfil aerodinámico de la pala no son uniformes. Sin embargo, el cálculo numérico y el análisis de las influencias de la nanomembrana compuesta funcional a base de PTFE en la característica aerodinámica y el rendimiento aerodinámico completo del perfil aerodinámico de la pala después de encolar y cubrir la superficie de la pala de turbina eólica están casi vacíos.
La tecnología de revestimiento de superficie existente de las palas de turbina eólica y los materiales de las mismas están lejos de satisfacer las necesidades urgentes de mejorar las características y el rendimiento aerodinámico completo del perfil aerodinámico de la pala, mejorar el coeficiente de utilización de la energía eólica y mejorar la calidad y la eficacia de la energía eólica. Con el rápido desarrollo de las ciencias y las tecnologías, los avances en la ciencia de los materiales dan lugar inevitablemente a la aparición de muchos nuevos materiales funcionales avanzados. La fuerza indirecta del factor de las tarifas reguladas de la energía eólica fomentará de manera similar que la industria de energía eólica utilice más nuevos materiales y tecnologías desarrollados por la innovación científica y tecnológica para lograr el uso eficaz de los recursos de energía eólica. El cálculo de la simulación numérica y las investigaciones científicas sobre las influencias de las características aerodinámicas y el rendimiento aerodinámico completo del perfil aerodinámico de la pala de turbina eólica usando el nuevo material y la nueva tecnología se desarrollan oportunamente al mantenerse al día con el desarrollo científico a partir de la aerodinámica y la dinámica estructural, por lo que es urgente proporcionar una base científica para la aplicación de nuevos materiales y nuevas tecnologías en la generación de energía eólica.
COMPENDIO
Con el fin de resolver los problemas técnicos anteriores, la divulgación proporciona un procedimiento de simulación numérica de la influencia de una característica aerodinámica de una membrana a base de PTFE en una pala de turbina eólica, en el que el cálculo de la simulación se realiza sobre los números de influencia de una nanomembrana compuesta funcional a base de PTFE en las características aerodinámicas y el rendimiento aerodinámico completo del perfil aerodinámico de una pala después de encolar y cubrir las superficies de las palas de una gran turbina eólica de eje horizontal utilizando un procedimiento de cálculo hidrodinámico, que comprende las etapas siguientes:
(1) seleccionar los perfiles aerodinámicos de dos palas;
(2) determinar que las áreas de captura de energía eólica de una pala estén ubicadas en las áreas del centro y la punta de la pala, seleccionar las posiciones de la longitud de cuerda y los intervalos de ángulo de ataque de los dos perfiles aerodinámicos de acuerdo con la posición de expansión respectiva y la dirección de distribución de la longitud de cuerda, y mientras tanto seleccionar los números de Reynolds para el cálculo de las características aerodinámicas de los perfiles aerodinámicos;
(3) seleccionar la nanomembrana compuesta funcional a base de PTFE con un grosor máximo de 0,26 mm y una rugosidad superficial de 0,18 |_im;
(4) resolver una ecuación de Navier-Stokes incompresible de dos dimensiones utilizando un procedimiento de volúmenes finitos, en el que el estado de cálculo es un estado estable, la simulación de turbulencia adopta un modelo SST k-w, la cuadrícula de cálculo del perfil aerodinámico adopta una estructura de cuadrícula en forma de C, y la altura de la cuadrícula de la primera capa de la superficie de la pala cumple con y+~1;
(5) modelar geométricamente y extender el límite del perfil aerodinámico a lo largo de una dirección normal en la misma distancia que el grosor de una membrana para obtener una nueva geometría computacional;
(6) realizar un cálculo de simulación de los números de influencia, en el que el punto de acción de un momento se selecciona en la posición de 1/4 de longitud de cuerda del perfil aerodinámico, de modo que el momento de elevación del perfil aerodinámico sea positivo y el momento de curvatura del perfil aerodinámico sea negativo,
un coeficiente de sustentación del perfil aerodinámico es
Figure imgf000005_0001
un coeficiente de resistencia es
Figure imgf000005_0003
un coeficiente de momento de inclinación es
Figure imgf000005_0002
(7) analizar comparativamente los cambios en los coeficientes aerodinámicos de dos perfiles aerodinámicos de palas de generador de turbina eólica antes y después de ser encoladas y cubiertas con la nanomembrana compuesta funcional a base de PTFE para obtener resultados del cálculo de simulación de los números de influencia.
