TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CÁNH TUA BIN GIÓ TRỤC NGANG CÔNG SUẤT 20KW BẰNG LẬP TRÌNH MATLAB TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC ─────── ─────── ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CÁNH TUA BIN GIÓ TRỤC NGANG CÔNG SUẤT 20KW BẰNG LẬP TRÌNH MATLAB Giáo viên hướng dẫn: TS. VŨ VĂN TRƯỜNG Sinh viên thực hiện : LƯU THẾ ANH SHSV : 20100021 Lớp : MÁY THỦY KHÍ – K55 Hà Nội, 62015 NHIỆM VỤ THIẾT KẾ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 1. Thông tin về sinh viên Họ và tên sinh viên: LƯU THẾ ANH Điện thoại liên lạc: 01279494437 Email: luutheanh1312.ckbkgmail.com Lớp: Máy thủy khí K55 Hệ đào tạo: Đại học Đồ án tốt nghiệp được thực hiện tại: Bộ môn Máy và Tự động thủy khí Thời gian làm ĐATN: Ngày giao nhiệm vụ: 01 012015 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 01 062015 2. Mục đích nội dung của ĐATN Đề tài thiết kế: Tính toán thiết kế cánh tuabin gió trục ngang công suất 20 kW bằng lập trình MATLAB Năng lượng gió là một nguồn năng lượng tái tạo rất khả thi và kinh tế. Vì vậy việc tính toán thiết kế tuabin gió đóng vai trò quan trọng. Theo đó, xây dựng một chương trình MATLAB sẽ giúp quá trình thiết kế dễ dàng và thuận tiện hơn. Đề tài thực hiện tìm hiểu tổng quan về tình hình nghiên cứu tuabin gió trục ngang công suất nhỏ, một số phương án thiết kế và chọn ra một phương án phù hợp cho việc xây dựng chương trình tính toán thiết kế bằng MATLAB. 3. Các nhiệm vụ cụ thể của ĐATN Các số liệu ban đầu: Công suất P = 20kW, vận tốc gió làm việc V = 8ms Nghiên cứu tổng quan về tình hình nghiên cứu tua bin gió công suất nhỏ trong nước và thế giới. Đề xuất giải pháp phù hợp với Việt Nam. Nghiên cứu một số phương pháp tính toán thiết kế khí động lực học cánh tua bin gió trục ngang Xây dựng chương trình MATLAB (có giao diện) cho việc thiết kế khí động học cánh tua bin theo phương pháp tối ưu hệ số công suất, kết hợp với tuyến tính cánh (thuận lợi cho chế tạo) và tính lại công suất theo phương pháp động lượng phân tố cánh (BEM) Tính toán khối xoay tua bin so với hướng gió Bản vẽ và đồ thị: + 01 bản vẽ thiết kế cánh tua bin (A0) + 01 bản vẽ chương trình MATLAB (A1) + 01 bản vẽ chế tạo cánh tua bin (A0) + 01 bản vẽ lắp tua bin (A0) + 01 bản vẽ chế tạo khuôn làm cánh (A0) + 01 bản vẽ sơ đồ tính toán tối ưu (A1) + 01 bản vẽ sơ đồ tính lại công suất (A1) 4. Lời cam đoan của sinh viên: Tôi – Lưu Thế Anh cam kết ĐATN là công trình nghiên cứu của bản thân tôi dưới sự hướng dẫn của TS. Vũ Văn Trường Các kết quả nêu trong ĐATN là trung thực, không phải là sao chép toàn văn của bất kỳ công trình nào khác. Hà Nội, ngày 01 tháng 06 năm 2015 Tác giả ĐATN Lưu Thế Anh 5. Xác nhận của giáo viên hướng dẫn về mức độ hoàn thành của ĐATN và cho phép bảo vệ: ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. Hà Nội, ngày….tháng….năm Giáo viên hướng dẫn TS. Vũ Văn Trường MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ 6 DANH MỤC BẢNG BIỂU 8 CÁC KÍ HIỆU SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN 9 LỜI MỞ ĐẦU 11 CHƯƠNG 1 13 TỔNG QUAN VỀ GIÓ VÀ TUA BIN GIÓ 13 1.1. NGUỒN GỐC GIÓ 13 1.2. TỐC ĐỘ GIÓ TRUNG BÌNH 14 1.3. NĂNG LƯỢNG TRONG GIÓ 17 1.4. SỰ CHẢY RỐI 17 1.5. TÌNH TRẠNG SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG GIÓ TẠI VIỆT NAM 19 1.5.1. Năng lượng tái tạo 20 1.5.2. Tiềm năng năng lượng gió 22 1.5.3 Thực trạng sử dụng 23 1.6. QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN CỦA TUA BIN GIÓ 24 1.6.1. Giai đoạn hình thành ở đầu thế kỉ 19 24 1.6.2. Những bước phát triển đầu tiên của tua bin gió 25 1.6.3. Từ năm 90 đến nay 27 1.6.4. Giá thành xây dựng nhà máy năng lượng gió so với năng lượng truyền thống 27 1.7. TUA BIN GIÓ 28 1.7.1. Phân loại tua bin gió 28 1.7.2. Cấu tạo tua bin gió trục ngang: 29 30 