CONTRIBUŢII LA ANALIZA DINAMICĂ A TRANSMISIILOR … · Ing. Maria Luminiţa SCUTARU CONTRIBUŢII LA ANALIZA DINAMICĂ A TRANSMISIILOR FOLOSITE LA TURBINELE EOLIENE DE MICĂ PUTERE

Ing. Maria Luminiţa SCUTARU

CONTRIBUŢII LA ANALIZA DINAMICĂ A TRANSMISIILOR FOLOSITE LA TURBINELE

EOLIENE DE MICĂ PUTERE Rezumatul tezei de doctorat

CONTRIBUTIONS TO THE DYNAMIC ANALYSIS OF TRANSMISSION USED IN A SMALL WIND

TURBINES Abstract of Ph.D. Thesis

Conducător ştiinţific Prof. univ. dr. ing. Gheorghe DELIU

Braşov 2014

UNIVERSITATEA “TRANSILVANIA” DIN BRAŞOV FACULTATEA DE INGINERIE MECANICĂ DEPARTAMENTUL DE INGINERIE MECANICĂ

MINISTERUL EDUCAŢIEI NAŢIONALE Universitatea Transilvania din Braşov

Bd. Eroilor 29, 500036 Braşov, Romania, Tel/Fax: +40 268 410525, +40 268 412088 www.unitbv.ro

D-nei / D-lui

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

COMPONENŢA Comisiei de doctorat

Numită prin ordinul Rectorului Universităţii „Transilvania” din Braşov

Nr. 6833 din 22.09.2014 PREŞEDINTE: - Prof.univ. dr. ing. Ioan Călin ROŞCA

DECAN- Facultatea de Inginerie Mecanică Universitatea “Transilvania”din Braşov

CONDUCĂTOR - Prof. univ.dr.ing. Gheorghe DELIU ŞTIINŢIFIC: Universitatea “Transilvania” din Braşov REFERENŢI: - Prof. univ.dr. ing. Polidor BRATU

Universitatea “Dunărea de Jos” din Galaţi

- Prof.univ.dr.ing. Mariana ARGHIR Universitatea Tehnică din Cluj Napoca

- Prof. univ.dr. ing. Ioan SZÁVA Universitatea “Transilvania” din Braşov

Data, ora şi locul susţinerii publice a tezei de doctorat: 16.12.2014, ora 1300

, Aula Universității, sala UII3.

Eventualele aprecieri sau observaţii asupra conţinutului lucrării vă rugăm să 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.

http://www.unitbv.ro/�

mailto:[email protected]�

Contribuții la analiza dinamică a transmisiilor folosite la turbinele eoline de mică putere Maria Luminita SCUTARU

CUPRINS Pg. teza

Pg. rezumat

INTRODUCERE 1 1 1. STADIUL ACTUAL AL CERCETĂRILOR ÎN DOMENIUL POMPELOR ANGRENATE EOLIENE…………………………

1

3

1.1. Istoric ………………………………………………………. 1 3 1.2. Problematică recentă……………………………………...... 2 4 1.3. Turbine eoliene……………………………………………... 4 5 1.4. Tipuri de turbine eoline…………………………………….. 4 5 1.4.1. Eoliene cu ax orizontal……………………………… 4 5 1.4.2. Eoliene cu ax vertical……………………………….. 6 5 1.5. Avantajele si dezavantajele centralelor eoliene…………….. 10 6 1.6. Pomparea apei, o aplicație particulară a utilizării energiei eoliene……………………………………………………….

11

7

1.6.1. Scurt istoric al pompelor acționate eolian………….. 11 7 1.6.2. Pompe eoliene pentru adăparea animalelor………… 15 - 1.6.3. Pompe acționate eolian pentru alimentarea cu apă…. 16 9 1.6.4. Pompe acționate eolian pentru irigaţii……………… 17 9 1.6.5. Sistemul de acționare al pompelor…………………. 18 9 1.6.6. Integritatea structuralǎ a pompelor acționate eolian 19 - 1.6.7. Integritatea mecanică……………………………….. 20 - 1.7. CONCLUZII……………………………………………….. 21 10 2. OBIECTIVELE LUCRĂRII DE DOCTORAT…………………. 23 11 3. ANALIZA AGREGATELOR EOLIENE DE POMPARE……... 25 12 3.1. Noțiuni generale privind proiectarea și optimizarea sistemelor mecanice…………………….................................

25

12

3.2. Optimizarea agregatelor eoliene de pompare………………. 26 13 3.3. Metodă pentru creșterea randamentului de adaptare între

28 rotorul eolien si pompă...............................................................

14 3.3.1. Echilibrarea pompelor cu piston de adîncime……… 31 16 3.4. Clasificarea pompelor destinate agregatelor eoliene de pompare………………………...............................................

31

16

3.4.1. Clasificarea pompelor………………………………. 31 16 3.4.2. Pompa cu piston…………………………………….. 35 17 3.4.3. Comportamentul pompei ideale……………………. 36 18 3.4.4. Comportamentul pompei reale……………………… 38 19 3.5. Optimizarea transmisiei…………………………………….. 40 21 3.6. CONCLUZII……………………………………………….. 43 22 4. ANALIZA DINAMICĂ A POMPELOR UTILIZATE ÎN SISTEMELE EOLIENE DE MICĂ PUTERE……………………..

45

22

4.1. Metode de analiză a sistemelor dinamice…………………... 45 22 4.2. Constrângeri cinematice în sisteme mecanice cu legături….. 46 23 4.3. Ecuațiile de mișcare pentru un sistem mecanic cu legături… 47 24 4.3.1. Eliminarea forțelor de legătură……………………... 47 - 4.4. Scrierea ecuațiilor de mișcare pentru o pompă clasică cu simplu sau dublu efect……………………………………….

49

24

4.4.1. Considerații privind mișcarea transmisiilor pompelor antrenate eolian………………………………………

58

27


4.5. Mișcarea liberă a sistemului bielă-manivelă a pompei, determinată de condițiile inițiale……………………………..

58

28

4.6. Studiul mișcării pendulului cu punctul de sprijin în mișcare 67 - 4.7. CONCLUZII………………………………………………… 73 28 5. ANALIZA MECANISMULUI DE TRANSMITERE CU DOUĂ GRADE DE LIBERTATE……………………………………….

75

29

5.1. CONCLUZII………………………………………………… 94 34 6. VALIDAREA EXPERIMENTALĂ A MODELELOR TEORETICE……………………………………………………..

95

35

6.1. Considerații privind metoda experimentală implicată în efectuarea măsurătorilor……………………………….........

95

35

6.1.1. Aspecte generale…………………………………… 95 35 6.2. Camera video de mare viteză de tip AOS…………………. 95 35 6.2.1. Obținerea datelor experimentale…………………… 101 37 6.3. Conceperea și realizarea standului experimental…………... 105 39 6.4. Realizarea testărilor, prelucrarea și interpretarea datelor obținute……………………………………………………...

105

39

6.5. Concluzii și contribuții originale…………………………… 116 46 7. CONTRIBUȚII ORIGINALE, CONCLUZII ȘI DIRECȚII VIITOARE DE CERCETARE………………………………….

119

46

7.1. Concluzii finale…………………………………………….. 119 46 7.2. Contribuții originale ale autoarei în domeniul tezei………... 120 46 7.3. Diseminarea rezultatelor……………………………………. 121 48 7.4. Direcții viitoare de cercetare…………………………............ 122 48 8. BIBLIOGRAFIE SELECTIVĂ………………………………… 123 49 REZUMAT SCURT (română/engleză)…………………………… 127 53 CURRICULUM VITAE………………………………………….. 128 54

Contribuții la analiza dinamică a transmisiilor folosite la turbinele eoline de mică putere Maria Luminita SCUTARU TABLE OF CONTENTS Pg.

teza Pg. rezumat

INTRODUCERE 1 1 1. CURRENT STATUS OF RESEARCH IN THE WIND PUMPS FIELD

3 ……………………………………………………………...

3

1.1. History …………………………………………………….. 3 3 1.2. Recent issues 4 ……………………………………................. 4 1.3. Wind pumps ……………………………………………...... 6 5 1.4. Wind pumps types …………………………………………. 6 5 1.4.1. Horizontal axis wind pumps 6 ………………………. 5 1.4.2. Vertical axis wind pumps ………………………….. 8 5 1.5. Wind pumps advantages ans disadvantages ………………. 12 6 1.6. Pomping water, application of wind energy use 13 …………... 7

1.6.1. Short history of wind driven pumps 13 ……………….. 7 1.6.2. Wind pumps for watering animals 17 …………………. - 1.6.3. Wind pumps for water supply 18 ……………………… 9 1.6.4. Wind pumps for 19 irigations …………………………. 9 1.6.5. The pumps drive …………………. 20 9 1.6.6. Wind driven pumps structural integrity ……………. 21 - 1.6.7. Mechanical integrity ……………………………….. 22 - 1.7. CONCLUSIONS ………………………………………… 23 10 2. DOCTORAL THESIS’ OBJECTIVES ……………………….... 25 11 3. WIND POMPING CONVERTERS ANALYSIS ……................ 27 12 3.1. General terms regarding the design and the optimization of mechanical systems

27 ………………………………………..

12

3.2. The optimization of pumping wind generators 28 ……………. 13 3.3. A method for increasing the yield of adaptation between the rotor wind and pump

30 .......................................................

14

3.3.1. Balancing the depth piston pumps ………………… 33 16 3.4. Classification of the wind pumps used in a wind turbine- pumping…………………

33

16

3.4.1. Classification of the pumps ………………………… 33 16 3.4.2. The piston pump …………………………………… 37 17 3.4.3. The ideal pump behavior …………………………... 38 18 3.4.4. The real pump behavior ……………………………. 40 19 3.5. Optimizing the transmission ………………………………. 42 21 3.6. CONCLUSIONS …………………………………………. 45 22 4. A DYNAMIC ANALYSIS OF WIND SYSTEMS LOW

47 POWER PUMPS..............................................................................

22 4.1. Methods of analyzing dynamic systems 47 …………………... 22 4.2. Kinematic constraints in mechanical systems with 48 links…… 23 4.3. Motione equations for a mechanical system with links ..….. 49 24 4.3.1. Removing connecting forces 49 ……………………..... - 4.4. Writing the motion equations of for a classic pump with single or double effect

51 ……………………………………..

24

4.4.1. Considerations on wind driven pumps transmissions


movement 60 ………………………………………….. 27 4.5. The free movement of crank pump system, determined by the initial conditions

60 …………………………………………

28

4.6. Study of pendulum motion with support moving………….... 69 - 4.7. CONCLUSIONS ……………………………………………. 75 28 5. REGULAR MECHANISM TWO DEGREES OF FREEDOM

77

……………………………………………………………………..

29 5.1. CONCLUSIONS ………………………………………….. 96 34 6. EXPERIMENTAL RESEARCH 97 ……………………………….. 35 6.1. Considerations on experimental method involved in the measurements

97 ………………………………………………

35

6.1.1. General issues ……………………………………... 97 35 6.2. High Speed Video Camera Type 97 AOS……………………. 35 6.2.1. Obtaining experimental data ………………………. 103 37 6.3. Conceiving and making of the experimental stand ………... 107 39 6.4. Testing, processing and interpretation of the data obtained 107 ... 39 6.5. Conclusions and original contributions ……………………. 118 46 7. ORIGINAL CONTRIBUTIONS, CONCLUSIONS AND FUTURE RESEARCH DIRECTIONS

120 …………………………

46

7.1. Final conclusions …………………………………………... 121 46 7.2. Original contributions of the author in the thesis field……... 122 47 7.3. Dissemination of resultes …………………………………... 123 48 7.4. Further research………………………….............................. 124 48 8. BIBLIOGRAPHY…………………………………………………. 125 49 SHORT ABSTRACT (Romanian/English) ……………………… 129 53 CURRICULUM VITAE………………………………………….. 130 54

Contribuții la analiza dinamică a transmisiilor folosite la turbinele eoline de mică putere

Maria Luminita SCUTARU

1

INTRODUCERE

Energia pe care o poate furniza vântul a fost captată şi utilizată din cele mai vechi timpuri, însă necunoașterea deplină a aspectelor aerodinamice implicate în procesul de proiectare, realizare și exploatare a acestora a plasat această tehnologie într-un stadiu incipient până la jumătatea secolului trecut deși, de-a lungul timpului au fost realizate numeroase aplicații practice. Marele avantaj pe care-l oferă energia furnizată de către vânt este faptul că reprezintă o sursă de energie practic inepuizabilă, se găsește în aproape toate locurile de pe planetă şi poate fi convertită în altă formă de energie, acest lucru conferindu-i statutul de sursă de energie de calitate. Pe de altă parte, avem dezavantajul că parametrii care definesc vântul sunt caracterizați de puternice fluctuații spațiale și temporale, curenții de aer prezentând iregularități atât ca direcţie şi intensitate cât, mai ales, ca durată. Ideea de a utiliza turbine eoliene pentru a exploata energia cinetică a vântului nu este nouă.

Teza este structurată pe șapte capitole.

Capitolul 1- STADIUL ACTUAL AL CERCETĂRILOR ÎN DOMENIUL POMPELOR ANGRENATE EOLIAN – se face o introducere în problematica pompelor antrenate eolian, prezentate în cadrul mai larg al agregatelor eoliene.

Capitolul 2 - OBIECTIVELE LUCRĂRII DE DOCTORAT – sunt prezentate principalele obiective pe care și le propune lucrarea de doctorat.:

- analiza critică a stadiului actual în construcţia agregatelor antrenate de turbine eoliene de mică putere utilizate la pomparea apei;

- realizarea modelului matematic și analiza dinamică a transmisiei din agregatele antrenate de turbine eoliene pentru determinarea comportării, stabilității și solicitărilor care apar în elementele transmisiei;

- propunerea unui nou tip de mecanism (cu două grade de libertate) care să asigure o transmisie cu raport de transmitere variabil funcţie de intensitatea vântului;

- analiza dinamică a acestui mecanism de transmitere cu două grade de libertate ;

- verificarea experimentală a rezultatelor obținute în diferite faze ale lucrării.

Capitolul 3- ANALIZA AGREGATELOR EOLIENE DE POMPARE – este prezentată o analiză critică a convertoarelor eoliene de pompare, a modului lor de funcționare și a integrării acestora în sistemele complexe turbină-transmisie-pompă. O prezentare specială este făcută pompei cu piston deoarece este una dintre cele mai utilizate în aplicațiile practice.

Capitolul 4- ANALIZA DINAMICĂ A POMPELOR UTILIZATE ÎN SISTEMELE EOLIENE DE MICĂ PUTERE – Sunt prezentate metode de analiză dinamică a sistemelor multicorp cu scopul de a fi folosite pentru analiza dinamică a transmisiei pompelor clasice antrenate eolian.Sunt scrise ecuațiile de mișcare pentru transmisia unei pompe cu simplu efect sau cu dublu efect și este folosit programul Matlab



2

pentru integrarea ecuațiilor diferențiale cu coeficienți periodici obținute. Sunt analizate diferite regimuri de funcționare a întregului agregat, supus la un vânt constant sau variabil.

