Estudo comparativo experimental e numérico sobre o desempenho de turbinas savonius helicoidal e de duplo-estágio

Abstract

O presente trabalho apresenta um estudo numérico e experimental sobre o desempenho aerodinâmico de turbinas eólicas de eixo vertical envolvendo rotores Savonius convencional de duplo-estágio e helicoidal. O estudo experimental é realizado no Túnel Aerodinâmico Professor Debi Pada Sadhu, do Laboratório de Mecânica dos Fluidos da UFRGS. As simulações numéricas são realizadas com o software Fluent/ANSYS utilizando o Método dos Volumes Finitos. São comparados os coeficientes de torque estático e dinâmico, o coeficiente de potência, além de uma análise aerodinâmica das duas turbinas. As medições são realizadas empregando Tubos de Pitot, um torquímetro estático digital e um torquímetro simples construído para a medição do torque dinâmico. As turbinas são fabricadas através da técnica de prototipagem 3D, com uma semelhança de dimensões e parâmetros. As soluções numéricas são resolvidas através da equação da continuidade, das equações de Navier-Stokes com médias de Reynolds (RANS) e pelo modelo de turbulência k-ω SST. A qualidade da malha utilizada é avaliada através do método de Índice de Convergência de Malha (GCI), para três diferentes tamanhos de malha. São feitas análises dos rotores na forma estática para diferentes ângulos de incidência e com a turbina em rotação são feitas análises para diferentes razões de velocidades de ponta de pá (λ). Resultados demonstram que a turbina helicoidal apresenta um coeficiente de torque positivo para todos os ângulos do rotor, assim como a turbina convencional de dois estágios. O coeficiente de torque dinâmico da turbina helicoidal é superior ao da turbina de duplo-estágio para a maioria dos casos, e também apresenta menor oscilação de torque ao longo de cada rotação. Por consequência, o coeficiente de potência do rotor helicoidal também se tornou superior, com um valor máximo encontrado na ordem de 11,8% para um λ de 0,65 no caso experimental, e de 8,4% para o mesmo λ no caso numérico, quando comparado com o rotor de duplo-estágio. Os erros relativos entre as simulações numéricas e os resultados experimentais estão entre 2,16% e 13,4%. Uma estimativa de potência gerada é feita para ambos os casos, para uma razão de velocidade de ponta de 0,65, onde a turbina helicoidal apresenta melhores resultados em relação ao rotor de duplo-estágio, na ordem de 13,6% para uma velocidade de 10,4 m/s.

This paper presents a numerical and experimental study of vertical axis wind turbine performance comparison involving two-stage and helical Savonius rotors. The experimental study is conducted in the Aerodynamic Tunnel Professor Debi Pada Sadhu at the Fluid Mechanics Laboratory of the UFRGS. The numerical simulations are performed with the Fluent/ANSYS software using the Finite Volumes Method. The static and dynamic torque coefficients, the power coefficients, and an aerodynamic analysis of the two turbines are compared. Measurements are made using Pitot tubes, a digital static torque wrench and a simple wrench constructed for the dynamic torque measurement. The aerodynamics rotors are manufactured by 3D prototyping technique with similar dimensions and parameters. Numerical solutions are solved by the continuity equation, the Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) equations and the turbulence model k-ω SST. The quality of the mesh used is evaluated used the Grid Convergence Index (GCI) method, for three different mesh sizes. The rotors analyzes are made in static form for different angles of incidence and for the rotating turbine analyzes are made for differents tip speed ratio (λ). Results show that the helical turbine has a positive static torque coefficient for any rotor angles, as well as conventional two-stage turbine. The dynamic torque coefficient of the helical turbine is higher than the two-stage turbine for most cases and also shows less torque variation along each rotation. Consequently, the power coefficient of the helical rotor also become higher, with a maximum value found on the order of 11.8% for a λ of 0.65 in the experimental case, and 8.4% for the same λ number when compared with the two-stage rotor. The relative errors between the numerical simulations and the experimental results are between 2.16% and 13.4%. A generated power estimate is made for both cases, for a tip speed ratio of 0.65, where the helical turbine provides better results compared to two-stage rotor in order of 13.6% for a velocity of 10.4 m/s.