1.7.3. Các kiểu tua bin gió hiện nay 31 1.7.4. Máy phát điện trong tua bin gió 33 CHƯƠNG 2 35 KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA TUA BIN GIÓ TRỤC NGANG 35 2.1. GIỚI THIỆU VỀ THUYẾT ĐỘNG LƯỢNG PHÂN TỐ CÁNH (BEM) 35 2.2. THUYẾT ĐỘNG LƯỢNG 35 2.2.1. Lực dọc trục 35 2.2.2. Thuyết phân tố cánh 37 2.2.3. Hệ số tổn thất đầu mũi cánh 41 2.2.4. Các phương trình động lượng phân tố cánh 41 2.2.5. Công suất đầu ra 42 2.2.6. Hiệu chỉnh Glauert 42 CHƯƠNG 3 44 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CÁNH TUA BIN GIÓ 20 KWl 44 3.1. TÍNH TOÁN CÁNH THEO TỐI ƯU 44 3.1.1. Các thông số đầu vào 44 3.1.2. Các bước tính toán 44 3.2. TÍNH LẠI CÔNG SUẤT SAU KHI HIỆU CHỈNH CUNG CÁNH C 50 CHƯƠNG 4 55 XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN KHÍ ĐỘNG HỌC CÁNH BẰNG MATLAB 55 CHƯƠNG 5 64 TÍNH TOÁN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN HƯỚNG TUA BIN GIÓ 64 5.1. TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC HỆ DẪN ĐỘNG 64 5.2. TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ TRÊN CÁC TRỤC HỆ DẪN ĐỘNG 64 5.3. THIẾT KẾ BỘ TRUYỀN TRỤC VÍT BÁNH VÍT 65 5.3.1. Chọn vật liệu 65 5.3.2. Xác định ứng suất cho phép của bánh vít 66 5.3.3. Xác định sơ bộ khoảng cách trục 67 5.3.4. Xác định mô đun 68 5.3.5. Xác định lại khoảng cách trục 68 5.3.6. Xác định các thông số động học 68 5.3.7. Kiểm nghiệm răng bánh vít 70 5.3.8. Một vài thông số của bộ truyền 71 5.3.9. Bảng tổng kết các thông số của bộ truyền (Bảng 5 1): 71 5.4. CHỌN Ổ LĂN 72 KẾT LUẬN 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO 76 DANH MỤC HÌNH VẼ 6 DANH MỤC BẢNG BIỂU 8 CÁC KÍ HIỆU SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN 9 LỜI MỞ ĐẦU 11 CHƯƠNG 1 13 TỔNG QUAN VỀ GIÓ VÀ TUA BIN GIÓ 13 1.1. NGUỒN GỐC GIÓ 13 1.2. TỐC ĐỘ GIÓ TRUNG BÌNH 14 1.3. NĂNG LƯỢNG TRONG GIÓ 17 1.4. SỰ CHẢY RỐI 17 1.5. TÌNH TRẠNG SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG GIÓ TẠI VIỆT NAM 19 1.5.1. Năng lượng tái tạo 20 1.5.2. Tiềm năng năng lượng gió 22 1.5.3 Thực trạng sử dụng 23 1.6. QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN CỦA TUA BIN GIÓ 24 1.6.1. Giai đoạn hình thành ở đầu thế kỉ 19 24 1.6.2. Những bước phát triển đầu tiên của tua bin gió 25 1.6.3. Từ năm 90 đến nay 27 1.6.4. Giá thành xây dựng nhà máy năng lượng gió so với năng lượng truyền thống 27 1.7. TUA BIN GIÓ 28 1.7.1. Phân loại tua bin gió 28 1.7.2. Cấu tạo tua bin gió trục ngang: 29 1.7.3. Các kiểu tua bin gió hiện nay 31 1.7.4. Máy phát điện trong tua bin gió 33 CHƯƠNG 2 35 KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA TUA BIN GIÓ TRỤC NGANG 35 2.1. GIỚI THIỆU VỀ THUYẾT ĐỘNG LƯỢNG PHÂN TỐ CÁNH (BEM) 35 2.2. THUYẾT ĐỘNG LƯỢNG 35 2.2.1. Lực dọc trục 35 2.2.2. Thuyết phân tố cánh 37 2.2.3. Hệ số tổn thất đầu mũi cánh 41 2.2.4. Các phương trình động lượng phân tố cánh 41 2.2.5. Công suất đầu ra 42 2.2.6. Hiệu chỉnh Glauert 42 CHƯƠNG 3 44 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CÁNH TUA BIN GIÓ 20 KWl 44 3.1. TÍNH TOÁN CÁNH THEO TỐI ƯU 44 3.1.1. Các thông số đầu vào 44 3.1.2. Các bước tính toán 44 3.2. TÍNH LẠI CÔNG SUẤT SAU KHI HIỆU CHỈNH CUNG CÁNH C 50 CHƯƠNG 4 55 XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN KHÍ ĐỘNG HỌC CÁNH BẰNG MATLAB 55 CHƯƠNG 5 64 TÍNH TOÁN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN HƯỚNG TUA BIN GIÓ 64 5.1. TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC HỆ DẪN ĐỘNG 64 5.2. TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ TRÊN CÁC TRỤC HỆ DẪN ĐỘNG 64 5.3. THIẾT KẾ BỘ TRUYỀN TRỤC VÍT BÁNH VÍT 65 5.3.1. Chọn vật liệu 65 5.3.2. Xác định ứng suất cho phép của bánh vít 66 5.3.3. Xác định sơ bộ khoảng cách trục 67 5.3.4. Xác định mô đun 68 5.3.5. Xác định lại khoảng cách trục 68 5.3.6. Xác định các thông số động học 68 5.3.7. Kiểm