Capitolul 5 - ANALIZA MECANISMULUI DE TRANSMITERE CU DOUĂ GRADE DE LIBERTATE– Pe baza modelelor dezvoltate în capitolul anterioreste analizat un mecanism propuse de către autoare, pentru a îmbunătăți funcționarea pompelor antrenate eolian. Această soluție este un mecanism cu două grade de libertate care permite ca mişcarea turbinei să fie transmisă pompei cu un raport de transmitere variabil automat, funcţie de viteza vântului.

Capitolul 6 - VALIDAREA EXPERIMENTALĂ A MODELELOR TEORETICE - S-a realizat practic un model al mecanismului propus și apoi s-au proiectat experimente care să valideze rezultatele obținute. S-au obținut rezultate concrete și înregistrări care au permis verificarea ipotezelor făcute și a modelului propus.

Capitolul 7 - CONTRIBUȚII ORIGINALE, CONCLUZII ȘI DIRECȚII VIITOARE DE CERCETARE - sintetizează rezultatele obținute în urma cercetărilor efectuate și deschide drumul unor viitoare aplicații sau cercetări în domeniu. Diseminarea rezultatelor s-a realizat prin publicarea unor articole și participarea la conferințe.

***

Cu acest prilerj doresc să-mi exprim respectul şi mulţuimirile domnului profesor dr. ing. Gheorghe DELIU coordonatorul știintific al lucrării, pentru îndrumarea şi sprijinul acordat pe durata elaborării tezei, oferindu-mi șansa de a efectua studii mai aprofundate în domeniul ingineriei mecanice.

Mulţumesc deasemenea referenţilor oficiali, Dlui Prof.Dr.Ing. Polidor BRATU, Dnei Prof. Dr.Ing. Mariana ARGHIR şi Dlui Prof. Dr.Ing.Ioan SZÁVA pentru răbdarea cu care au efectuat parcurgerea lucrării, dar şi pentru sugestiile oferite, contribuind astfel la obţinerea unei teze cu un aport semnificativ la problematica abordată. Totodată doresc să aduc pe această cale mulțumiri domnului ing. Nicolare Sârbu de la INAR Braşov pentru ajutorul acordat în realizarea mecanismului de transmitere cu două grade de libertate – lanț cinematic cu închidere prin inerție.

Mulţumesc colegilor din cadrul Departamentului de Inginerie Mecanică , care prin sugestii şi sfaturi au contribuit la elaborarea unei strategii mai eficiente privind investigaţiile teoretice şi experimentale.

În final, dar nu şi în ultimul rând, exprim toată recunoştinţa familiei pentru încrederea şi sprijinul necondiţionat acordat în aceşti ani, fără de care nu ar fi fost posibilă realizarea acestei teze.

Ing. Maria Luminiţa SCUTARU

Decembrie 2014



3

1. STADIUL ACTUAL AL CERCETĂRILOR ÎN DOMENIUL POMPELOR ANGRENATE EOLIAN

1.1. Istoric

Energia eoliană a fost o sursă de energie care a fost captată şi utilizată de foarte mult timp dar cunoaşterea empirică și insuficientă a aerodinamicii, aplicată în procesul de proiectare, realizare şi exploatare a acestei surse a făcut ca tehnologia pentru exploatarea ei să rămână într-un stadiu incipient până la jumătatea secolului trecut (deşi, de-a lungul timpului, au fost realizate numeroase aplicaţii care fac uz de energia vântului).

Vântul are avantajul de a fi o sursă de energie practic inepuizabilă, gratuită, se găseşte în aproape toate locurile de pe planetă şi poate fi convertită direct în electricitate, acest lucru conferindu-i statutul de sursă de energie de calitate. Există si un dezavantaj major; parametri care definesc vântul sunt caracterizaţi de puternice fluctuaţii spaţiale şi temporale, curenţii de aer prezentând iregularitate ca direcţie, intensitate și durată.

Moara de vânt este strămoşul generatoarelor eoliene (Fig.1.1), apărând deja în Evul Mediu în Europa. Mai tîrziu, morile se orientau după direcţia vântului şi au fost puse pânze pentre a capta mai bine energia vântului (Fig.1.2). Revoluţia industrială a oferit un nou început pentru morile de vânt, prin apariţia de noi materiale. În consecinţă, utilizarea metalului a permis modificare formei turnului şi creşterea considerabilă a maşinilor pe care le numim pe scurt "eoliene".

Evoluția sistemelor de producere a electricității în secolul XX a determinat apariţia primelor eoliene moderne (Fig. 1.4), tot atunci fiind studiat profilul palelor, iar inginerii inspirându-se după profilul aripilor de avion

Figura1.1:Imagine a două mori de vânt(Sursa:http://www.sizilien-sicily-

sicilia.de/Energie-uk.htm

Figura1.2: Imagine a unei mori de vânt cu pânze

(Sursa: http://www.olympia.nl/home1-5/griekenland/kos/pages-

kos/atmz/beziensw-antimachia-kos.html



4

Figura1.3. Moară de vânt [BOS07] Figura1.4. Eoliană modernă [BOS07]

În prezent, eolienele sunt, aproape în totalitate cu ax orizontal, cu excepția modelelor cu ax vertical ca cele cu rotor Savonius și Darrieus, care sunt încă utilizate, dar sunt pe cale de dispariție. Ultimele inovații permit funcționarea eolienelor cu viteză variabilă, respectiv reglarea vitezei turbinei eoliene în funcție de viteza vântului.

1.2. Problematică recentă

În ceea ce priveşte exploatarea potenţialului energetic eolian, la ora actuală putem afirma ca tehnologia a ajuns aproape de maturitate, epoca modernă a exploatării şi producţiei energiei vântului incepand la sfârşitul anilor `70 ai secolului XX, în Danemarca. Există foarte multe ţări, în special în Europa, unde turbinele eoliene sunt folosite la scară largă, acest lucru fiind favorizat şi de condiţiile geografice specifice. La ora actuală, pe mapamond există mii de turbine eoliene funcţionale, cu o capacitate totală instalată de 94123 MW, din care 60.70% sunt plasate în Europa. Deşi epoca modernă a exploatării energiei vântului a fost deschisă de către Danemarca, la ora actuală locul I este ocupat de Germania cu o putere instalată de 22247 MW, care reprezintă 23.6% din producţia totală de energie electrică rezultată din conversia energiei eoliene. Locurile următoare sunt ocupate în ordine de S.U.A., Spania, India şi China [AMA96].

Agregatele eoliene actuale sunt concepute să lucreze eficient începând de la o viteză a vântului de 10 m/s. Pe de altă parte, turbinele actuale necesită o investiţie iniţială mare care, pentru a putea genera profit, implică funcţionarea fără întrerupere a agregatului.

Pentru a putea exploata eficient potenţiale energetice eoliene slabe, trebuie aplicate soluţii care să ţină cont de minimizarea costurilor iniţiale de investiţie pentru amplasare dar şi a cheltuielilor de exploatare a agregatelor turbinelor eoliene în situri defavorizate din punct de vedere al potenţialului eolian sau al condiţiilor geografice. Acest lucru poate fi realizat abordând următoarele direcţii:

a) Construirea de agregate eoliene de puteri mici şi medii care să constituie surse de energie suport (folosite în perioade de vârf de consum) sau pentru alimentarea aşezărilor izolate. Aceste turbine eoliene trebuie să lucreze într-un interval de viteze mici (2 – 5 m/s), unde frecvenţa de apariţie a vântului este mare, lucru care nu este valabil pentru turbinele clasice, mari, care lucrează eficient pe un interval cuprins între 10 m/s şi 25 m/s.



5

b) Creşterea puterii furnizate de un agregat eolian de dimensiuni mici sau mijlocii prin creşterea vitezei vântului în secţiunea rotorului cu efect de concentrare a energiei vântului. Energia vantului este dispersă iar concentrarea ei poate fi realizată prin folosirea unei turbine carcasate care, în principiu, constă dintr-un rotor plasat în secţiunea minimă a unei carcase profilate de tip convergent-divergent

1.3. Turbine eoliene

Turbinele eoliene curente funcţionează pe acelaşi principiu ca şi morile de vânt din Antichitate. Astfel, palele unei elice adună energia cinetică a vântului pe care o transformă în electricitate prin intermediul unui generator. Cel mai mare dezavantaj al energiei eoliene este faptul că nu se obţine electricitate când vântul nu bate deloc sau bate prea slab, motiv pentru care trebuie asigurată o sursă alternativă de electricitate.Singurele dezavantaje ale folosirii

energiei eoliene sunt impactul asupra păsărilor, impactul vizual asupra mediului și costurile.

Energia de origine eoliană face parte din energiile regenerabile. Aero-generatorul utilizează energia cinetică a vântului pentru a antrena arborele rotorului său, fiind transformată în energie mecanică.

Turbina eoliană este un dispozitiv ce transformă mişcarea cinetică a palelor unei elice în energie mecanică. Dacă această energie mecanică este apoi transformată în electricitate avem de-a face cu un generator alimentat cu vânt - convertor de energie eoliană, termenul care s-a împroprietărit fiind acela de“turbină eoliană”.

1.4. Tipuri de turbine eoline

1.4.1. Eoliene cu ax orizontal

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, imaginea generică a unei astfel de turbine eoliene fiind aceea cu un rotor având trei pale, cu un anumit profil aerodinamic, deoarece astfel se obţine un bun compromis între coeficientul de putere, cost şi viteza de rotaţie a captorului eolian, dar şi o ameliorare în ceea ce priveşte aspectul estetic.Axul acestor eoliene este dispus de-a lungul fluxului de aer.

Eolienele cu ax orizontal sunt cele mai utilizate, deoarece randamentul lor aerodinamic este superior celor cu ax vertical, fiind mai puţin supuse unor solicitări mecanice importante şi având un cost mai scăzut.În prezent, eolienele cu ax orizontal cu rotorul de tip elice, prezintă cel mai ridicat interes pentru producerea de energie electrică la scară industrială.

1.4.2. Eoliene cu ax vertical

Turbinele cu ax vertical sunt caracterizate printr-un ax de rotaţie poziţionat vertical, pilonii acestor eoliene fiind de talie mică, cu o înălţime de 0,1 - 0,5 din înălţimea rotorului. Aceasta permite amplasarea întregului echipament de conversie a energiei (multiplicator, generator) la piciorul eolienei, facilitând astfel operaţiunile de întreţinere. În plus, nu este necesară utilizarea unui dispozitiv de orientare a rotorului, ca în cazul eolienelor cu ax



6

orizontal. Totuşi, vântul are intensitate redusă la nivelul solului, ceea ce determină un randament redus al eolienei, aceasta fiind supusă şi turbulenţelor de vânt. În plus, aceste eoliene trebuie antrenate pentru a porni, pilonul fiind supus unor solicitări mecanice importante. Acest tip de turbine, deşi prezintă ca principal avantaj independenţa poziţiei rotorului faţă de direcţia vântului, sunt mai puţin utilizate, având viteza de operare foarte mică, plasată în jurul valorii de 2.7 m/s, lucru care le face extrem de fezabile.

Există două tipuri principale de turbine eoliene cu ax vertical, în funcție de principiul de funcționare: turbine Savonius și turbine Darrieus. Restul soluțiilor sunt sau combinații ale acestor două tipuri principale, sau soluții care au la bază principiul concentratorului și al ghidării fluxului de aer către turbină.

1.5. Avantajele si dezavantajele centralelor eoliene

Avantaje. În contextul actual, caracterizat de creșterea alarmantă a poluării cauzate de producerea energiei din arderea combustibililor fosili, devine din ce în ce mai importantă reducerea dependenței de acești combustibili.

Energia eoliană s-a dovedit deja a fi o soluție foarte bună la problema energetică globală. Utilizarea resurselor regenerabile se adresează nu doar producerii de energie, dar prin modul particular de generare reformulează și modelul de dezvoltare, prin descentralizarea surselor. Energia eoliană în special este printre formele de energie regenerabilă care se pretează aplicațiilor la scară redusă.[COS06], [DOR14]

Principalul avantaj al energiei eoliene este emisia zero de substanțe poluante și gaze cu efect de seră, datorită faptului că nu se ard combustibili;

- nu se produc deșeuri;

- costuri reduse pe unitate de energie produsă;

- costul energiei electrice produse în centralele eoliene moderne a scăzut substanțial în ultimii ani, ajungând în S.U.A. să fie chiar mai mici decât în cazul energiei generate din combustibili,;

- costuri reduse de scoatere din funcțiune. Spre deosebire de centralele nucleare, de exemplu, unde costurile de scoatere din funcțiune pot fi de câteva ori mai mari decât costurile centralei, în cazul generatoarelor eoliene, costurile de scoatere din funcțiune, la capătul perioadei normale de funcționare, sunt minime, acestea putând fi integral reciclate.

Dezavantaje. Principalele dezavantaje sunt resursa energetică relativ limitată, inconstanța datorită variației vitezei vântului și numărului redus de amplasamente posibile. Puține locuri pe Pământ oferă posibilitatea producerii a suficientă electricitate folosind energia vântului.[COS06], [DOR14]

Un alt dezavantaj este și "poluarea vizuală" - adică, au o apariție neplăcută - și de asemenea produc "poluare sonoră" (sunt prea gălăgioase). De asemenea, se afirmă că turbinele afectează mediul și ecosistemele din împrejurimi, omorând păsări și necesitând terenuri mari virane pentru instalarea lor.



7

De asemenea un dezavantaj este riscul mare de distrugere în cazul furtunilor, dacă viteza vântului depășește limitele admise la proiectare. Oricât de mare ar fi limita admisă, întotdeauna există posibilitatea ca ea să fie depășită.

1.6. Pomparea apei, o aplicație particulară a utilizării energiei eoliene

1.6.1. Scurt istoric al pompelor acționate eolian

Orientul Apropiat utilizează morile de vânt pe scară largă în sec. X și XI iar în sec. XI și XII este se întâlnesc frecvent și în Europa, fiind aduse din Orient pe două căi: maurii le aduc în Spania prin nordul Africii și cruciații în urma cruciadelor.

Figura1.10. Moară de vânt din Dobrogea la Muzeul satului din Sibiu [COS06]

Olandezii le folosesc pe scară largă pentru drenarea mlaștinilor și lacurilor din delta Rinului. Între 1608 și 1612 Beemster Polder, care se află cu 3m sub nivelul mării, a fost drenat folosindu-se 26 de mori de vânt, fiecare având o putere de cca 60 kW.