Los efectos técnicos son los siguientes: el cálculo de la simulación se realiza sobre los números de influencia de la nanomembrana compuesta funcional a base de PTFE en las características aerodinámicas del perfil aerodinámico de una pala y el rendimiento aerodinámico completo de la pala según la aerodinámica y la dinámica estructural después de que el gran generador de turbina eólica sea encolado y cubierto con una nanomembrana compuesta funcional a base de PTFE, lo que proporciona una base científica para la aplicación de nuevos materiales y nuevas tecnologías en la generación de energía eólica.
La solución técnica definida además por la divulgación es la siguiente:
El procedimiento de simulación numérica de la influencia de la membrana a base de PTFE en la característica aerodinámica de la pala de turbina eólica comprende además las etapas siguientes:
(1) seleccionar cuatro generadores de turbinas eólicas con diferentes capacidades, incluido el generador de turbina eólica NH1500 de 1,5 MW de China Southern Airlines y el generador de turbina de 2,5 MW, el generador de turbina eólica marina de 5 MW y el generador de turbina de 2 MW del Laboratorio Nacional de Energía Renovable, y finalmente seleccionar dos perfiles aerodinámicos de palas básicos comúnmente utilizados en aviación haciendo referencia a los datos de diseño de las palas de cuatro generadores de turbina eólica, concretamente, el DU91-W2-250 y NACA64-418 de la Universidad Técnica de Delft;
(2) determinar que las áreas de captura de energía eólica de la pala estén ubicadas en las áreas del centro y la punta de la pala, seleccionar las posiciones de longitud de cuerda y los intervalos de ángulo de ataque de los dos perfiles aerodinámicos de acuerdo con la posición de extensión respectiva y la dirección de distribución de la longitud de cuerda, en el que las posiciones de longitud de cuerda se seleccionan haciendo referencia al 60 % de la posición R y al 85 % de la posición R de las palas de una turbina eólica UP2000-96, R representa la longitud de la cuerda de cada perfil aerodinámico seccional de la pala en dirección radial, que es respectivamente 1,65 m y 1,15 m; los intervalos de ángulo de ataque son ambos [-4, 14], y mientras tanto, el número de Reynolds para el cálculo de las características aerodinámicas se selecciona como 3,0*106;
(3) seleccionar la nanomembrana compuesta funcional a base de PTFE con un grosor máximo de 0,26 mm y una rugosidad superficial de 0,18 |_im;
(4) resolver una ecuación de Navier-Stokes incompresible de dos dimensiones utilizando un procedimiento de volúmenes finitos, en el que el estado de cálculo es un estado estable, la simulación de turbulencia adopta un modelo SST k-w, la cuadrícula de cálculo del perfil aerodinámico adopta una estructura de cuadrícula en forma de C, hay 400 puntos de cuadrícula presentes alrededor del perfil aerodinámico, la altura de la cuadrícula de la primera capa de la superficie de la pala es 9,0*10-6 m y cumple con y+~1 (la primera capa es una capa inferior, y+ representa un grosor y 1 representa una precisión), y el número total de las cuadrículas es de 300 mil;
(5) modelar geométricamente y extender el límite del perfil aerodinámico a lo largo de una dirección normal en 0,26 mm para obtener una nueva geometría computacional;
(6) realizar un cálculo de simulación de los números de influencia, en el que el punto de acción de un momento se selecciona en la posición de 1/4 de longitud de cuerda del perfil aerodinámico, de modo que el momento de elevación del perfil aerodinámico sea positivo y el momento de curvatura del perfil aerodinámico sea negativo,
un coeficiente de sustentación del perfil aerodinámico es
Figure imgf000006_0001
un coeficiente de resistencia es
Figure imgf000006_0003
un coeficiente de momento de inclinación es
Figure imgf000006_0002
(7) analizar comparativamente los cambios en los coeficientes aerodinámicos de dos perfiles aerodinámicos de palas de generador de turbina eólica antes y después de ser encoladas y cubiertas con la nanomembrana compuesta funcional a base de PTFE para obtener resultados del cálculo de simulación de los números de influencia:
En el área de cambio lineal, los coeficientes de sustentación, resistencia y momentos del perfil aerodinámico básicamente no se ven afectados por la nanomembrana compuesta funcional a base de PTFE; en el área de cambio no lineal, cada parámetro aerodinámico se ve ligeramente afectado por la nanomembrana compuesta funcional a base de PTFE para dar lugar a una reducción en el coeficiente de sustentación y el coeficiente de momento, y el porcentaje de cambio de cada coeficiente aerodinámico es 1,9 % o menos con poca influencia;
Desde el punto de vista de la rugosidad de la superficie, la nanomembrana compuesta funcional a base de PTFE puede desempeñar un papel en la mejora de las características aerodinámicas del perfil aerodinámico y el rendimiento aerodinámico completo de la pala después de encolar y cubrir la pala de turbina eólica.
