دراسة تأثير الطلاء الهجين في تقليل تآكل شفرات توربينات الرياح

الباحث

بشار صلاح جاسم محمد

المشرف

أحمد عدنان عبد الجبار - صادق جعفر عزيز

الجامعة

الجامعة التكنولوجية

الكلية / القسم

قسم الهندسة الميكانيكية / الهندسة الميكانيكية

الشهادة

ماجستير

السنة

2024

لغة الرسالة

انكليزي

الكلمات المفتاحية

Hybrid coating;Erosion;Wind turbine blades;Applied mechanics

تناولت الدراسة كيفية التوصل الى استراتيجية لمنع او تقليل تآكل شفرات توربينات الرياح عند تشغيلها في المناطق التي تعاني من تكرار لحدوث ظواهر الغبار بصورة عامة، وخاصة العواصف الترابية و الرملية. وتم التوصل الى هذه النتيجة باستخدام الطرق العددية والبرامج النظرية SolidWorks Cis QBlades ANSYS 5 لتصميم ومحاكاة نموذج للدراسة (وهو عبارة عن جزء من ريشة توربين هوائي صغير ياخذ شكل وخصائص الجنيح 4415 NACA وموقعه وسط الشفرة تقريباً )، وليتسنى التاكد من صحة الاداء الديناميكي الهوائي للنموذج و سلامته الهيكيلية وكفائته اثناء التشغيل والخدمة في الظروف الواقعية. تم تصنيع ستة نماذج للدراسة، وكل نموذج مصنع من عدة طبقات من al gall (المواد المركبة)، حيث كانت الطبقة الاساسية للنماذج من مادة حمض البولي لاكيتك (PLA) بواسطة طابعة ثلاثية الابعاد. بعد ذلك تم اضافة ثلاثة طبقات رقيقة للتقوية لكل نموذج من راتنجات الايبوكسي والياف الزجاج. بعد ذلك تم اضافة طبقة حماية (طلاء خارجي) لمنع او تقليل التاكل (موضوع بحث ،(Au pall حيث تم طلاء أحد نماذج الدراسة براتنجات الإيبوكسيء في حين تم طلاء كل نموذج من النماذج GAY! وعددها Aad بطبقة من al gall المركبة النانوية (طلاء هجين) والتي تتكون من راتنجات الايبوكسي المعززة بنسبة وزنية مئوية من انابيب الكاربون النانوية متعددة الجدران مقدارها )71( بالاضافة الى نسب وزنية مختلفة (ه,١ 6 V6 V0 ١١ 6 ه,؟”) % من جزيئات كاربيد السيلكون النانوية لكل طلاء. تم اختبارمقاومة قوة الشد والصلادة لعينات من مواد الطلاءات الخارجية لنماذج الدراسة (طبقات الحماية) لتحديد خواصها الميكانيكية، وتم فحص مناطق الكسر لعينات فحص قوة الشد باستخدام جهاز FE-SEM لبيان وجود المواد النانوية MWCNT) و (Sic وكيفية توزيعها في مصفوفة راتنجات الايبوكسي. أظهرت نتائج الفحوصات بالاجهزة المختبرية تحسينات في مقاومة قوة الشد للمواد المركبة والمستخدمة كطلاءات هجينة (طبقات حماية) لنماذج الدراسة عند تقويتها al galls النانوية ،(Sic s MWCNT) وكانت افضل نتيجة لمقاومة قوة الشد للمادة المركبة التي تحتوي على (ZY) من (Sic) اما بالنسبة لمعامل المرونة و معدل الصلادة فانها تستمر بالزيادة في المواد المركبة النانوية (الطلاءات) كلما زادت نسبة جزيئات (Sic) النانوية. وبعد أكمال عمليات التصميم والتصنيع لنماذج Aut all تم Glas وزنها بواسطة ميزان مختبري حساسء وحساب خشونة السطح للنماذج بواسطة جهاز AFM عالي الدقة. تم اختيار ثلاثة نماذج من نماذج ual pall تم طلائها بافضل ثلاثة انواع من الطلاءات الهجينة (المصنعة اثناء الدراسة) من ناحية الخواص الميكانيكية والصلادة والتي تحتوي على نسب وزنية مقدارها V6 ١,5( ، 150( % من Sic وتم اجراء تجارب عملية على كل منها في نفق رياح مفتوح بواسطة تيار هواء نظيف بسرعة ١١,5 م/ث و زوايا هجوم مختلفة تتراوح من (صفر©) الى ،)0١5( وذلك ليتم تقييم تأثير الطلاءات على الخصائص الديناميكية الهوائية بالمقارنة مع النتائج النظرية والتي تم الحصول عليها من برنامج QBlade و Ansys ، وبينت النتائج (قيم معاملات الرفع والسحب) ان الطلاءات لم تؤثر Labs على الكفاءة والاستقرارية للنماذج اثناء الاختبارات التجريبية العملية في نفق الرياح المفتوح. بعد ذلك تم اجراء تجارب عملية لكل نموذج من نماذج الدراسة وذلك من خلال تعريض كل منها لمدة عشرون ساعة الى تيار هواء (مؤثر اصطناعي) بسرعة ©,7١م/ث محمل بالاتربة وبزوايا هجوم مختلفة تتراوح من )-£ )9( الى ،)0١5( المؤثر الاصطناعي يكون ممائل للعواصف الترابية والرملية التي تحدث في غرب وجنوب العراق، بواسطة جهاز مخصص لهذا الغرض. تم اعادة حساب وزن النماذج وتحديد النسبة الوزنية المفقودة، وايضاً تم Bale! فحص خشونة السطوح لتحديد التاكل الناتج بسبب التاثير الاصطناعي ومدى مقاومة الطلاءات (موضوع بحت الدراسة) لللتقليل التاكل. نتائج الدراسة العملية بينت أن افضل طلاء هجين تم تصنيعه مكون من راتنجات الايبوكسي مع خلط نسبة وزنية مقدارها )21( من (MWCNT) مع (ZY) من (Sic) GLa ja النانوية لمنع او تقليل التاكل الناتج من العواصف الترابية وتجنب اثاره السلبية في تقليل كفاءة وتلف ريش توربينات الرياح. وتبين من خلال الدراسة وكل ماتضمنته من اجراءات واختبارات نظرية وعملية، ونتائج الفحوصات المختبرية والتجريبية العملية أنه بالامكان تطبيق واستخدام الطلاءات التي تم تصنيعها اثناء الدراسة في طلاء شفرات توربينات الرياح لحمايتها من التاكل والتعرية الناتجة اثناء تشغيلها في الظروف البيئية القاسية وخاصةً العواصف الرملية والترابية، مما يؤدي الى تقليل الحاجة الى اجراء اعمال الصيانة والاستبدال لشفرات توربينات الرياح، واطالة عمرها التشغيلي، والحيلولة دون توقف التوربينات عن العمل والاستمرار في توليد الطاقة بالاعتماد على طاقة الرياح المتجددة وتقليل الاعتماد على حرق الوقود الاحفوري لغرض الحصول على الطاقة ، بالتالي تقليل التلوث والحد من ظاهرة الاحتباس الحراري والحصول على بيئة صحية ونظيفة.