Leeghwater, un inginer renumit în epocă, a drenat polderul Schemer într-un interval de 4 ani, utilizănd mori de vânt și elevatoare construite pe principiul spiralei lui Arhimede. 14 mori de vânt au pompat apă într-un bazin-reezervor la un debit de 1000m3/s , apă care era pompată mai departe într-un canal ce se scurgea în Marea Nordului.

Secolul XVI determină răspândirea fără precedent a morilor de vânt în Olanda, determinată mai ales de necesitatea de energie pentru pomparea apei în încercarea de a smulge mării noi terenuri. Odată perfecționată tehnologia utilizării morilor de vânt, acestea au fost utilizate în aplicații mai complexe cum ar fi alimentarea fântânilor arteziene din parcurile unor castele, spre exemplu. Primele fierăstraie mecanice sunt acționate de vant tot in sec. XVI iar până în sec. XIX cca 9000 de mori de vânt se găseau în funcțiune în Țările de Jos și deserveau irigații, pompe pentru desecări, mori, joagăre, etc.



8

Secolul XVIII marchează o perioadă în care se încearcă explicarea fenomenelor care fac posibilă utilizarea energiei eoliene și se propun soluții inginerești pntru rezolvarea problemelor apărute și legate de practica imediată. Menționăm pe:

Edmund Lee, are meritul de a fi asigurat orientarea automată sub vânt, prin adăugarea la capul rotator a unei roze-evantai;

Andrew Meikle a ataşat pe braţele morii de vânt şipci de lemn tensionate prin sarcini (în locul velaturii de pânză) care realizează un reglaj spaţial în raport cu viteza vântului;

Sir William Cubbit introduce în construcţia velelor un arbore tubular în interiorul căruia, sub acţiunea forţei centrifuge, se putea deplasa o greutate. Mişcarea greutăţii se face pe o spirală, răsucind vela în vânt, reglând sistemul de funcţionare al sistemului.

Dezvoltarea morilor de vânt a fost întreruptă de apariția motorului cu abur care a dus la neglijarea utilizării energiei vîntului și descreșterea numărului de mori de vânt. În schimb, în Statele Unite, morile de vânt au avut un succes neașteptat și au fost utilizate cu precădere la pomparea apei fără costuri prea mari dar și la alte aplicații cum ar fi măcinarea calcarului, varului, cerealelor.

Datorită potențialului hidrologic al României care permite utilizarea energiei apei, morile de vânt nu au fost foarte des întâlnite în Romania. Doar în Dobrogea lipsa apei și viteza ridicată a vântului i-a făcut pe locuitori să își construiască mori de vânt. Câteva, salvate de la distrugere și dispariție se găsesc acum în muzeul satului din Sibiu și în cel din București.

Figura1.14. Macheta unei pompe de apă acționate de vînt. Sistemul de transmitere a mișcării

În fig.1.14 este prezentată macheta unei pompe de apă utilizata la o centrală eoliană, unde mișcarea de rotație este transformată, prin intermediul unui mecanism patrulater și al



9

unui mecanism bielă manivelă, legate în serie, în mișcare de translație alternativă la pistonul pompei.

1.6.3. Pompe acționate eolian pentru alimentarea cu apă

În ţările în curs de dezvoltare sunt, în momentul de față, puţine pompe acționate eolien care să fie utilizate pentru obținerea apei potabile. Câteva au fost instalate de către misiuni religioase în comunități şi școli din Africa întrucât combustibilul pentru motoare este greu de transportat în locuri izolate, lipsite de infrastructură. În Maroc s-a instalat prin anii 70 o pompă “Aeromotor” (S.U.A.) într-o localitate din munţii Rif.

Pompele acționate eolian sunt unele dintre cele mai rentabile instalaţii atunci când viteza vântului devine mai mare decât v > 3,5 m/s, motiv pentru care acestea acoperă zone întinse în ţarile în curs de dezvoltare. În cazul alimentării cu apă achizitorul este, de cele mai multe ori, guvernul iar acest lucru permite utilizarea unor fonduri de ajutorare, lucru care permite identificarea unor soluții mai ușor de realizat practic. Se poate sublinia că deoarece forarea unui puț poate implica costuri semnificative (spre exemplu peste 100$/m în anumite zone ale Africii) se justifică realizarea unei investiţii într-o instalație capabilă să optimizeze utilizarea puţului.

1.6.4. Pompe acționate eolian pentru irigaţii

Practica a arătat că pompele acționate eolian clasice, utilizate în cadrul fermelor, fabricate industrial, nu sunt corespunzătoare pentru lucrări de irigaţii, ele sunt folosite destul de rar în acest scop, întrucât cerinţele tehnico-economice ale irigării sunt diferite de cele ale alimentării cu apă.

Ca urmare, în general, nu sunt multe rezultate în acest domeniu iar majoritatea pompelor care sunt folosite astǎzi la lucrările de irigaţii sunt tradiţionale şi rudimentare. (China, Thailanda, Creta). În general există tendința ca ele să fie înlocuite cu motopompe. Cu o atenție suplimentară, pompele eoliene pentru irigații pot fi simple şi ieftine, întrucât trebuie sǎ funcţioneze doar câteva luni pe an iar oamenii sunt în general pregǎţiti sǎ se descurce dacǎ apar probleme - sǎ scoatǎ din vânt rotorul în cazul unei furtuni (sau sǎ strângǎ velele) şi, de obicei, își efectuează singuri reparaţiile când este necesar, fǎrǎ a apela la asistenţǎ din exterior.

Cerinţele de bază pentru o pompǎ acționate eolian pentru irigaţie vor fi:

protecţie automată la avarii în caz de furtunǎ;

posibilitatea de a efectua operaţiile de întreţinere şi de reparaţii cu un efort minim,

Respectarea acestor cerințe va conduce la o scǎdere considerabilǎ a costului de investiţie.

1.6.5.Sistemul de acționare al pompelor

Pentru utilizarea și întreținerea pompelor, care am arătat că sunt sisteme mecanice foarte simple, este necesar ca și transmiterea mișcării de la rotorul acționat de vânt la pompa propriu-zisă să se facă prin sisteme cât mai simple. Cel mai utilizat sistem de acționare al pompei este prin utilizarea mecanismului bielă manivelă, care transformă rotația rotorului



10

pompei într-o mișcare periodică pe direcția unei axe. Mecanismul de transmitere poate fi așezat orizontal sau vertical, abordarea din punct de vedere mecanic fiind similară în ambele cazuri.

Vedere din față Vedere laterală

Figura1.15. Schița mecanismului de transformare a rotației palei în translația pompei (după [DUY80])

Figura1.16. Pompe scoase din uz, utilizate ca material didactic (după [DUY80],[LAT05])

1.7. CONCLUZII

Acest capitol reprezintă o trecere în revistă a principalelor surse bibliografice care tratează problematica generală a turbinelor eoliene dar si problema utilizării energiei eoliene la pomparea apei. De asemenea în cadrul acestui capitol se prezintă și o analiză a pompelor acționate eolian, în mod special a sistemului de acționare al pompei.



11

În urma acestei analize s-au conturat următoarele concluzii:

în literatura de specialitate sunt tratate un număr impresionant de turbine eoliene de mică putere cu ax orizontal, care diferă prin soluția constructivă a rotorului, prin numărul de pale, materialul și forma acestora, complexitatea soluției constructive, puterea nominală, viteza de pornire, dimensiuni și turația de lucru, preț de cost;

în zone cu potențial eolian redus, implementarea de turbine eoliene de mică putere, care funcționează la viteze ale vântului sub 3 m/s, reprezintă o alternativă fezabilă;

alegerea tipului și capacității centralei eoliene implică analiza prealabilă a potențialului eolian din zona locală de instalare;

utilizarea și întreținerea pompelor, presupune ca și transmiterea mișcării de la rotorul acționat de vânt la pompa propriu-zisă să se realizeze prin sisteme cât mai simple, cel mai utilizat sistem de acționare al pompei fiind un mecanism de tip bielă manivelă, care transformă rotația rotorului pompei într-o mișcare periodică pe direcția unei axe.

2. OBIECTIVELE LUCRĂRII DE DOCTORAT

Studiul a fost inițiat în vederea realizării următoarelor obiective:

1. Analiza critică a stadiului actual în construcţia pompelor eoliene de mică putere utilizate la pomparea apei. Această analiză se impune întrucât domeniul are o aplicabilitatea practică deosebită, în momentul de faţă estimându-se existenţa unui număr destul de mare de pompe în funcțiune. Drept urmare atât studiul cât și cercetarea unor astfel de sisteme s-a dezvoltat foarte mult, obținându-se numeroase rezultate dar și un volum mare de publicații care tratează acest subiect. Pentru țările în curs de dezvoltare existența unor soluții care să poate fi aplicate ușor și să aibă întreținere minimă este de o importanță maximă.

2. Analiza problematicii care apare la studiul transmiterii puterii de la turbină la pompă. Există soluții verificate în practică pentru utilizarea unor transmisii mecanice în cazul pompelor eoliene. Totuși progresele făcute prin apariția unor noi materiale, cu proprietăți superioare și a posibilității de a face calcule minuțioase ale solicitărilor din transmisii fac să fie posibile și dorite noi soluții din care să rezulte pompe eoliene fiabile, ușor de întreținut și de montat și cu preț de fabricație redus.

3. Propunerea unui tip de mecanism cu două grade de libertate care să ofere adaptabilitate la condiţiile diferite de vânt. Pentru a elimina inconvenientele unui mecanism de raport de transmitere constant (pornire dificilă la vânt slab şi supraturare la vânt puternic), s-a propus un mecanism cu raport de transmitere variabil automat funcţie de condiţiile de la intrare (viteza vântului).

4. Analiza dinamică a unui mecanism de transmitere cu două grade de libertate (lanț cinematic cu închidere prin inerție).Pentru realizarea acestui obiectiv se va efectua integrarea ecuațiilor de mișcare și determinarea solicitărilor din mecanismul propus pentru transmiterea mișcării în pompele antrenate eolian. Pentru aceasta se vor utiliza modelele propuse în lucrare



12

pe baza cărora s-au scris programe de calcul în Matlab. Sistemul de ecuații diferențiale mixt, în care apar și necunoscute algebrice forțe de legătură (DAE – differential algebric equations) va fi redus la un sistem cu două ecuații diferențiale de ordinul doi cu două necunoscute (DOE – differential ordinary equations). Se va face integrarea numerică a ecuațiilor de mișcare cu ajutorul cărora se pot calcula, cu relații simple, și forțele de legătură lucru care permite determinarea solicitărilor din sistem și un calcul al rezistenței mecanismului.

5. Verificarea experimentală a rezultatelor obținute în diferite faze ale lucrării. Pentru verificarea rezultatelor se va proiecta un stand experimental pentru studiul mișcării mecanismului cu două grade de libertate propus. Se preconizează realizarea fizică a acestui mecanism, pentru a se putea confirma utilitatea sa ca regulator automat de turaţie. Înregistrările se vor efectua utilizând metode de înregistrare video cu ajutorul unei camere de mare viteză.

Pe baza rezultatelor preconizate a fi obținute, ne propunem să stabilim un set de concluzii rezultat din analiza numerică a sistemelor studiate și din verificările experimentale efectuate. Se va face o diseminare a rezultatelor obținute prin publicarea lor în publicații de specialitate și prin participarea la conferințe naționale și internaționale.

3. ANALIZA AGREGATELOR EOLIENE DE POMPARE

3.1. Noțiuni generale privind proiectarea și optimizarea sistemelor mecanice

Problema proiectării unui sistem nou presupune alegerea cu atenție a unor parametri utilizati în proiectare, pe baza cerințelor impuse de tema de proiectare. De alegerea acestor parametri depinde cât de bine se va comporta utilajul proiectat în practică. După elaborarea unui proiect se poate trece la o fază de îmbunătățire a soluției obținute, aplicând algoritmi de optimizare, aleși în funcție de parametrii concreți care trebuie optimizați, de influența acestora în cadrul procesului de lucru precum și de modelul matematic folosit. O importanță deosebită trebuie acordată identificării corecte a factorilor care influențează semnificativ funcționarea utilajului și renunțarea în cadrul modelului la factorii care au o influență minoră. În acest fel se vor putea obţine rezultate corecte, clare, care pot fi aplicate în practică.

Teoria generală a proceselor optimale este teoria care permite determinarea variaţiei optimale, în timp, a unor mărimi reglabile. Se poate realiza următoarea clasificare a metodelor de optimizare:

metoda empirică;

metoda euristică;

metoda algoritmică.

O problemă de optimizare este bine structurată, afirmandu-se că are o structură identificată dacă satisface următoarele criterii:



13

poate fi exprimată cu ajutorul unor variabile scalare şi/sau vectoriale, care au valori numerice;

obiectivele pot fi obținute clar şi distinct cu ajutorul funcţiei obiectiv;

există un algoritm al soluţiei numerice.

3.2. Optimizarea agregatelor eoliene de pompare

Funcționarea unui agregat eolian de pompare trebuie să asigure o transmitere corespunzătoare a energiei vântului până la pompă, acest lucru măsurându-se prin randamentul total de captare al energiei.

În cadrul unui agregat există mai multe sisteme și modalități care duc la pierderea de energie, fiecare din acești factori implicând un randament caracteristic. La o pompǎ acționată eolian convenţionalǎ, considerând un regim de vânt care variazǎ semnificativ cu anotimpurile (cum se întâmplă frecvent în realitate) randamentul total este determinat de urmǎtoarele randamente parţiale:

- randamentul adaptǎrii la regim de vânt 40reg %

- randamentul transmisiei şi pompei 90tp %

- randamentul adaptǎrii la variaţia ciclică a momentului 40cicl %

- randamentul rotorului 30pC %

Rezultă în acest caz randamentul total de captare a energiei:

04,090,040,040,030,0 tpciclregpcapt C

respectiv 4%, adică foarte mic. În realitate însă, eficienţa totalǎ a conversiei poate fi şi mai micǎ datoritǎ unor cauze subiective cum ar fi utilizarea inadecvată sau imperfectă (un rezervor de stocare prea mic spre exemplu)

Dacă se ține seama însă că energia vântului, după investiția inițială în pompă, se obține gratuit, pompele eoliene actuale devin economice, cu toate aceste neajunsuri și este clar că, dacǎ vor fi utilizate diverse inovații și îmbunǎtǎţiri tehnice, mai ales pentru creşterea randamentului de adaptare, s-ar putea obţine o creştere semnificativă a randamentului deci și a energiei obținute, cu beneficii economice corespunzǎtoare. Randamentele prezentate anterior necesitǎ o adaptare a rotorului turbinei atât cu sarcina (în acest caz pompa) cât și cu regimul de vânt local.

