Đồ Án Thiết Kế Máy Bay

Mục lục Danh sách hình ảnh 3 Danh sách bảng biểu 3 1 Điện 4 1 1 Điện gió 4 1 2 Điện mặt trời 4 2 Khí động 4 2 1 Nguyễn Duy Nam 4 2 1 1 Lý thuyết động lượng thẳng 4 2 1 2 Lý thuyết tuyến tính cho cấu h[.]

Điện mặt trời

Nguyễn Duy Nam

Lý thuyết động lượng thẳng

Trong lý thuyết này, turbine gió được xem như một đĩa mỏng có diện tích quét là AS Xét dòng khí chuyển động đều với vận tốc đều V  ở rất xa trước turbine trong ống lưu tuyến, đi qua turbine có diện tích quét AS và có vận tốc đều V 2 ở sau turbine Vận tốc của dòng không khí ngay vị trí turbine là V p t vàp s lần lượt là áp suất tại mặt trước đĩa và mặt sau đĩa.

Trong trường hợp lý tưởng ta giả thiết dòng không khí chuyển động qua turbine là thường đều, không nén được, không nhớt, không quay. Áp suất tĩnh quanh bề mặt ống lưu tuyến được giả thiết là bằng nhau ở khắp mọi nơi Áp suất tĩnh trước và sau ống lưu tuyến bằng áp suất tĩnh của không khí.

Hình 1: sơ đồ dòng không khí đi trong ống lưu tuyến qua turbine. Áp dụng nguyên lý bảo toàn khối lượng cho dòng không khí chuyển động trong ống lưu tuyến ta có:

 Áp dụng nguyên lý bảo toàn động lượng cho thể tích kiểm soát là ống lưu tuyến, với điều kiện là tổng ngoại lực do áp suất tác dụng lên bề mặt thể tích kiểm soát bằng 0, ngoại lực do ma sát quanh ống lưu tuyến cũng bằng 0 Vậy lực T do dòng khí tác dụng vào turbine là độ biến thiên động lượng thẳng của dòng không khí khi đi qua turbine:

Mặt khác ta cũng có lực do chênh lệch áp giữa mắt trước và mặt sau turbine cũng bằng lực T:

Do đó ta có: Áp dụng phương trình Bernoulli cho dòng không khí ở rất xa trước turbine và dòng không khí ở ngay trước turbine Sau đó áp dụng phương trình Bernoulli dòng không khí ở ngay sau turbine và cho dòng không khí ở rất xa sau turbine ta được: t s

Ta tìm được vận tốc của dòng không khí đi qua đĩa là:

V 2 a  V  Độ giảm động năng trên một đơn vị khối lượng của không khí khi qua turbine:

     Công suất turbine nhận được:

Lý thuyết tuyến tính cho cấu hình lá cánh thẳng

Áp dụng lý thuyết phần tử cánh đối với cấu hình lá cánh thẳng, khi đó ta có: r1 và  90 0 a) Tính toán cho lực T:

Ta có sin( ) cos( ) cos( ) sin( ) r r

Ta giả thiết chỉ xét góc tới nhỏ, do đó:

Khi đó từ các phương trình chung, qua các biến đổi toán học ta thu được các phương trình sau: + Hệ số lực đẩy trung bình:

Lý thuyết động lượng kép

Lý thuyết động lượng đĩa kép là một sự cãi thiện có quan hệ mật thiết với lý thuyết động lượng đĩa đơn hoặc mô hình đa ống dòng nhưng tại cùng một thời điểm, chúng ta có nhiều ẩn số hơn số phương trình vì vậy để giải nó bằng cách sử dịng riêng lẻ lý thuyết phần tử cánh là rất khó.

Lý thuyết ống dòng đơn có hạn chế là nó xem như vận tốc cảm ứng không đổi trong suốt quá trình dòng khí đi từ lá cánh này qua đến lá cánh khác ( tức là vận tốc cảm ứng ở vùng upstream và downstream là như nhau) Để tăng độ chính xác so với thực nghiệm, nên mô hình tính toán động lượng đĩa kép được ra đời.

Trong lý thuyết động lượng, dòng khí được giả sử là không nhớt, ổn định, một chiều và không xoay Newman đã đuwocj sử dụng các giả thuyết trên để chỉ ra được rằng hệ số công suất cực đại với mô hình đĩa kép là C pmax

25=0.64 so sánh với giới hạn của Betz là 16

27 ta thấy động lương đĩa kép cho ta một kết quả tốt hơn [tham khảo 17] a) Xây dựng các phương trình từ thể tích kiểm soát Áp suất tĩnh và vận tốc góc của dòng tĩnh ở xa vô cùng tiếp cận vào rotor là p ∞ và V ∞

[hinh] Áp suất ở đĩa 1 giảm từ giá trị p 2 sang p 1 hay p 2 >p 1 và kết quả sinh ra lực cản D 1 ; tương tự thì lực cản ở đĩa thứ 2 là D 2 là kết quả của sự giảm áp suất từ p 4 sang p 3 Phương trình động lượng được áp dụng cho các kết thể tích kiểm soát như các hình dưới đây.

Thể tích kiểm soát 1 ( hình vành khuyên)

Phương trình liên tục: ρ a 0 V ∞ =ρaV u =ρ a w V d =ρ a w V ''

Thể tích kiểm soát 4 và 5:

T 2 =(p 3 −p 4 )A b) Hệ số lực cản của đĩa trước ( upstream disk)

Từ 2 phương trình (3.4) và (3.5) ta được:

Kết hợp (3.13) và (3.14), thu được vận tốc tại sau đĩa 1: ρ V u ( V ∞ −V Ω )= 1 2 ρ(V ∞

Thay (3.17) vào (3.16), ta thu được:

Từ phương trình liên tục (3.6) ta thu được: a=AV d

Thay (3.19) vào (3.18) , ta thu được:

Tương tự cho thể tích kiểm soát 1 và 2, tìm được lực cản trên đĩa 1:

Hệ số lực cản C D1 tác dụng lên đĩa 1:

Biết rằng D 2 =T 2 và từ (3.7) và (3.20), thu được lực cản trên đĩa 2:

D 2 =T 2 =ρA V d ( 2V u −V ∞ −V '' ) c) Hệ số lực cản cho đĩa sau ( đĩa 2):

V ∞ như là hàm theo C D1 được:

Các ảnh hưởng trong thực tế đến hiệu suất của turbine

Một số các ảnh hưởng bên ngoài đến hiệu suất của turbine gió như aspect ratio, dòng downwash sẽ được xác định ở phần này. a) Tỉ số Aspect ratio:

Trong quá trình quay 360 0 quanh trục, biên dạng cánh sẽ phải trải qua trường hợp góc tới lớn. khi trường hợp này xảy ra, cánh turbine sẽ ở trong tình trạng stall, do đó chúng ta cần phải sử dụng số liệu thực nghiệm về hệ số lực nâng, hệ số lực cản, hệ số moment của biên dạng cánh để xác định góc tới mà ở đó cánh bị stall Tuy nhiên các số liệu này thường được đo đạc cho trường hợp cánh vô hạn do đó ta cần phải có các phép hiệu chỉnh để có thể sử dụng số liệu này cho một cánh hữu hạn có tỉ số aspect ratio xác định Chúng ta có phương pháp hiệu chỉnh Prandtl như sau:

Trong đó C L 0 và C D 0 hệ số lực nâng và hệ số lực cản của cánh dài vô hạn. b) Dòng downwash:

Trong cấu hình turbine gió nhiều lá cánh, theo chiều quay, lá cánh ở sau nằm trong dòng downwash từ lá cánh ở trước, do đó góc tới thực tế đến lá cánh bị giảm Người ta xác định hệ số lực nâng của lá cánh trong trường hợp có dòng downwash như sau:

  c) Độ cong của dòng Ảnh hưởng này không đáng kể: ít hơn 1%

Vận tốc cảm ứng

Thành phần vận tốc sau lá cánh upstream nhỏ hơn vận tốc môi trường cục bộ (V u < V ∞ ) Mặt phẳng giữa vùng downstream và upstream là vùng mà vận tốc cảm ứng cân bằng và V e < V u ; vì thế vận tốc cảm ứng sẽ giảm dọc theo trục của ống dòng theo hướng từ upwind sang downwind để mà thành phần vận tốc downwind có vận tốc nhỏ hơn vận tốc cân bằng tức là V d < V e Quan hệ 3 vận tốc nói trên theo vận tốc môi trường được biểu diễn như bên dưới.

Tại mặt phẳng giữa upstream và downstream:

Hình 1: mặt phẳng xích đạo được chia làm 2 nửa

+ vùng downstream : π/2≤ θ ≤3π/2 a) Tính toán cho phần upstream vùng upstream : −π/2≤ θ ≤ π/2 xét lưu lượng khối lượng khí qua một ống dòng: m=´ ρ V u A (4)

Giả sử ống dòng đang xét có chiều cao là h Ta được: m=´ ρ V u r ∆ θ|cosθθ|h (5)

Sự thay đổi vận tốc hay giảm vận tốc khi đi qua phần upstream gồm 2 giai đoạn, (1) dòng từ không khí đi vào đĩa và (2) dòng từ sau đĩa 1 qua mặt phẳng giữa 2 đĩa Do đó:

Tức là sau khi qua upstream thì dòng khí bị giảm vận tốc đi một lượng là 2a u V ∞ Theo phương pháp động lượng, sự thay đổi của lực khi qua phần upstream là:

∆ F= ´m△V u =ρV u r ∆ θ|cosθθ|h ×2a u V ∞ =ρ(1−a u )V ∞ r ∆ θ|cosθθ|h ×2a u V ∞ ¿>∆ F=2ρ a u (1−a u )V ∞ 2 r ∆ θ|cosθθ|h (7) Với lý thuyết phần tử cánh, ta đã tìm đuợc phương trình (10)

Chiếu lên không gian Đề-các ta được:

Kết hợp với ∆ F được tính từ lý thuyết động lượng (7) và ∆ F được tính từ lý thuyết phần tử cánh (10) ta được:

4πρ W 2 ch ( C N cosθθ−C T cosθδ sθinθθ ) ∆ θ ¿>a u (1−a u )= Bc W

8π V ∞ 2 ( C N | cosθθ cosθθ | −C T | cosθθ sθinθθ | cosθδ ) (11)

Trong đó với C N và C T được nội suy từ dữ liệu của từng biên dạng cánh phụ thuộc vào α và Reynolds Gọi ℜ u là số Re cục bộ:

Với ν là độ nhớt động lực học và ν=1.85×10 −6 Pa sθ b) Tính toán cho downstream

Tương tự như trên ta có: a d (1−a d )= Bc W d

Vận tốc cảm ứng phía sau của vùng downstream là:

Hệ số dày đặc cục bộ được định nghĩa theo: σ ' = Bc

Mô hình hiệu chỉnh

Việc xác định au và ad bằng cách giải 2 phương trình bậc 2 là a u (1−a u )= Bc W

8π V ∞ 2 ( C N | cosθθ cosθθ | −C T | cosθθ sθinθθ | cosθδ ) a d (1−a d )= Bc W d

Từ đó, có thể xác định được đặc tính của tua bin Nhưng những hệ số này > 0.5 thì hai công thức này không còn đúng nữa do đó ta cần hiết lập mô hình hiệu chỉnh:

Mô hình hiệu chỉnh Glauert có dạng:

Một vấn đề sinh ra khi áp dụng hệ số hiệu chỉnh F(tip/hub correction factor) để cân bằng phương trình động lượng cổ điển:

C T =4aF(1−a) Đạo hàm C T theo a: dC T da =4F−8aF=4F(1−2a)

Khi đó mô hình hiệu chỉnh Glauert bị gián đoạn ( không liên tục)

Sau đó mô hình Glauert hiệu chỉnh được đưa ra nhằm hiệu chỉnh điều đó Giả sử dạng tổng quát của hệ số lực đẩy dạng phương trình bậc 2 là:

Với a=0.4, có các phương trình:

Cân bằng các phương trình trên:

Với a=1, vì giả thuyết dạng đường C T là phương trình bậc 2 nên ta được thêm phương trình:

Giải hệ phương trình 3 ẩn số ta có:

Cuối cùng mô hình Glauert hiệu chỉnh có dạng:

Lâm Hoàng Long

Lý thuyết phần tử cánh

Hình 1: Turbine gió trục đứng.

- Xem xét thành phần vận tốc đến phần tử cánh

Hình 2: Vận tốc đến phần tử cánh.

Hình 3: Phân tích thành phần vận tốc.

- Vận tốc tương đối đến mỗi phần tử cánh:

- Góc tới đến mỗi phần tử cánh: tan∝=Vcosθθsθinθβ rw−Vsθinθθ

- Xem xét biên dạng cánh 2D để tính toán cho các hệ số lực nâng và lực cản trên các phần tử cánh.Từ hệ số lực nâng và hệ số lực cản tính được hệ số lực pháp tuyến C N và hệ số lực tiếp tuyến C T

Hình 4: Hệ số lực nâng và lực cản trên phần tử cánh.