La divulgación tiene los efectos beneficiosos:
(1) a partir del perfil aerodinámico bidimensional básico, se realizan cálculos numéricos y análisis comparativos de los coeficientes de sustentación, los coeficientes de resistencia y los coeficientes de momentos de los perfiles aerodinámicos de las palas comunes de dos grandes generadores de turbina eólica de eje horizontal antes y después de ser encolados y cubiertos con la nanomembrana compuesta funcional a base de PTFE según los números de Reynolds típicos, y luego se obtiene una conclusión de cálculo de los números de influencia de la nanomembrana compuesta funcional a base de PTFE, después de encolar y cubrir la superficie de la pala de la gran turbina eólica de eje horizontal, en las características aerodinámicas y el rendimiento aerodinámico completo del perfil aerodinámico de la pala; y (2) mediante la divulgación, se realiza un cálculo de simulación numérica en las características aerodinámicas y los rendimientos aerodinámicos completos de los perfiles aerodinámicos de las palas de todos los grandes generadores de turbinas eólicas de eje horizontal.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
La Fig. 1 es un diagrama de un perfil aerodinámico DU91-W2-250 y un perfil aerodinámico NACA64-418.
La Fig. 2 es un diagrama de un dominio de cálculo de simulación numérica.
La Fig. 3 es un gráfico detallado de cuadrículas próximas a un perfil aerodinámico DU91-W2-250 y un perfil aerodinámico NACA64-418.
La Fig. 4 es un gráfico de efecto de un perfil aerodinámico DU91-W2-250 después de ser encolado y cubierto con una membrana (detalles del límite posterior del perfil aerodinámico, y una barra oblicua representa una membrana con un grosor de 0,26 mm).
La Fig. 5 es un diagrama de una fuerza aerodinámica de un perfil aerodinámico.
La Fig. 6 es un diagrama que muestra la influencia de una membrana compuesta nanofuncional a base de PTFE en un coeficiente de sustentación de un perfil aerodinámico DU91-W2-250.
La Fig. 7 es un diagrama que muestra la influencia de una nanomembrana compuesta funcional a base de PTFE en un coeficiente de resistencia de un perfil aerodinámico DU91-W2-250.
La Fig. 8 es un diagrama que muestra la influencia de una nanomembrana compuesta funcional a base de PTFE en un coeficiente de momento de un perfil aerodinámico DU91-W2-250.
La Fig. 9 es un diagrama que muestra la influencia de una nanomembrana compuesta funcional a base de PTFE en un coeficiente de sustentación de un perfil aerodinámico NACA64-418.
La Fig. 10 es un diagrama que muestra la influencia de una nanomembrana compuesta funcional a base de PTFE en un coeficiente de sustentación de un perfil aerodinámico NACA64-418.