Semnificaţiile de bazǎ a celor patru randamente sunt:

Randamentul adaptǎrii la regimul de vânt. O turbină antrenată eolian oferă un randament maxim pentru o anumitǎ valoare a vitezei vântului. Dacă se modifică sarcina se poate căuta viteza optimǎ a vântului în așa fel fel încât să urmărească regimul de vânt cel mai frecvent în amplasamentul dat şi astfel sǎ rezulte maximul energiei captate. Captarea maximului de energie este mai puţin importantǎ decât o minimizare a cerinţelor de stocare,



14

care presupune rotoare diferite pentru adaptarea la sarcină. În general se cautǎ un compromis între captarea energiei şi minimizarea capacitǎţii de stocare.

Randamentul pompei. Randamentul pompelor de adâncime este situat în jurul valorii de 90%. Forţele de frecare sunt mici în acest caz comparativ cu forţele din tija de acţionare iar vitezele mici fac ca pierderile dinamice să fie nesemnificative. Pierderile prin fricţiune în conducte sunt, de asemenea, neglijabile. Un astfel de randament poate fi considerat rezonabil.

Randamentul adaptǎrii la variaţia periodică a momentului. Pompele cu piston, care au o mișcare periodică, fac ca și momentul furnizat să fie periodic și astfel să apară o neadaptare inevitabilă. Ideal ar fi ca în cazul în care rotorul furnizează un moment mediu constant, momentul de rezistentă datorat functionării pompei să fie la fel. În realitate el este ciclic si determină o accelerare si o frânare ciclică a rotorului pompei. Însă, dacă rotirea a fost iniţiatǎ, efectul de volant al rotorului va micșora natural variaţiile de cuplu. Din acest motiv apare o histerezǎ considerabilǎ între viteza vântului de pornire şi viteza minimǎ care asigurǎ realizarea cuplului mediu, trebuind să fie satisfacută relaţia

pp MM max

de aici rezultǎ cǎ

cp vv

Din acest motiv pierderea de energie este semnificativǎ. Mai mult, în cele mai multe amplasamente frecvenţa cea mai mare o au vitezele mici ale vântului.

Randamentul rotorului. Acesta se caraterizează prin coeficientul pC sau coeficientul

de putere care se stabileste la proiectare, alegând corespunzător rotorul pentru antrenarea pompei.

3.3. Metodă pentru creșterea randamentului de adaptare între rotorul

eolian și pompă

În general, atunci când se proiectează o pompă cu rotor eolian forma caracteristicii de cuplu a pompei diferǎ de forma caracteristicii de cuplu disponibil, pe care o oferă rotorul. Dacǎ se utilizează o pompǎ cu o cerinţǎ de cuplu proporţionalǎ cu v2 în loc de una de cea proporţionalǎ cu v potrivirea celor două sisteme se îmbunătăteste.

De-a lungul deceniilor de utilizare a unor tipuri de sisteme cu pompe eoliene, pentru realizarea uniformizării cuplului de antrenare şi a debitului produs de pompă au fost utilizate diverse tipuri de pompe, cu simplu efect, duble sau triple, cu două sau trei pistoane în cadrul aceluiași cilindru, acţionate de câte un mecanism defazat de celălalt. Aceste ultime sisteme oferă avantaje funcţionale, dar în acelasi timp sunt voluminoase şi scumpe fiind necesare două sau trei seturi de tije concentrice care costă mult şi sunt dificil de instalat.

Caracteristicile principale ale pompelor cu acționare eoliană care pot fi utilizate sunt prezentate în tab. 3.1.



15

Tabelul 3.1. Caracteristicile pompelor cu utilizare posibilǎ la pompele eoliene [BRA79]

Tip pompă

Înălţime

de pompare

Indicat pentru puţuri forate

Randament

%

Calitate de adaptare

Piston, simplă acţiune 3-300 da 60-95 slabă

Piston simplu activ şi echilibrat la turaţii mici

3-300 da 30-95 bună

Piston dublă acţiune 3-30 da 60-85 slabă

Piston duplex sau triplex 30-300 da 60-95 slabă

Piston inerţial 3-30 posibil 60-85 bună

Cu cavitate agresivă – cu 1 şurub 10-200 da 30-80 slabă

Lanţ şi dopuri – elevator hidraulic

2-20 posibil 20-80 bună

Frânghie şi găleată 2-20 nu 60-90 bună

Roată persană 0,5-1,5 nu 60-90 slabă

Roată cu jeturi 0,5 nu 20-60 slabă

Şurub arhimedic 0,5-1,5 nu 0-60 bună

Centrifug monoetajat 2-10 nu 25-60 slabă

Centrifug multietajat 6-50 da 30-60 slabă

Rotativ cu pale sau roţi dinţate 6-30 nu 10-50 slabă

Piston, simplă acţiune ~3(slab) da mică foarte bună

Piston simplu activ şi echilibrat la turaţii mici

~1(slab) nu mare

foarte bună

Piston dublă acţiune ~1,5(slab) da mare mică

Piston duplex sau triplex ~1(bun) nu de durată

foarte mare bună

Piston, simplă acţiune ~1(bun) nu mare mică

Piston inerţial 1(slab) da mare

Cu cavitate agresivă – cu 1 şurub <1(bun) nu mică foarte bună

Lanţ şi dopuri – elevator hidraulic

<1(bun) nu mică moderată

Frânghie şi găleată <1(bun) nu mare moderată



16

Roată persană <1(bun) nu mare foarte bună

Roată cu jeturi <1(bun) nu mare bună

Şurub arhimedic <1(bun) nu mare bună

Centrifug monoetajat <1(bun) da mare foarte bună

Centrifug multietajat <1(bun) da mare bună

Rotativ cu pale sau roţi dinţate <1(bun) nu mare mică

3.3.1. Echilibrarea pompelor cu piston de adîncime

La pompele de adâncime, datorită greutății mari a echipamentelor, problema echilibrării devine importantă. Astfel tija unei pompe cu piston va avea, pentru o adâncime de 100m, cca 180kg. Această greutate se va adauga la inerția rotorului și a coloanei de apă de deasupra pistonului și va mări necesarul de moment la pornire. Dacă sistemul a pornit inerţia acestuia va fi suficientǎ pentru a furniza o energie capabilǎ sǎ acopere deficitul fiecǎrei jumǎtǎţi de ciclu cu energia obținută în cealaltǎ jumǎtate de ciclu. Inerția foarte mare a sistemului și neechilibrarea, cand pistonul este jos, pot produce deci mari probleme la pornire. Soluţia este echilibrarea cu mase suplimentare. Această soluție este eficientǎ în cazul pompelor cu reductor unde tijele vor fi acţionate mai încet decât rotorul. La pompele care au acţionare directǎ solicitǎrile dinamice datorate contragreutǎţilor vor creşte mult la turaţii mari. Există o soluție comercială a firmei Wind Baron (S.U.A) pentru această problemă care s-a dovedit a fi un succes la pompele de foarte mare adâncime şi care are performanţele semnificativ mai bune decât o pompǎ obişnuitǎ neechilibratǎ, dar care are reductor şi este supradimensionatǎ (scade turația, crește momentul de torsiune deci și solicitările).

O soluție inginerească elegantă este utilizarea unor părți de lemn ușor în componența mecanismului (de exemplu Comet-Australia) care va pluti și prin forța arhimedică va echilibra sistemul.

O altă variantǎ ar fi utilizarea unui arc pentru echilibrare, care evitǎ încǎrcǎrile inerţiale generate de masele de echilibrare. În acest fel însă echilibrarea se face numai parțial.

3.4. Clasificarea pompelor destinate agregatelor eoliene de pompare

3.4.1. Clasificarea pompelor

Pompele sunt maşini care realizează creşterea presiunii statice a fluidelor. Mai general pomparea înseamnă transferul de energie a unui fluid pentru a realiza mișcarea lui dintr-un loc în altul sau pentru creşterea presiunii acestuia, necesară transmiterii energiei prin intermediul lichidului.

1.Volumice

Alternative (cu piston – disc sau plunjer – si cu membrana );



17

Rotative (cu angrenaje - roţi dinţate – angrenare exterioară sau interioară, melc şi roată melcată, şuruburi, cu pistoane profilate, cu o aripă, cu mai multe aripi, cu segment separator, cu palete culisante, cu role, cu stator elastic, cu rotor elastic, cu disc înclinat, cu inel de lichid, cu canal lateral);

Roto-alternative (cu pistonaşe axiale, cu pistonaşe radiale);

Oscilante

2.Rotodinamice

Centrifuge (radiale, diagonală, cu rotor retras, periferială);

Elicoidale

3.Alte principii

Electromagnetice;

Inerţiale (şoc hidraulic, element vibrator);

Fluid motor (ejector, cu gaz comprimat, pulsometre);

Bandă aderentă;

Elevatoare (cu cupe, cu palete spirale, discuri).

3.4.2. Pompa cu piston

Pompa cu piston, care face parte din categoria de pompe volumice, reprezintă o soluţia constructivă unde fenomenul de pompare se bazează pe principiul variaţiei de volum care se obtine prin deplasarea periodică a unui organ mobil, numit piston, în interiorul unor corpuri cu profil corespunzător. Pompa cu piston are o importantă practică deosebită, datorită simplitătii ei, ca urmare a fost mult timp utilizată cu rezultate foarte bune. Deplasarea pistonului poate fi lineara sau circulara, modelul cel mai frecvent utilizat fiind acela în care se utilizează miscarea alternativă, pistonul efectuand periodic curse simetrice în ambele sensuri ale direcţiei de deplasare. O astfel de pompă se compune, constructiv dintr-un piston, două supape, o conductă de aspiraţie şi una de refulare. Solutii mai elaborate utilizează camere de aer pentru a realiza uniformizarea debitului şi reducerea şocurilor. La o pompă cu piston clasică, supapa de refulare este situată în piston, iar supapa de aspiraţie în partea inferioară a pompei, uzual deasupra sorbului.

Dacă pistonul şi supapa de refulare sunt separate, pompa respectivă se numeşte pompă plunjer. La această pompă când pistonul se deplasează în jos, supapa de refulare se deschide, supapa de aspiraţie se închide, debitul este zero şi pistonul coboară liber prin coloana de apă. Dacă pistonul se deplasează în sus, supapa de refulare se va închide, supapa de aspiraţie se va deschide iar apa va fi ridicată (deasupra pistonului) şi aspirată (sub piston dacă pompa este situată deasupra nivelului apei) până în momentul în care pistonul se deplasează din nou în jos. Va rezulta un debit de apă pulsator, sinusoidal. Acest tip de pompă se numește pompă cu simplu efect. Există de asemenea pompe cu dublu efect: cu două pistoane care se deplasează în direcţii opuse cu un piston şi câte două supape de aspiraţie şi de evacuare şi pompe



18

diferenţiale. Pompele cu dublu efect au un debit mai uniform putând furniza apă şi în perioadele de pauză de la pompele cu simplu efect. La pompele cu dublu efect trebuie să se ia precauţii suplimentare referitoare la flambarea tijei de acţionare în timpul cursei de coborare.

3.4.3. Comportamentul pompei ideale

În cele ce urmează se descrie comportamentul unei pompe ideale la viteze scăzute si acceleraţii mici comparativ cu acceleraţia gravitaţională. Se vor neglija forţele de frecare şi forţele dinamice. Forţa care apasă pe piston va fi egală cu greutatea coloanei de apă (de la nivelul apei şi până la refulare – pompa funcţionând imersată în apă).

2

4 php DHgF (3.1)

unde : h - densitatea apei;

H - înăltimea coloanei de apă (care dă presiunea statică);

pF - forţa transmisă manivelei rotorului eolian prin tija pompei care exercită un cuplu

asupra arborelui rotorului prin manivela r = s/2 (s- cursa pistonului).

Momentul rezistent are o variaţie sinusoidală în timpul curse de ridicare şi este zero în timpul cursei de coborare.

20

0,sin2

1

42

tM

ttsDHgM

p

php (3.2)

Obținerea momentului mediu (momentul de rezistență) presupune integrarea acestei expresii pe un ciclu complet:

1sin

2

1

0

tdt (3.3)

de unde rezultă expresia cuplului mediu

24

1 2 sDHgM php

(3.3)

sau shp VHgM 2

1

unde s-a notat: sD

V pS

4

2 - volumul cursei , cilindreea.

Se constată că acest cuplu mediu nu depinde de viteza de rotaţie.

Puterea medie necesară se poate calcula cu ajutorul relatiei:

sppp HgMP 2

(3.5)



19

Reprezentând grafic relația (3.5), putem observa în fig. 3.3 că relaţia putere-viteză de rotaţie a pompei ideale este o linie dreaptă ce trece prin origine.

Figura 3.3. Relaţia putere-viteză a pompei cu piston, indicând pierderile mecanice şi volumice

3.4.4. Comportamentul pompei reale

Pompa ideală va necesita, teoretic, o putere mecanică egală cu puterea netă pentru a ridica apa, deci randamentul său ar fi 100%. În mod real însă puterea mecanică necesară va fi mai mare decât puterea netă de ridicare a apei din cauza pierderilor care apar în sistem, pierderi mecanice, hidraulice şi volumice.

În scopul efectuarii unui calcul se vor include pierderile mecanice, pierderile de frecare dintre piston şi cilindru şi pierderile hidraulice datorate în principal frecării hidraulice

la supape. Introducem deasemenea notiunea de randament volumic, notat cu vol , și definit

prin raportul dintre volumul real şi volumul teoretic al cursei.

Totodata se mai notează:

mecP – puterea mecanică a rotorului;

phsid PgHP 2

– puterea necesară pentru pompa ideală;

gHQP hh – puterea netă hidraulică pentru ridicarea apei,

Randamentele au următoarele expresii:



20

id

h

s

vol P

PQ

2

(3.6)

mec

idmec P

P (3.7)

iar randamentul total al pompei mec

hmecvolp P

P (3.8)

Caracteristicile de putere, moment şi randamentele mecanice pentru o pompă reala sunt reprezentate în fig. 3.4. – 3.5.Caracteristicile funcţionale (convențonale) ale pompei SWD sunt: diametru – 0,131m; cursă piston – 0,080m ; cursă supapă 0,005m ; înălţime de pompare – 11,300m

Figura 3.4. Graficul puterilor pentru o pompă reală



21

Figura 3.5. Graficul momentului

3.5. Optimizarea transmisiei

Schema bloc a transmisiei mecanice utilizate în cazul pompelor antrenate eolian este reprezentată în fig. 3.6. Elementele principale ale unei astfel de transmisii sunt mecanismul de transformare a rotației în translatie și reductorul, întrucât mișcarea rotorului este în general mult mai rapidă decât poate suporta pompa utilizată. Constructiv, reductorul şi mecanismul de transformare a rotației în translaţie alternativă sunt reunite într-un singur ansamblu. Firmele constructoare au dezvoltat o serie de variante constructive (fig. 3.6).