 Hệ số C T được xem là dương khi mà hướng của nó tới mũi cánh dọc theo đường dây cung cánh.

- Gió thổi qua cánh Turbine làm nó dịch chuyển.

Hình 5: Chuyển động của lá cánh khi gió thổi đến.

- Xem xét chuyển động của lá canh theo phương mặt cắt ngang:

Hình 6: Những phần tử lực trên cánh theo phương ngang.

- Phần tử cánh xem xét có chiều dài dây cung cánh là c và chiều cao là dz, vậy diện tích phẳng của nó là cos cdz ⁡ (δ

 Diện tích này chịu một phần lực pháp tuyến là dN và một phần lực tiếp tuyến là dT:

{ dN dT = =C C T N q q cosθδ cosθδ cdz cdz (1)

Hình 7: Các phần tử lực trong mặt phẳng ngang khi lá cánh quay.

{ d F a :Thànθh phầnθ lựctheo phươnθg quay(sθonθg sθonθg với V ∞ )=( dN cosθδ)cosθθ+dTsθinθθ d F t :Thànθh phầnθ lực theo phươnθg hướnθg trục(vuônθg góc với V ∞ )=−( dN cosθδ ) sθinθθ+ dTcosθθ (2)

{ d F d F t a =qc =qc ( −C ( C N N cosθθ+ sθinθθ+ C C T T cosθδ sθinθθ cosθθ cosθδ ) ) dz dz

- Thành phần lực d F a theo phương quay tạo nên moment quay trục Turbine: dQ=r qc ( C N cosθθ+ C T cosθδ sθinθθ ) dz

- Khi rotor quay với vận tốc góc Ω , công suất turbine nhận được từ phần tử cánh: dP=ΩdQ=Ωr qc ( C N cosθθ+C T cosθδ sθinθθ ) dz

Ảnh hưởng của tổn thất mũi cánh

Tổn thất mũi cánh là hiện tượng mất lực nâng vùng mũi cánh và làm giảm công suất của

Có rất nhiều lý thuyết phức tạp được đưa ra để tính hệ số tổn thất mũi cánh, tuy nhiên lý thuyết của Prandtl là ít phức tạp nhất.

Vận tốc gió đến mũi cánh được chia ra làm hai phần: Spanwise và downwash.

Nguồn: http://www.esru.strath.ac.uk/EandE/Web_sites/05-06/marine_renewables/technology/ hydrodynamics.htm

- Thành phần vận tốc Spanwise :

Nguyên nhân do sự mở rộng của ống lưu tuyến gần đầu mũi cánh. Ở phần mũi cánh, lực nâng bị giảm nhiều, nên moment quay và công suất toàn thể của Turbine phải nhỏ hơn so với lý thuyết Chính vì vậy, để cân bằng, người ta phải đưa thêm vào một hệ số điều chỉnh F, gọi là hệ số tổn thất mũi cánh.

Hệ số tổn thất mũi cánh F, được xác định bằng công thức sau đây của Prandtl:

Hình 8: Phân tích vận tốc ở mũi cánh.

Vận tốc V u đến cánh chia làm hai thành phần { V V u u cosθθ sθinθθ với θ là góc phương vị.

Sau khi chiếu xuống mặt phẳng cắt ngang, trở thành { V u sθinθθcosθδ

V u cosθθcosθδ với δ là góc hợp bởi lá cánh và phương thẳng đứng.

Frandtl đưa ra hệ số tổn thất mũi cánh F là thành phần tác động trực tiếp lên thành phần vận tốc theo phươn song song với cánh tay đòn r.

Từ Hình 7, ta xác định được thành phần vận tốc tương đối ở mũi cánh:

W u =√ (wr + | V u | cosθθcosθδ ) 2 +( F | V u | sθinθθcosθδ) 2 Ở phần trước, ta đã tính ra được công suất Turbine nhận được xét cho một phần tử cánh theo lý thuyết là: dP=ΩdQ=Ωr qc ( C N cosθθ+C T cosθδ sθinθθ ) dz

Khi có tổn thất mũi cánh, công suất Turbine nhận được tính cho một phần tử cánh là: d P ' =F dP=F Ωr qc ( C N cosθθ+C T cosθδ sθinθθ ) dz = 2 π arccose − ( B 2 × | H z 2 | sin∝ − | z | ) Ωr qc

- Thành phần vận tốc downwash:

Tác động lên bề mặt khí động của cánh. Ảnh hưởng của thành phẩn này là làm giảm góc tới của cánh, từ đó làm giảm lực nâng và lực cản.

Hình 9: Thành phần vận tốc downwash làm giảm góc tới.

∝ eff =∝−∝ i Ứng với ∝ eff ta suy ra được C L (eff) tương ứng.

Lực cản gồm hai thành phần: lực cản khi không có lực nâng và lực cản khi có lực nâng (lực cản cảm ứng).

Với k = (1+ πAR δ ) δ là hệ số giảm lực cản, phụ thuộc vào AR, có thể xác định bằng cách tra đồ thị:

Lựa chọn biên dạng cánh

NACA (National Advisory Committee For Aeronautics) - Ủy ban cố vấn ngành hàng không quốc gia Mỹ NACA quy định thiết kế các cánh turbine gió có biên dạng theo từng bộ, thường có các bộ cánh như sau:

Bộ cánh NACA 4 số, 5 số Các NACA có thể cho phép phân tích, tính toán độ cong đường trung bình, phân bố độ dầy cánh dọc theo chiều dài dây cung Về sau có NACA 6 số cho phép biểu diễn cánh phức tạp hơn Trước khi các chuỗi cánh

NACA phát triển các cánh thường được các nhà thiết kế thực hiện nhiều lần trong phòng thí nghiệm để điều chỉnh biên dạng cánh theo yêu cầu.

Trước khi tiến tới ứng dụng các bộ cánh vào yêu cầu thực tế Ta cần biết ưu điểm, nhược điểm từng loại cánh như bảng thống kê sau:

Bộ NACA Ưu điểm Nhược điểm Áp dụng

4 số - Phú hợp độ cao.

- Trung tâm áp lực trên mặt cắt ngang nhỏ.

- Độ nhám ảnh hưởng nhỏ.

- Hệ số lực nâng nhỏ.

- Lực cản tương đối lớn.

5 số - Hệ số lực nâng lớn.

- Độ nhám ảnh hưởng nhỏ.

- Động học theo độ cao kém.

- Lực cản tương đối lớn.

- Hoạt động áp lực cao.

6 số - Hệ số lực nâng lớn.

- Hệ số cản rất nhỏ.

- Rất phù hợp tốc độ cao.

- Không tối ưu được lực cản.

- Độ nhám ảnh hưởng lớn.

- Chịu được áp lực lớn.

7 số - Lực cản rất nhỏ.

- Độ nhám ảnh hưởng lớn

 Chọn bộ NACA 4 số để làm bộ cánh thiết kế cho Turbine.

Bộ NACA đầu tiên đƣợc các nhà thiết kế tạo ra là bộ 4 số.

- Chỉ số đầu tiên biểu thị độ cong lớn nhất (m - phần trăm trên chiều dài dây cung).

- Chỉ số thứ hai biểu thị vị trí độ cong lớn nhất (p - phần mười trên chiều dài dây cung).

- Còn hai số cuối biểu thị độ dày tối đa (t - phần trăm trên chiều dài dây cung).

Theo tài liệu “Lift augmentation for vertical axis wind turbines” (Pertl F.A, Clarke M.A, Smith J.E Angle II G.M), một thiết kế với hệ số dày đặc cao sẽ không thể nào đạt được vận tốc mũi cao, mà nếu vận tốc mũi bị giới hạn sẽ kèm theo sự giới hạn về công suất Ngược lại nếu hệ số dày đặc càng nhỏ thì công suất sinh ra càng nhỏ do diện tích bề mặt quét của biên dạng cánh bị giới hạn.

Beri và Yao đã thực hiện các phân tích so sánh khác nhau với nhiều hệ số dày đặc khác nhau bằng phương pháp thực nghiệm trên nhiều loại Turbine gió trục đứng cánh thẳng có công suất khác nhau Từ đó Beri và Yao đã rút ra được miền giá trị tối ưu của hệ số dày đặc là σ =0.2 ÷ 0.4 cùng với miền tỉ số vận tốc mũi tương ứng là λ=3.5 ÷ 4.5 Dựa vào miền giá trị này, ta khảo sát giá trị C Pmax theo sự ràng buộc về phạm vi miền giá trị của σ và λ cho một số biên dạng cánh. Khảo sát một số biên dạng cánh nổi bật có hệ số dày đặc σ=0.2÷0.4.

Chọn λ=3.5 để đánh giá thì C Pmax của NACA 0012 không đạt hiệu quả bằng NACA 0015, NACA 0018, NACA 0021.

Tiếp tục so sánh, có thể thấy rằng C Pmax của NACA 0018 và NACA 0021 nhỏ hơn NACA 0015 nhưng giá trị chênh lệch là rất nhỏ.

Ta tiếp tục so sánh đến khả năng tự khởi động của từng biên dạng cánh, theo tài liệu “Self starting capability of an H-type vertical axis wind turbine using unsteady numerical simulation” (Thi Hong Hieu Le, Dang Khuong Vo, Van Trong Nguyen, Phat Tai Tran, Chi Cong Nguyen) Khả năng tự khởi động của từng biên dạng cánh xếp theo thứ tự từ thấp đến cao như sau:

NACA0012−NACA0015−NACA0018−NACA0021Dễ nhận thấy NACA 0021 có khả năng tự khởi động tốt nhất.

Vậy, chọn NACA 0021 là biên dạng cánh thiết kế vì có hệ số công suất tối ưu và khả năng tự khởi động nổi bật nhất.

Một số kế quả về chuổi giá trị C Pmax −λ−σ của biên dạng cánh NACA 0021

Hệ số dày đặc σ Tỉ số vận tốc mũi λ C Pmax Chiều dài dây cung cánh c (m)

He so day dac - Cp(max)

He so day dac - Cp(max)

Biểu đồ Hệ số dày đặc - C Pmax

Từ đồ thị, để C Pmax =0.447, chọn σ =0.4.

Ti so van toc mui-Cp(max)

Ti so van toc mui-Cp(max)

Ti số vận tốc mũi

Từ đồ thị, để C Pmax =0.447 chọn λ=3.

C p( m ax ) Đồ thị co cánh- C Pmax

Từ đồ thị, để C Pmax =0.447 chọn c= 0.267(m ).

Trần Hà Nam

Cơ sở lý thuyết sức bền vật liệu

Các giả thiết đối với vật liệu

Việc đưa ra các giả thuyết nhằm đơn giản hóa các bài toán kết cấu Vì trong thực tế, bài toán kết cấu của turbine gió rất phức tạp Môn học sức bền vật liệu đã dựa trên một số giả thuyết cơ bản về vật liệu nhằm lược bỏ những tính chất không cơ bản của nó Những giả thuyết này giúp cho việc tính toán được đơn giản mà vẫn đảm bảo mức độ sai số không quá lớn so với thực tế, phù hợp với các tính chất cơ bản của vật liệu thực Thông thường, hình dạng vật rắn được nghiên cứu có dạng thanh thẳng, thanh cong hoặc thanh bất kỳ Vật liệu cấu tạo nên thanh có thể là các kim loại như thép, gang,…

3.1.1.1 Giả thuyết 1: Vật liệu có tính liên tục, đồng chất và đẳng hướng

Một vật liệu được xem là liên tục và đồng nhất khi trong thể tích của vật thể đều có vật liệu (hoàn toàn không có khe hở) và tính chất của vật liệu ở mọi điểm trong vật thể đều như nhau.

Tính đẳng hướng của vật liệu nghĩa là tính chất của vật liệu theo mọi phương đều như nhau Giả thuyết này cho phép ta áp dụng phép tính tích phân trong quá trình tính toán và có thể nghiên cứu với một phân tố bé để suy rộng ra cho cả vật thể lớn Ta gọi vật thể có tính chất đẳng hướng khi tính chất cơ lý của vật liệu theo mọi phương là như nhau Ðối với kim loại ta có thể xem là những vật liệu đẳng hướng Tuy nhiên đối với những vật liệu khác như chất dẻo, gỗ, tre vì tính chất cơ lý của chúng theo những phương rất khác nhau nên ta không thể xem chúng là đẳng hướng Ta gọi đó là những vật liệu không đẳng hướng và trong quá trình tính toán phải chú ý tính chất không đẳng hướng của chúng.

3.1.1.2 Giả thuyết 2: Giả thuyết vật liệu làm việc trong giai đoạn đàn hồi và tính đàn hồi của vật liệu xem là đàn hồi tuyệt đối

Trọng thực tế, dù lực bé đến đâu, vật liệu cũng không có tính đàn hồi tuyệt đối Song qua thực nghiệm cho thấy: Khi lực chưa vượt quá một giới hạn nhất định thì biến dạng dư trong vật thể là bé nên có thể bỏ qua được và biến dạng của vật thể được xem là tỷ lệ thuận với lực gây ra biến dạng đó.

