• • • روتور: روتور توربین باد شامل پره، هاب، دماغه و یاتاقانهای پره می باشد. روتور یک توربین بادی محور افقی بطور خلاصه متشکل از تعدادی پره می باشد که بطور شعاعی در اطراف یک شفت که موازی باد قرار می گیرد نصب شده اند و بدین ترتیب روتوری را تشکیل می دهند که عمود بر جهت باد دوران می کند.معمولا روتور توسط یک برج در ارتفاع مناسبی نسبت به زمین قرار می گیرد و البته پیش بینی های لازم برای هم جهت شدن امتداد شفت با جهات مختلف باد و همچنین برای کنترل سرعت آن صورت می گیرد و قدرت جذب شده توسط این روتور مستقیما و یا توسط یک سیستم مکانیکی به ماشینی که قرار است رانده شود منتقل می گردد. تعداد پره ها معمولا متغیر بوده و پهنای پره (کورد) ممکن است در تمام طول پره ها ثابت و یا آنکه متغیر باشد و پره از هاب به سمت نوک باریک شود.ضمنا پره ممکن است در امتداد محور طولی تاب داشته باشد یا اصطلاحا پیچیده باشد و بالاخره گام پره ممکن است ثابت و یا متغیر باشد.

  

• • پره: یکی از مهمترین بخشهای توربین بادی بوده و وظیفه آن تولید نیروی لازم برای چرخاندن شفت اصلی توربین باد است. پره به گونه ای ساخته می شود که استحکام و استقامت بسیار بالا در برابر نیروهای دینامیکی و آیرودینامیکی داشته باشد.

• • برج: سازه های مشبک فولادی- برجهای استوانه ای فولادی یا بتنی و همچنین ستونهای مهار شده توسط کابل از رایج ترین برجهای نگهدارنده محسوب می شوند. ارتفاع برج معمولا بین یک تا یک ونیم برابر قطر روتور در نظر گرفته می شود. انتخاب نوع برج وابستگی به شرایط سایت دارد. همچنین سفتی برج فاکتور مهمی در دینامیک سازه توربین باد محسوب می گردد چرا که احتمال کوپل شدن ارتعاشات بین برج و روتور که منجر به خطر رزونانس می گردد وجود دارد.

• • ناسل: شامل پوشش خارجی مجموعه توربین، شاسی و سیستم دوران حول محور برج می باشد که روتور به آن متصل است. ناسل در بالای برج قرار دارد.بعضی از ناسل ها آنقدر بزرگند که تکنسین ها می توانند داخل آن بایستند.

• • سیستم انتقال قدرت: سیستم انتقال قدرت شامل اجزاء گردنده توربین باد است. این اجزاء عمدتاً شامل محور کم سرعت (سمت روتور)، گیربکس و محور سرعت بالا ( در سمت ژنراتور) می باشد. سایر اجزاء این سیستم شامل یاتاقانها، یک یا چند کوپلینگ، ترمز مکانیکی و اجزاء دوار ژنراتور می باشد. در این مجموعه وظیفه گیربکس افزایش سرعت نامی روتور از یک مقدار کم (در حد چند ده دور در دقیقه) به یک مقدار بالا (در حد چند صد یا چند هزار دور در دقیقه) که مناسب برای تحریک یک ژنراتور استاندارد است، می‌باشد. عمدتاً دو نوع گیربکس در توربین‌های بادی مورد استفاده قرارمی‌گیرد: گیربکس‌های با شفت‌های موازی و گیربکس‌های سیاره‌ای. برای توربین‌های سایز متوسط به بالا (بزرگتر از (KW 500 مزیت وزن و سایز در گیربکس‌های سیاره‌ای نسبت به نوع دیگر یعنی گیربکس‌های با شفت موازی کاملاً بارزتراست. بعضی از توربین‌های باد از یک طرح خاص برای ژنراتور استفاده می کند (ژنراتور با تعداد قطب بالا ) که در آن نیازی به استفاده از گیربکس نمی‌باشد.