Figura 3.6. Schema bloc a transmisiei în instalaţia de pompare

Sistemele de acţionare prezentate în figură au câteva dezavantaje majore:



22

- fabricaţie complicată şi costisitoare;

- existența băii de ulei care implică gabarite şi greutăţi mari;

- necesitatea unei o întreţineri periodice

3.6. CONCLUZII

Acest capitol constitue o bază pentru dezvoltările care se vor face în teză, drept pentru care s-a realizat o analiză, pe baza unui model matematic, a comportării unui pendul cu punctul de sprijin aflat în mișcare, pe o traiectorie impusă. Analiza s-a realizat pe baza rezultatelor obținute de alți cercetători în domeniu.

În prima parte a acestui capitol s-au punctat câteva noţiuni privind proiectarea şi optimizarea sistemelor mecanice, accentuând faptul că optimizarea va reprezenta procesul îmbunătăţirii succesive a caracteristicilor modelului (exprimate prin parametri) până în momentul când se consideră că s-a obtinut cea mai bună soluţie, prin analogie cu matematica. Deasemenea prin optimizare trebuie înţeles procesul de aplicare a unor tehnici matematice pentru a obţine valorea maximă (minima, stationară) a unei funcţii-obiectiv.

Tot în cadrul acestui capitol s-au evidenţiat principalele metode utilizate în creşterea randamentului de adaptare între rotorul eolian şi pompă şi s-au tratat câteva aspecte privind echilibrarea pompelor cu piston de adâncime.

În baza rezultatelor existente în literatura de specialitate s-a analizat pompa cu piston atât varianta reală cât şi cea ideală, precum şi comportamentul supapei.

4. ANALIZA DINAMICĂ A POMPELOR UTILIZATE ÎN SISTEMELE EOLIENE DE MICĂ PUTERE

4.1. Metode de analiză a sistemelor dinamice

În cazul unui sistem mecanic multicorp alcătuit din mai multe corpuri rigide aflate în legătură se poate utiliza, pentru determinarea ecuațiilor de mișcare și, totodată obținerea unor soluții, una din următoarele metode [VOI84], [VÂL63], [IAC77], [DEL08]:

a) teoremele impulsului şi momentului cinetic;

b) forma lui Lagrange a principiului lui d` Alembert;

c) ecuaţiile lui Lagrange;

d) metoda multiplicatorilor lui Lagrange;

e) ecuaţiile lui Hamilton;

f) teorema energiei;

g) principiul lucrului mecanic virtual,

care în decursul timpului au îmbrăcat diferite forme în prezentare diferiților autori.



23

Într-o analiză a unui sistem dinamic multicorp se pot urmări determinarea ecuațiilor de mișcare pentru integrarea lor sau, în cazul unui calcul de rezistență, se urmăresc forțele care solicită sistemul. În cazul în care sunt urmărite doar ecuaţiile de mişcare pentru a fi apoi integrate sunt avantajoase metodele b), c), e), f) şi g) deoarece ele nu vor conţine ca necunoscute forţe de legătură. Dacă se doreşte determinarea forţelor de legătură (spre exemplu se impune determinarea solicitărilor care apar în unele elemente constituente ale mecanismului pentru verificarea rezistenței în exploatare) atunci se impune utilizarea metodelor a) şi d).

Ne propunem să prezentăm în lucrare aceasta a doua formă de abordare, care este mai completă, motiv pentru care se va analiza cazul a), cazul d) putând fi redus la acesta.

În cazul în care se aplică metoda a) ecuațiile care se obțin vor reprezenta un sistem de ecuaţii diferenţiale de ordinul doi (DAE – differential algebraic equations) în care, alături de necunoscutele coordonate independente apar și necunoscutele forţe de legătură. Forțe de legătură, impuse de legăturile dintre elementele sistemului mecanic, intervin în ecuații în combinaţii lineare. Astfel se ajunge la rezolvarea unui sistem de ecuații mixt, diferențial și algebric, care implică o anumită dificultate în rezolvare.

În practica curentă se elimină, în primă fază, necunoscutele forţe de legătură (care apar linear în sistem) şi apoi se recurge la rezolvarea sistemului de ecuaţii obţinut după eliminarea legăturilor, sistem evident mai complicat. După rezolvarea sistemului de ecuații diferențiale evoluţia în timp a coordonatelor independente devine determinată și se poate trece la etapa a doua, determinarea forțelor de legătură prin rezolvarea unui sistem algebric linear. Eliminarea reacțiunilor presupune utilizarea unei tehnici de inversare a matricei coeficienţilor acestuia.

În cele ce urmează va fi prezentată o metoda naturală de eliminare a forţelor de legătură, care înlocuieşte metoda de eliminarea a forțelor de legătură prin inversarea matricei coeficienţilor cu o simplă multiplicare matriceala şi care, astfel, va uşura remarcabil abordarea numerică a unei astfel de analize.

4.2. Constrângeri cinematice în sisteme mecanice cu legături

Rezumăm rezultatele cunoscute pentru exprimarea condiţiilor cinematice, rezultate care vor fi folosite în cadrul lucrării.

Sistemele de coordonate situate în centrele de masă ale corpurilor sunt foarte utile pentru scrierea ecuațiilor de mișcare motiv pentru care se vor calcula vitezele şi acceleraţiile centrului de masă ale fiecărui element.

Astfel se va nota cu ix vectorul 6 x 1 ce conţine pe primele trei poziţii

componentele vitezei lineare ale centrului de masă iar pe următoarele trei poziţii

componentele vectorului viteză unghiulară ale elementului i. Se va nota cu ix vectorul ce

conţine, în ordine, componentele acceleraţiei lineare ale centrului de masă şi ale acceleraţiei unghiulare ale elementului i. Dacă s este numărul de relații care există între coordonate

(numărul de condiții de legătură), atunci vectorii ix , i=1,2,.. .,n unde n este numărul de



24

corpuri în legătură, pot fi exprimaţi linear în funcţie de s derivate jq , j=1,2,.. .,s . Notânt

cu jq coordonatele independente ale sistemului, se va putea scrie:

qA

q

q

q

A

x

x

x

x

sn

2

1

][][ 2

1

(4.1)

Vectorii ix , i=1,2,...,n pot fi exprimaţi printr-o funcţie lineară de jq şi o funcţie pătratică

de jq , j= 1,2, .. ,s, având în final:

2][][ qBqA x (4.3)

relaţie obţinută prin derivarea expresiei (4.1).

4.3. Ecuațiile de mișcare pentru un sistem mecanic cu legături

În cele ce urmează se va nota cu im masa elementului i din sistem, cu iJ ][ matricea

momentelor de inerţie calculată în centrul de masă, cu extiQ torsorul forţelor exterioare redus

în centrul de masă iar cu legiQ torsorul forţelor de legătură redus în centrul de masă. Ecuaţiile

de mişcare pentru elementul i se scriu în centrul de masă al corpului sub forma:

legi

extiiiii QQxMxM '][

Pentru întregul sistem se poate scrie, prin gruparea ecuațiilor, concentrat:

legext QQxMxM '][ (4.4)

Dacă se consideră relația (4.3) se poate scrie:

legext QQqAMBMqAM 2])]['[]][([]][[ (4.5)

care este un sistem de ecuaţii diferenţiale nelinear, de ordinul doi, în coordonatele

independente q . În general dacă n este numărul de corpuri, iar s reprezintă numărul de

constrângeri, apar 6n - s forţe de legătură.

4.4. Scrierea ecuațiilor de mișcare pentru o pompă clasică cu simplu sau dublu efect

Ecuațiile de mișcare vor fi aceleași pentru pompele cu simplu sau dublu efect. Ceea ce se schimbă însă în cele două cazuri sunt expresiile momentului de acționare a rotorului și a forței de pompare. Mecanismul care acționează o astfel de pompă este un mecanism bielă-manivelă [MAN72], [PEL67].



25

Vom aplica metodele prezentate anterior pentru scrierea ecuațiilor de mișcare, mecanismul putând fi orientat orizontal sau vertical. Scrierea ecuațiilor de mișcare se face în același mod în ambele cazuri și ca urmare se va studia pentru început cazul în care culisa are o mișcare orizontală, acționând pompa, fără a ne pune problema de modul practic în care se acționează această pompă, lucru care prezintă o problemă tehnică, cu puține implicații asupra fenomenului în sine. Se va considera deci un mecanism bielă manivelă unde lungimea manivelei AB este r, lungimea bielei BC este l, masa manivelei este m1, masa bielei este m2, masa culisei este m3, momentul de inerție al manivelei este J1.

Totodată se vor face şi următoarele notaţii:

- C1 și C2 pozițiile centrelor de masă ale manivelei și bielei;

- a reprezintă lungimea segmentului AC1;

- b reprezintă lungimea segmentului BC2;

- 1 reprezintă viteza unghiulară a manivelei ;

- 2 reprezintă viteza unghiulară a bielei;

- vC reprezintă viteza culisei C ;

- 1 reprezintă accelerația unghiulară ale manivelei;

- 2 reprezintă accelerația unghiulară ale bielei;

- aC reprezintă accelerația culisei C;- unghiul format de axa manivelei cu orizontala;

- unghiul făcut de bielă cu orizontala.

Figura 4.2. Schema mecanismul bielă manivelă utilizată pentru analiza cinematică

Se vor scrie în continuare condițiile cinematice pentru mecanismul simplu prezentat. Se poate scrie:

;sinsin

;coscos

;sinsin;coscos

;sin;cos

22

11

lr

lrx

brybrx

ayax

C

CC

CC

(4.14)

Dacă se derivează ultima relaţie (4.14) se obţine:



26

sinlcosr (4.15)

sau, dacă se ţine seama de notațiile anterioare:

221121 ;;; (4.16)

cos

cos

l

rt (4.18)

Prin derivarea rel. (4.15’) se obține:

sinlcoslsinrcosr 222

211 (4.19)

de unde: 211

21

212 cos

sin

cos

sin

cos

cos

utt

l

r

l

r

(4.20)

S-a notat:

cos

sin

cos

sin 2tl

ru (4.21)

Prin derivarea celorlate relații (4.14) se va obține:

111

1

1

2

2

2

1

1

1

1

A

sinltsinr

t

cosbtcosr

sinbtsinr

cosa

sina

x

y

x

y

x

C

C

C

C

C

(4.23)

Dacă se mai derivează o dată aceste relații, se vor obține condițiile cinematice care trebuie să fie respectate de accelerații:

21

2

2

21

2

2

2

1

1

1

01

coslusinltsinr

u

cosbusinbtsinr

sinbusinbtcosr

sina

cosa

sinltsinr

t

cosbtcosr

sinbtsinr

cosa

sina

x

y

x

y

x

C

C

C

C

C

(4.25)

sau încă, într-o scriere compactă:

21211 AAa , (4.25’)

unde notațiile pentru A1 și A2 sunt evidente.

În continuare se vor scrie ecuațiile de mișcare pentru elementele sistemului bielă manivelă considerat, în vederea obţinerii prin asamblare a ecuațiilor de mișcare pentru mecanism, considerat ca un corp întreg.



27

Cr

BBCC

CB

CB

BB

AAm

BA

BA

C

C

C

C

C

C

C

XF

cosbYsinbXcos)bl(Ysin)bl(X

YY

XX]cos)ar(Ysin)ar(X

cosaYsinaXM[YY

XX

x

y

x

y

x

m

J

m

m

J

m

m

2

2

2

1

1

1

3

2

2

2

1

1

1

000000

000000

000000

000000

000000

000000

000000

(4.29)

sau, dacă se ţine seama de condiţiile cinematice și separăm forțele de legătură avem:

21

2

2

21

3

2

2

2

1

1

1

01

000000

000000

000000

000000

000000

000000

000000

coslusinltsinr

u

cosbusinbtsinr

sinbusinbtcosr

sina

cosa

sinltsinr

t

cosbtcosr

sinbtsinr

cosa

sina

m

J

m

m

J

m

m

C

C

(4.30)

Dacă se va ține seama de notaţiile anterioare, se obțin ecuațiile de mișcare sub forma:

RNQQQAAm extlegext 21211 (4.30’)

celelalte notații fiind evidente.

4.4.1. Considerații privind mișcarea transmisiilor pompelor antrenate eolian

Pompele antrenate eolian transmit mișcarea, în cele mai multe din cazuri, prin sisteme bielă manivelă, aceasta fiind cea mai simplă modalitatea de a realiza transformarea mișcării de rotație, de la rotorul turbinei la pompă. În unele cazuri se mai introduce un reductor de turație întrucât viteza unghiulară furnizată de rotor este prea mare pentru pompă. În lucrare, pentru a se putea face comparații și a sublinia concluziile, se vor analiza următoarele probleme:

Mișcarea liberă a sistemului bielă manivelă al pompei, sub efectul inerției determinate de viteza unghiulară inițială a manivelei;

Mișcarea mecanismului și transmiterea mișcării în cazul unui vânt constant.

Mișcarea mecanismului și transmiterea mișcării în cazul în care vîntul va fi variabil deci și momentul va fi variabil.

Mișcarea mecanismului și transmiterea mișcării în cazul în cazul pornirii..



28

4.5. Mișcarea liberă a sistemului bielă-manivelă a pompei, determinată de condițiile inițiale

Mai întâi se va calcula energia cinetică a sistemului multicorp luat în studiu. În notațiile de la subcap. 4.2 anterior avem pentru energia cinetică expresia (rel. 4.39)

221

23

22

222

221

21

)(2

1))sinsin(

)cos(2(2

1

JltrmtJ

rbttbmrmJamE

C

Cc

(4.43)

cu:

23

22

222

221

21 )sinsin()cos(2)( ltrmtJrbttbmrmJamJ CC

s-a notat momentul de inerție redus al sistemului la manivelă. În această primă analiză se vor neglija greutățile elementului mecanismului, aproximație care nu influențează prea mult rezultatele.

Energia cinetică la un moment dat va fi: 02

2

1cc E)(JE (4.45)

Momentul de inerție echivalent al mecanismului redus la modul de mișcare al manivelei se calculează cu relația:

))sinltsinr(mtJ)cos(rbttbmrmJam)(J CC2

0032

20022

22

212

10 2 (4.43’)

Calculul integralei poate fi realizat utilizând o metoda numerică, de exemplu metoda Simpson din mediul de programare Matlab.

Folosind rel. (4.34) se poate reprezenta )(J iar cu ajutorul rel. 4.46 se poate reprezenta

viteza unghiulară a manivelei și se poate face integrarea, utilizând metoda Runge-Kutta.

4.7. CONCLUZII

În cadrul acestui capitol s-a făcut o prezentare a metodelor de analiză a sistemelor multicorp pentru a se stabili care dintre aceste metode va fi folosită pentru analiza sistemului.

Utilizându-se aceste metode s-au scris ecuațiile de mișcare pentru o pompă cu simplu sau dublu efect care utilizează la transmiterea mișcării un mecanism bielă manivelă simplu. S-au reprezentat aceste ecuații de mișcare în formă matriceală, astfel încât o abordare utilizând programele de calcul să fie foarte ușor de făcut. S-au întocmit programele de calcul care vor fi utilizate ulterior în cadrul lucrării. Pe baza acestor programe de calcul s-a făcut integrarea ecuațiilor de mișcare mai întâi pentru sistemul bielă cu un grad de libertate, simplu.