Giả thuyết thứ 2 này cũng là điều nêu rõ phạm vi nghiên cứu của môn sức bền vật liệu, nghĩa là trong suốt toàn bộ phần tính toán của luận văn ta chỉ tính toán khi vật liệu còn làm việc trong giai đoạn đàn hồi và xem tương quan giữa lực và biến dạng là bậc nhất (Ðịnh luật Hook).

3.1.1.3 Giả thuyết 3: Biến dạng của vật thể do ngoại lực gây ra được xem là bé

Giả thuyết này thừa nhận được vì trong thực tế biến dạng của vật thể so với kích thước của chúng nói chung là rất nhỏ Từ giả thiết này, trong quá trình chịu lực, trong nhiều trường hợp, ta có thể xem điểm đặt của ngoại lực là không thay đổi khi vật thể bị biến dạng.

Biến dạng và chuyển vị bé: điều kiện cứng đòi hỏi biến dạng và chuyển vị lớn nhất của vật thể phải nằm trong một giới hạn tương đối nhỏ Giả thiết biến dạng bé và đàn hồi tuyến tính thường đi với nhau Khi biến dạng lớn thì vật liệu thể hiện tính chất đàn hồi phi tuyến hoặc đàn hồi dẻo và bài toán trở nên phức tạp Khi vật thể có chuyển vị bé và vật liệu đàn hồi tuyến tính thì có thể áp dụng nguyên lý Cộng tác dụng.

Nguyên lý Cộng tác dụng: Một đại lượng do nhiều nguyên nhân đồng thời gây ra bằng tổng đại lượng đó do tác động của các nguyên nhân riêng lẻ gây ra Nghĩa là nếu một thanh, dầm chịu đồng thời uốn, kéo và xoắn thì thì ta chỉ cần kiểm tra bền cho từng trường hợp hoặc tìm tổng ứng suất của các trường hợp sau đó so sánh với các chuẩn bền.

Hình 3.1 Nguyên lý cộng tác dụng

Lý thuyết bền của vật liệu

Để kiểm tra độ bền ở một điểm ở một điểm của vật thể ở trạng thái ứng suất phức tạp (phẳng hay khối), ta cần phải có kết quả thí nghiệm phá hỏng những mẫu thử ở trong trạng thái ứng suất tương tự Tuy nhiên việc thực hiện những thí nghiệm như vậy rất phức tạp vì ứng suất nguy hiểm của vật liệu không chỉ phụ thuộc vào độ lớn ứng suất chính mà còn phụ thuộc vào tỷ lệ giữa những ứng suất này Bên cạnh đó, các thí nghiệm kéo, nén theo ba chiều đòi hỏi những thiết bị phức tạp, không phổ biến rộng rãi như những thí nghiệm kéo nén một chiều Do đó, người ta không thể căn cứ vào thí nghiệm trực tiếp mà phải dựa trên các phán đoán về nguyên nhân gây ra phá hỏng và giả thiết về độ bền của vật liệu hay còn gọi là những thuyết bền Thuyết bền là những giả thiết về nguyên nhân cơ bản của sự phá hoại vật liệu, không phụ thuộc vào trạng thái ứng suất của vật liệu, nhờ đó ta có thể đánh giá được độ bền của vật liệu ở mọi trạng thái ứng suất khi ta chỉ biết độ bền của vật liệu ở trạng thái ứng suất đơn.

3.1.2.1 Thuyết bền ứng suất pháp lớn nhất

Thuyết bền này chỉ ra rằng nguyên nhân gây ra sự phá hỏng của vật liệu là do ứng suất pháp lớn nhất vượt qua ứng suất giới hạn nguy hiểm ở trạng thái ứng suất đơn Với ứng suất tính toán được là σt1, ta có điều kiện bền như sau:

Trong đó σ0k là ứng suất kéo tới hạn nguy hiểm σ0n là ứng suất nén tới hạn nguy hiểm n là hệ số an toàn

Nhận xét: Ra đời sớm nhất nhưng thuyết bền này chỉ đúng với trường hợp vật chỉ chỉ chịu lực theo một phương nhất định Trong thực tế, vật chịu tác động của cả ba phương nên thuyết bền thứ nhất không còn chính xác cho các trường hợp thực tế nữa.

3.1.2.2 Thuyết bền biến dạng dài tương đối lớn nhất

Theo thuyết bền này, nguyên nhân gây ra sự phá hỏng của vật liệu là do biến dạng dài lớn nhất của vật thể trong trường hợp ứng suất khối đạt đến biến dạng dài ở trạng thái tới hạn nguy hiểm khi chịu ứng suất đơn Thuyết bền này căn cứ vào độ biến dạng của vật thể.

Theo định luật Hook ta có:

:biến dạng dài của vật liệu

: biến dạng tới hạn nguy hiểm

Tiêu chuẩn bền thứ hai được kiểm nghiệm:

Nhận xét: Có tiến bộ hơn thuyết bền trước vì có tính đến ảnh hưởng của cả ba ứng suất chính.

Tuy nhiên thuyết bền này không đúng trong trường hợp mẫu thử chịu áp lực theo ba phương.Trong thực tế thuyết bền này chỉ đúng với vật liệu dòn và ngày nay ít được sử dụng.

3.1.2.3 Thuyết bền ứng suất tiếp cực đại

Thuyết bền này chỉ ra rằng, nguyên nhân gây ra sự phá hủy vật liệu là do ứng suất tiếp lớn nhất của vật thể đạt trạng thái ứng suất khối tới hạn nguy hiểm của vật chịu ứng suất đơn.

Tiêu chuẩn bền này được thể hiện:

Trong đó: τmax là ứng suất tiếp lớn nhất của nhân tố ở trạng thái ứng suất khối Τ0 là ứng suất tiếp nguy hiểm của nhân tố bị kéo theo một phương

Thay vào công thức trên, ta có:

Công thức kiểm nghiệm độ bền theo thuyết bền thứ ba:

Nhận xét: Thuyết bền này phù hợp với thực nghiệm hơn so với hai thuyết bền trước, thích hợp đối với các vật liệu dẻo Ngày nay được sử dụng nhiều cho tính toán cơ khí, phù hợp với kết quả của mẫu thử chịu áp lực theo cả ba phương.

3.1.2.4 Thuyết bền thế năng biến đổi hình dáng cực đại

Thuyết bền này chỉ ra rằng, nguyên nhân gây ra sự phá hỏng vật liệu là thế năng biến đổi hình dáng của vật thể ở trạng thái ứng suất khối tới thế năng biến đổi hình dáng ở trạng thái nguy hiểm của vật thể ở trạng thái ứng suất đơn.

Giới hạn bền: , nếu như kể đến hệ số an toàn, ta có:

Lấy căn bậc hai của hai vế của công thức trên ta có công thức kiểm tra giới hạn bền như sau:

Trong đó σt4 là ứng suất tương đương tính được theo thuyết bền thứ tư Thuyết bền thế năng biến đổi hình dáng được dùng phổ biến trong kỹ thuật và khá phù hợp với vật liệu dẻo Bên cạnh đó thuyết bền này cũng khá phù hợp với thực tế, đặc biệt trong trường hợp mẫu thử chịu áp lực theo cả ba phương.

3.1.2.5 Tiêu chuẩn bền ứng dụng trong phân mềm ABAQUS

Trong vật lý và công nghệ vật liệu, biếng dạng dẻo là biến dạng của một vật liệu chịu sự thay đổi hình 3.2 Dạng không thể đảo ngược lại dưới tác dụng của một lực Vis dụ một kim loại hay chất dẻo bị uốn cong hay đập thành hình 3.2 Hình dạng mới thể hiện sự thay đổi vĩnh viễn bên trong chính vật liệu Trong kỹ thuật , sự thay đổi hình dạng từ trạng thía đàn hồi này sang trang trạng thái chảy dẻo được gọi là sự chảy dẻo (yeild)

Biến dạng dẻo được nhận thấy ở hầu hết các loại vật liệu bằng kim loại, đất đá, bê tông Với nhiều kim loại dẻo , tải trọng kéo tác dụng lên mẫu sẽ khiến chúng đáp ứng một cách đần hồi, ứng với mỗi sự gia tăng tải là một sự gia tăng độ lớn dãn tương ứng, và khi tải được bỏ ra, mẫu trở về chính xác kích cỡ ban đầu Tuy nhiên khi tải vượt quá một giới hạn nào đó (độ bền dẻo), sự gia tăng nhanh hơn so với vùng đàn hồi, khi tải kết thúc tác dụng, một phần của độ dài vẫn được giữ lại Biến dạng dẻo hoàn toàn là một tính chất của vật liệu chịu biến dạng khổng thể đảo ngược mà không có sự gia tăng trọng lượng hay ứng suất nào Nhìn chung biến dạng dẻo phụ thuộc vào tốc độ biến dạng, tức là để gia tăng tốc độ biến dạng thì cần phải đặt vào một ứng suất lớn hơn.

Hình 3.2: Ứng suất và biến dạng

Các tiêu chuẩn chảy dẻo :

Hình 3.3: Tiêu chuẩn Tressca và Von Mises

Nếu ứng suất vượt quá một giá trị tới hạn, vật liệu sẽ bị biến dạng dẻo Ứng suất tới hnạ này có thể là kéo hoặc nén Tiêu chuẩn Tressca và Von Mises thường được sử dụng để định xem vật liệu đã bị chảy dẻo hay chưa Tuy nhiên những tiêu chuẩn này tỏ ra chửa đủ để đáp ứng cho một lượng lớn các loại vật liệu và một số tiểu chuẩn khác được sử dụng rộng rãi. a Tiêu chuẩn Tressca

Tiêu chuẩn này dựa trên giả thiết rằng vật liệu bị hư hỏng là do sự trượt, đây là giả thiết tốt đối với kim loại Với trạng thái ứng suất chính, ta có thể dùng vòng tròn Mohr để tính ra ứng suất trượt cực đại mà vật liệu sẽ chịu được và kết luận vật liều sẽ hư hỏng nếu:

Trong đó:  1 : ứng suất cực đại

0: ứng suất tại đó vật liệu sẽ bị hư hỏng khi chịu tải đơn trục.

Bên trong chảy dẻo là biến dạng đàn hồi, bên ngoài là biến dạng dẻo b Tiêu chuẩn Von Mises:

Tiêu chuẩn này dựa trên tiêu chuẩn Tressca nhưng có thêm giả thiết là ứng suất tĩnh không gây ra phá hủy vật liệu Von Mises tính ra ứng suất hiệu dụng khi chịu tải đơn trục, trừ đi ứng suất tĩnh, và cho rằng mọi ứng suất hiệu dụng lớn hơn mà gây ra phá hủy khi chịu tải đơn trục sẽ kéo theo biến dạng dẻo.

Các hình dáng của vật thể được nghiên cứu trong sức bền vật liệu

Các bộ phận công trình hay chi tiết máy có những hình dạng rất khác nhau Tuy nhiên tùy theo kích thước của chúng trong không gian ta có thể chia chúng ra làm ba loại khác nhau:

- Khối: là vật thể có kích thước theo ba phương cùng lớn tương đương nhau Ví dụ: thân máy,…

- Tấm và vỏ: là những vật thể có kích thước theo hai phương rất lớn so với phương thứ ba.

Ví dụ: vỏ tàu, vỏ ô tô, vỏ nồi hơi,…

- Thanh: là những vật thể có kích thước theo một phương rất lớn so với hai phương còn lại.

Ta gọi quỹ tích tâm của mặt cắt ngang của thanh là trục của thanh Trong tính toán người ta thường biểu diễn thanh bằng đường trục của nó và gọi là sơ đồ thanh Tùy theo hình dạng của trục thanh ta chia ra :

+ Thanh thẳng: thanh có trục là đường thẳng.

+ Thanh cong: thanh có có trục là đường cong.

+ Khung phẳng: thanh có trục gãy khúc cùng nằm trong một mặt phẳng.

+ Khung không gian: thanh có trục gãy khúc không nằm trong một mặt phẳng [14]

Hình 3.4 Vật thể dạng khối

Hình 3.5 Vật thể dạng tấm, vỏ

Hình 3.6 Các dạng trục thanh

Các loại biến dạng

Khi thanh chịu tác dụng bởi những lực đặt dọc theo chiều trục của thanh làm cho thanh bị dãn dài ra hoặc co ngắn lại Trong quá trình biến dạng, trục của thanh vẫn thẳng Ðường nét đứt trên hình vẽ biểu diễn hình dáng của thanh sau biến dạng.

Xuất hiện khi thanh chịu tác dụng bởi những lực vuông góc với trục của thanh làm cho trục thanh khi biến dạng bị cong đi.

Khi ngoại lực nằm trong các mặt phẳng vuông góc với trục thanh và tạo nên ngẫu lực trong mặt phẳng đó làm cho thanh bị xoắn Sau biến dạng những đường sinh trở thành đường xoắn ốc (thanh trụ).

Xảy ra dưới tác dụng của ngoại lực, một phần này của thanh có xu hướng trượt đối với phần khác Ví dụ như trường hợp chịu lực của đinh tán Ngoài những trường hợp đơn giản đó, trong thực tế ta còn gặp những trường hợp thanh chịu lực phức tạp, biến dạng của thanh có thể là đồng thời nhiều biến dạng nêu trên.