nghiệm răng bánh vít 70 5.3.8. Một vài thông số của bộ truyền 71 5.3.9. Bảng tổng kết các thông số của bộ truyền (Bảng 5 1): 71 5.4. CHỌN Ổ LĂN 72 KẾT LUẬN 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO 76 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1 1: Mô tả dải quang phổ Vander Hoven 14 Hình 1 2: Mô tả hàm phân bố xác suất của tốc độ gió trung bình và mật độ năng lượng với tốc độ gió. 15 Hình 1 3: Tỉ trọng công suất thiết kế các nhà máy điện năm 2005 21 Hình 1 4: Các dạng chất thải từ các nguồn năng lượng khác nhau. 21 Hình 1 5: So sánh tổng thể về tính cạnh tranh giá cả của các loại hình năng lượng khác nhau. 22 Hình 1 6: Bản đồ tiềm năng điện gió Việt Nam 23 Hình 1 7: Tua bin gió công suất 800KW tại đảo Bạch Long Vĩ 24 Hình 1 8: Tua bin gió trục ngang chế tạo bởi Charles F.Brush năm 1888. 26 Hình 1 9: Một loại tua bin gió trục ngang. 27 Hình 1 10: a) Tua bin gió trục đứng (Tua bin Darrieus), b) Tua bin gió trục ngang. 28 Hình 1 11: Sơ đồ tua bin gió với tốc độ cố định 28 Hình 1 12: Sơ đồ tua bin gió với tốc độ thay đổi 29 Hình 1 13: Cấu tạo Tua bin gió trục ngang 30 Hình 1 14: Tua bin gió trục đứng 31 Hình 1 15: Các loại tua bin gió trục đứng. 32 Hình 1 16: Tua bin gió trục ngang. 32 Hình 2 1: Ống dòng dọc theo trục quanh tua bin gió 35 Hình 2 2: Ống dòng vành khuyên quay 37 Hình 2 3: Chú giải chi tiết ống dòng vành khăn quay 38 Hình 2 4: Phân tố cánh 38 Hình 2 5: Dòng lên trên cánh 39 Hình 2 6: Đồ thị hệ số lực nâng, lực cản cho NACA 0012 40 Hình 2 7: Mối quan hệ giữa hệ số dòng dọc trục, trạng thái dòng và lực đẩy của một rô to 43 Hình 3 1: Đồ thị liên hệ số cánh và tỉ số vận tốc đầu mũi cánh 44 Hình 3 2: Profin cánh 45 Hình 3 3: Đồ thị sự phụ thuộc CL vào góc tấn của Naca 4412 46 Hình 3 4: Đồ thị sự phụ thuộc của CD vào góc tấn của Naca 4412 46 Hình 3 5: Đồ thị sự phụ thuộc của CLCD vào góc tấn của Naca 4412 47 Hình 3 6 : Chia cánh theo phương pháp phân tố 48 Hình 3 7: Sơ đồ tính toán lại công suất sau khi hiệu chỉnh c 52 Hình 3 8: Đồ thị cR theo tỉ số bán kính x trước và sau khi hiệu chỉnh 53 Hình 4 1: Giao diện người dùng GUI 55 Hình 4 2: Nút Clalpha 56 Hình 4 3: Nút Cdalpha 57 Hình 4 4: Nút ClCdalpha 57 Hình 4 5: Nút Tối ưu 58 Hình 4 6: Nút vẽ cR theo x 58 Hình 4 7: Nút vẽ beta theo x 59 Hình 4 8: Nút hiệu chỉnh c 59 Hình 4 9: Nút hiệu chỉnh beta 60 Hình 4 10: Xâu cánh 2D trước hiệu chỉnh 61 Hình 4 11: Xâu cánh 3D trước hiệu chỉnh 61 Hình 4 12: Xâu cánh 2D sau hiệu chỉnh 62 Hình 4 13: Xâu cánh 3D sau hiệu chỉnh 62 Hình 4 14: Cánh 3D hoàn chỉnh trước hiệu chỉnh 63 Hình 4 15: Cánh 3D hoàn chỉnh sau hiệu chỉnh 63 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1 1: Giá trị đặc trưng của độ cao nhấp nhô z0 và số mũ độ nhấp nhô α ứng với các dạng bề mặt khác nhau. 16 Bảng 3 1: Bảng giá trị cung cánh c, góc tới và góc đặt cánh β 49 Bảng 3 2: Bảng giá trị cung cánh c, góc tới và góc đặt cánh β sau khi đã hiệu chỉnh 53 Bảng 5 1: Bảng tổng kết các thông số của bộ truyền 72 CÁC KÍ HIỆU SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN a : Hệ số dòng chảy dọc theo trụchệ số thu hẹp dòng chảy. a’ : Hệ số dòng chảy theo phương tiếp tuyến. c : Chiều dài dây cung của phân tố cánh. : Hệ số lực đẩy dọc trục tác dụng lên rô to. Z : Số cánh quạt của rô to V : Vận tốc gió Cp : Hệ số vận tốc P : Công suất định mức : Khối lượng riêng của không khí W : Vận tốc tương đối của dòng chảy với phân tố cánh x : Tỉ số bán kính (rR) : Vận tốc góc của rô to : Vận tốc góc của dòng : Tỉ số vận tốc đầu mũi cánh η : Hiệu suất rô to cánh quạt α : Góc tấn : Góc tới β : Góc đặt cánh F : Hệ số tổn thất đầu mũi cánh Fx : Lực dọc trục Fθ : Lực tiếp tuyến N : Số phân tố cánh p : Áp suất T : Mô men xoắn L : Lực nâng D : Lực cản : Hệ số bền cánh R : Bán kính rô to r : Bán kính phân tố