De asemenea au fost comparate mai multe subrutine de integrare din biblioteca programului Matlab, alegându-se în final subrutina ode23 considerată că oferă soluțiile cele mai stabile pentru sistemul mecanic analizat.



29

5. ANALIZA MECANISMULUI DE TRANSMITERE CU DOUĂ GRADE DE LIBERTATE

Ideea mecanismului este ca, prin mişcarea de rotaţie a manivelei AB, să se realizeze o mişcare alternativă a pistonului D, cu o frecvenţă egală cu frecvenţa de rotaţiei a manivelei, manivelă acţionată de vânt prin intermediul palelor. Mecanismul are două grade de libertate și considerăm cele două grade de libertate ca fiind definite prin unghiul de rotaţie al manivelei

AB,, (notată 1 ) şi deplasarea pe orizontală a culisei D (notată Dx ).

Figura 5.1. Mecanismul cu două grade de libertate

Ecuaţiile de închidere vectorială :

0

0

32211

32211

ehsslsl

xhcclcl D

(5.1)

unde: 22 gfh

Din ecuaţia de închidere vectorială se vor determina unghiurile 2 şi 3 funcţie de valorile

unghiului 1 şi a deplasării Dx . În triunghiul ABD cunoaștem 22 exAD D .

Din fig.5.2. rezultă: '2 1

deci: '1 . (5.2)

Teorema sinusurilor scrisă în triunghiul ABD ne dă:

sinsin1 ADl

(5.3)



30

2

11

1

sinsin

tgAD

tgl

AD

l

; 2sin1cos (5.4)

de unde se poate calcula :

)sin

sin( 1

AD

la

(5.4’)

Figura 5.2. Geometria mecanismului

Dacă se ține seama de rel. (5.2) rezultă:

]sin)'cos(cos)'sin([)'sin(sin 111 (5.5)

și înlocuind sin din (5.3) în (5.4) se obține:

]sin)'cos(cos)'sin([sin 111 ADl

sau: cos'sin'cossin 111 ADxl D

de unde: 'cos

'sin

11

1

ADl

ADtg (5.6)

Rezultă:

'cos

'sintan

11

1

ADl

ADa (5.6’)

Mai departe putem calcula BD:

)'2cos(2 1122

12 ADlADlBD (5.7)



31

Se poate aplica, în continuare teorema cosinusului în triunghiul ABD:

BDl

hBDl

2

2222

2cos ; (5.8)

BDl

hBDla

2

2222

2cos (5.8’)

BDh

lBDh

2cos

22

22

; (5.9)

BDh

lBDha

2cos

22

22

(5.9’)

Se pot calcula acum 2 , 3 :

'22 ; (5.10)

'3 . (5.11)

Derivând (5.1) se obțin ecuaţiile de condiţie pentru viteze:

0

0

33222111

33222111

chclcl

xshslsl D (5.12)

Sistemul poate fi scris și ca:

Dx

l

c

s

h

l

cc

ss

11

1

1

3

22

32

32

0

1

(5.13)

cu soluţia:

D

D

x

l

cscsc

ccssc

cscs

x

l

c

s

sc

sc

cscsh

l

11

22112

31313

2332

11

1

1

22

33

23323

22

1

0

11

(5.14)

Ecuaţiile de condiţie pentru acceleraţii se obțin derivând (5.12):

0

0

3232

2221

21133222111

3232

2221

21133222111

shslslchclcl

xchclclshslsl D (5.15)

și se obțin în final accelerațiile unghiulare:



32

211

211

232221

13121111

2221

1211

3

22

D

DD x

xl

l

bbb

bbb

x

l

aa

aa

h

l

Poziţiile centrelor de greutate, vitezele și accelerațiile lor sunt date de relațiile:

.

;

1111

1111

slay

clax

.

;

11111

11111

clay

slax

.

;

1211111111

1211111111

slaclay

claslax

222112

222112 ;

slasly

claclx

22221112

22221112 ;

clacly

slaslx

222221

21122221112

222221

21122221112 ;

slaslclacly

claclslaslx

322113

322113 ;

shgslsly

chgclclx

332221113

332221113 ;

chgclcly

shgslslx

.

;

3232

2221

211332221113

3232

2221

211332221113

shgslslchgclcly

chgclclshgslslx

Figura 5.3. Evidențierea forțelor pe corpul volant

Ecuaţiile de mişcare:

BA XXxm 11

BA YYym 11



33

)2

3sin()1()

2

3cos()1(

)2

3sin()

2

3cos(

111111

11111111

laYlaX

laYlaXMJ

BB

AAm

Figura 5.4. Evidențierea forțelor pe bielă Figura 5.5. Evidențierea forțelor pe tija pendului

Ultima relaţie devine, după efectuarea calculelor:

1111111111111 )1()1( caYslaXclaYslaXMJ BBAAm

Figura 5.6. Evidențierea forțelor pe corpul cu mișcare de translație



34

Ecuațiile de mișcare sunt date de relațiile:

Q

x

xl

l

BBBx

lAAm

D

DD

)

)(

)(

)(

]([2

11

211

32111

21

Dacă preînmulțim cu

T

T

A

A

2

1 se obține:

QA

A

x

xl

l

BBBx

lAAm

A

AT

T

D

DD

T

T

2

1

211

211

32111

21

2

1 )

)(

)(

)(

]([

sau:

DTT

TT

x

l

AmAAmA

AmAAmA

11

2212

2111

][][

][][

QA

QA

x

xl

l

BmABmABmA

BmABmABmAT

T

D

DTTT

TTT

2

1

211

211

322212

312111

)(

)(

)(

][][][

][][][

3

21333332121113221112111

11 )())(()(

l

aclaLGcaacacGGsaacGcaG

l

MQ c

m

)()sgn()())((3

2233333222123221222 DoDDrc xxkxF

l

aclaLGcaacaGGcaaGQ

5.1. CONCLUZII

În acest capitol s-a făcut o analiză dinamică a mecanismului propus pentru turbinele eoliene de mică putere. Sistemul propus este un sistem cu două grade de libertate, drept urmare și sistemul de ecuații diferențiale și algebrice (DAE) care se obține dacă se utilizează teoremele fundamentale ale dinamicii va fi compus, după eliminarea reacțiunilor, din două ecuații diferențiale de ordinul doi. Integrarea acestui sistem de ecuații poate conduce la probleme de stabilitate numerică, datorate complexității mari a sistemului. S-au încercat mai multe subrutine de integrare din mediul de programare Matlab și s-a constatat că subrutina ode23 are cea mai bună comportare. Pentru a studia stabilitatea procesului de integrare s-a căutat un regim cvasistabil de funcționare și s-a făcut timpul de integrare din ce în ce mai lung, pentru a determina după cât timp erorile de rotungire duc la instabilitatea soluției. Pentru ultima variantă prezentată în lucrare (Fig.5.16-5.20) timpul final de integrare a fost ales de 200 s. În consecință se poate concluziona că modelul utilizat este corect și integrarea numerică cu subrutina ode23 oferă rezultate pertinente.



35

6. VALIDAREA EXPERIMENTALĂ A MODELELOR TEORETICE

6.1. Considerații privind metoda experimentală implicată în efectuarea

măsurătorilor

6.1.1. Aspecte generale

În vederea efectuării unor teste de mare precizie şi totodată utilizabile în verificarea modelelor folosite dar şi validarea rezultatelor obţinute, am utilizat o metodă de înregistrare optică a mişcării, ce oferă posibilitatea efectuării unor măsuratori în condiţii dinamice de încărcare.

Soluţia propusă este un mecanism cu două grade de libertate închis prin inerţie, mecanism care rezolvă problemele ridicate de transmisia pompelor eoliene de mică putere. Analiza dinamică a mecanismului propus a permis determinarea numerică a legii de mișcare a elementelor sistemului multicorp studiat, iar metoda experimentală propusă va avea rolul de a valida aceste rezultate numerice.

6.2. Camera video de mare viteză de tip AOS

La ora actuală metoda bazată pe analiza mişcării cu ajutorul unui sistem de captură a mişcării reprezintă una deosebit de eficientă şi de mare perspectivă. În cadrul Departamentului de Inginerie Mecanică, la Centrul de Cercetare C02B – Simulare Numerică, Testări şi Mecanica Materialelor, există un astfel de sistem de captură a mişcării, format din două componente majore:

componenta hardware, reprezentată de aparatura video şi elementele necesare montării sistemului, deosebit de utile pentru buna funcţionare;

componenta software, reprezentată de aplicaţiile cu ajutorul cărora informaţiile existente în materialul video înregistrat de cameră sunt prelucrate şi aduse într-o formă care să permită digitalizarea datelor

Trebuie menţionat fatul că partea de prezentare a rezultatelor este corelată cu partea de prelucrare, practic software-ul folosit pentru analiza mişcării va oferi un mod de prezentare a rezultatelor care va fi mulţumitor din punctul de vedere al tezei .



36

a) Camera de mare viteză AOS X-PRI b)Lampa cu lumină pe sistem

Elinchrom (1000V, 230W)

Figura 6.1.

Sistemele de analiză a mișcărilor pot fi clasificate după metoda de lucru, existând două metode majore privind captarea mişcării şi anume o metodă în care se folosesc markeri şi o metodă în care nu se folosesc markeri. Am considerat oportun pentru cercetarea de faţă folosirea metodei de lucru cu markeri.

Echipamentul utilizat se pretează foarte bine pentru înregistrările pe care dorim să le facem întrucât poate asigura filmarea într-un cadru închis cu o foarte bună precizie.

În cadrul analizei mişcării cu markeri, ideea de bază este urmărirea mișcării unui marker ataşat unui anumit punct de interes de pe mecanism, urmând ca apoi traiectoria acelui punct să fie extrasă şi analizată prin metode ce corespund rezultatului la care se doreşte să se ajungă. Un software pentru captura mişcării va trebui aşadar să fie capabil să urmărească traiectoria unui marker pe toată durata mişcării iar apoi să ofere cel puţin o listă de coordonate ale markerului în timp, coordonate care definesc această traiectorie.

Aplicaţia software cu care se va lucra pentru a îndeplini scopurile tezei, va trebui să fie capabilă să preia datele aşa cum sunt acestea capturate cu camera de luat vederi, adică sub formă de material video si totodată va trebui să ofere apoi posibilitatea prelucrării acestor date prin metode simple. Deasemenea formatul final în care se vor obţine datele trebuie să fie unul in care datele să fie prezentate direct, automat, într-un format de genul celor folosite de aplicaţiile de calcul tabelar – tabelelor Excel)

Având în vedere considerentele de mai sus, pentru partea de cercetare experimentală din cadrul tezei, s-a utilizat aplicaţia Adobe After Effects datorită:

eficienţei din punct de vedere al modului în care este tratată mişcarea, a metodei de recunoaştere a markerilor şi precizia cu care traiectoria unui marker este recunoscută;

preciziei din punct de vedere a urmăririi traiectoriei după mai multe criterii (luminozitate, intensitatea culorii etc.), dar şi influenţa anumitor aspecte privind condiţiile exterioare în care se realizează captura (luminozitate, distanţa la care mişcarea este captată);



37

măsurii în care rezultatele oferite de aplicaţie sunt prelucrabile ulterior în vederea obţinerii dimensiunilor parametrilor mişcării care sunt analizaţi în cadrul tezei de doctorat;

Camera video de mare viteza AOS X-PRI , având o dimensiune redusă, are posibilitatea de a realiza cu o precizie destul de bună, un număr suficient de mare de înregistrări – cadre /secunda - pentru a surprinde mişcarea mecanismului. Deasemenea camera video AOS X-PRI este dotată cu un accesoriu de tip ”mecanism declansator”, care poate înlocui comanda din cadrul software-ului de pornire a înregistrării.

Camera înregistrează imagini la o viteză foarte mare oferind posibilitatea redării lor la o viteză mică prin intermediul software-ului (AOS Imaging Studio LIGHT) astfel încât utilizatorul observă evenimentele desfăşurate la o viteză mult mai mică decât cea percepută de ochiul uman. Software-ul AOS permite salvarea filmărilor într-un format video uzual (.avi) fiind indispensabilă diminuarea lor ca şi durată sau comprimarea lor. Acest format a fost utilizat datorită compatibilităţii cu aplicaţia necesară obţinerii datelor experimentale.

6.2.1. Obținerea datelor experimentale

După îndeplinirea condiţiilor de realizare a experimentului, se fixează markerii pe mecanism după care se înregistrează filmarea mecansimului la diferite regimuri, fiecare regim (indicația transformatorului-redresor) fiind înregistrat pe propriul material video. Markerii vor fi fixați centrat pe tija pompei și pe principalele articulații ale mecanismului (Fig.6.7).

Figura 6.7. Poziţionarea markerilor pe elementele mecanismului

Materialele video sunt descărcate pe computer, după care se procesează prima inregistrare.



38

Figura 6.8.Poziţionarea elementului de urmărire al mişcării pe marker-ul dorit

După stabilirea condiţiilor în care se va urmări punctul de interes de-a lungul materialului video, din acelaşi element (colţul din dreapta jos) se apasă Play (săgeata cu orientare către dreapta) şi astfel markerul începe să fie urmărit de-a lungul mişcării.

Fig.6.10. Traiectoria marker-ului analizat

După parcurgerea materialului video se procedează la preluarea datelor experimentale. Întrucât Adobe After Effects nu oferă (deocamdată) posibilitatea exportării automate a acestora, preluarea se va face prin copiere directă într-un tabel Excel urmând o serie de paşi.

Etapele se repetă pentru celelalte inregistrări ale mecanismului pentru a se obţine în final baza de date corespunzătoare acestuia, urmând apoi prelucrarea acestor date.



39

6.3. Conceperea și realizarea standului experimental

Standul experimental permite testarea comportamentului unui mecanism cu două grade de libertate - “lanţ cinematic închis prin inerţie”,, [DEL05] pentru diverse regimuri ale motorului. Programul de testare, descris anterior, permite efectuarea încercarilor experimentale şi evaluarea anumitor parametrii.

Mecanismul propus pentru studiu (mecanism cu două grade libertate închis prin inerție- “lanţ cinematic închis prin inerţie”,) [DEL05] , a fost realizat la Institutul I.N.AR din Brașov, componentele mecanismului fiind prezentate în fig. 6.13

Figura 6.13. Standul experimental pentru testări 1-motor; 2- disc de antrenare; 3-transformator –redresor;

4 –pompe; 5-robineți; 6-bielă; 7- tija pendulului; 8- greutate

6.4. Realizarea testărilor, prelucrarea și interpretarea datelor obținute

Acest capitol prezintă rezultatele obţinute în urma testării pe stand a mecanismului cu doua grade de libertate-“lanţ cinematic închis prin inerţie”,[DEL05]. Testarea constată în înregistrarea video a mișcării markerilor pentru 3 situații diferite de încarcare a pompei

Prin prelucrarea rezultatelor obţinute se urmăreşte identificarea mișcării unor puncte prestabilite ale mecanismului.