The study examined how to come up with a strategy to prevent or reduce erosion in wind turbine blades when they are operated in areas that suffer from a frequent occurrence of dust phenomena in general, especially dust and sand storms. This result was reached using numerical methods and theoretical programs such as SolidWorks, ANSYS, and QBlade to design and simulate a model for the study (which is part of a small wind turbine blade that takes the shape and characteristics of a NACA 4415 airfoil), in order to verify the validity of the model’s aerodynamic performance and safety the structure and its efficiency during operation and service in real conditions. Six models were manufactured for the study, and each model was made of several layers of materials (composite materials), where the base layer of the models was polylactic acid (PLA) using a 3D printer. After that, three thin layers of epoxy resin and fiberglass were added to strengthen each model. After that, a protective layer (external coating) was added to prevent or reduce erosion (the subject of the study). One of the study models was coated with epoxy resins, while each of the other five models was coated with a layer of nanocomposite materials, which consists of epoxy resins reinforced with a weight percentage of multi-walled carbon nanotubes of (1%) in addition to different weight percentages (0.5, 1, 1.5, 2, 2.5) % of silicon carbide nanoparticles per coating. The tensile strength of the coating material samples (protective layers) was tested to determine their mechanical properties, and the fracture zones were examined using an FE-SEM device to indicate the presence of different materials and how they are distributed in the epoxy resin matrix of the samples. Laboratory test results showed an improvement in the tensile strength of composite materials used as exterior coatings when reinforced with nanomaterials (MWCNT and Sic). The best result in tensile strength was for the composite material containing (2%) of (Sic). The elastic modulus and hardness rate continue to increase in nanocomposite materials (coatings) with the increase in the proportion of Sic nanoparticles. The weights of the study models were calculated using a sensitive laboratory balance, in addition to calculating the surface roughness of the models using an AFM device. Three models were selected from the study and were coated with the three best types of coatings (manufactured during the study) in terms of mechanical properties, which contained weight percentages of (1.5, 2, 2.5) %Sic. Practical experiments were conducted on each of them, blowing wind with an air current at a speed of 13.5 m/s and different angles of attack ranging from (0°) to (14°), in order to evaluate the effect of the coatings on the aerodynamic properties of the models compared to the theoretical results obtained from the QBlade and Ansys programs. The results showed that the coatings did not negatively affect the models’ aerodynamic properties, stability, or ability to generate energy. After that, practical experiments were conducted for each model of the study by exposing each of them for twenty hours to an air current at a speed of 13.5 m/s loaded with dust and at different angles of attack ranging from (-14°) to (14°), the artificial effect resembles dust and sand storms that occur in western and southern Iraq, using a device designated for this purpose. The weight of the models was then recalculated and the percentage of lost weight was determined. The surface roughness was also re- examined to determine erosion resulting from industrial influence and the extent of resistance of external coatings (the subject of the study’s research) to reduce erosion. The results of the practical study showed that the best coating (hybrid coating) manufactured consists of epoxy resin mixed by weight (1%) of (MWCNT) with (2%) of (Sic) nanoparticles to prevent or reduce erosion resulting from dust storms and avoid their negative effects in reducing the efficiency and damage of the blades wind turbines.

طلب نسخة من الملف

الملفات غير منشورة على الموقع. اترك بياناتك وسيتواصل معك موظفو قسم الشؤون الثقافية والفنون لإرسال النسخة مجاناً.

الاسم

رقم الهاتف

البريد الإلكتروني

الغرض من الطلب (اختياري)

إرسال الطلب