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC ─────── * ─────── ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: TÍNH TỐN THIẾT KẾ CÁNH TUA BIN GIĨ TRỤC NGANG CƠNG SUẤT 20KW BẰNG LẬP TRÌNH MATLAB Giáo viên hướng dẫn: TS VŨ VĂN TRƯỜNG Sinh viên thực : LƯU THẾ ANH SHSV : 20100021 Lớp : MÁY THỦY KHÍ – K55 Hà Nội, 6/2015 NHIỆM VỤ THIẾT KẾ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thông tin sinh viên Họ tên sinh viên: LƯU THẾ ANH Điện thoại liên lạc: 01279494437 Email: luutheanh1312.ckbk@gmail.com Lớp: Máy thủy khí - K55 Hệ đào tạo: Đại học Đồ án tốt nghiệp thực tại: Bộ môn Máy Tự động thủy khí Thời gian làm ĐATN: Ngày giao nhiệm vụ: 01/ 01/2015 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 01/ 06/2015 Mục đích nội dung ĐATN - Đề tài thiết kế: Tính tốn thiết kế cánh tua-bin gió trục ngang cơng suất 20 kW lập trình MATLAB - Năng lượng gió nguồn lượng tái tạo khả thi kinh tế Vì việc tính tốn thiết kế tua-bin gió đóng vai trị quan trọng Theo đó, xây dựng chương trình MATLAB giúp trình thiết kế dễ dàng thuận tiện - Đề tài thực tìm hiểu tổng quan tình hình nghiên cứu tua-bin gió trục ngang cơng suất nhỏ, số phương án thiết kế chọn phương án phù hợp cho việc xây dựng chương trình tính tốn thiết kế MATLAB Các nhiệm vụ cụ thể ĐATN - Các số liệu ban đầu: Cơng suất P = 20kW, vận tốc gió làm việc V = 8m/s - Nghiên cứu tổng quan tình hình nghiên cứu tua bin gió cơng suất nhỏ nước giới Đề xuất giải pháp phù hợp với Việt Nam - Nghiên cứu số phương pháp tính tốn thiết kế khí động lực học cánh tua bin gió trục ngang - Xây dựng chương trình MATLAB (có giao diện) cho việc thiết kế khí động học cánh tua bin theo phương pháp tối ưu hệ số cơng suất, kết hợp với tuyến tính cánh (thuận lợi cho chế tạo) tính lại cơng suất theo phương pháp động lượng phân tố cánh (BEM) - Tính tốn khối xoay tua bin so với hướng gió - Bản vẽ đồ thị: + 01 vẽ thiết kế cánh tua bin (A0) + 01 vẽ chương trình MATLAB (A1) + 01 vẽ chế tạo cánh tua bin (A0) + 01 vẽ lắp tua bin (A0) + 01 vẽ chế tạo khuôn làm cánh (A0) + 01 vẽ sơ đồ tính tốn tối ưu (A1) + 01 vẽ sơ đồ tính lại công suất (A1) Lời cam đoan sinh viên: Tôi – Lưu Thế Anh - cam kết ĐATN cơng trình nghiên cứu thân tơi hướng dẫn TS Vũ Văn Trường Các kết nêu ĐATN trung thực, chép tồn văn cơng trình khác Hà Nội, ngày 01 tháng 06 năm 2015 Tác giả ĐATN Lưu Thế Anh Xác nhận giáo viên hướng dẫn mức độ hoàn thành ĐATN cho phép bảo vệ: ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… …………… Hà Nội, ngày….tháng….năm Giáo viên hướng dẫn TS Vũ Văn Trường Đồ án tốt nghiệp - 2015 MỤC LỤC SV: Lưu Thế Anh Lớp: Máy thủy khí_K55 Trang Đồ án tốt nghiệp - 2015 DANH MỤC HÌNH VẼ SV: Lưu Thế Anh Lớp: Máy thủy khí_K55 Trang 11 Đồ án tốt nghiệp - 2015 DANH MỤC BẢNG BIỂU SV: Lưu Thế Anh Lớp: Máy thủy khí_K55 Trang 13 Đồ án tốt nghiệp - 2015 CÁC KÍ HIỆU SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN a : Hệ số dòng chảy dọc theo trục-hệ số thu hẹp dòng chảy a’ : Hệ số dòng chảy theo phương tiếp tuyến c : Chiều dài dây cung phân tố cánh CT : Hệ số lực đẩy dọc trục tác dụng lên rô to Z : Số cánh quạt rô to V : Vận tốc gió Cp : Hệ số vận tốc P : Công suất định mức ρ : Khối lượng riêng khơng khí W : Vận tốc tương đối dịng chảy với phân tố cánh x : Tỉ số bán kính (r/R) Ω : Vận tốc góc rơ to ω : Vận tốc góc dịng λ : Tỉ số vận tốc đầu mũi cánh η : Hiệu suất rơ to cánh quạt α : Góc ϕ : Góc tới β : Góc đặt cánh F : Hệ số tổn thất đầu mũi cánh Fx : Lực dọc trục Fθ : Lực tiếp tuyến N : Số phân tố cánh p : Áp suất T : Mô men xoắn L : Lực nâng SV: Lưu Thế Anh Lớp: Máy thủy khí_K55 Trang 15 Đồ án tốt nghiệp - 2015 D : Lực cản σ : Hệ số bền cánh R : Bán kính rơ to r : Bán kính phân tố SV: Lưu Thế Anh Lớp: Máy thủy khí_K55 Trang 17 Đồ án tốt nghiệp - 2015 LỜI MỞ ĐẦU Trong thời