Aplicaţiile de urmărire a traiectoriei unei mişcări prezintă dezavantajul că în momentul în care entitatea urmărită se confundă cu fundalul sau este întâmplător acoperită pentru foarte scurt timp de un element din decor, semnalul se pierde.



40

Figura 6.15. Schița mecansimului cu evidențierea marker-ilor

Din punct de vedere al analizei pe care o vom face, semnificativă va fi determinarea coordonatelor markerilor 1 si 3 dar interesant este de studiat și analizat și mișcarea celorlați markeri pentru verificarea rezultatelor.

Cercetarea s-a realizat în trei variante de regimuri și diferite poziții ale robineților. În vederea urmăririi , prelucrării si interpretării datelor experimentale s-au facut următoarele notații:

mișcarea cu toți robineții deschiși: 0_0_0_0;

mișcarea cu toți robineții deschiși alternativ: 1_0_0_1

mișcarea cu toți robineții închiși: 1_1_1_1

Regimurile la care s-au realizate încercările au fost 100,120,140, 160, notații care reprezintă indicațiile arătate de elementul 3- transformator-redresor, al mecansimului. Pe baza înregistrărilor s-au determinat turatile la regimurile stabilie.

Pe toată perioada filmării au fost urmăriți markerii poziționați pe mecanism, traiectoria acestora fiind vizibilă pe ecran la sfârșitul filmării (fig.6.16).



41

Figura 6.16. Traiectoria marker 1

După finalizarea încercărilor experimentale s-a obținut inregsitari video reprezentând coordonatele celor 6 markeri corespunzătoare celor 4 regimuri de lucru (100, 120, 140, 160) în cele 3 situații (0_0_0_0, 1_0_0_1, 1_1_1_1).

Datorită faptului că datele experimentale redate de programul Adobe After Effects sunt in pixeli, a fost necesară stabilirea unei scări de transformare din pixeli în unități metrice pentru ca aceste date să fie aduse la scară. Pe de altă parte, în aplicația Adobe After Effect, originea sistemului axelor de coordonate este în colțul din stânga sus al ecranului, ceea ce a dus la poziționarea corespunzătoare a sistemului de axe, lucru care a fost posibil prin operația simplă de scădere a valorilor obținute pe axa Y dintr-o valoare fixă

Prelucrarea matematică a datelor experimentale rezultate din materialele video a dus la o serie de rezultate prezentate sub formă grafică, (fig.6.17-6.22)

Studiul markerilor 1 și 2 este util pentru determinarea turației motorului de acționare. Markerul 3 va da deplasarea pistonoanelor iar markerul 5 permite determinarera mișcării de pendulare.

Figura 6.17. Graficul deplasării marker-ului 3 (mm)



42

Figura 6.18. Deplasarea orizontală a marker-ului 3(mm/s)

Figura 6.19. Viteza orizontală a tijei pistoanelor (mm/s)

Studiul mișcării marker-ului 5 a determinat următoarele reprezentări garfice.

Figura 6.20. Traiectoria marker-ului 5 ( mm)



43

Figura 6.21. Proiecția vitezei pe axa orizontală a marker-ului 5 (mm/s)

Figura 6.22. Reprezentarea în spațiul fazelor a deplasării

pe axa orizontală pentru markerul 5

Reprezentarea grafică “deplasare funcție de turația motorului” a necesitat într-o primă etapă determinarea turației motorului pentru toate regimurile de lucru în cele trei situații. Astfel din analiza marker-ului 1 am determinat turația motorului, considerând 120 cadre/sec, iar analiza marker-ului 3 a dus la aflarea cursei pistonului în aceleași condiții de lucru.

Datele obținute au fost centralizate sub formă de tabel (Tab.6.1) și ulterior reprezentate grafic (fig.6.23.- 6.24)

De exemplu pentru regimul de lucru 120, din reprezentările grafice rezultată în urma analizei marker-ului 1 s-au determinat valorile pentru turație, rezultând 183.1543 rot/min.



44

Figura 6.23. Rotația marker-ului 1 Figura 6.24. Deplasarea pe axa X a marker-ului 1

Analiza din punct de vedere grafic a marker-ului 3 a dus la determinarea cursei pistonului (fig.6.17-6.18).

În mod analog se procedează pentru toate regimurile de lucru, în toate variantele stabilite (0_0_0_0 , 1_0_0_1 , 1_1_1_1), datele obținute fiind centralizate tabelar (tab.6.2) în vederea reprezentării garfice. (fig.6.25-6.27)

Tabelul 6.2.

Regim

POZITIE ROBINETI

0_0_0_0 1_0_0_1 1_1_1_1

Turatia

(rot/min)

Cursa

(mm)

Turatia

(rot/min)

Cursa

(mm)

Turatia

(rot/min)

Cursa

(mm)

100 165.24 6.84 165.36 6.16 161.73 6.05

120 183.15 9.58 176.93 8.74 163.71 8.04

140 191.21 14.67 185.26 10,76 184.18 11.62

160 192.56 15.30 197.11 15.86 191.67 15.24



45

Figura 6.25. Cursa pistonului pentru experimentul 0_0_0_0





46

6.5. Concluzii și contribuții originale

Pe baza rezultatelor obținute în urma cercetărilor se desprind următoarele concluzii și contribuții originale:

s-a proiectat şi executat un stand la o scară redusă a mecanismului cu două grade de libertate propus;

s-a proiectat un experiment în care să poată fi înregistrată mișcare unor puncte semnificative ale mecanismului pentru a putea determina, în final, mișcarea elementelor sistemului multicorp;

s-au efectuat testări pe stand a mecanismului cu două grade de libertate;

s-a analizat mișcarea mecanismului prin intermediul markerilor poziționați, făcându-se înregistrări video ale markerilor;

s-au digitalizat rezultatele obținute, aplicându-se pentru acaeasta programul Adobe After Effects;

s-au sintetizat și prelucrat rezultatele numerice al testelor, pe bază de tabele și diagrame.

7. CONTRIBUȚII ORIGINALE, CONCLUZII ȘI DIRECȚII VIITOARE DE CERCETARE

7.1. Concluzii finale

Studiul teoretic și experimental realizat în teză a avut drept scop cercetarea comportării dinamice a pompelor acţionate eolian, accentul fiind pus pe analiza dinamică a transmisiilor acestor pompe.

Cercetarea teoretică s-a orientat cu precădere pe analiza într-o primă etapă a sistemelor existente, studiindu-se modul în care se comportă acestea la solicitările normale care apar în exploatare.

Urmează apoi analiza acestor tipuri de pompe pentru a putea vedea în ce măsură soluțiile constructive pot fi optimizate, studiul fiind justificat de răspândirea pe care o au convertoarele de putere, datorată în primul rând simplității lor deosebite și apoi faptului că vântul este o resursă gratuită și practic inepuizabilă. Dezideratul a fost acela de a obține în final un sistem simplu, ușor de întreținut, ieftin și fiabil, un sistem care să încorporeze cuceririle noi ale tehnologiei actuale.

Trebuie menționat faptul că alegerea tipului și capacității centralei eoliene implică analiza prealabilă a potențialului eolian din zona locală de instalare, iar utilizarea și întreținerea pompelor, presupune ca și transmiterea mișcării de la rotorul acționat de vânt la pompa propriu-zisă să se realizeze prin sisteme cât mai simple. Cel mai utilizat sistem de



47

acționare al pompei este un mecanism de tip bielă-manivelă, care transformă mișcarea de rotația a rotorului pompei într-o mișcare alternativă de translație.

Studiul teoretic a continuat cu o analiză destul de riguroasă pe baza unui model matematic, a comportării unui pendul cu punctul de sprijin aflat în mișcare, pe o traiectorie impusă.

În baza rezultatelor existente în literatura de specialitate s-a analizat pompa cu piston atât varianta reală cât şi cea idelă, precum şi comportamentul supapei şi efectul acceleraţiei.

Prezentarea metodelor de analiză a sistemelor multicorp s-a realizat în vederea găsirii unor teoreme fundamentale pentru elementele sistemului multicorp din transmisia unei pompe antrenată eolian.

Aplicând aceste metode s-au scris ecuațiile de mișcare pentru o pompă care utilizează la transmiterea mișcării un mecanism simplu de tip bielă-manivelă.

Pe baza acestor programe de calcul s-au integrat ecuațiile de mișcare, într-o primă fază pentru sistemul de tip bielă-manivelă cu un grad de libertate.

Apoi în cadrul tezei s-a studiat cinematica şi dinamica unui mecanism de transmisie cu două grade de libertate, reprezentat de un lanţ cinematic închis prin inerţie.[DEL05]

S-a executat un stand la o scară redusă a mecanismului cu două grade de libertate propus. S-a conceput un experiment în care să poată fi înregistrată mișcarea unor puncte semnificative ale mecanismului pentru a putea determina, în final, mișcarea elementelor sistemului multicorp. S-au efectuat testări pe stand a mecanismului cu două grade de libertate. S-a analizat mișcarea mecanismului prin intermediul markerilor poziționați, făcându-se înregistrări video ale markerilor. S-au digitalizat rezultatele obținute, aplicându-se pentru aceasta programul Adobe Photoshop. S-au sintetizat și prelucrat rezultatele numerice al testelor, pe bază de tabele și diagrame.

7.2. Contribuții originale ale autoarei în domeniul tezei

Analiza cercetărilor realizate în domeniul construcției pompelor eoliene de mică putere utilizate la pomparea apei, din care se constată că atât studiul cât și cercetarea unor astfel de sisteme s-a dezvoltat foarte mult, obținându-se numeroase rezultate prezentate într-un număr mare de publicații;

Dezvoltarea unui model matematic adecvat pentru analiza dinamică a transmisiei din pompele eoliene clasice. Astfel modelul propus permite într-o primă instanță eliminarea forțelor de legătură din ecuațiile de mișcare și obținerea unui sistem de ecuații diferențiale de ordinul doi care a permis prin integrarea numerică, cu ajutorul progarmului MATLAB, determinarea legii de mișcare a mecanismului clasic, utilizat în transmisia pompelor antrenate eolian;

Dat fiind faptul că în momentul de față principalul tip de transmisie în cazul pompelor eoliene este mecanic, transformarea mișcării de rotație în mișcare de translație realizându-se prin utilizarea sistemul bielă manivelă, s-a calculat acest tip de



48

transmisie iar rezultatele obținute au fost comparate cu cele care s-au obținut pentru soluţia propusă de autor, în sistemul cu mecanism cu două grade de libertate;

Analiza critică a convertoarelor de putere utilizate la instalațiile eoliene, analiză care a avut drept scop identificarea principalelor probleme care apar la utilizarea unei astfel de instalații.;

S-a propus un mecanism cu două grade de libertate care să transmită și să transforme mișcarea de rotație în mișcare de translație. Acest tip de mecanism prezintă o serie de avantaje constructive, unul dintre acestea fiind faptul ca poate asigura pornirea turbinei la vânt slab. La început vânt slab mecanismul poate funcționa ca un pendul acționat de rotația turbinei, dar pe măsură ce turaţia turbinei creşte, inerţia pendului pune în mişcare pompa. Se obține astfel o cursă tot mai mare a pistonului, ceea ce măreşte implicit cosumul de energie preluat de pompă şi limitează turaţia turbinei;

Analiza dinamică a mecanismului propus, cu două grade de libertate. S-a efectuat, numeric, integrarea ecuațiilor de mișcare, determinându-se forțele care solicită elementele mecanismului, etapă premergătoare unui calcul de rezistență.După integrarea numerică a ecuațiilor de mișcare s-au calculat, cu relații simple, și forțele de legătură, lucru care permite determinarea solicitărilor din sistem;

Executarea la anumită scară a unui mecanism de transmitere cu 2 grade de libertate, model care serveşte la punerea în evidenţă a caracteristicilor acestei soluţii şi la confirmarea veridicităţii acesteia;

Verificarea experimentală a rezultatelor obținute în diferite faze ale lucrării.

7.3. Diseminarea rezultatelor

Rezultatele realizate în perioada de cercetare sunt cuprinse în diferite articole publicate în reviste naţionale şi internaţionale de specialitate, dar şi în volumele unor conferinţe internaţionale. Aceste lucrări cuprind şi aspecte adiacente celor prezentate în cadrul tezei.

7.4. Direcții viitoare de cercetare

Aceste încercări ar putea fi lărgite printr-o apropiere mai bună a aparaturii de încercare de condițiile reale de lucru și anume:

Utilizarea unor pompe care să antreneze apă ( nu aer ) pe diferite înălțimi;

Modificări ale elementelor reglabile ale mecanismului – poziția greutății pe tijă și valoarea acestei greutățiș

Modificarea lungimii manivelei, mecanismul permițând acest lucru;

Măsurarea debitelor de apă pompate cu diferite reglaje ale mecanismului



49

8. BIBLIOGRAFIE PARȚIALĂ

ARTICOLE

[ABB59] ABBOTT, I.H., VON DOENHOFF, A., „Theory of wing sections. (Including a summary of airfoil data), „General Publishing Company Ltd., Canada, 1959, Standard Book Number 486-60586-8

[ALD87] ALDOSS T.K., Obeidat K.M.. Performance analysis of two Savonius rotors running side by side using the discrete vortex method. Wind Eng, 1987, 11-6, 265-276.

[AND06] ANDRE GERARG SCHELLEKENS : Brevet de Invenţie , UK, 2042647 F 03 D, 3/06

[AMA96] AMASI L. – “Studiul adaptării la condiţiile de amplasament a pompelor eoliene” Referat doctorat nr.1, Universitatea Politehnica Timisoara, Catedra de Masini Hidraulice, 1996

[ARN73] ARNOLD, V.I., Ecuații diferențiale ordinare. Ed. Științifică și Enciclopedică, București, 1973.

[ARN80] ARNOLD, V.I., Metodele matematice ale mecanicii clasice. Ed. Științifică și Enciclopedică, București, 1980.