• • ژنراتور: پره های توربین بادی انرژی جنبشی باد را به انرژی دورانی درسیستم انتقال تبدیل می کنند و در قدم بعدی ژنراتور، انرژی توربین را به شبکه برق منتقل می نماید. بطور معمول از سه نوع ژنراتور در توربینهای بادی استفاده می شود. - ژنراتور جریان مستقیم - آلترناتور یا ژنراتور سنکرون - ژنراتور القایی یا آسنکرون

• • گیربکس(جعبه دنده): از آنجائی که محور توربین دارای دور کم و گشتاور بالا و بر عکس آن محور ژنراتور دارای دور بالا و گشتاور کم است، سیستم انتقال قدرت باید به نحوی این دو محور را به یکدیگر متصل نماید.

• • ترمز: در توربینهای بادی با ظرفیت بسیار پایین ( ۱ الی ۵ کیلووات) معمولا از سیستم های ترمز کفشکی استفاده می شود، زیرا جهت متوقف نمودن پره ها، نیروی زیادی مورد نیاز نیست. در توربینهای بادی با ظرفیت بالا، از ترمزهای دیسکی استفاده می شود.

• • سیستم کنترل: برای بدست آوردن حداکثر راندمان از یک توربین بادی، باید بتوان همواره صفحه دوران توربین را عمود بر جهت وزش باد قرار داد. برای این منظور از سیستم هایی برای تغیر جهت توربین بادی و قرار دادن سیستم در مسیر باد استفاده می شود. این سیستم (یاو سیستم)، یک سیستم ترکیبی الکتریکی- مکانیکی است که هدایت آن توسط واحد کنترل انجام میشود. در توربین های بادی سایز کوچک به جای چرخ انحراف از بالچه استفاده می کنند . همچنین سیستم هایی جهت کنترل و تنظیم سرعت دورانی در توربین بادی مورد استفاده قرار می گیرند. چنین سیستمهایی علاوه بر کنترل دور روتور، مقدار قدرت تولیدی و نیروهای وارده بر روتور در بادهای شدید را نیز محدود می کنند.

• • سیستم هیدرولیک: سیستم های هیدرولیک به مجموعه جک و یونیت هیدرولیکی و اتصالات جانبی آنها اطلاق می شود. جک هیدرولیکی از یک سیلندر و پیستون دو طرفه تشکیل شده است و با انتقال سیال به هر ناحیه از آن، جک به سمت مخالف حرکت می کند. یونیت هیدرولیکی از الکتروموتور، پمپ، مخزن تامین فشار اولیه، شیرهای هیدرولیکی، شیلنگهای انتقال سیال به دو ناحیه داخل سیلندر جک، مخزن روغن، روغن مخصوص و تجهیزات جنبی تشکیل شده است. پس از دریافت فرمان، پمپ مقداری روغن را از داخل مخزن به محفظه جلو یا عقب سیلندر جک پمپ می کند تا جک بتواند به مقدار مورد نیاز محور تراورس را در جهت مورد نیاز حرکت دهد. محور تراورس محوری است که از سوراخ داخل شفت اصلی عبور می کند و یک سمت آن با جک هیدرولیکی و طرف دیگر آن با مکانیزم مثلثی واقع درون هاب مرتبط است. وظیفه این محور انتقال حرکت جک هیدرولیکی و در واقع فرمان کنترلر به مکانیزم مثلثی است که باعث چرخش پره ها می گردد. مکانیزم مثلثی درون هاب باعث تبدیل حرکت انتقالی محور تراورس به حرکت چرخشی و نتیجتا چرخش پره ها به دور محورشان می گردد.