Moment quán tính của hình học phẳng

3.1.5.1 Định nghĩa về momen quán tính hình học

Xét một hình phẳng có diện tích S nằm trong mặt phẳng và hệ trục tọa độ xOy đi qua trọng tâm của hình Nếu lấy tích phân biểu thức y 2 dS, x 2 dS trên toàn bộ diện tích S ta được:

Ta có: Ix, Iy được gọi là momen quán tính hình học của hình phẳng diện tích S đối với trục Ox và Oy.

3.1.5.2 Momen quán tính của một số hình đơn giản

Một hình chữ nhật có chiều dài là h, chiều rộng là b Hệ trục quán tính chính trung tâm là Oxy, trong đó trục x song song với cạnh b, trục y song song với cạnh h Ta xác định được công thức momen quán tính hình học của hình chữ nhật đối với trung tâm trục x:

Bằng phương pháp tương tự, ta tính được momen quán tính của hình chữ nhật đối với trung tâm trục y:

Hình 3.11 Momen quán tính hình chữ nhật

- Hình tròn Để đơn giản, ta tính momen quán tính của hình tròn đối với điểm C (trọng tâm của mặt cắt), theo định nghĩa:

Trong đó chọn dF là hình được giới hạn bởi hai đường tròn có bán kính ρ, (ρ + dρ) và hai đường bán kính lập với trục x góc υ, (υ + dυ).

Hình 3.12 Momen quán tính hình tròn

Thay vào công thức phia trên, ta được:

Vì tính đối xứng của hình tròn, ta có Ix = Iy Mà: I0 = Ix + Iy

Từ đó ta có công thức momen quán tính của hình tròn:

Momen quán tính của hình vành khăn đối với trục trung tâm bất kỳ x của hình bằng hiệu momen quán tính của hình tròn có đường kính lớn với moemn quán tính của hình tròn có đường kính nhỏ, tức là:

Với η là tỷ số giữa hai bán kính hoặc tỷ số giữa hai đường kính nhỏ và lớn:

Hình 3.13 Momen quán tính hình vành khăn

Cơ sở lý thuyết về dao động cơ học

Khái niệm về hệ đa bậc tự do

Từ thực tế, có thể tóm tắt định nghĩa một cách ngắn gọn về dao động: Dao động là một quá trình cơ học, trong đó có ít nhất một đại lượng vật lý thay đổi theo thời gian, lặp đi lặp lại xung quanh một vị trí cân bằng Các đại lượng có thể là vị trí, vận tốc, gia tốc, năng lượng, ứng suất,… Trong kỹ thuật, dao động có thể vừa có hại, cũng vừa có lợi Hại khi dao động làm giảm độ bền của máy, gây ra hiện tượng mỏi của vật liệu, dẫn đến phá hủy làm ảnh hưởng tuổi thọ của công trình Lợi khi dao động được sử dụng để tối ưu hóa một số kỹ thuật như dầm, rung,…

Trong dao động học, có thể thấy mô hình lò xo có gắn khối lượng là mô hình phổ biến nhất, là nền tảng ban đầu cho việc phân tích dao động Khi đó hệ lo xo đang xét chỉ có dao động lên và xuống, được định nghĩa là hệ có một bậc tự do Tuy nhiên, có nhiều trường hợp xảy ra phức tạp hơn, hệ lúc này có thể dịch chuyển, dao động theo nhiều hướng Từ đó, khái niệm về hệ đa bậc tự do được hình thành [16]

Hình 3.14 Hệ lò xo đa bậc tự do [16]

Ví dụ một hệ đa bậc tự do như hình, phương trình dao động của hệ là:

Phương trình dao động này được đưa thành dạng ma trận như sau:

Dạng cụ thể của ma trận này có công thức:

Với [M], [C] và [K] lần lượt là ma trận khối lượng, ma trận cản và ma trận độ cứng của hệ.

Từ phương trình ma trận trên, ta có thể tìm được trị riêng và véc-tơ riêng của hệ Từ trị riêng và véc-tơ riêng sẽ xác định được tần số tự nhiên và các mode dao động của hệ.

Tần số dao động tự nhiên của vật

Tần số dao động tự nhiên là tần số của một hệ thống xuất hiện khi hệ có xu hướng dao động khi chịu tác động của ngoại lực Tần số dao động tự nhiên xảy ra trên vật liệu có tính đàn hồi, bất kì dao động tự do nào xảy ra trên vật thể làm vật thể dao động tự nhiên ở một tần số thì ta có tần số tự nhiên của vật thể đó Tần số của dao động tự nhiên khác với tần số của dao động do tác dụng lực (forced frequency) Khi tần số dao động do tác dụng lực trùng với tần số do dao động tự nhiên thì lúc này biên độ dao động của hệ tăng gấp bội, từ đó sẽ dần gây ra hiện tượng cộng hưởng.[17]

Công thức xác định tần số tự nhiên:

Hình 3.15 Cộng hưởng xảy ra làm cầu Tacoma bị phá hủy năm 1940 [18]

Các mode dao động của vật

Mode dao động là đặc trưng hình học cho hình dạng của vật thể khi chịu một tần số tự nhiên nào đó của hệ Đối với các hệ phức tạp như hệ có nhiều bậc tự do, ứng với mỗi tần số tự nhiên hệ sẽ có một mode dao động khác nhau Trong thực tế, đối với các công trình xây dựng, khó có thể quan sát được hình dạng của các mode dao động mà chỉ có thể làm những thí nghiệm nhỏ để biết được các mode dao động Sử dụng những phần mềm mô phỏng cũng là một cách phổ biến để quan sát được các mode dao động của vật.

Hình 3.16 Các mode dao động của một ngàm chữ I được cố định một đầu [19]

Hình 3.15 Lý thuyết và thực tế trong thí nghiệm về mode dao động của dầm7 [20]

Từ thí nghiệm như hình 3.4, ta thấy được thí nghiệm trong thực tế hình dạng của các mode dao động xảy ra như thế nào Ở thí nghiệm này, khi đã xác định được mode hình dạng của dầm thì khi cấp một tần số nhất định vào dầm., về mặt lý thuyết, dầm sẽ có xu hướng biến đổi hình dạng như hình Khi đó, người ta sẽ kiểm chứng trong thực tế bằng cách rải cát đều lên cả thanh dầm Sau đó cấp tần số vào dầm, cát sẽ từ từ dịch chuyển tập trung lại về những vị trí có biên độ bằng không Từ đó có thể kết luận mode hình dạng giữa lý thuyết với thực tế là đồng đều và chính xác.

Thiết kế sơ bộ của turbine gió trục đứng và xác định các tải lực lên cánh

Thiết kế sơ bộ turbine gió trục đứng

Phần này nhận được kết quả khảo sát từ nhóm phụ trách phần khí động của turbine gió Ta có thể đưa ra một mô hình thiết kế sơ bộ như sau:

- Kiểu dáng: Turbine gió trục đứng cánh thẳng.

- Chiều dài dây cung cánh Chord: 0.22 m.

- Chiều dài sải cánh span: 5.8 m

- Vận tốc gió tại thời điểm làm việc: 6.5 m/s

Hình 3.18 Biên dạng cánh NACA 0021, c = 0.22 m [21]

Hình 3.19 Mô hình minh họa cho turbine gió từ phần mềm CATIA

Turbine gió thiết kế theo yêu cầu của thiết kế sơ bộ trên cần phải đảm bảo đủ bền trong quá trình làm việc Ngoài ra kết cấu cũng phải nhẹ và giá thành thấp Bên cạnh đó, phải thiết kế đủ bền khi điều kiện ngoại lực vượt cao hơn so với thời điểm ngoại lực bình thường (chịu gió bão) Trong thiết kế để đảm bảo có một mô hình phù hợp với thực tế và có độ ttin cậy cao.Chính vì vậy vật liệu để làm turbine cần phải có sự lựa chọn tốt nhất.

Giới thiệu vật liệu sử dụng cho wind turbine

Do tính chất thiết kế của hướng đến là phù hợp cho điều kiện kinh tế của người Việt Nam nên vật liệu thiết kế được chọn không cần quá cao cấp nhưng vẫn phải đảm bảo được các yếu tố cần thiết như giá thành chế tạo rẻ, có độ bền tương đối và chịu được các lực tác động để hoạt động bình thường Sau quá trình tìm hiểu và lựa chọn, có ba loại vật liệu được lựa chọn để đưa vào thiết kế cho các thành phần chính của turbine gió trục đứng.

Thép cacbon là một loại thép có hai thành phần cơ bản chính là sắt và cacbon, trong khi các nguyên tố khác có mặt trong thép cacbon là không đáng kể Thành phần phụ trợ trong thép cacbon là mangan (tối đa 1.65%), silic (tối đa 0.6%) và đồng (tối đa 0.6%) Lượng cacbon trong thép càng giảm thì độ dẻo của thép cacbon càng cao Hàm lượng cacbon trong thép tăng lên cũng làm cho thép tăng độ cứng, tăng thêm độ bền nhưng cũng làm giảm tính dễ uốn và giảm tính hàn Hàm lượng carbon trong thép tăng lên cũng kéo theo làm giảm nhiệt độ nóng chảy của thép [22]

- Thép mềm (ít cacbon): Lượng cacbon trong khoảng 0.05 – 0.29% (theo tiêu chuẩn AISI có thép 1018) Thép mềm có độ bền kéo vừa phải, nhưng lại khá rẻ tiền và dễ cán, rèn Thép mềm sử dụng nhiều trong xây dựng, cán tấm, rèn phôi.

- Thép cacbon trung bình: Lượng cacbon trong khoảng 0.3 – 0.59% (theo tiêu chuẩn AISI có thép 1040) Có sự cân bằng giữa độ mềm và độ bền và có khả chống bào mòn tốt, phạm vi ứng dụng rộng rãi, là các thép định hình cũng như các chi tiết máy, cơ khí.

- Thép cacbon cao: Lượng cacbon trong khoảng 0.6 – 0.99% Rất bền vững, sử dụng để sản xuất nhíp, lò xo, kéo thành sợi dây thép chịu cường độ lớn.

- Thép cacbon đặc biệt cao: Lượng cacbon trong khoảng 1 – 2% Thép này khi tôi sẽ đạt được độ cứng rất cao Dùng trong các việc dân dụng: dao cắt, trục xe hoặc đầu búa Phần lớn thép này với hàm lượng 1.2% C được sử dụng trong công nghệ luyện kim bột và luôn được xếp loại vào với thép cacbon có hợp kim cao.

Nhôm là tên một nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn nguyên tố có ký hiệu Al và số nguyên tử bằng 13 Nguyên tử khối bằng 27 đvC Khối lượng riêng là 2.7 g/cm 3 Nhiệt độ nóng chảy là 660 o C Nhôm là nguyên tố phổ biến thứ ba (sau ôxy và silic), và là kim loại phổ biến nhất trong vỏ trái đất Nhôm chiếm khoảng 8% khối lớp rắn của trái đất Kim loại nhôm hiếm phản ứng hóa học mạnh với các mẫu quặng và có mặt hạn chế trong các môi trường khử cực mạnh Tuy vậy, nó vẫn được tìm thấy ở dạng hợp chất trong hơn 270 loại khoáng vật khác nhau Quặng chính chứa nhôm là bô xít.

Là kim loại nhẹ, mềm, có màu xám bạc, ánh kim mờ, có một lớp mỏng oxy hóa tạo thành rất nhanh khi để nhôm ở trần ngoài không khí Tỷ trọng riêng của nhôm chỉ khoảng một phần ba của sắt hay đồng Nhôm mềm chỉ sau vàng, dễ uốn và dễ dàng gia công trên máy móc hay đúc.Nhôm cũng có khả năng chống ăn mòn cao và bền vững do lớp oxit bảo vệ Nhôm cũng không nhiễm từ và không cháy khi để ở ngoài không khí ở điều kiện thông thường.

Nhôm đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế thế giới Nhôm nguyên chất có sức chịu kéo thấp, nhưng các hợp kim của nhôm với các nguyên tố như đồng, kẽm, magie, mangan hay silic thì khi được gia công cơ nhiệt, các hợp kim nhôm này có thuộc tính cơ học tăng lên đáng kể. Các hợp kim nhôm là thành phần quan trọng trong các máy bay và tên lửa do tỷ lệ sức bền cao và khối lượng riêng nhỏ nên nhẹ.