đại kinh tế thị trường nay, với đòi hỏi cao lượng điện cho sản xuất Nhu cầu sử dụng lượng điện nguồn lượng khác nước vô lớn Đất nước đường phát triển, cơng nghiệp hóa, đại hóa khắp nơi Trong đó, tình trạng thiếu hụt lượng thường xuyên diễn ra, đặc biệt vào mùa, ngày, cao điểm gây nhiều trở ngại sinh hoạt phát triển sản xuất Giải vấn đề này, nhiều nhà khoa học đưa giải pháp để bổ sung thêm nguồn lượng điện cho nước ta như: xây dựng nhà máy thủy điện, nhiệt điện, điện nguyên tử, Nhưng thực tế cho thấy thủy điện có nguy giảm suất dịng sơng sơng Hồng, sơng Cửu Long, dần cạn phía Trung Quốc xây dựng đập thủy điện ngăn dòng chảy thượng nguồn Nhiệt điện cần đến nhiều nguồn tài nguyên hóa thạch việc đốt tạo khí thải làm ô nhiễm môi trường Điện nguyên tử cần vốn đầu tư vơ lớn, đỏi hỏi có khoa học đại cao, bên cạnh nguy xảy nhiễm phóng xạ cao, nguy hiểm đến tính mạng người Nước ta có đường bờ biển dài hàng ngàn ki lô mét, hàng năm nhận nhiều đợt gió thổi vào đất liền, thuận lợi cho việc phát triển lượng điện từ gió Mặt khác, lượng gió nguồn lượng sạch, khai thác khơng làm ảnh hưởng đến khí hậu mơi trường Một ưu điểm khơng cạn kiệt nguồn lượng Tua bin gió hay cịn gọi động gió loại thiết bị lấy lượng từ gió để chuyển hóa thành lượng điện cách lợi dụng sức gió làm quay tua bin, qua truyền làm quay máy phát điện từ sinh dịng điện Trên sở nhiều ưu điểm mà động gió sử dụng nhiều giới Hà Lan, Anh, Mỹ, Đức,Trung Quốc điều kiện nước ta thuận lợi cho việc phát triển loại thiết bị phục vụ cho nhu cầu sử dụng điện để phát triển kinh tế quốc dân Trong xu phát triển, cấu kinh tế đất nước có nhiều thay đổi, cơng nghiệp dịch vụ phát triển ngày lượng trở thành vấn đề cấp bách Năng lượng từ dầu giảm dần, theo ước tính trữ lượng dầu hết sau khoảng 100 năm Do phải tìm nguồn lượng nguồn lượng tái tạo Trong nguồn lượng tái tạo có thủy điện đáng kể Trong nguồn cịn lại tiềm lớn điện gió Trong chiến lược phát triển lượng phủ, theo thơng tin cơng thương lượng tái tạo Việt Nam, dự kiến nguồn lượng tăng 15% Việt Nam có kế hoạch phát triển thay nguồn lượng hóa thạch vào năm 2015 - 2025 Điện gió hay cịn gọi lượng gió lượng mặt trời dự kiến chiếm nửa nguồn lượng SV: Lưu Thế Anh Lớp: Máy thủy khí_K55 Trang 19 Đồ án tốt nghiệp - 2015 Hình 4- 0: Xâu cánh 3D sau hiệu chỉnh - Nút « c & beta » : Xâu cánh sau hiệu chỉnh c β, chọn xâu cánh 2D cánh khơng gian 3D • Kênh « Canh 3D hoan chinh » - Nút « Truoc tuyen tinh » (Hình 4- 14): Vẽ cánh 3D hồn chỉnh trước hiệu chỉnh, lấy kết tính tối ưu SV: Lưu Thế Anh Lớp: Máy thủy khí_K55 Trang 95 Đồ án tốt nghiệp - 2015 Hình 4- 0: Cánh 3D hồn chỉnh trước hiệu chỉnh - Nút « Sau tuyen tinh » (Hình 4- 15): Vẽ cánh 3D hoàn chỉnh sau hiệu chỉnh c β, c β ta tích vào hộp chọn (Check Box) « c & beta » Hình 4- 0: Cánh 3D hồn chỉnh sau hiệu chỉnh SV: Lưu Thế Anh Lớp: Máy thủy khí_K55 Trang 96 Đồ án tốt nghiệp - 2015 CHƯƠNG TÍNH TỐN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN HƯỚNG TUA BIN GIĨ 5.1 TÍNH TỐN ĐỘNG HỌC HỆ DẪN ĐỘNG Để xoay tua bin xoay quanh trục trước hết phải thắng lực cản khí động dịng khí tác dụng lên cánh quạt tua bin Mômen lớn tác dụng lên tua bin vận tốc gió lớn chế độ tải tua bin, M 1max U ∞ = 25m / s Chọn động hộp số có cơng suất 2,2 (kw), số vịng quay 15 (vg/phút) Pdc =2,2 kw, ndc= 15 (vg/phút) Công suất trục công tác: Pct= Pdc η , đó: + η = ηk ηol3 ηtv : tích số hiệu suất thành phần: + η k = 0.99: hiệu suất nối trục đàn hồi + ηol = 0,992 : hiệu suất cặp ổ lăn(bộ truyền che kín) + ηtv = 0,8 : hiệu suất truyền trục vít (bộ truyền che kín) Từ ta tính được: η = η k ηol3 η x ηtv = 0,99.0,9923.0,8 = 0,773 Suy ra: Pct= Pdc.