विंड टर्बाइन ब्लेड पर कार्य करने वाले बल हैं

Question

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C: लिफ्ट और ड्रैग (Lift & drag)

Explanation & Concepts:
विंड टर्बाइन ब्लेड वायुगतिकी (aerodynamics) के सिद्धांतों पर आधारित होते हैं, विशेष रूप से एयरफ़ोइल प्रोफ़ाइल के ऊपर वायु प्रवाह के कारण लिफ्ट और ड्रैग बलों का उत्पन्न होना। इन बलों का परिणामी बल वह टॉर्क उत्पन्न करता है जो टर्बाइन हब को घुमाने और बिजली उत्पन्न करने के लिए आवश्यक है।

Working Principle: जैसे-जैसे हवा ब्लेड की घुमावदार सतह पर बहती है, ऊपरी और निचली सतहों के बीच दबाव का अंतर उत्पन्न होता है (बर्नोली का सिद्धांत), जिसके परिणामस्वरूप हवा की दिशा के लंबवत एक लिफ्ट बल उत्पन्न होता है। साथ ही, घर्षण और दबाव का असंतुलन हवा की दिशा के समानांतर एक ड्रैग बल का कारण बनता है। इन बलों का सदिश योग टर्बाइन के लिए प्रेरक बल प्रदान करता है, जहाँ $F_{lift} = \frac{1}{2} \rho A v^2 C_L$ और $F_{drag} = \frac{1}{2} \rho A v^2 C_D$ होता है।

Key Formulas: $F_L = \frac{1}{2} \rho A v^2 C_L$ — सापेक्ष हवा के लंबवत कार्य करने वाला लिफ्ट बल; $F_D = \frac{1}{2} \rho A v^2 C_D$ — सापेक्ष हवा के समानांतर कार्य करने वाला ड्रैग बल

Key Points: लिफ्ट बल मुख्य रूप से टर्बाइन के घूर्णी टॉर्क के लिए जिम्मेदार होता है।; ड्रैग बल गति का विरोध करता है और नुकसान का कारण बन सकता है, हालांकि इसका उपयोग कुछ विशेष डिजाइनों में किया जाता है।; एयरफ़ोइल आकार को लिफ्ट-टू-ड्रैग अनुपात ($C_L/C_D$) को अधिकतम करने के लिए अनुकूलित किया जाता है।; विंड टर्बाइन मूल रूप से ऊर्जा परिवर्तक हैं जो इन वायुगतिकीय बलों के माध्यम से हवा की गतिज ऊर्जा को यांत्रिक ऊर्जा में बदलते हैं।

Advantages: इष्टतम हवा की गति पर उच्च रूपांतरण दक्षता।; सुस्पष्ट वायुगतिकीय सिद्धांत जो सटीक ब्लेड डिजाइन की अनुमति देते हैं।

Disadvantages: बल में उतार-चढ़ाव के कारण यांत्रिक तनाव और थकान के अधीन।; हवा के झोंकों और अशांत स्थितियों के प्रति उच्च संवेदनशीलता।

Applications: क्षैतिज अक्ष विंड टर्बाइन (HAWT); ऊर्ध्वाधर अक्ष विंड टर्बाइन (VAWT)

Additional Info: $\rho$ हवा के घनत्व को दर्शाता है (समुद्र तल पर लगभग $1.225 kg/m^3$)।. विकल्प A (श्यान बल) ड्रैग का एक घटक है, लेकिन अधूरा है। विकल्प B (जड़त्व बल) स्टार्ट-अप या झोंकों की स्थिति के दौरान संरचनात्मक द्रव्यमान से संबंधित है, लेकिन बिजली उत्पादन के लिए यह प्राथमिक बल नहीं है।

Answer: C सही है — लिफ्ट और ड्रैग हवा और टर्बाइन ब्लेड प्रोफ़ाइल के बीच संपर्क से उत्पन्न दो प्राथमिक वायुगतिकीय बल हैं।

Exam Tip: याद रखें कि टर्बाइन डिजाइन में, आक्रमण कोण (Angle of Attack) लिफ्ट और ड्रैग के अनुपात को निर्धारित करता है; शक्ति गुणांक ($C_p$) को अधिकतम करने के लिए इसे प्रबंधित करना महत्वपूर्ण है।

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Option A: श्यान बल (Viscous force)

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Option B: जड़त्व बल (Inertia force)

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Option D: उपरोक्त में से कोई नहीं

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