Khi nhôm bay hơi trong chân không, nó tạo ra lớp bao phủ phản xạ được cả ánh sáng và bức xạ nhiệt Các lớp bao phủ này tạo thành một lớp mỏng oxit bảo vệ nhôm khiến nó hầu như không bị hư hỏng Các loại vỏ phủ nhôm cũng cũng được dùng để thay cho các vỏ phủ vàng để phủ vệ tinh nhân tạo hay khí cầu để tăng nhiệt độ cho chúng và hấp thụ bức xạ nhiệt của mặt trời tốt Hợp kim nhôm nhẹ, bền và được dùng để chế tạo hầu hết các chi tiết của phương tiện vận tải như ô tô, máy bay, xe tải…Đặc biệt hợp kim nhôm Đura với đặc tính nổi trội về sức bền và khối lượng riêng nhẹ nên thường được ứng dụng nhiều trong việc chế tạo tàu bay và tàu vũ trụ [23]

Cây Balsa theo phân loài, là giống cây thuộc họ Bombacaceae, hoặc Malvaceae, chi dưới củaBombacoideae Balsa là loại cây lớn, cao đến 30m, là loại cây chỉ sống ở các nước nhiệt đới, cây balsa thường phổ biến nhất ở những khu rừng mưa nhiệt đới Cây balsa còn có rất nhiều ở các vùng thuộc xích đạo. Đặc tính nổi trội tuyệt vời của gỗ balsa là bền, dễ dàng cắt gọt và rất nhẹ, tỷ trọng của nó vào khoảng 0.14 (với độ ẩm 12%) tương đương chỉ bằng 1/3 tỷ trọng của các loại gỗ thông thường. Balsa còn được dùng làm phụ liệu cho rất nhiều vật liệu hỗn hợp khác và trong sản xuất các tấm ép nhiều lớp, đặc biệt ép với lá nhôm Kỹ thuật tấm ép giúp kết hợp và phát huy tối ưu tính năng của vật liệu được sử dụng Gỗ balsa được sử dụng rất nhiều trong công nghệ tạo mẫu và nhiều ứng dụng khác như: cách nhiệt và cách âm, trong công nghiệp máy bay nhất là trong việc chế tạo mô hình, đai cứu hộ, thuyền độc mộc… [24]

Các lực tác dụng lên turbine

Bất kể vật nào dù nặng hay nhẹ cũng đều có khối lượng của nó, trường hợp turbine gió trục đứng cũng tương tự Kết cấu của turbine gồm nhiều phần gắn với nhau, mỗi phần đều có khối lượng, với bán kính rotor có chiều dài 1 m, cánh tay đòn thiết kế đòi hỏi phải đủ bền để đỡ cho lá cánh khi hoạt động và chịu tác động của trọng lực.

Hình 3.23 Trọng lực tác dụng lên turbine gió trục đứng [25]

3.3.3.2 Lực ly tâm Đối với một chuyển động tròn, hoặc là chuyển động có quỹ đạo vòng cung thì sẽ luôn tồn tại một gia tốc hướng tâm, ký hiệu a  ht

Nếu xét một vật chuyển động tròn đều, V   const , thì chỉ có hướng của véc-tơ vận tốc V là thay đổi Véc-tơ vận tốc dV luôn có hướng vào tâm quỹ đạo tròn, nghĩa là gia tốc a  luôn hướng vào tâm Do đó, lực tác dụng lên vật đó luôn có chiều hướng vào tâm quỹ đạo để giữ cho vật chuyển động tròn Thành phần này gọi là lực hướng tâm.

Hình 3.24 Lực hướng tâm và lực quán tính ly tâm [26] Đặc điểm của lực hướng tâm là ngoại lực tác dụng lên vật có phương hướng tâm Lực hướng tâm chỉ có tác dụng làm thay đổi chiều chuyển động của vật mà không làm thay đổi độ lớn của vận tốc Lực hướng tâm không sinh công vì phương của lực luôn vuông góc với chiều chuyển động của vật thể Đối với chuyển động có quỹ đạo cong, hoặc chuyển động tròn không đều thì lực tác dụng lên vật sẽ được phân tích thành hai phần: tiếp tuyến và hướng tâm (pháp tuyến). Lực hướng tâm này có tác dụng tương tự như trên.

Lực quán tính ly tâm là một loại lực ảo và chỉ xét trong hệ quy chiếu không quán tính Hệ quy chiếu không quán tính là hệ quy chiếu chuyển động có gia tốc với trái đất Trong một hệ quy chiếu không quán tính, chuyển động với gia tốc a  đối với mặt đất thì ta phải xét thêm một lực tác dụng nữa lên vật gọi là lực quán tính ngược chiều với gia tốc a  Ta có: F qt  ma

Xét hệ quy chiếu chuyển động tròn cùng với vật, khi đó vật sẽ đứng yên trong hệ quy chiếu này và hợp lực tác dụng lên vật có thêm lực quán tính ly tâm Gia tốc hướng tâm có độ lớn

, mà V  R Vậy độ lớn của lực ly tâm: F  m R  2 Dựa vào đó thì khi turbine gió trục đứng hoạt động cũng xoay quanh một trục cố định và cũng chịu ảnh hưởng bởi lực quán tính ly tâm, nên khi xác định bài toán ta cần phải áp đặt lực đúng và đầy đủ [25]

3.3.3.3 Lực khí động trên cánh

Vì lá cánh của turbine gió trục đứng sử dụng cánh NACA 0021 có biên dạng khí động Khi turbine hoạt động, lá cánh sẽ chịu tác động bởi lực khí động, lực khí động được phân ra làm hai dạng: lực áp suất và lực trượt do ma sát nhớt.

Biên dạng cánh máy bay khi chuyển động trong không khí sẽ có lực nâng, lực này xuất hiện do sự chênh lêch phân bố áp suất trên cánh gây ra

Hình 3.25 Phân bố áp suất trên cánh

Hiện nay với công cụ tính toán số, ta có thể tính toán được các phân bố áp suất một cách chính xác qua từng thời điểm khảo sát của cánh máy bay nói chung và turbine gió nói riêng Từ đó ta có thể lắp đặt lực vào để tính bài toán kết cấu trên cánh một cách gần đúng nhất Lực phân bố áp suất phụ thuộc rất lớn vào vận tốc gió và góc đặt cánh của turbine gió Vì vậy khi tính toán kết cấu ta cần thiết kế tại điểm mà vận tốc gió gây ra lực tác động lớn nhất cho turbine.

Không khí cũng là một dạng lưu chất có tính nhớt nên khi chuyển động qua bề mặt của turbine sẽ sinh ra lực ma sát nhớt và lực này cũng phụ thuộc rất nhiều vào vận tốc gió đầu vào của turbine, nhưng vì ảnh hưởng của nó rất nhỏ đối với bề mặt turbine cũng như toàn bộ kết cấu của turbine nên ta có thể bỏ qua loại lực này.

3.3.3.4 Bảng nội suy lực tác dụng lên cánh:

Vận tốc gió(m/s) Vận tốc góc(rad/s)  (rad) F t (N) F n (N)

Bảng 3.1: Bảng nội suy các thành phần lực tác dụng lên cánh

Mô phỏng solidwork

Trục

3.4.2.3.1 Đĩa lắp cánh tay đòn trên

3.4.2.3.2 Đĩa lắp cánh tay đòn dưới

Tính toán bền cho cánh

Hình 3.26 Cơ cấu sơ bộ của turbine gió trục đứng thiết kế

Trong đó: Đơn vị: m 1: lá cánh

2 - 3: cánh tay đòn đỡ lá cánh 4: trục quay chính

5: máy phát điện 6 – 7: ổ bi đỡ

8: trụ đỡ hệ thống turbine gió

Khi turbine gió quay, lá cánh chịu tác động của các lực gồm lực nâng, lực cản, lực ly tâm và lực tại 2 ngàm của cánh tay đòn.

Giả sử tải lực khí động trên cánh phân bố đều (không có xoáy tại mũi cánh) Lực khí động bao gồm lực nâng L  và lực cản D  Khi đó ta phân tích lực khí động thành hai thành phần pháp tuyến và tiếp tuyến được ký hiệu lần lượt là N  và T  Thành phần gây ra ứng suất biến dạng chính cho lá cánh do lực khí động gây ra là theo phương pháp tuyến N  Bên cạnh đó, lực ly tâm xuất hiện do chuyển động quay quanh trục với vận tốc góc 𝜔 gây ra Ngàm do cánh tay đòn áp lên trên cánh được thiết kế theo tỉ lệ 1:2:1 để momen uốn tác động là nhỏ nhất Lực phân bố giả sử là đều trên cánh như hình 3.2.

Hình 3.27 Thành phần lực tác dụng lên cánh

Như phân tích, lực phân bố q sẽ bằng :

Với N là thành phần theo phương pháp tuyến của lực khí động m  2 R là công thức độ lớn của lực ly tâm

H là chiều cao của cánh rotor

Xét điều kiện bền cho lá cánh thì thì cần phải chọn q đạt giá trị lớn nhất để kiểm tra bền, ta có:

Với m là khối lượng của lá cánh

V là thể tích của lá cánh, biên dạng NACA 0021

Từ mô hình turbine gió xây dựng trên CATIA, ta có thể xác định được thể tích lá cánh nhờ phần mềm này.

Hình 3.28 Mô hình của cánh turbine bằng CATIA

Hình 3.29 Các giá trị đo được của cánh từ CATIA

Từ đó, ta có giá trị V  0.026 m 3

Từ những vật liệu được đưa ra để thiết kế trong phần 3.3, hai vật liệu phù hợp nhất để thiết kế cánh cho turbine gió là nhôm hoặc gỗ balsa Từ đó, khối lượng của lá cánh theo từng loại vật liệu có giá trị:

Tên vật liệu ρ [kg/m 3 ] Khối lượng đặc của một lá cánh [kg]

Bảng 3.2 Khối lượng đặc lá cánh theo hai loại vật liệu nhôm và gỗ Balsa Để lá cánh của turbine thỏa mãn điều kiện bền:

Với I là momen quán tính mặt cắt ngang của biên dạng cánh đối với trục x (hay được gọi là momen quán tính uốn).

Tương tự ta có thể xác định giá trị momen quán tính mặt cắt ngang nhờ phần mềm CATIA từ mẫu cánh đã vẽ.

Hình 3.30 Momen quán tính uốn mặt cắt ngang của biên dạng cánh

Momen này có giá trị: I = 1.855E-6 m 4

Sau đó, ta xem xét ứng suất bền tới hạn ứng với từng trường hợp vật liệu làm lá cánh khác nhau.

Tên vật liệu σultimate [Mpa]

Bảng 3.3 Ứng suất tới hạn của hai loại vật liệu nhôm và gỗ Balsa [27][28]

Tiếp theo, ta tìm giá trị thành phần pháp tuyến của lực khí động tác động lên cánh Như đã nói, lực tác động theo phương pháp tuyến bao gồm lực FN do tác động khí động của lá cánh bổ sung thêm lực ly tâm khi quay của lá cánh, do đó ta cần phải tìm được giá trị lực lớn nhất trong một vòng quay của lá cánh để tìm ra được giá trị lớn nhất tác động lên lá cánh để kiểm tra bền Để biết được giá trị đó ta tra kết quả từ đồ thị vẽ từ số liệu của code DMST của nhóm khí động.

Hình 3.32 Đồ thị lực khí động theo phương pháp tuyến theo góc phương vị tại V = 40 m/s

Từ dữ liệu, ta xét lực khí động xuất hiện trên cánh trong trường hợp vận tốc lớn nhất mà turbine có thể chịu được, giá trị lực khí động tác dụng theo phương pháp tuyến lớn nhất là Nmax

= - 645.3366 N tại góc phương vị 117 0 Với quy ước dấu: (-)hướng vào trong trục quay, (+) hướng ra xa trục quay Biểu đồ lực cắt và biểu đồ momen uốn của lá cánh với trường hợp ngàm này:

Hình 3.33 Biểu đồ nội lực của lá cánh với mô hình ngàm

Từ biểu đồ nội lực này thấy được momen có giá trị lớn nhất tại hai ngàm của cánh tay đòn, ta xác định được độ lớn qmax để tìm ra giá trị mà tại đó

 từ đó xác định được giá trị của σmax và σmin Sau đó kiểm tra điều kiện bền có thỏa với ứng suất cho phép ứng với các vật liệu.

Bảng 3.4 Kiểm tra bền cánh với hai loại vật liệu nhôm và gỗ Balsa

Ta thấy rằng, với lực tác động như đã tính thì lá cánh bền với cả hai loại vật liệu được lưa chọn Trong hai nguyên liệu được lựa chọn để thiết kế cánh, gỗ Balsa có giá thành rẻ và khối lượng nhẹ, giúp giảm tải trọng cho trục quay chính và các thành phần khác của turbine gió.Trong ứng dụng thực tế, ta có thể ốp thêm một lớp vật liệu khác như composite với mục đích gia cố thêm kết cấu và độ bền cho cánh Tuy nhiên, vật liệu nhôm đáp ứng yêu cầu về độ bền tốt hơn và ta có thể gia giảm khối lượng nếu như có phân bố rib, spar trong cánh Do đó, nếu điều kiện đầu tư cho phép, sử dụng nhôm làm vật liệu thiết kế cánh sẽ mang lại hiệu quả tốt hơn.

Thiết kế mô phỏng tính toán chi tiết cánh

Các bươc thiết lập mô hình toán và giải bằng phương pháp phần tử hữu hạn

Phân chia vật thể đang xem xét thành những thành phần số lượng hữu hạn các phần tử Qúa trình này còn gọi là “lý tưởng hóa” hay gọi là rời rạc hóa Thực tế đây là quá trình mô hình hóa kết cấu, chuyển kết cấu thực tế thành tập hợp của nhiều kết cấu vừa tách từ chủ thể.