La Fig. 11 es un diagrama que muestra la influencia de una nanomembrana compuesta funcional a base de PTFE en un coeficiente de sustentación de un perfil aerodinámico NACA64-418.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LAS REALIZACIONES
Un procedimiento de simulación numérica de la influencia de una membrana a base de PTFE en una característica aerodinámica de una pala de turbina eólica proporcionado en este ejemplo comprende las etapas siguientes:
Se seleccionaron cuatro generadores de turbinas eólicas con diferentes capacidades, incluidos el generador de turbina eólica NH1500 de 1,5 MW de China Southern Airlines y el generador de turbina de 2,5 MW, y el generador de turbina eólica marina de 5 MW y el generador de turbina de 2 MW del Laboratorio Nacional de Energía Renovable. Haciendo referencia a los datos de diseño de las palas de cuatro generadores de turbina eólica, finalmente se seleccionaron dos perfiles aerodinámicos de pala básicos, concretamente, el DU91-W2-250 y NACA64-418 de la Universidad Técnica de Delft comúnmente utilizados en aviación, como se muestra en la Fig. 1;
Se determinó que las áreas de captura de energía eólica de la pala estaban ubicadas en las áreas del centro y la punta de la pala, las posiciones de longitud de cuerda y los intervalos de ángulo de ataque de los dos perfiles aerodinámicos se seleccionaron de acuerdo con la posición de extensión respectiva y la dirección de distribución de la longitud de cuerda, en el que las posiciones de la longitud de cuerda se seleccionaron con referencia al 60 % de la posición y al 85 % de la posición R de una pala de turbina eólica UP2000-96, R representó la longitud de cuerda de cada perfil aerodinámico seccional de la pala en dirección radial, siendo respectivamente 1,65 m y 1,15 m ; los intervalos de ángulo de ataque fueron ambos [-4, 14], y los parámetros correspondientes del perfil aerodinámico se observan en la Tabla 1. Mientras tanto, el número de Reynolds para el cálculo de las características aerodinámicas se seleccionó como 3,0*10® dado que se consideró el estado operativo de una turbina eólica de megavatios;
Tabla 1 Perfiles aerodinámicos y principales parámetros de cálculo
Figure imgf000008_0004
se seleccionó la nanomembrana compuesta funcional a base de PTFE con un grosor máximo de 0,26 mm y una rugosidad superficial de 0,18 |_im, y las formas del perfil aerodinámico de la pala antes y después de encolarse y cubrirse con la nanomembrana compuesta funcional a base de PTFE tuvieron un cambio relativamente pequeño, como se muestra en la Fig. 4;
se resolvió una ecuación de Navier-Stokes incompresible de dos dimensiones utilizando un procedimiento de volúmenes finitos, en el que el estado de cálculo era un estado estable, la simulación de turbulencia adoptó un modelo SST k-w, la cuadrícula de cálculo del perfil aerodinámico adoptó una estructura de cuadrícula en forma de C, había 400 puntos de cuadrícula alrededor del perfil aerodinámico, la altura de la cuadrícula de la primera capa de la superficie de la pala fue de 9,0*10-® m y cumplió con y+~1 (la primera capa era una capa inferior, y+ representó un grosor y 1 representó una precisión), y el número total de las cuadrículas fue de 300 mil. En la Fig. 2 se muestra un dominio de cálculo para la simulación numérica, y en la Fig. 3 se muestran los detalles de las cuadrículas próximas a los dos perfiles aerodinámicos;
se realizó un modelado geométrico y el límite del perfil aerodinámico se extendió a lo largo de una dirección normal en 0,26 mm para obtener una nueva geometría computacional;
la fuerza aerodinámica del perfil aerodinámico es como se muestra en la Fig. 5, y se realizó el cálculo de simulación de los números de influencia, en el que el punto de acción de un momento se seleccionó en la posición de 1/4 de longitud de cuerda del perfil aerodinámico, de modo que el momento de elevación del perfil aerodinámico fue positivo, y el momento de curvatura del perfil aerodinámico fue negativo,
un coeficiente de sustentación del perfil aerodinámico fue
Figure imgf000008_0001
un coeficiente de resistencia fue
Figure imgf000008_0002
un coeficiente de momento de inclinación fue
Figure imgf000008_0003
se analizaron comparativamente los cambios en los coeficientes aerodinámicos de dos perfiles aerodinámicos de palas de generador de turbina eólica antes y después de ser encoladas y cubiertas con la nanomembrana compuesta funcional a base de PTFE para obtener los resultados del cálculo de simulación de los números de influencia.