شکل ۲-۴ اجزاءتوربین بادی محور افقی
۲-۳-۲ توربینهای محور قائم
توربین های بادی با محور عمودی یا قائم نظیر ساونیوس ، داریوس ، صفحه ای ، کاسه ای و …. از ۲ بخش اصلی تشکیل شده اند. یک میله اصلی که رو به باد قرار می گیرد و میله های عمودی دیگری که عمود بر جهت باد کار گذاشته می شوند. این توربین شامل قطعاتی با اشکال گوناگون بوده که باد را در خود جمع کرده و باعث چرخش محور اصلی می گردد. ساخت این نوع توربین ها بسیار ساده است ولی بازده بسیار پایینی دارد. در این نوع توربین ها یک طرف توربین باد را بیشتر از طرف دیگر جذب می کند و باعث می شود که سیستم لنگر پیدا کند و بچرخد. نتیجه این نوع طراحی این است که سرعت چرخش سیستم دقیقاً با سرعت باد برابر بوده و در مناطقی که سرعت باد کم است چندان کارآمد نیست. از مزایای این نوع توربین ها این است که ژنراتور و یا جعبه دنده می توانند در پایین نزدیک زمین جاسازی شوند. همچنین برج یا دکل نیاز به پشتیبانی آن ندارد و اینکه توربین نیاز ندارد که رو به باد گذاشته شود یعنی به جهت وزش باد وابسته نیست. از معایب آن می توان گفت که گشتاور تکانی (لنگر) در طول هر دوره تناوب تولید می شود و نصب توربین های محور عمودی روی برج ها سخت می باشد بدین معنی که آنها باید در جریانهای هوایی آهسته تر با اغتشاش بیشتر و نزدیک زمین با بازده استخراج انرژی پایین تر عمل کنند. مدل های مختلفی از نوع توربین های بادی با محور عمودی که بر حسب نیروی رانش کار میکنند وجود دارد. این مدل ها عبارتند از مدل ساونیوس (یک پره یا چند پره) - مدل صفحه ای - مدل کاسه ای - مدلهای نوع نیروی بالابر یا لیفت مانند داریوس - مدل بال هواپیمایی - مدل با حرکت مار پیچی باد - مدل توربینی - مدل استوانه ای یا ماداراس - مدل خورشیدی - مدل وانتوری - مدل زانویی و ….. که البته برخی از اینها مربوط به انواع تاریخی هستند و دیگر کاربردی ندارند.
مزیت اصلی توربین های عمودی نسبت به توربین های بادی محور افقی، عدم حساسیت به جهت باد و آشفتگی آن است. همچنین یک توربین بادی محور عمودی می تواند در فاصله ای نزدیکتر به زمین نصب گردد که سبب امنیت و ارزانی بیشتر در ساخت و نگهداری آن می شود. مشکل اصلی این نوع توربین ها، ایجاد نیروی مخالفی نسبت به بادی که پره دیگر می وزد، است. از آنجا که نوک پره ها در این نوع توربین ها به محور دوران نزدیکتر است، سر و صدای کمتری نسبت به توربین محور افقی تولید می شود.
این توربینها به دو نوع اصلی ساونیوس^[۱۵] و داریوس^[۱۶] تقسیم بندی می شوند. ساونیوس مانند یک چرخ آب با نیروی درگ کار می کند در حالی که داریوس از تیغه هایی مشابه توربینهای محور افقی استفاده می کند. بدلیل اینکه تجهیزات سنگین آن از جمله گیربکس و ژنراتور نزدیک به سطح زمین می باشند، و شدت باد نیز در سطح زمین کمتر است، در نتیجه برق کمتری از توربین های محور قائم تولید می شود. از دیگر مزایای این نوع توربینها می توان به نیاز نداشتن سیستم یاو اشاره کرد چراکه این نوع توربینها، باد را از هر جهت مهار می کنند و این مزیت برتری بسیاری نسبت به کمبودهای آن دارد.
۲-۳-۲الف توربین بادی ساونیوس
توربینهای بادی برپایه نیروی درگ مانند یک بادبان باز عمل می کنند و نیروی باد سطح مورد نظر را جلو می برد. اولین توربینهای بادی که در ایران باستان مورد استفاده قرار می گرفت با این رویکرد کار می کردند. روتور ساونیوس یک نمونه بسیار ساده از آسیابهای بادی بر پایه نیروی درگ می باشد. این توربین ها به چرخش در می آیند چراکه نیروی درگ در ناحیه باز و مقعر این روتورها بسیار بزرگتر و بیشتر از قسمت بسته و محدب آنها می باشد.
این توربین از نوع توربین با محرک نیروی پسایی است. این توربین بر مبنای تغییر جهت جریان باد عمل می کند. توربین های ساونیوس معمولا دارای ۲ یا ۳ پره برای جذب انرژی بادی هستند. طراحی این توربین ها به گونه ای است که سرعت چرخش پایین اما گشتاور زیادی را در هر یک دور گردش محور سبب می شود. شکل ۲-۵ شماتیک یک توربین بادی ساونیوس و مکانیزم عملکرد آن را نمایش می دهد.