η = 2,2 0,773= 1,7 (kw) 5.2 TÍNH TỐN CÁC THƠNG SỐ TRÊN CÁC TRỤC HỆ DẪN ĐỘNG Cơng suất trục Công suất trục I : Công suất trục II : PI = PII 1,714 = = 2,16(kW ) ηol ηtv 0,992.0,8 PII = Pct 1, = = 1,714( kW ) ηol 0,992 Số vòng quay trục Số vòng quay trục động : SV: Lưu Thế Anh ndc = 15(vg / phut ) Lớp: Máy thủy khí_K55 Trang 97 Đồ án tốt nghiệp - 2015 Số vòng quay trục I : Số vòng quay trục II : nI = ndc = 15(vg / phut ) nII = nI 15 = = 0,1(vg / phut ) utv 150 9,55.106 Pdc 9,55.106.2, Tdc = = = 1400667( N mm) ndc 15 Mô men xoắn trục động : Mô men xoắn trục I : 9,55.106 PI 9,55.106.2,16 TI = = = 1375200( N mm) nI 15 Mô men xoắn trục II : TII = 9,55.106 PII 9,55.106.1, 714 = = 1, 64.108 ( N mm) nII 0,1 5.3 THIẾT KẾ BỘ TRUYỀN TRỤC VÍT BÁNH VÍT Thơng số đầu vào : P = PI = 2,16( kW ) T = T = 1375200( N mm) I n = nI = 15 u = u = 150 tv Lh = 44000( h) 5.3.1 Chọn vật liệu Chọn vật liệu: −5 Tính sơ vận tốc trượt dọc theo công thức: v sb = 4,5.10 n1 T2 Trong đó: n1: số vịng quay trục vít (vg/phút) T2: mơ men xoắn trục bánh vít (N.mm) Theo số liệu tính tốn ta có: n1= 15 (vg/phút) SV: Lưu Thế Anh Lớp: Máy thủy khí_K55 Trang 98 Đồ án tốt nghiệp - 2015 T2= 1,64.108 (N.mm) Thay vào ta có: vsb = 4,5.10−5.15 1, 64.108 ≈ 0,369( m / s) 5(m/s) Nên ta chọn vật liệu làm bánh vít đồng không thiếc đồng thau, cụ thể đồng nhụm sắt đúc li tâm, có: σ b = 500 MPa , σ ch = 200 MPa Chọn vật liệu làm trục vít: Trục vít làm thép 45, tơi bề mặt, đạt độ rắn 45 – 50 HRC 5.3.2 Xác định ứng suất cho phép bánh vít Vì bánh vít làm đồng khơng thiếc có tính thấp nhiều so với trục vít thép nên cần xác định ứng suất tiếp xúc cho phép ứng suất uốn cho phép loại vật liệu làm bánh vít Ứng suất tiếp xúc cho phép: Bánh vít làm đồng khơng thiếc nên theo bảng 7.2 “Tính tốn thiết kế hệ dẫn động khí” Trịnh Chất – Lê văn Uyển [6] ta có: với vs=0,369 m/s < 5m/s =>[ σH]=450.0,78=351 MPa Ứng suất uốn cho phép Ta có : [σF]=[σFo].kFl đó: σFo : ứng suất uốn cho phép ứng với 10 chu kì, phụ thuộc vào số chiều quay Bộ truyền quay chiều nên ta có: σFo= 0,25σb +0,08 σch=0,25.500 + 0,08.200=141 MPa kFl hệ số tuổi thọ theo cơng thức 7.9 T1 “Tính tốn thiết kế hệ dẫn động khí” Trịnh Chất – Lê văn Uyển: kFl= 106 N FE với NFE : số chu kì tương đương xác định theo công thức: SV: Lưu Thế Anh Lớp: Máy thủy khí_K55 Trang 99 Đồ án tốt nghiệp - 2015 T 60∑ 2i ÷ n2iti T2max NFE= Vì tải trọng khơng đổi nên: NFE= 60.n2.tΣ Với n2: số vòng quay phút bánh vít : n2= 0,1 (vg/phút) tΣ : tổng số làm việc truyền tΣ=Lh=44000 h NFE =60.n2.tΣ= 60.0,1.44000= 264000 chu kì Do đó: kFl = 106 264000 = 1,16 MPa Vậy: [σF]= [σFo].kFl =141.1,16 =163,6 MPa Ứng suất cho phép tải: Bánh vít làm đồng không thiếc [σ H ]max = 2σ ch = 2.200 = 400( Mpa ) [σ F ]max = 0,8σ ch = 0,8.200 = 160( Mpa ) 5.3.3 Xác định sơ khoảng cách trục Theo công thức 7.16 T1 “Tính tốn thiết kế hệ dẫn động khí” Trịnh Chất – Lê văn Uyển ta có: 170 T2 K H ( z2 + q ) ÷ z [ σ H ] ÷ q aw= Trong z2: số bánh vít Với u= 150 SV: Lưu Thế Anh Lớp: Máy thủy khí_K55 Trang 100 Đồ án tốt nghiệp - 2015 Chọn số ren trục vít z1= z2= 150.2 = 300 => Lấy z2 = 300 Tỷ số truyền thực: uth= z2/z1 = 300/2 = 150 q: hệ số đường kính trục vít Ta chọn sơ q= (0,250,3)z2 = (0,250,3).300= 7590 Chọn q= 80 T2: mơ men xoắn trục bánh vít (Nmm) T2= 1,64.108 (Nmm) kH: hệ số tải trọng: chọn sơ kH= 1,2 => aw= 170 1, 64.108.1, = 706(mm) ÷ 80 300.351 ( 300 + 80 ) 5.3.4 Xác định mô đun m= 2.aw/ (q+z2)= 2.706/(80+300)3,72 mm Tra bảng 7.3 tr150 T1 “Tính tốn thiết kế hệ dẫn động khí” Trịnh Chất – Lê văn Uyển, chọn m theo tiêu chuẩn: m= 6,3 5.3.5 Xác định lại khoảng cách trục Khoảng cách trục chia: a= m(q+z2)/2=6,3.