La comparación de los cambios en los coeficientes aerodinámicos del perfil aerodinámico DU91-W2-250 antes y después de ser encolado y cubierto con la nanomembrana compuesta funcional a base de PTFE se muestra en las Fig. 6-8. El resultado específico del coeficiente aerodinámico en un área no lineal se muestra en la Tabla 2, en la que se puede ver que la nanomembrana compuesta funcional a base de PTFE tiene influencias relativamente pequeñas en el parámetro aerodinámico del perfil aerodinámico del generador de turbina eólica DU91-W2-250:
1) las curvas de los coeficientes de sustentación, los coeficientes de resistencia y los coeficientes de momentos del perfil aerodinámico antes y después de ser encolado y cubierto con la nanomembrana compuesta funcional a base de PTFE son casi completamente coincidentes en un área lineal, en concreto, un intervalo de ángulo de incidencia [-4°, 8°], y tienen una ligera diferencia solo en un área no lineal (en concreto, un ángulo de ataque de más de 8°);
2) en el área no lineal, la curva del coeficiente de sustentación del perfil aerodinámico después de ser encolado y cubierto con la nanomembrana compuesta funcional a base de PTFE disminuye ligeramente en comparación con la del perfil aerodinámico que no está encolado y cubierto con la nanomembrana compuesta funcional a base de PTFE, el coeficiente de sustentación Cl se reduce al máximo en un 1,611 %, y el coeficiente de momento Cm se reduce al máximo en un 1,514%;
3) las curvas del coeficiente de resistencia y el coeficiente de momento del perfil aerodinámico después de ser encolado y cubierto con la nanomembrana compuesta funcional a base de PTFE aumentan ligeramente en comparación con la curva del perfil aerodinámico limpio original, el coeficiente de resistencia aumenta al máximo en un 0,45 %, y el coeficiente de momento de inclinación de la curvatura se reduce al máximo en un 2,9077 %;
Tabla 2 Comparación de los coeficientes aerodinámicos del perfil aerodinámico DU91-W2-250 antes y después de ser encolado y cubierto con una nanomembrana compuesta funcional a base de PTFE
Figure imgf000009_0001
La comparación de los cambios en los coeficientes aerodinámicos de un perfil aerodinámico NACA64418 antes y después de ser encolado y cubierto con la nanomembrana compuesta funcional a base de PTFE se muestra en las Fig. 9-11. Los resultados específicos de los coeficientes aerodinámicos en el área no lineal se muestran en la Tabla 3 en la cual se puede observar que:
1) la influencia de la nanomembrana compuesta funcional a base de PTFE en los parámetros aerodinámicos del perfil aerodinámico de un generador de turbina eólica NACA64418 es similar a la del perfil aerodinámico DU91-W2-250, y las curvas de los coeficientes de sustentación y los coeficientes de resistencia del perfil aerodinámico antes y después ser encolado y cubierto con la nanomembrana compuesta funcional a base de PTFE en el área lineal son casi completamente coincidentes;
2) en el área no lineal, las curvas del coeficiente de sustentación, el coeficiente de resistencia y el coeficiente de momento del perfil aerodinámico después de ser encolado y cubierto con la nanomembrana compuesta funcional a base de PTFE disminuyen ligeramente en comparación con las del perfil aerodinámico que no está encolado y cubierto con la nanomembrana compuesta funcional a base de PTFE, el coeficiente de momento aumenta ligeramente en comparación con el de la pala que no está encolada y cubierta con la nanomembrana compuesta funcional a base de PTFE, el coeficiente de sustentación Cl se reduce al máximo en un 1,247 %, el coeficiente de resistencia Cd se reduce al máximo en un 1,712 %, y el coeficiente de momento de inclinación de la curvatura se reduce al máximo en un 2,794 %.
Tabla 3 Comparación de los resultados de los coeficientes aerodinámicos del perfil aerodinámico NACA64418
Figure imgf000010_0001
En resumen, los cambios en las características aerodinámicas de los dos perfiles aerodinámicos típicos de palas de generador de turbina eólica DU91-W2-250 y NACA64418 antes y después de ser encolados y cubiertos con la nanomembrana compuesta funcional a base de PTFE son los siguientes: en el área de cambio lineal, los coeficientes de sustentación, resistencia y momento del perfil aerodinámico básicamente no se ven afectados por la nanomembrana compuesta funcional a base de PTFE; en el área de cambio no lineal, cada parámetro aerodinámico se ve ligeramente afectado por la nanomembrana compuesta funcional a base de PTFE para dar lugar a una reducción en el coeficiente de sustentación y el coeficiente de momento, y el porcentaje de cambio de cada coeficiente aerodinámico es 1,9 % o menos con poca influencia. La rugosidad de la superficie de la nanomembrana compuesta funcional a base de PTFE es de 0,18 um. La rugosidad de la superficie de la morfología ultraestructural geométrica cóncava-convexa con múltiples tamaños de nano y micras todavía sigue siendo mucho menor que la rugosidad de la superficie 0,70-0,75 del revestimiento de la superficie de la pala convencional, y la microestructura de la superficie tiene una mejor lubricidad en comparación con la del recubrimiento de la superficie de la pala convencional, por lo tanto, desde el punto de vista de la rugosidad de la superficie, la nanomembrana compuesta funcional a base de PTFE puede desempeñar un papel en la mejora de las características aerodinámicas del perfil aerodinámico y el rendimiento aerodinámico completo de la pala después de encolar y cubrir la pala de turbina eólica.