شکل ۲-۵ شماتیک یک توربین بادی ساونیوس و مکانیزم عملکرد
استفاده ازاین توربین هاخصوصاً در دهه های اخیر بسیار گسترش یافته و مطالعات فراوانی نیز بر ای افزایش راندمان و بهینه سازی پره ی آن ها به انجام رسیده است.این توربین در سال ۱۹۳۱ توسط ساونیوس مهندس فنلاندی توسعه یافت و به عنوان یک اختراع به ثبت رسید[۱۲]. مزایای این توربین عبارتند از: ساخت آسان با کمترین هزینه، وابستگی نه چندان کارکرد آن ها با جهت وزش باد، سرو صدای کم در حین عملکرد، سایش کم قطعات متحرک، تنوع در ساخت نوع روتور، گشتاور دینامیک و استاتیک بالا[۱۳-۱۵]. شکل ۲-۶ مشخصه های یک توربین بادی ساونیوس با مقطع نیم استوانه را نشان می دهد. در این شکل e میزان هم پوشانی، D قطر روتور و D_o قطر صفحات انتهایی می باشد. مقدار هر یک از پارامتر های ذکر شده در عملکرد این توربین موثر است که علاقه مندان برای اطلاع از جزئیات بیشتر نسبت به این موضوع به مطالعه منابع [۱۱-۱۷] توصیه می شوند. تا کنون تحقیقات زیادی بر روی افزایش راندمان و بهینه سازی پره های این نوع توربین ها به انجام رسیده است. مثلاً آلتان وآتیلگان]۱۸[ و محمد و همکاران]۱۹[ نیز در همین راستا آزمایشاتی را به انجام رساندند و به نتایج موفقیت آمیزی دست پیدا کردند. آلتان و آتیلگان]۲۰[ در پژوهشی آزمایشگاهی به همراه تحلیل عددی آیرودینامیک روتور ساوینوس موفق به نوعی طراحی در همپوشانی صفحات روتور شدند که منجر به افزایش ۲۷ درصدی راندمان روتور گردید.در صورتیکه محمد وهمکاران ]۲۱[ برای محدوده ی سرعت نوک پره ی کمتر از یک بیش از ۴۰ درصد افزایش کارایی مشاهده نمودند. مشاهدات تجربی که توسط کاموجی و همکاران]۲۲[ به انجام رسید به بررسی اثر شکل پره در افزایش گشتاور استاتیکی پرداخته شد. حیاشی وهمکاران ]۲۳[ بر اساس یک آزمایش تونل باد نتیجه گرفتند که سرعت باد پارامتر بسیار موثری در طراحی آن ها به شمارمی رود چرا که طراحی آن ها در سرعت های بالا به مشکل برخورد. ساها وهمکاران ]۲۴[ به آزمایش تونل باد برای ساونیوس یک، دو و سه طبقه پرداخت وپره های پیچ دار و نیم استوانه را برای هر کدام بررسی نمودند. علاوه بر تحقیقات آزمایشگاهی ازجمله کارهای مربوط به محاسبات عددی آیرودینامیک ساونیوس می توان به کارهای زیر اشاره کرد. فوجیساوا و همکاران]۲۵[ به بررسی کانتور های فشار به بصورت عددی پرداختند و نتایج کار خود را با کار آزمایشگاهی مقایسه نمودند. کاومورا وهمکاران ]۲۶[ به شبیه سازی گشتاور دینامیکی یک روتور ساونیوس با مدل RANS پرداختند. گوپتا وهمکاران ]۲۷[ به تحلیلی دو بعدی توسط نرم افزار فلوئنت برای تحلیل آیرودینامیک یک روتور ساونیوس دو پره با بهره گرفتن از روش K-epsilonپرداختند. در پژوهش حاضر هم به مطالعه تجربی عملکرد توربین بادی ساونیوس در تونل باد و هم تحلیلی عددی و سه بعدی که کاملترین ودقیق ترین نوع شبیه سازیست با روش های مختلف عددی به انجام خواهد رسید تا به تحلیلی جامع در مورد توربین بادی مذکور دست پیدا کنیم.