(80+300)/2= 1197 mm chọn khoảng cách trục thật: aw= 1200 mm Xác định hệ số dịch chỉnh: x= aw/m – 0,5 (q+z2) =1197/6,3 – 0,5 (80+300) = 0,0 mm x ≤ 0, Thỏa mãn điều kiện: 5.3.6 Xác định thông số động học Tỉ số truyền thực: uth= 150 SV: Lưu Thế Anh Lớp: Máy thủy khí_K55 Trang 101 Đồ án tốt nghiệp - 2015 z1 ÷ = arctan ÷ 80 + 0, =1,430 Góc vít lăn : γw= arctan q + x Đường kính vịng lăn trục vít: d w1 = ( q + x ) m = (80 + 2.0, 0).6, = 504mm d w = 2aw − d w1 = 2.1200 − 504 = 1896mm Vận tốc trượt: vs= (π.dw1.n1)/ (60000.cos γw) = (π.504.15)/ (60000.cos1,430)= 0,4 m/s vs< m/s =>việc chọn vật liệu bánh vít ban đầu có phù hợp => chấp nhận kH: hệ số tải trọng φ: góc ma sát truyền trục vít- bánh vít: tra bảng 7.4 tr152 “Tính tốn thiết kế hệ dẫn động khí” Trịnh Chất – Lê văn Uyển với: - Nhóm vật liệu vành bánh vít: nhóm II - Độ cứng mặt ren trục vít HRC ≥ 45 - Vận tốc trượt vs= 0,25 (m/s) Ta được: Góc ma sát φ=5,72 o Hệ số ma sát f= 0,10 Hiệu suất truyền: η = 0,95 tan γ w tan1, 43o = tan ( γ w + ϕ ) tan(1, 43o + 5, 72o ) =0,2 kH: hệ số tải trọng: kH= kHβ kHv đó: kHβ: hệ số phân bố không tải trọng bề rộng vành răng: tải trọng không đổi=> kHβ=1 kHv: hệ số tải trọng động: phụ thuộc vào cấp xác truyền trục vít, vận tốc trượt Tra bảng 7.6 tr153 “Tính tốn thiết kế hệ dẫn động khí” Trịnh Chất – Lê văn Uyển, với vs=0,25(m/s) Ta cấp xác truyền SV: Lưu Thế Anh Lớp: Máy thủy khí_K55 Trang 102 Đồ án tốt nghiệp - 2015 Tra bảng 7.7 tr153 “Tính tốn thiết kế hệ dẫn động khí” Trịnh Chất – Lê văn Uyển, với vs=0,4 (m/s)=> kHv=1,1 =>kH=kHβ.kHv= 1.1,1= 1,1 5.3.7 Kiểm nghiệm bánh vít 5.3.7.1 Kiểm ngiệm độ bền tiếp xúc: 170 z2 + q T2 K H ≤ [σH ] ÷ z2 aw q σH = [ σ H ] -ứng suất tiếp xúc cho phép [ σ H ] = 351 Mpa ứng với vs= 0,25 (m/s) kH- hệ số tập trung tải trọng: kH=1,1 q- hệ số đường kính trục vít: q=80 z2- số bánh vít z2= 300 ta có: 170 300 + 80 1, 64.108.1,1 ÷ 80 σH = 300 1200 =151 Mpa < [σH]=351 Mpa ([σH] – σH).100% / [σH] = 0,57% < 10% 5.3.7.2 Kiểm nghiệm độ bền uốn: 1, 4.T2 K F YF σ σF = b2 d mn =< [ F ] [ σ F ] - ứng suất uốn cho phép bánh vít: [ σ F ] =87,7MPa kF- hệ số tải trọng tính uốn: kF=kH=1,1 mn- mơ đun pháp bánh vít: mn=m.cosγ6,3.cos 1,43o=6,3 mm YF hệ số dạng răng: phụ thuộc vào số bánh vít tương đương zv SV: Lưu Thế Anh Lớp: Máy thủy khí_K55 Trang 103 Đồ án tốt nghiệp - 2015 zv=z2/cos3γ z2/cos3γw=300/0,999=300,84 Tra bảng 7.8 p154 T1 với zv=300,84 ta YF= 1,24 b2 : chiều rộng bánh vít b20,75.m.(q+2)=0,75.6,3.(80+2)=387,5 mm chọn b2= 388 mm d2=mz2=6,3.388=2444 mm thay vào ta có: 1, 4.1, 64.108.1,1.1, 24 σ 388.2444.6,3 σF= = 52,42 MPa [ F ] (Thỏa mãn) 5.3.8 Một vài thơng số truyền Đường kính vòng chia: d1 = qm = 80.6,3 = 504mm d = mz2 = 6, 3.300 = 1890mm Đường kính vịng đỉnh: d a1 = d1 + 2m = 504 + 2.6, = 516, 6mm d a = m( z2 + + 2.x ) = 6,3.(300 + − 2.0, 0) = 1902, 6mm Đường kính vịng đáy: d f = d1 − 2, 4m = 504 − 2, 4.6, = 488, 9mm d f = m.( z2 − 2, + 2.x) = 6, 3.(300 − 2, − 2.0, 0) = 1874, 9mm b2 388 ÷ = arcsin ÷ 1902, − 0, 5.6,3 =11,79o Góc ơm: δ= arcsin d a1 − 0,5m 5.3.9 Bảng tổng kết thông số truyền (Bảng 5- 1): Thơng số Kí hiệu Giá trị Khoảng cách trục aw 1200 mm Mô đun m 6,3 mm SV: Lưu Thế Anh Lớp: Máy thủy khí_K55 Trang 104 Đồ án tốt nghiệp - 2015 Tỉ số truyền u 150 Số mối ren vít Z1 Số bánh vít Z2 300 Đường kính vịng chia d1 504 mm d2 1890 mm dw1 504 mm dw2 1896 mm da1 516,6 mm da2 1902,6 mm df1 488,9 mm df2 1874,9 mm Hệ số đường kính trục q 80 Hệ số dịch chỉnh bánh vít x 0,0 Góc ơm δ 11,79o Góc vít γw 1,430 Chiều rộng bánh vít b2 388 mm Đường kính vịng lăn Đường kính vịng đỉnh Đường kính vịng đáy Bảng 5- 1: Bảng tổng kết thông số truyền 5.4 CHỌN Ổ LĂN Các lực tác dụng lên ổ Khối lượng toàn turbine đặt lên ổ lăn với M = ta có : Lực dọc trục Fat = Fa = 30000( N ) Lực hướng tâm lực khí động tác dụng lên trục vận tua bin hoạt động Với vận tốc SV: Lưu Thế Anh U ∞ = 25(m / s ) , ta có: Lớp: Máy thủy khí_K55 Trang 105 Đồ án tốt nghiệp - 2015 F lớn khí a=1/2, Vậy lực hướng tâm tác dụng lên ổ là: 1 Fr = F = 2.ρ π R U ∞2 a (1 − a) = 2.1, 225.π 82.252 .