La nanomembrana compuesta funcional a base de PTFE es un material de membrana de polímero que es capaz de mejorar las características aerodinámicas y el rendimiento aerodinámico completo del perfil aerodinámico de la pala, con lo cual aumenta la eficacia de utilización de la energía eólica al permitir que la pala funcione en el estado óptimo, aumenta toda la fuerza de la superficie de la pala al jugar un papel en la fijación completa, mejora toda la capacidad de carga y la capacidad de resistencia de la pala ante la erosión de objetos extraños, y elimina los posibles riesgos de seguridad tales como el envejecimiento y el agrietamiento existente en la pala después de encolar y cubrir la superficie de la pala de turbina eólica. De acuerdo con la divulgación, el cálculo de simulación numérica de las influencias de la membrana a base de PTFE en las características aerodinámicas y el rendimiento aerodinámico del perfil aerodinámico de la pala de turbina eólica puede proporcionar una base de cálculo científico para la industria de la energía eólica que aplica nuevas tecnologías y nuevos materiales para lograr la utilización eficaz del recurso de energía eólica, y fomenta la popularización de nuevas tecnologías y nuevos materiales y la mejora de la calidad y la eficacia en la industria de la energía eólica.
Excepto por las realizaciones anteriores, también se incluyen otras realizaciones en la divulgación. Todas las soluciones técnicas formadas utilizando sustituciones equivalentes o transformaciones equivalentes estarán dentro del alcance de protección reivindicado por la divulgación.

Claims (7)

REIVINDICACIONES
1. Un procedimiento de simulación numérica de la influencia de una membrana a base de politetrafluoroetileno (PTFE) en una característica aerodinámica de una pala de turbina eólica, en el que se realiza un cálculo de simulación numérica de las influencias de una nanomembrana compuesta funcional a base de PTFE en las características aerodinámicas y el rendimiento aerodinámico completo del perfil aerodinámico de una pala después de encolar y cubrir las superficies de las palas de una gran turbina eólica de eje horizontal utilizando un procedimiento de cálculo hidrodinámico, que comprende las etapas siguientes:
(1) seleccionar los perfiles aerodinámicos de dos palas;
(2) determinar que las áreas de captura de energía eólica de una pala estén ubicadas en las áreas del centro y la punta de la pala, seleccionar las posiciones de la longitud de cuerda y los intervalos de ángulo de ataque de los dos perfiles aerodinámicos de acuerdo con la posición de expansión respectiva y la dirección de distribución de la longitud de cuerda, y mientras tanto seleccionar los números de Reynolds para el cálculo de las características aerodinámicas de los perfiles aerodinámicos;
(3) seleccionar una nanomembrana compuesta funcional a base de PTFE con un grosor máximo de 0,26 mm y una rugosidad superficial de 0,18 |_im;
(4) resolver una ecuación de Navier-Stokes incompresible de dos dimensiones utilizando un procedimiento de volúmenes finitos, en el que el estado de cálculo es un estado estable, la simulación de turbulencia adopta un modelo SST k-w, la cuadrícula de cálculo del perfil aerodinámico adopta una estructura de cuadrícula en forma de C, y la altura de la cuadrícula de la primera capa de la superficie de la pala cumple con y+~1 (la primera capa es una capa inferior, y+ representa un grosor y 1 representa una precisión);
(5) modelar geométricamente y extender el límite del perfil aerodinámico a lo largo de una dirección normal en la misma distancia que el grosor de una membrana para obtener una nueva geometría computacional;
(6) realizar un cálculo de simulación de los números de influencia, en el que el punto de acción de un momento se selecciona en la posición de 1/4 de longitud de cuerda del perfil aerodinámico, de modo que momento de elevación del perfil aerodinámico sea positivo y momento de curvatura del perfil aerodinámico sea negativo,
un coeficiente de sustentación del perfil aerodinámico es
Figure imgf000012_0001
un coeficiente de resistencia es
Figure imgf000012_0002
un coeficiente de momento de inclinación es C
Figure imgf000012_0003
(7) analizar comparativamente los cambios en los coeficientes aerodinámicos de dos perfiles aerodinámicos de palas de generador de turbina eólica antes y después de ser encoladas y cubiertas con la nanomembrana compuesta funcional a base de PTFE para obtener resultados del cálculo de simulación de los números de influencia.