Mô hình chuyển vị trong mỗi phần tử tìm dưới dạng vector:   u e   N   e , trong đó   N : ma trận hình dáng và   e

: vector chuyển vị nút của phần tử.

Xác lập ma trận đặc trưng gọi là ma trận cứng và vector lực cho mỗi phần tử trên cơ sở nguyên lý thế năng tối thiểu Trong những bài toán thuộc cơ học vật rắn phiếm phàm thế năng của hệ thống được hiểu như tổng thế năng của các phần tử cấu thành.

Xử lý hệ phương trình và giải hệ phương trình đại số tuyến tính Kết quả giải phương trình sẽ là chuyển vị nút trọng hệ tọa độ chung Cần thiết chuyển đổi chuyển vị từ hệ tọa độ chung sang hệ tọa độ cục bộ, gắn liền với phần tử.

Thực hiện các phép tính lực căn cứ quan hệ ứng suất – biến dạng.

Hình 3.34: Kết cấu thật Hình 3.35: Mô hình hóa

Hình 3.36: Tính từng phần tử Hình 3.37: Tập hợp lực

Hình 3.38: Kết quả cuối cùng

Các dạng lưới – Chọn loại lưới tính toán

Trong tất cả các phần mềm mô phỏng sử dụng phương pháp Phần tử hữu hạn đối với kết cấu và sai phân hữu hạn đối với giải bài toán lưu chất đều có các kiểu định dạng phần tử của mình để tiến hành việc rời rạc hóa miền không gian và thời gian tính Trong đó có 2 hình dạng thường được sử dụng nhất là lưới hình tứ giác và lưới hình tam giác.

Hình 3.39: Cấu trúc phần tử lưới cho bài toán 2D

Kiểm soát chia mặt trên phần Gambit mềm xuất ra file

Chia lưới (phần tử hóa) trên HyperMes h xuất ra file *.INP Đặt lực, điều kiện bền, đặc tính vật liệu cho thiết kế trên Abaqus và tính toán

Xuất dữ liệu và xử lý số liệu

Kiểm nghiệm độ bền kết cấu

Hình 3.40: Cấu trúc phần tử lưới cho bài toán 3D

Hình 3.41: Một số kiểu khác

Bài toán trong vấn đề khảo sát là bài toán thực hiện mô phỏng kết cấu tấm trên phần mềm mô phỏng chuyên dụng Abaqus nên ta sẽ lựa chọn phần tử 2D-shell cho việc giải bài toán Việc lựa chọn hình dạng của phần tử lưới cũng rất quan trọng, vì trong Abaqus có thể định dạng được hình dạng lưới khác nhau không chỉ có lưới hình tam giác và hình tứ giác mà còn có hình ngũ giác, lục giác, hình hoa thị,… Những phần tư lưới có hình dạng như thế này được gọi là phần tử lưới đặc biêt Nhưng việc tại sao không chọn nó và ảnh hưởng của nó đối với kết quả tính như thế nào ta sẽ bàn luận vào phần tiếp theo.

3.6.2.2 Ảnh hưởng của việc định dạng lưới và kích thước lưới

Việc thực hiện rời rạc hóa miền tính và không gian tính trong bài toán kết cấu cũng phức tạp không kém bài toán rời rạc hóa miền tính của lưu chất, nhất là những chỗ co hẹp, những chỗ có vết rách, vết gãy lại là những chố tập trung ứng suất, tập trung các bước nhảy trong quá trình tính toán Việc chia lưới, định dạng lưới và kích thước lưới nếu không chuẩn bì bài toán chắc chắn sẽ xảy ra hiện tượng bất hội tụ dẫn đến việc phân tích tính toán giải lặp sẽ phân kỳ và dĩ nhiên kết quả nhận được là không tin cậy và có thể không nhận được kết quả tính.

Hình 3.42: Các phân vùng khó chia lưới

Vị trí tập trung ứng suất Trong việc chia lưới, ta cũng có thể có 2 lựa chọn:

 Lưới chia có cấu trúc

 Lưới chia không có cấu trúc

Hình 3.44: Lưới chia không có cấu trúc – lưới trộn (mixed)

Hình 3.45: Lưới chia có cấu trúc

Kích thước của ô lưới cũng ảnh hưởng rất lớn đên kết quả nhận được Vì chương trình chủ yếu tính toàn và định dạng trên các “node”, ta có thể hiểu đơn giản là các kết quả nhận được là ứng suất, chuyển vị trên các “node” nên một hình càng nhiều “node” thì kết quả nhận được càng chính xác cho nhiều vị trí khác nhau, hạn chế được việc nhảy bậc do các vùng kì dị gây nên Nhưng việc tăng các node lên cũng đồng nghĩa với việc tăng khối lượng tính toán và khối lượng dữ liệu lên một mức khổng lồ Kéo theo việc tăng khối lượng tính toán đó là thời gian tính Nếu số lưới quá nhiều khoảng trên 300.000 lưới kết cấu, máy tính bàn hiện này với tốc độ cỡ 3GHz-5GHz, 6GB Ram chạy cũng không đủ sức và có thể Ram sẽ không đủ để chưuá đủ số lưới cho một lượt tính toán, bài toán sẽ kéo dài thời gian chạy hơn rất nhiều Dung lượng tính toán khảo sát được khi xuất ra file dữ liệu sẽ cũng tới hàng Gygabyte và điều đó hoàn toàn không tối ưu.

Nhưng lưới có kích thước quá lớn, độ min không cao thì kết quả nhận được sẽ sai lệch rất nhiều so với thực tế, không đáng tin cậy Vì vậy ta cũng cần chú ý về việc lựa chọn kích thước lưới hợp lý Việc lựa chọn kích thước và loại lưới là rất quan trọng nên người ta sẽ lưuạ chọn phương án giải quyết là chi lưới nên tập trung chia nhỏ cho những vùng miền kì dị, nhưng nơi tập tủng ứng suất, nhưng nơi có sự thay đổi nhảy vọt của lực hoặc những nơi nghi ngờ sẽ có sự tập trung ứng suất, … Còn những chỗ bình thường ta chọn kích thước lứoi lớn lên để giảm tải dung lượng và thời gian tính toán xuống Đồng thời nó cũng giúp cho việc chạy bài toán trên máy tính nào là phụ hợp Việc này cắt giảm rất nhiều khối lượng tính toán và thời gian tính toán nhưng đòi hỏi thời gian chia lưới và chất xám cao! Và việc này phụ thuộc hoàn toàn vào khả năng hiểu biết và kinh nghiệm chia lưới của người mô phỏng.

Hình 3.46: Lưới tam giác, có cấu trúc Hình 3.47: Lưới tứ giác có cấu trúc

Vì ảnh hưởng rất lớn đến kết quả tính toán cũng như kết quả mô phỏng nên đây mặc dù là bước nhỏ nhưng là bước rất quan trọng ảnh hưởng đến toàn bộ kết quả nhận được.

Hình 3.48: Kết quả nhận được với lưới tam giác, 2 phần tử

Hình 3.49: Kết quả nhận được với lưới tam giác có cấu trúc

Hình 3.50: Kết quả nhận được với lưới tứ giác có cấu trúc

Hình 3.51: Ảnh hưởng của việc tăng độ mịn của lưới lên kết quả

Kết luận: Dựa trên những yếu tố trên, ta lựa chọn việc chia lưới cho kết cấu cánh là phần tử tứ giác có cấu trúc Với độ mịn tương đối, các phần tử được chia nhỏ tập trung ở phần đầu mũi cánh và phần đuôi cánh Các phần tử chia đều nhau dọc theo chiều dài sải cánh.

3.6.2.3 Ảnh hưởng của việc định dạng chiều của phần tử

Qúa trình phân tích kết cấu cánh chịu ảnh hưởng khá lớn bởi tác động của lực khí động, lực này sinh ra do phân bố áp suất khi dòng khí chuyển động qua cánh gây ra nên việc định chiều cho các element chính là việc định dạng chiều của áp suất đặt vào.

Hình 3.52: Định nghĩa chiều của phần tử lưới

Hình 3.53: Ảnh hưởng của chiều phần tử tới chiều cảu áp suất.

Phần này được thực hiện khi ta chia các phân bố vùng bề mặt và kiểm soát bề mặt trên phần mềm Gambit Việc định nghĩa mặt dương của Gambit là theo quy tắc vặn định ốc và trong Abaqus cũng định nghĩa mặt dương theo kiểu này.

Hình 3.54: Định nghĩa mặt đúng chiều dương

Hình 3.55: Phân bố ứng suất trên cánh định dạng đúng chiều

Hình 3.56: Đinh nghĩa mặt sai dẫn đến chiều áp suất sai

Hình 3.57: Hình phân bố ứng suất sai bởi định dạng mặt sai

Mô phỏng cánh đặc có khoét lỗ để giảm khối lượng

Ta có thể ví bài toán cánh đặc giông như một thanh dầm có tiết diện là airfoil có khoét lỗ để giảm khối lượng Ta có thiết kế như sau:

Hình 3.58: Thiết kế airfoil cánh NACA 0021 trên Catia

Mục đích của việc khoét lỗ trên ngoài việc giảm khối lượng của cánh mà còn làm cho việc chia lưới tiến hành được đơn giản hơn, có thể kiểm soát lưới ở giữa airfoil ít hơn ở 2 đầu cánh, làm giảm số lượng lưới và thời gian tính toán, phân tich và mô phỏng trên máy tính.

Sau khi thiết kế như vậy xong ta chyển qua phần mềm Gambit để chia lại mặt kiểm soát cho việc chia lưới.

Hình 3.59: Chia mặt trên Gambit

Sau khi tiến hành kiểm soát mặt trên Gambit ta bắt đầu tiến hành bước rời rạc hóa miền tính trên phần mềm chia lưới HyperMesh

Hình 3.60: Chia lưới các phân vùng bề mặt

Hình 3.61: Cánh sau khi đã chia lưới xongHai phần màu đỏ là element đánh dấu vị trí ngàm bất kỳ, đối xứng nhau qua trung điểm cánh Khảo xác với các trường hợp vận tốc gió và góc phương vị như sau:

3.6.3.1 Trường hợp vận tốc gió 8 m/s, góc phương vị   2.8798(rad)

Lực tiếp tuyến (N) Lực pháp tuyến (N) Lực trọng trường (N) Lực ly tâm (N)

Bảng 3.5: Tổng hợp các thành phần lực tác dụng lên cánh

Hình 3.62: Ứng suất và biến dạng trên cánh với vận tốc gió 8m/s,   2.8798(rad)

 Ta nhận thấy rằng lực tác dụng lên cánh là rất lớn Lớn nhất là lực ly tâm Nhưng bù lại lực pháp tuyến có hướng ngược chiều lại nên lực ly tâm giảm đi một chút, nhưng vẫn còn rất lớn Cánh vẫn bị lực ly tâm kéo ra ngoài.

 Ứng suất lớn nhất xuất hiện trên cánh theo tiêu chuẩn Von Mises là yeild

 t        tại vị trí ngàm nên cánh là đủ bền Nhưng ứng suất này rất gần với ứng suất tới hạn bền, nếu tăng vận tốc gió lên thì lực tác dụng cũng tăng theo, và lực ly tâm tỷ lệ với bình phương vận tốc, tức là lực ly tâm tăng lên rất nhanh Điều này đồng nghĩa với việc vận tốc gió tăng nhẹ thì cánh sẽ bị phá hủy khi vượt qua giới hạn chảy dẻo của vật liệu Nhôm đã chọn.

 Chuyển vị của cánh cũng khá lớn, chuyển vị lớn nhất nằm ở khu vực giữa cánh có chuyển vị là  50.699(mm) Chuyển vị lớn như vậy nghĩa là cánh bị uốn cong, điều này là bất lợi về mặt khí động của cánh turbine, cánh sẽ không còn đảm bảo về mặt khí động nữa, lực nâng trên cánh sẽ bị thay đổi, sẽ không tốt về mặt hấp thu năng lượng gió của turbine.

3.6.3.2 Trường hợp vận tốc gió 8m/s, góc phương vị   5.4978(rad)

Lực tiếp tuyến (N) Lực pháp tuyến (N) Lực trọng trường (N) Lực ly tâm (N)

Bảng 3.6: Tổng hợp các thành phần lực tác dụng lên cánh trường hợp 8m/s,   5.4978(rad)

Hình 3.63: Ứng suất và biến dạng trên cánh với vận tốc gió 8m/s,   5.4978(rad)

 So sánh với trương fhợp góc phương vị thứ nhất thì kết quả hầu như có sự biến đổi nhỏ: áp suất chỉ tăng 2Mpa, chuyển vị tăng 0.6mm

 Nhưng so vơi trường hợp góc phương vị là   2.8798(rad)thì lực vẫn lớn hơn Điều này xảy ra do phân bố áp suất có tổng hợp lực hướng ra theo phương ly tâm, cùng phương với lực quán tính ly tâm tác dụng lên cánh nên hợp lực giữa 2 lực này lớn nhất, mặc dù ở trường hợp phía trên lực phân bố áp suất lớn hơn rất nhiều nhưng lại ngược chiều nhau Nên vô tình,chính lực khí động lại có tác dụng làm giảm tải cho cánh turbine.