(1 − ) = 120246( N ) 2 Với đường kính trục ta chọn d= 570mm Ta chọn ổ lăn loại ổ đũa có khả chịu lực dọc trục lớn lực hướng tâm Với thông số => Chọn ổ lăn có Kiểm nghiệm khả tải động ổ lăn Khả tải động Cd tín theo công thức: 11.1 tr213[1] Cd = Q.m L Trong đó: + m - bậc đường cong mỏi: m = 10 / ( ổ đũa) −6 −6 L = 60 n L 10 = 60.2.44000.10 = 5,28 (triệu vòng) h + L- tuổi thọ ổ: + Q –tải trọng động quy ước (kN) xác định theo cơng thức 11.3tr214 tập “Tính tốn thiết kế hệ dẫn động khí” Trịnh Chất – Lê văn Uyển [5]: Q = ( X V Fr + Y Fa ).kt k d Trong đó: V- hệ số kể đến vòng quay, vòng quay : V=1 kt = kt - hệ số ảnh hưởng nhiệt độ, ta chọn kd - hệ số kể đến đặc tính tải trọng, tải trọng tĩnh, hộp giảm tốc công suất nhỏ : kd = Lực dọc trục tác dụng lên ổ lăn là: Fa = 30000( N ) SV: Lưu Thế Anh Lớp: Máy thủy khí_K55 Trang 106 Đồ án tốt nghiệp - 2015 X – hệ số tải trọng hướng tâm Y – hệ số tải trọng dọc trục Theo bảng B11.4 tr216 tập “Tính tốn thiết kế hệ dẫn động khí” Trịnh Chất – Lê văn Uyển ta có: Fa 30000 = = 0,25 < e = 0,36 V F 1.120246 r Với X =1 Y = Tải trọng qui ước tác dụng vào ổ: Q = ( X V Fr + Y Fa ).kt kd = (1.1.120246 + 0.30000).1.1 = 120246( N ) Khả tải động ổ lăn: Cd = Q.m L = 120246.10/ 5,28 = 198089( N ) = 198,089( kN ) < C = 865( kN ) Ổ lăn thỏa mãn khả tải động Kiểm nghiệm khả tải tĩnh ổ lăn Tra bảng B11.6 tr221 tập “Tính tốn thiết kế hệ dẫn động khí” Trịnh Chất – Lê văn Uyển cho ổ đũa côn dãy ta được: X = 0,5 Y0 = 0, 22cot α = 0, 22.cot13, 45 = 0,92 Tải trọng tĩnh tương đương tác dụng vào ổ: Qt = X Fr + Y0 Fa = 0,5.120246 + 0,92.30000 = 87723( N ) Kiểm nghiệm khả tải tĩnh ổ: Qt = 87, 723( kN ) < C0 = 2080( kN ) Ổ lăn thỏa mãn khả tải tĩnh KẾT LUẬN Trên tồn em làm thời gian qua Mặc dù em cố gắng nỗ lực nhiên em làm lần đầu chưa có nhiều kinh nghiệm thực tế chuyên môn nên đồ án khơng thể tránh khỏi thiếu sót mặt nội dung cách trình bày Em mong nhận đóng góp ý kiến SV: Lưu Thế Anh Lớp: Máy thủy khí_K55 Trang 107 Đồ án tốt nghiệp - 2015 thầy, cô giáo, bạn người quan tâm tới đồ án để đồ án thêm hồn thiện mang tính thực tiễn cao Đồ án hoàn thành yêu cầu đề ra: + Nghiên cứu tổng quan tình tình nghiên cứu tua bin gió cơng suất nhỏ nước giới Đề xuất giải pháp phù hợp với Việt Nam + Tính tốn thiết kế cánh tua bin gió trục ngang cơng suất 20kW vận tốc gió (m/s) lập trình Matlab + Tính tốn thiết kế khối xoay tua bin theo hướng gió Đây thiết kế tua bin gió trục ngang , chế tạo giới Việt Nam, gần đề tài GS Nguyễn Thế Mịch Hải Dương, tổ hợp tua bin gió thầy vào hoạt động cách thuận lợi có hiệu Em xin cảm ơn giúp đỡ tận tình thầy Vũ Văn Trường, thầy Nguyễn Thế Mịch thầy, cô giáo Bộ môn Máy Tự Động Thủy Khí Em xin chân thành cảm ơn! SV: Lưu Thế Anh Lớp: Máy thủy khí_K55 Trang 108 TÀI LIỆU THAM KHẢO Lê Danh Liên – Đặng Đình Thống “Cơ sở lượng tái tạo”: Xuất năm 2006 Grant Ingram, “Wind turbine blade analysis using The blade element momentum method” – 2011 Serhat Duran, “Computer – Aided design of horizontal – axis wind turbine blades” – 2005 Jonh Amund Karlsen, “Performance calculations for a model turbine” – 2009 Trịnh Chất – Lê văn Uyển, “Tính tốn thiết kế hệ dẫn động khí” – Tập Tập Xuất năm 1998 SV: Lưu Thế Anh Lớp: Máy thủy khí_K55 Trang 109 ... Đề tài thiết kế: Tính tốn thiết kế cánh tua- bin gió trục ngang cơng suất 20 kW lập trình MATLAB - Năng lượng gió nguồn lượng tái tạo khả thi kinh tế Vì việc tính tốn thiết kế tua- bin gió đóng... hai dạng sau: Tua bin gió trục ngang tua bin gió trục đứng (Hình 1- 10) Hình 1- 10: a) Tua bin gió trục đứng (Tua bin Darrieus), b) Tua bin gió trục ngang Nếu xét tốc độ quay tua bin ta chia làm... pháp tính tốn thiết kế khí động lực học cánh tua bin gió trục ngang - Xây dựng chương trình MATLAB (có giao diện) cho việc thiết kế khí động học cánh tua bin theo phương pháp tối ưu hệ số công suất,