2. El procedimiento de simulación numérica de la influencia de la membrana a base de PTFE en una característica aerodinámica de una pala de turbina eólica de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende las etapas siguientes:
(1) seleccionar cuatro generadores de turbinas eólicas con diferentes capacidades y modelos, incluida una turbina eólica NH1500 de China Southern Airlines, una turbina eólica marina NRE5000 estadounidense, una turbina eólica GW103-2500 de Goldwind y una turbina eólica UP2000-96 Guodian United Power, y finalmente seleccionar dos perfiles aerodinámicos de pala básicos integrando los datos de diseño de cuatro palas de generador de turbina eólica, concretamente, DU91-W2-250 y NACA64-418;
(2) determinar que las áreas de captura de energía eólica de la pala estén ubicadas en las áreas del centro y la punta de la pala, seleccionar las posiciones de longitud de cuerda y los intervalos de ángulo de ataque de los dos perfiles aerodinámicos de acuerdo con la posición de extensión respectiva y la dirección de distribución de la longitud de cuerda, en el que las posiciones de longitud de cuerda se seleccionan haciendo referencia al 60 % y al 85 % de las posiciones R de las palas de una turbina eólica UP2000-96, R representa la longitud de cuerda de cada perfil aerodinámico seccional de la pala en dirección radial, que es respectivamente 1,65 m y 1,15 m; los intervalos de ángulo de ataque son ambos [-4, 14], y mientras tanto, el número de Reynolds para el cálculo de las características aerodinámicas se selecciona como 3.0*106;
(3) seleccionar la nanomembrana compuesta funcional a base de PTFE con un grosor máximo de 0,26 mm y una rugosidad superficial de 0,18 |_im;
(4) resolver una ecuación de Navier-Stokes incompresible de dos dimensiones utilizando un procedimiento de volúmenes finitos, en el que el estado de cálculo es un estado estable, la simulación de turbulencia adopta un modelo SST k-w, la cuadrícula de cálculo del perfil aerodinámico adopta una estructura de cuadrícula en forma de C, hay 400 puntos de cuadrícula presentes alrededor del perfil aerodinámico, la altura de la cuadrícula de la primera capa de la superficie de la pala es de 9,0*10-6m y cumple con y+~1, y el número total de cuadrículas es de 300 mil;
(5) modelar geométricamente y extender el límite del perfil aerodinámico a lo largo de una dirección normal en 0,26 mm para obtener una nueva geometría computacional;
(6) realizar un cálculo de simulación de los números de influencia, en el que el punto de acción de un momento se selecciona en la posición de 1/4 de longitud de cuerda del perfil aerodinámico, de modo que el momento de elevación del perfil aerodinámico sea positivo y el momento de curvatura del perfil aerodinámico sea negativo,
un coeficiente de sustentación del perfil aerodinámico es c
Figure imgf000013_0001
un coeficiente de resistencia es
Figure imgf000013_0002
un coeficiente de momento de inclinación es
Figure imgf000013_0003
(7) analizar comparativamente los cambios en los coeficientes aerodinámicos de dos perfiles aerodinámicos de palas de generador de turbina eólica antes y después de ser encoladas y cubiertas con la nanomembrana compuesta funcional a base de PTFE para obtener resultados del cálculo de simulación de los números de influencia:
En el área de cambio lineal, los coeficientes de sustentación, resistencia y momento del perfil aerodinámico básicamente no se ven afectados por la nanomembrana compuesta funcional a base de PTFE; en el área de cambio no lineal, cada parámetro aerodinámico se ve ligeramente afectado por la nanomembrana compuesta funcional a base de PTFE para dar lugar a una reducción en el coeficiente de sustentación y el coeficiente de momento, y el porcentaje de cambio de cada coeficiente aerodinámico es 1,9 % o menos con poca influencia;
Desde el punto de vista de la rugosidad de la superficie, la nanomembrana compuesta funcional a base de PTFE puede desempeñar un papel en la mejora de las características aerodinámicas del perfil aerodinámico y el rendimiento aerodinámico completo de la pala después de encolar y cubrir la pala de la turbina eólica.
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