 Do đó, từ đây về sau ta chỉ cần xét tới trường hợp nguy hiểm nhất là trường hợp góc phương vị   5.4978(rad)cho các trường hợp còn lại vì hợp lực là lớn nhất.

3.6.3.3 Trường hợp vận tốc gió 10m/s, góc phương vị   5.4978(rad)

Lực tiếp tuyến (N) Lực pháp tuyến (N) Lực trọng trường (N) Lực ly tâm (N)

Bảng 3.7: Tổng hợp các thành phần lực tác dụng lên cánh trường hợp 8m/s,   5.4978(rad)

Hình 3.64: Ứng suất và biến dạng trên cánh với vận tốc gió 10 m/s,   5.4978(rad)

 Ứng suất lớn nhất xuất hiện trên cánh theo tiêu chuẩn Von Mises là yeild

 t       , vượt quá giá trị tới hạn chảy dẻo tại vị trí ngàm nên cánh đặc đã bị phá hủy tại vị trí ngàm Ta cần phải gia cường thêm cho cánh.

 Chuyển vị lớn nhất vẫn nằm ở giữa cánh  mi d  80.065(mm) , chuyển vị 2 bền đầu cánh cũng khá lớn  tip  33.36(mm)

Hướng giải quyết vấn đề:

 Cánh có dây cung cánh quá nhỏ so với chiều dài sải cánh thể hiện qua

 ch d   Đây là một tỷ lệ lớn, nên kết cấu cánh là yếu chịu lực uốn theo chiều dài dọc theo chiều sải cánh.

 Để gia cường thêm cho cánh, giải quyết bài toán bền cho cánh, ta tăng thêm vị trí ngàm ở giữa cánh, nơi có chuyển vị lớn nhất Một mặt giảm chuyển vị giữa cánh, làm ảnh hưởng tới đặc tính khí động của turbine, chống uốn, mặt khác đảm bảo sức bền cho cánh trước ngoại lực, nhất là lực ly tâm có giá trị rất lớn

3.6.3.4 Trường hợp vận tốc gió 10m/s, góc phương vị   5.4978(rad) , tăng thêm điều kiện biên gia cố

Hình 3.65: Điều kiện biên ngàm cũ

Hình 3.66: Điều kiện biên ngàm cũ

Hình 3.67: Ứng suất và biến dạng trên cánh, 10m/s, gia cường

 Ứng suất lớn nhất xuất hiện trên cánh theo tiêu chuẩn Von Mises là yeild

 t       , tại vị trí ngàm nên ở 2 bên cánh đặc là đủ bền.

 Chuyển vị lớn nhất của cánh là  tip  38.365(mm) nằm phía đầu cánh còn vị trí giữa cánh d 0(mm)

 mi  , biên dạng cánh hầu như không bị uốn nữa, đảm bảo đặc tính khí động cho cánh.

 Vậy là caàn phải dời lại ví trí ngàm của cánh sao cho hợp lý thì cánh sẽ đủ bền Vậy hướng giải quyết kết cấu là đúng vì đã cải thiện đáng kể ứng suất.

Mô phỏng cánh rống 11 rib – 2 spar tại thời điểm làm việc 8m/s với lực áp suất pháp tuyến 74

Như đã kiểm nghiệm trường hợp ở trên, cánh của chúng ta có thể chịu bền được với điều kiện làm việc là 10m/s Nhưng đó là cánh đặc Trong thực tế, không khi nào người ta chế tạo cánh đặc vì khối lượng rất lớn, tốn nguyên vật liệu Chỉ có trường hợp người ta chế tạo cánh đặc là bằng vật liệu composite nhưng với chi phí rất cao Để cắt giảm khối lượng và giảm giá thành sản xuất, chế tạo ta sử dụng công nghệ và chất xám vào việc thiết kế kết cấu Làm sao cho kết cấu cánh bền vững ở các chế dộ làm việc, khối lượng cánh giảm, chi phí sản xuất nhỏ.

Từ đó ta đưa ra một kết cấu cánh có thiết kế khung và tấm chịu lực Nhưng kết cấu này có vững được như cánh đặc hay không đó là một câu hỏi và ta sẽ bàn đến sự ảnh hưởng của phân bố các thành phần trong cánh đến kết cấu toàn cục của cánh turbine gió trục đứng.

Thiết kế số 1 đưa ra:

 11 rib và 2 thanh spar Các rib cách nhau 580 mm

 Thanh spar thứ nhất nằm tại vị trớ ẳ chord cỏnh

 Thanh spar thứ hai nằm tại vị trí 47 mm tính từ phía đuôi lên

 Đặc lực 816.4864N theo phương ly tâm, bề dày tất cả các thành phần là 2mm

Hình 3.69: Đánh dấu số rib

Hình 3.70: Vị trí ngàm trên cánh – rib số 2

Hình 3.71: Ứng suất trên toàn cánh

Hình 3.72: Ứng suất trên tấm vỏ cánh.

Hình 3.73: Ứng suất trên các rib

Hình 3.74: Phân bố ứng suất trên rib số 6 – rib giữa cánh.

Hình 3.75: Ứng suất trên thanh spar.

Vị trí Ứng suất cao nhất (Mpa)

Bảng 3.8: Vị trí - ứng suất tương ứng

 Với lực phõn bố đều, điều kiện biờn đối xứng qua điểm ẵ sải cỏnh, mặt cắt cỏnh cũng là mặt đối xứng nên kết quả phân bố ứng suất nhận được trên bề mặt cánh là kết quả đối xứng Và điều đó có thể minh chứng được cho việc mô phỏng là đáng tin.

 Cánh cũng giống như một cái dầm nên ứng suất tập trung lớn nhất phải nằm ở giữa cánh Điều này cũng được kiểm nghiệm là đúng khi rip có phân bố ứng suất lớn nhất là rib nằm ơ giữa sải cánh.

 Tương tự như rib cánh, spar chính là một thanh dầm 3D với tải lực phân bố đều và ngàm ở 2 đầu tại các vị trí đã định dạng sẵn Dựa trên phân bố ứng suất trên hình mà kết quả đã xuất ra được, vị trí tập trung ứng suất cũng ở 2 bên ngàm và giữa spar theo phương sải cánh Nên có thể kết luận rằng việc mô phỏng trên có kết quả có mức tin cậy cao vì các định tính vật lý đều đúng với việc mô phỏng.

 Đối với cánh trên, ta có thể thấy rằng hiện tượng tập trung ứng suất xuất hiện ở tại vị trí ngàm và tại vị trí giữa sải cánh Nhưng ứng suất vẫn tập trung lớn nhất ở 2 vị trí ngàm Hơn nữa việc tập trung ứng suất chính và lớn nhất chính là ở vị trí spar của cánh Mặc dù rib cũng chịu phân bố ứng suất dọc theo phương sải cánh và dọc theo chiều dày của biên dạng cánh nhưng sự tập trung ứng suất của rib cánh có giá trị nhỏ hơn rất nhiều so với sự tập trung ứng suất của bề mặt cánh và spar.

 Việc mô phỏng cánh có giá trị nhận được có độ tin cậy cao,.

 Vì tập trung ứng suất xuất hiện chủ yếu trên spar và bề mặt của cánh nên ta sẽ khảo sát sự ảnh hưởng của bề dày 2 thành phần này đối với kết cấu.

Mô phỏng cánh rống 11 rib – 2 spar – khảo sát sự ảnh hưởng của bề dày tấm

3.6.5.1 Thiết kế số 1b đưa ra:

 11 rib và 2 thanh spar Các rib cách nhau 580 mm

 Thanh spar thứ nhất nằm ở vị trớ ẳ co cỏnh

 Thanh spar thứ hai nằm tại vị trí 47 mm tính từ phía đuôi lên.

 Đặt lực 816.4864 N theo phương ly tâm, bề dày mặt 2mm bề dày thành phần spar là 2.5mm.

Phỏng đoán: Ứng suất xảy ra trên toàn cánh sẽ giảm

Hình 3.76: Ưng suất trên cánh có thiết kế 1b

Vị trí Ứng suất cao nhất (Mpa)

Bảng 3.9: Vị trí - ứng suất trong thiết kế 1b

3.6.5.2 Thiết kế số 1c đưa ra:

Tương tự thiết kế số 1a và 1b nhưng bề dày mặt là 2.5 mm, bề dày spar là 2 mm

Hình 3.77: Ưng suất trên cánh có thiết kế 1c

Vị trí Ứng suất cao nhất (Mpa)

Bảng 3.10: Vị trí - ứng suất trong thiết kế 1c

Tương tự như thiết kế 1a, 1b, 1c nhưng bề dày tất cả các thành phần là 2.5mm

Hình 3.78: Ưng suất trên cánh có thiết kế 1d

Vị trí Ứng suất cao nhất (Mpa)

Bảng 3.11: Vị trí - ứng suất trong thiết kế 1d

 Bề dày có ảnh hưởng tới kết cấu của cánh Nhất là bề dảy của bề mặt và spar Ảnh hưởng của bề dày lên rib cánh không có nhiều nên ta có thể giữ nguyên chiều dày của rib là 2mm.

 Chiều dày của spar và bề mặt có ảnh hưởng rất lớn đến toàn bộ kết cấu Nhưng nếu tăng bề dày lên quá thì lý thuyết tấm mỏng sẽ không còn phù hợp với bài toán kết cấu nữa Nên ta giới hạn tăng bề dày từ 2-3mm là tốt nhất và cũng không làm tăng trọng lượng quá nhiều của kết cấu cánh.

Mô phỏng cánh rỗng 21 rib – 3 spar đánh giá sự ảnh hưởng của phân bố rib là spar lên toàn bộ kết cấu cánh

toàn bộ kết cấu cánh.

Hình 3.79: Thiết kế cánh 21 rib, 3 spar đánh số vị trí các rib

Hình 3.80: Thiết kế cánh 21 rib, 3 spar

Thiết kế cánh số 2 đưa ra:

 21 rib và 3 thanh spar Các rib cách nhau 290 mm

 Thanh spar thứ nhất nằm ở vị trớ ẳ co cỏnh

 Thanh spar thứ hai nằm tại vị trí 47mm tính từ phía đuôi lên

 Thanh spar thứ ba là ống trụ tròn thanh mỏng ở lỗ khoét thứ nhất với bán kính 6mm

 Đặt lực 816.4864N theo phương ly tâm, chiều dày của tất cả các thành phần là 2.5mm.

Hình 3.81: Các kết quả nhận được từ thiết kế số 2

Vị trí Ứng suất cao nhất (Mpa)

Bảng 3.12: Vị trí - ứng suất trong thiết kế 2

 Rõ ràng với sự phân bố rib nhiều hơn và tăng thêm 1 thanh spar Kết cấu mà ta đạt được bền vững hơn rất nhiều thiể hiện qua bảng tổng kết vị trí và ứng suất.

 Trên thanh spar, với cùng một lực, tuy đã tăng lên thêm spar nhưng nhìn chung vẫn chưa giải quyết được nhiều vấn đề vì ảnh hưởng cánh tay đòn lực còn quá lớn

 Đối với bề mặt cánh, tăng cường thêm spar nghĩa là tăng thêm độ chống uống nên ứng suất giảm đi khá đảng kể từ 11.968 xuống còn 9.55

 Đối với rib cánh, vị trí ứng suất lớn nhất không còn nằm ở vị trí giữa cánh theo phương sải cánh nữa Mà nđó là vị trí nằm phía bên trong cánh, gầm ngay vị trí ngàm Nếu xét theo vị trí đánh dấu thì đó là vị tri thứ 4 và vị trí 18 trên cánh Nguyên nhân là ở gần ngay 2 vị trí gần ngàm này, bề mặt của cánh bị uốn và bóp chặt lại, nên lực tập trugn sẽ tác dụng lên rất lớn đối với rib bên tỏng Hay nói cách khác, rib bên trong chính là thành phần chống cho tấm vỏ bên ngoài không bị biến dạng nhiều Nên cần phải chú ý những chỗ nguy hiểm, gần ngàm, hoặc gần ngay những chỗ có biến dạng cao thì cần phải bố trí nhiều rib hơn để cánh có thể chịu được tải lực.

 Ngoài ra, dựa vào 2 thiết kế trên đưa ra ta còn nhận tháy một số chỗ, ứng suất rất bé, thể hiện trên biểu đồ màu cho thấy, giữa vị trí ngàm và vị trí giữa cánh có những chỗ gần như không xuất hiện ứng suất Điều này cho ta kết luận rằng đấy là những nơi an toàn, dư bền, có thể giảm nhẹ khối lượng ở đấy để bù cho những chỗ phải gia cường để đảm bảo tính an toàn cho cánh.