شکل ۲-۶ مشخصه های عملکردی یک توربین بادی ساونیوس
۲-۳-۲-ب توربین بادی نوع داریوس
با بهره گرفتن از نیروی لیفت انرژی بیشتری نسبت به نیروی درگ بدست می آید. ولی تنها نیاز آن سطحی ایرودینامیکی شکل می باشد شبیه چیزی که در بالهای هواپیما استفاده می شود. این مقطع ایرودینامیکی برای ایجاد اختلاف فشار بین سطح بالا و پایین و ایجاد یک نیروی خالص عمود بر جهت باد می باشد.
توربین بادی محور عمودی داریوس که بر پایه نیروی لیفت  می چرخد ، یک توربین بادی با سرعت بالا و گشتاور پایین است که مناسب برای تولید جریان برق متناوب به حساب می آید. توربین داریوس آغاز به کار خود کار را ندارد و معمولا باید توسط محرک دستی یا مکانیزمی به کار افتد. ارتفاع نصب پایین این توربین ها سهولت در نصب گیربکس یا ژنراتور را نیز فراهم می کند. توان تولیدی توسط توربین بادی داریوس به وسیله نیروی لیفت ایجاد شده روی مجموعه پره های با مقطع ایرفویل ایجاد می گردد. وقتی توربین شروع به چرخش می کند، ایرفویل ها با جریان باد زاویه حمله ایجاد می کنند. این زاویه حمله سبب تولید گشتاوری در جهت چرخش توربین می شود.

شکل ۲-۷ توربین کلاسیک داریوس از نوع تخم مرغی شکل
توربین داریوس انواع مختلفی دارد که در شکل ۲-۸ نشان داده شده اند. هر کدام از انواع توربین های داریوس می توانند دارای تعداد دو یا چند پره باشند.

شکل ۲-۸ انواع روتورهای داریوس
همانطور که در شکل ۲-۸ پیداست، یکی از انواع توربین های بادی محور قائم توربین H-روتور می باشد. این مدل توربین برای اولین بار در دهه ۷۰ میلادی در انگلستان به بهره ­برداری رسید. H-روتور زیر مجموعه ­ای از توربین داریوس است چرا که در نتیجه تغییر شکل پره­های داریوس از حالت خمیده به مستقیم به دست می ­آید ­و بنابراین تمام خصوصیات و ویژگی­های توربین داریوس که در زیر به آن اشاره خواهد شد را دارا می ­باشد[۲۸].
این توربین ها از دو یا چند ایرفویل با مقاطع آیرودینامیکی متفاوت ساخته می شوند [۲۹] و دارای این قابلیت هستند که با برخورد باد از هر جهتی شروع به چرخش نموده و جهت وزش باد تاثیری درعملکرد آن ها ندارد(شکل۲-۹).

شکل ۲-۹ شماتیک و مکانیزم عملکرد توربین H-روتور
یکی از معایب توربین های H-روتور اینست که نیاز به گشتاور بالا برای راه اندازی می باشند. از اینرو ضروریست که از موتور راه انداز یا توربین هایی که با نیروی پسا کارمی کننداستفاده شود همانند مراجع[۳۰و۳۱]. تا کنون مطالعات زیادی بر نحوه افزایش راندمان توربین های از طرق مختلف به انجام رسیده است که علاقه مندان می توانند با مطالعه منابع [۳۲-۳۶] به اطلاعات جامعی دست پیدا کنند.
فصل سوم
ساخت توربین و آزمایش در تونل باد

۳-۱ مقدمه

در این فصل از این پایان نامه به بیان جزیات طراحی، ساخت و تست توربین بادی ساونیوس پرداخته می شود. بدین ترتیب ابتدا فرایند ساخت توربین و اجزاء مختلف طراحی شده در سازه آن معرفی شده و در ادامه عملکرد توربین، در مقابل جریان باد از طریق قرارگیری آن در دهانه تونل باد در چندین سرعت باد مختلف مورد آزمایش قرار می گیرد.

۳-۲ ساخت توربین

در این بخش تمامی اجزای توربین ساونیوس ، نحوه ساخت و به کارگیری آن‌ها در الگوی نهایی شرح داده شده است. لازم به ذکر است که با توجه به هدف از ساخت این توربین از طریق آزمایش در تونل باد است، ابعاد توربین طراحی شده به صورتی انتخاب شده‌اند که علاوه بر صرف هزینه کمتر در ساخت، قابلیّت آزمایش در تونل‌های باد موجود در کشور را داشته باشند.

۳-۲-۱ ساخت توربین ساونیوس

اجزای اصلی تشکیل دهنده توربین ساونیوس ساخته شده عبارتند از:

• • پره‌های توربین

• • صفحه های نگهدارنده

• • سازه نگه‌دارنده توربین

• محور مرکزی