[BAL07] BALINT, D. I., „Metode numerice de calcul al câmpurilor tridim în distribuitorul şi rotorul turbinei Kaplan, 2007

[BAN07] BANDOC, G., DEGERATU, M., „Instalaţii şi echipamente pentru utilizarea energiei mecanice nepoluante . Utilizarea energiei vântului” Editura Matrix Rom, Bucureşti, 2007

[BOS07] BOSTAN I., DULGHERU V., Sisteme de conversie a energiilor regenerabile, Ed. Tehnică – Info., ISBN 978-955-63-076-4, 2007

[BRA79] BRAG J.M. , SGHMIDT W.L. –“ Performance Matching and Optimization of Wind Powered Water Pumping“ , Energy Conversion, vol 19, pp 33-39, Perjamon Press, Oxford, 1979

[COS11] R.Cosgarea, C.Cofaru, M.Aleonte, M.L.Scutaru, L.Jelenschi, G.Sandu –An approach for modeling the valve train systemto control the homogeneous combustion in a compression ignition engine , 12th WSEAS of International Conference on Automation & Information (ICAI ‘11) Transilvania University of Brasov, Aprilie 11-13, 2011, ISBN 978-960-474-292-9

[DEL99] DELIU Gh., Secara E., Macovei M., - Regimul aerodinamic al palelor de turbină eoliană cu ax vertical” , Buletinul Universității Petrol-Gaze Ploiești, Vol.LI-1999, Nr.1, p335-338, ISSN 1221-9371

[DEL99] DELIU Gh., Secară E., Macovei M., -„Legea optimă de variație a unghiului de orientare a palelor la turbine eoliene verticale”, Buletinul Universității Petrol-Gaze Ploiești, Vol.LI-1999, Nr.1, p339-344, ISSN 1221-9371



50

[DEL02] DELIU Gh., Cotoros D., Popescu R., - “ Analysis and Synthesis of a Plane Mechanism used in Industrial Aplication”, al VII-lea Simpozion național cu participare internațională PRASIC’02, Brașov, 7-8 Noiembrie 2002, Vol.I, pp99-102, Editura Universității Transilvania, ISBN 973-635-064-9

[DEL03] DELIU Gh., - Mecanica. Ed. Albastra, Cluj-Napoca, 2003

[DEV03] Deliu Gh., Vlase S., Deliu M., - “ A Study and an Optimization of a Plane Mechanism used in Industrial Applications”, INTERANTIONAL CONFERENCE ON ADAPTIVE MODELLING &SIMULATION, ADMOS 2003, 29 September – 1 October, 2003, p.152, Book of Abstracts, Goteborg, Sweden (see also Adaptive Modelling and Simulation by N-E.Wiberg and P.Diez, ISBN: 84-95999-30-7)

[DEL05] DELIU Gh., Vlase S., - “Lanț cinematic închis prin inerție”, Annals of the University of Oradea, pp 169-175, IMT Oradea, 26-27 mai 2005

[DEL07] DELIU M, Deliu Gh., - “A simple Method to Estimate the Wind Potential os a Region”, RECENT, Vol.8, nr.2 (20), Iulie 2007, p91-96

[DEM07] DELIU M, Deliu Gh., - “ On the Statistical Aspect of the Wind potential of a Land Zone”, Proceeding of the 4th ICCEMS, 25-26 October 2007, RECENT, Vol.8., nr.3a (21a) November, 2007, p.277-280

[DOR14] DORA R.I., Designul si opimizarea turbinelor eoliene cu ax vertical, de mica putere, implementabile in mediul urban, Brasov, 2014

[GHE11] V.Gheorghe, M.Lihteţchi, M.L.Scutaru, C.Cofaru, S.Vlase – Test of steering boxes with change hydraulic reaction, The. 4th International Conference, “Computational Mechanics and Virtual Engineering”COMEC 2011, 20-22 Octombrie, Brasov, ISBN 978-973-131-122-7

[LEG80] Le GOURIERES D. Énergie éolienne. Eyrolles; Paris; 1980.

[MAL11] M.Aleonte, C.Cofaru, R.Cosgarea, M.L.Scutaru, L.Jelenschi, G.Sandu – “Experimental Researches of fulling systems and alcool blends on Combustions and emission in a two strocke si engine”, 12th WSEAS of International Conference on Automation & Information (ICAI ‘11) Transilvania University of Brasov, Aprilie 11-13, 2011, ISBN 978-960-474-292-9

[MAR11] MARINA Vasile, Mecanica rațională, Vol.I, Editura Tehnica-Info, 2011

[PSF12] P.S. Făgăraş (Haba), M.L. Scutaru, I. Burcă, M.V. Munteanu – „Mechanical models for the virtual analysis of the mechanical systems- Part II”, 4th International Conference Advanced Composite Materials Engineerings COMAT 2012, 18-20 Oct. Brasov, 2012 ISBN 978-973-131-164-7

[SCU09] SCUTARU M.L., Teodorescu –Draghicescu H., Vlase S.,- Mecanica Tehnică, Editura Infomarket, 2009

[SCU11] M.L.Scutaru, E.Secară, I.Enescu, R.Purcarea, C.Ambruş – “Finit element analisys of a shell element with a general tree-dimension motion, The. 4th International Conference, “



51

Computational Mechanics and Virtual Engineering”COMEC 2011, 20-22 Octombrie, Brasov, ISBN 978-973-131-122-7

[SDM12] Maria Luminita I. Scutaru, Gheorghe M. Deliu, Dana M.Luca Motoc,” INERTIA DRIVEN REDUCED DOE MECHANISM FOR AEOLIAN PUMPS”, 23rd International Congress of Theoretical and Applied Mechanics, ICTAM 2012, 19-24 August 2012, Beijing, China

[SCU12] M.L.Scutaru- „Dynamic response of the multibody system in a symbolioc representation”, 4th International Conference Advanced Composite Materials Engineerings COMAT 2012, 18-20 Oct. Brasov, 2012 ISBN 978-973-131-164-7

[SVH12] M.L. Scutaru, S. Vlase, P.S. Făgăraş (Haba) –„Mechanical models for the virtual analysis of the mechanical systems- Part I”, 4th International Conference Advanced Composite Materials Engineerings COMAT 2012, 18-20 Oct. Brasov, 2012 ISBN 978-973-131-164-7

[SCV12] Scutaru Maria Luminita, Vlase Sorin, Some Properties of Motion Equations „Describing the Nonlinear Dynamical Response of a Multibody System with Flexible Elements”, Journal of Applied Mathematics, Article Number: 628503 DOI: 10.1155/2012/628503 Published: 2012

[SCU13] SCUTARU M.L. – Mecanica-Cinematica. Teorie și aplicații, Editura Universității Transilvania din Brașov, 2013

[SNI11] S.Nicolae, I.Lihteţchi, S.Vlase, G.Vasile, D.Nicoara, M.L.Scutaru – “Influence of rolling conection rays of mechanical parts and manual rolling equipment”, 3th WSEAS of International Conference on Manufacturing Engineering, Quality and Production System (MEQAPS’11) , Transilvania University of Brasov, Aprilie 11-13, 2011, ISBN 978-960-474-249-3

[VAD01] VALDES L.-C., Raniriharinosy K. Low technical pumping of high efficiency., Ren. Energy 2001; 24:275-301.

[VOI84] VOINEA, R., VOICULESCU, D., CEAUȘU, V., Mecanica. Ed. Did. și Ped., București, 1984.

[VLA87] VLASE,S., A Method of Eliminating Lagrangian Multipliers from the Equation of Motion of Interconnected Mechanical Systems. Journal of Applied Mechanics, ASME Transactions, Vol.54,p.235 (1887).

[VLA05] VLASE S., - Mecanica Computațională, vol.I, Editura Infomarket, 2005

[VLA07] VLASE S., - Mecanică.Cinematică, Editura Infomarket, 2007

[VLA09] VLASE S., - Mecanică.Dinamică, Editura Infomarket, 2009

[VLA13] S. Vlase, P.P. Teodorescu,C. Itu, M.L. Scutaru – „Elasto-Dynamics of a solid with a general „rigid” motion using FEM model. Part II. Analysis of a Double Cardan Joint”, Romania Journal of Physics Volume: 58 Issue: 7-8 Pages: 882-892 Published: 2013



52

[VLA14] S.Vlase, C.Danasel, M.L.Scutaru, M.Mihalcică – “Finite Element Analysis of a two-dimensional linear elastic system with a plane “rigide motion” , Romania Journal of Physics Volume: 59 Issue: 5-6 Pages: 476-487 Published: 2014

[TEO10] H.Teodorescu, S.Vlase, A.Chiru, D.Rosu, M.L.Scutaru, E.Secară – Simulation of elastic properties of sheet molding compounds, Harvard University , Cambridge, USA, January 27-29, 2010, ISBN 978-960-474-150-2

[WLP74] WILSON R.E., Lissaman P. B.S. Applied Aerodynamics of wind power machines, Research Applied to National Needs, GI-41840; 1974; Oregon State University.

[WOH11] WO_2012069905_A2, Hassenflu, J.F., A wind turbine, 2011

[WOE12]WO_2012177111_A2, Ennaji, M., Saadi, J., Eolienne a axe vertical, convertible, autoregule, combinant une savonius et un darrieus, a aubage compose, 2012

[WRE74] WILSON R.E., Lissaman P. B.S. Applied Aerodynamics of wind power machines, Research Applied to Nationa Needs, GI-41840; 1974; Oregon State University.

INTERNET

[***1] American Wind Energy Association (AWEA) (2004), Global market report 2004, Washington, D.C.(http://www.awea.org/pubs/documents/globalmarket2004.pdf)

[***3] [***5] International Energy Agency (IEA) (2003), Key world energy statistics, Paris, France. (http://library.iea.org/dbtw-wpd/Textbase/nppdf/free/2003/key2003.pdf)

[***6] http://www.didactic.ro/files/4/determinare_caracteristici_vant.pdf

[***11] http://www.ewea.org/index.php?id=1665

[***12]www.gruppen.greenpeace.de/aachen/energie-windrad.jpgcopyright: Langrock / Greenpeace

[***19]http://www.solar-and-wind-power-source.com/vertical-axis-wind-turbines.html

[***20] http://www.windpower.org/en/tour/design/horver.htm

[***21] www.windmission.dk



53

Rezumat Lucrarea de doctorat intitulată Contribuţii la analiza dinamică a transmisiilor folosite

la turbinele eoliene de mică putere abordează o temă de mare actualitate şi importanţă practică în contexul efortului continuu de folosire a resurselor regenerabile şi de oferire a unor soluţii inginereşti fezabile şi ieftine în domeniu.

În acest sens lucrarea se ocupă cu determinarea caracteristicilor principale care descriu comportarea unui nou sistem mecanic propus spre a fi utilizat în transmisia unei eoliene, prin modelare matematică şi compararea rezultatelor teoretice cu cele experimentale. În cadrul tezei este realizat modelul matematic şi analizată transmisia din pompele antrenate eolian, în vederea determinării comportării dinamice, stabilităţii şi solicitărilor care apar în elementele transmisiei. De asemenea, s-a studiat comportarea transmisiei în cazul utilizării unui stabilizator tip pendul. În vederea atingerii obiectivului principal s-a propus ca soluţie inovativă un mecanism cu două grade de libertate, “lanţ cinematic închis prin inerţie”, care să ofere flexibilitate automată sistemului şi armonizarea funcţionării pompei cu turbina.

Pentru validarea modelului şi verificarea rezultatelor obţinute s-a organizat un stand în cadrul căruia s-a realizat un mecanism fizic de concepţie proprie şi s-au efectuat măsurători şi înregistrări ale mărimilor mecanice semnificative ale sistemului.

Rezultatele obţinute au fost diseminate prin lucrări publicate în publicaţii de specialitate sau au fost prezentate în cadrul unor conferinţe internaţionale.

Abstract The PhD thesis entitled Contributions to the dynamic analysis of transmissions used

in small wind turbines approaches a topic of a great interest and practical importance in the context of an ongoing effort to use renewable resources and providing engineering solutions in the field both feasible and cheap.

In this respect, the research deals with the determination of the main characteristics that describe the behavior of a new mechanical system proposed to be used in the transmission of a wind turbine-pump aggregate through mathematical modeling and comparison of theoretical results with the experimental ones. In the thesis the author develops a mathematical model and analyzes the transmission of wind driven water pumps in order to determine their dynamic behavior, stability and stresses occurring in the transmission elements. In order to achieve the main objective of the thesis, the author proposes as an innovative solution, the use of a mechanism with two degrees of freedom, that provides automatically a flexibility of the transmission and the harmonization of the turbine operation with the wind regime.

For the validation and the verification of the results it was organized a stand including a physical mechanism on which are made measurements and recordings of the significant mechanical parameters of the system.

The results were disseminated through publications in specialized journals or presented during international conferences.



54

Curriculum vitae

Date personale

Nume SCUTARU

Prenume Maria Luminita

Data naşterii 19 iunie 1974

Locul naşterii Odorheiul Secuiesc

Naţionalitatea Română E-mail [email protected]; [email protected]

Studii

1988 -1992 Liceul de matematică-fizică “Dr.I. Meșotă”, Braşov,

1992 -2007 Universitatea “ Transilvania ”, din Braşov, Facultatea de Ingineria Lemnului,

2007-2008 Universitatea “ Transilvania ”, din Braşov, Facultatea de Inginerie Mecanică, Master in Mecanică Computațională

Activitatea profesională

1998-2000 Preparator, Facultatea de Inginerie Mecanică, Universitatea “ Transilvania ”, din Braşov

2000-2005 Asistent universitar, Facultatea de Inginerie Mecanică, Universitatea “ Transilvania ”, din Braşov

2006 Doctor in Inginerie Industrială

2005-2014 Sef lucrări, Facultatea de Inginerie Mecanică, Universitatea “ Transilvania ”, din Braşov

2014 - Conf.univ. Facultatea de Inginerie Mecanică, Universitatea “ Transilvania ”, din Braşov

Activitate ştiinţifică

Articole publicate

peste 70 articole științifice în calitate de autor și co-autor (din care 20 lucrări ISI) în domeniul mecanicii și materialelor compozite

Cărți 8 cărți de specialitate în domeniul mecanicii și materialelor compozite

Contracte de cercetare 14



55

Curriculum vitae

Personal data

Fisrt-name SCUTARU

Name Maria Luminita

Date of birth 19 iunie 1974

Adress Brașov, Romania

Nationality Română E-mail [email protected]; [email protected]

Studies

1988 -1992 School Dr. I. Meşotă., Specialization Mathematics – Physics , Braşov,

1992 -2007 "Transilvania" University of Brasov, Faculty of Wood Industry

2007-2008

"Transilvania" University of Brasov, Faculty of Mechanical Engineering, master degree in specialization Computational Mechanical

Professional Activity

1998-2000 Preparator Transilvania University of Brasov, Faculty of Engineering

2000-2005 Assistant Transilvania University of Brasov, Faculty of Engineering

2006 PhD in Industrial Engineering

2005-2014 Assistant Professor Transilvania University of Brasov, Faculty of Engineering

2014 - Assoc. Prof. Transilvania University of Brasov, Faculty of Engineering

Scientific activity:

Articles published over 70 scientific articles as author and co-author (of which 20 papers ISI) in mechanics and composite materials

Books published: 8 books on mechanics and composite materials

Research contracts 14

Documents

CONTRIBUŢII LA ANALIZA DINAMICĂ A TRANSMISIILOR … · Ing. Maria Luminiţa SCUTARU CONTRIBUŢII LA ANALIZA DINAMICĂ A TRANSMISIILOR FOLOSITE LA TURBINELE EOLIENE DE MICĂ PUTERE