Khảo sát ảnh hưởng của các vị trí ngàm lên kết cấu cánh

Như đã khảo sát, mô phỏng từ trên, ta biết được ngoài bề dày, phân bố các thành phần bên trong cánh sẽ làm ảnh hưởng đến kết cấu toàn cục cánh Nhưng bên cạnh đó, điều kiện biên, những vị trí ngàm để hạn chế chuyển vị chính là việc gia cường thêm cho cánh Làm cánh có khả năng cứng vững hơn trước các tải lực bên ngoài.

Hình 3.82: Khảo sát vị trí 2 ngàm

Hình 3.83: Khảo sát vị trí 3 ngàm a, b

Hình 3.84: Khảo sát vị trí 4 ngàm a,b

Hình 3.85: Khảo sát vị trí 5 ngàm

Vị trí ngàm thứ 1 Vị trí ngàm thứ 2 Vị trí ngàm thứ 3 Ứng suất lớn nhất trên cánh (Mpa)

Bảng 3.13: Kết quả khảo sát 3 vị trí ngàm

Vị trí ngàm thứ 4 Ứng suất lớn nhất trên cánh (Mpa)

Bảng 3.14: Kết quả khảo sát 4 vị trí ngàm

Vị trí ngàm thứ 1 Vị trí ngàm thứ 2 Vị trí ngàm thứ 3 Vị trí ngàm thứ 4 Vị trí ngàm thứ 5 Ứng suất lớn nhất trên cánh (Mpa)

Bảng 3.15: Kết quả khảo sát 5 vị trí ngàm

 Trong các điều kiện ngàm thì điều kiện ngàm tại 5 vị trí ngàm đạt ứng suất nhỏ nhất.

 Vậy điều kiện ngàm tại 5 vị trí thì ứng suất sẽ là nhỏ nhất Ta sẽ thiết kế dựa trên kết quả này sao cho turbine gió vừa đủ độ bền vừa không cồng kềnh vì điều kiện ngàm nhiều.

Tổng hợp các kết quả, đưa ra phương án thiết kế kết cấu cuối cùng

Lực tiếp tuyến (N) Lực pháp tuyến (N) Lực trọng trường (N) Vận tốc góc (rad/s)

Bảng 3.16:Tổng hợp các thành phần lực tác dụng lên cánh

Hình 3.86: Ứng suất và chuyển vị sau khi tính toán mô phỏng

Hình 3.87: Ứng suất phân bố trên thanh chống cánh.

Hình 3.88: Biến dạng của thanh chống cánh

Hình 3.89: Ứng suất phân bố trên toàn cánh có gắn thanh chống cánh.

Hình 3.90: Ứng suất và chuyển vị của cánh nhìn theo phương Y-Z

Vị trí Cánh Thanh chống

Bảng 3.17: Tổng hợp kết quả tại thời điểm gió 8 m/s

 Tất cả các thành phần ứng suất nhận được tại những vùng nguy hiểm đều nhỏ hơn rất nhiều so với ứng suất tới hạn max  66.1780  221.18(MPa)

 Ứng suất vẫn tập trung nhiều ở những chỗ như là vị trí ngàm, thanh chống cánh, nơi treo dây.

 Biến dạng của cánh là nhỏ, suy ra kết cấu đảm bảo về mặt ổn định khí động cho cánh turbine làm việc tốt.

 Cánh hoàn toàn đủ bền cho trạng thái làm việc của mình là 8m/s với ọi góc xoay đối với gió khi chọn TSR=4

 Việc cần làm để hoàn thành là tìm vận tốc gió tới hạn để xem vùng làm việc của turbine là vùng nào

Lực tiếp tuyến (N) Lực pháp tuyến (N) Lực trọng trường (N) Vận tốc góc (rad/s)

Bảng 3.18:Tổng hợp các thành phần lực tác dụng lên cánh

Hình 3.91: Ứng suất trên cánh tại 10m/s

Vị trí Cánh Thanh chống Bề mặt cánh Vị trí ngàm thanh Vị trí buộc dây Rib Spar Ứng suất

Bảng 3.19: Tổng hợp kết quả tại thời điểm gió 10 m/s

 Tất cả các thành phần ứng suất nhận được tại những vùng nguy hiểm đều nhỏ hơn rất nhiều so với ứng suất tới hạn max  103.404 0 221.18(MPa)

 Ứng suất vẫn tập trung nhiều ở những chỗ như là vị trí ngàm, thanh chống cánh, nơi treo dây.

 Biến dạng xuất hiện trên cnahs đã bắt đầu lớn và có thể bắt đầu ảnh hưởng tới đặc tính khí động của cánh.

 Mặc dù cánh sẽ còn làm việc tốt, chưa bị phá hủy, nhưng đối với loại gió 10m/s, căn cứ vào bảng bão beaufort thì đây là gió lớn giật cấp 6 Gió giật sẽ có tác dụng làm turbine quanh nhanh hơn, về mặt năng lượng thì đó là thuận lợi nhưng về mặt kết cấu đây là trạng thái cần phải lưu, nếu có gió mạnh hơn nữa thì trạng thái nguy hiểm xảy ra như gãy hư hỏng kết cấu rất cao.

Lực tiếp tuyến (N) Lực pháp tuyến (N) Lực trọng trường (N) Vận tốc góc (rad/s)

Bảng 3.20:Tổng hợp các thành phần lực tác dụng lên cánh

Hình 3.92: Ứng suất trên toàn cánh khi gió là 20m/s

Vị trí Cánh Thanh chống

Bảng 3.20: Tổng hợp kết quả tại thời điểm gió 20 m/s

Hình 3.93: Hình dáng của cánh turbine tại thời điểm 20m/s

 Tất cả các thành phần ứng suất nhận được đều rất lớn và vượt qua ứng suất tới hạn

 Ứng suất vẫn tập trung nhiều ở những vị trí ngàm, thanh chống cánh, nơi treo dây Đây chính là những chỗ sẽ bị phá hủy trước trên cánh.

 Biến dạng xuất hiện trên cánh đã lớn và ảnh hưởng tới đặc tính khí động của cánh.

 Cánh bị phá hủy kết cấu tại thời điểm gió có vận tốc 20m/s (72km/h)

 Mặc dù cánh đã thiết kế được đảm bảo đúng yêu cầu bền tại thời điểm làm việc và dư bền hơn một khoảng gấp đôi để đề phòng trường hợp nguy hiểm là gió bão xảy ra nhưng không thể nào bền mãi được Giới hạn gió làm việc của turbine đã thiết kế là từ 0-10m/s Nếu vượt quá trạng thái nói trên, nguy cơ turbine bị hỏng rất cao.

Hình ảnh tại vị trí nguy hiểm có thể hư hỏng trước.

Hình 3.94: Vị trí giữa cánh, cột dây tại thời điểm 20 m/s

Tính toán bền cho cánh tay đòn

Trường hợp cánh tay đòn chịu uốn thuần túy quanh trục Oy

hình 3.7-2 Các lực tác động làm thanh uốn quanh trục Oy

Trường hợp chịu uốn thuần túy quanh Oy bao gồm tác động của các lực F T , F Ax và momen M Ay Giá trị lực khí động theo phương tiếp tuyến T được xác định từ chương trình DMST của nhóm khí động, được thể hiện trong đồ thị sau:

Page | 97 hình 3.7-3 Đồ thị lực khí động theo phương tiếp tuyến theo góc phương vị θ

Từ đồ thị, ta có giá trị lực khí động theo phương tiếp tuyến lớn nhất có giá trị T max 108.5229 N.

Biểu đồ nội lực trong cánh tay đòn (lực cắt Q z và momen M y )

Page | 98 hình 3.7-4 Biểu đồ nội lực trong cánh tay đòn của turbine gió trong trường hợp bị uốn thu thuần túy quanh trục Oy y T

M  F  R với R là chiều dài cánh tay đòn

Biểu đồ nội lực, ta thấy điểm có giá trị momen uốn lớn nhất tương ứng với điểm A, từ đó xác định được giá trị M y :

Trường hợp cánh tay đòn chịu uốn thuần túy quanh Oz

Đối với trường hợp cánh tay đòn chịu uốn thuần túy quanh Oz, các lực tác động bao gồm lực F Ay và momen M Az tại điểm A Điểm B chịu tác động của trọng lực P, trọng lượng P bao gồm khối lượng của cỏnh tay đũn và khối lượng của ẵ lỏ cỏnh.

Page | 99 hình 3.7-5 Các lực tác động làm cánh tay đòn uốn quanh trục Oz Để tìm khối lượng của cánh tay đòn, chọn vật liệu thiết kế là nhôm, có ứng suất tới hạn σ ulti = 310 Mpa, khối lượng riêng ρ = 2700 kg/m3 Cánh tay đòn được thiết kế với diện tích mặt cắt ngang là hình chữ nhật có chiều cao h = 30 mm và chiều rộng b = 50 mm Khi đó cánh tay đòn có khối lượng:

Với L là chiều dài của cánh tay đòn (bán kính rotor), có giá trị bằng 1 m

Tổng trọng lực tác động lên cánh tay đòn:

Do mặt cắt ngang của cánh tay đòn có hình chữ nhật, ta có công thức xác định momen quán tính hình học của cánh tay đòn:

 hình 3.7-6 Biểu đồ nội lực trong cánh tay đòn của turbine gió trong trường hợp bị uốn thu thuần túy quanh trục Oz Điểm có giá trị momen uốn lớn nhất tương ứng với điểm A, vậy momen M Az có giá trị:

Trường hợp cánh tay đòn chịu kéo thuần túy theo phương Ox

hình 3.7-7 Các lực tác động làm cánh tay đòn bị kéo theo phương trục Ox

Với trường hợp này, cánh tay đòn chịu tác động của F Ay và lực F như hình Lực F tại điểm B bao gồm lực khí động theo phương pháp tuyến có giá trị lớn nhất quy về cánh tay đòn và lực ly tâm do khối lượng lá cánh và cánh tay đòn gây ra.

Giá trị lực ly tâm gây ra trên cánh tay đòn:

Với N 1 là lực khí động theo phương pháp tuyến quy về cánh tay đòn

Kiểm tra điều kiện bền cho cánh tay đòn

Vì cánh tay đòn là phần nâng đỡ chính cho cánh, chọn hệ số an toàn n = 6 Do đó, ứng suất cho phép là: 0

Nhôm là vật liệu dẻo nên ứng suất nén và ứng suất kéo bằng nhau.

Vậy cánh tay đòn thỏa mãn điều kiện bền.

Tính toán bền cho trục

Trường hợp trục chịu uốn thuần túy

Với mô hình hóa như hình 5.16, với hai vị trí ổ bi đỡ ứng với vị trí 1 và 2 cùng với hai vị trí gắn kết giữa các cánh tay đòn của các lá cánh vào trục ứng với vị trí 3 và 4 Ta có F 1,

F 2 là lực tác động của ổ bi lên trục tại vị trí 1 và 2 F 3, F 4 là lực tác động của ba lá cánh turbine lên trục tại vị trí 3 và 4 Lực F 3 và F 4 được quy về như sau.

Page | 105 hình 3.8-10 Lực theo phương pháp tuyến tác động vào trục quay của ba lá cánh

Trong đó: F N 1, F N 2, F N 3 lần lượt là các giá trị lực theo phương pháp tuyến của từng vị trí lá cánh Do chuyển động quay với ba lá cánh đối xứng nhau 1200 nên thành phần do lực ly tâm tự triệt tiêu nhau Như vậy các giá trị lực F N 1, F N 2, F N 3 trên là lực do khí động tác động và lệch pha nhau 120 ° Ta cần phải tìm giá trị lớn nhất của hợp lực do lực khí động tác động lên trục để kiểm tra bền, giá trị lớn nhất có thể xác định bằng cách cho bộ rotor quay 120 ° Từ đồ thị lực khí động theo phương phá tuyến ta có: max 1057.9578

F  N (hướng vào trong trục quay)

Ta có phương trình cân bằng lực:

Phương trình cân bằng momen tại vị trí 1:

Từ hai phương trình trên, có:

F  N (cùng chiều F 3 , F 4 ) hình 3.8-11 Biểu đồ nội lực của trục quay chính Ứng suất lớn nhất trên trục do uốn gây nên đối với thanh tiết diện tròn:

Với D là đường kính ngoài của trục

Page | 107 d là đường kính trong của trục

M zmax là momen uốn lớn nhất tác dụng lên trục

W u là momen chống uốn mặt cắt ngang của trục.

Trường hợp trục quay chịu xoắn thuần túy

Trong trường hợp trục chịu xoắn, thành phần tiếp tuyến của lực khí động, ký hiệu là T, gây ra momen cộng với sự tác động của hai ổ bi làm cho trục chịu xoắn. Ứng suất cắt lớn nhất trong trục có tiết diện tròn được xác định theo công thức: max max 4

Với: M y max là momen xoắn lớn nhất tác tác dụng lên trục

W p là momen chống xoắn mặt cắt ngang của trục

Trục có tiết diện tròn rỗng: W p 2 W u  D 3 (1 4 ) /16

Giới thiệu và đưa ra thông số thiết kế cho tháp đỡ

Tháp hình ống

Hầu hết các turbine gió cỡ lớn thường sử dụng tháp hình ống được sản xuất trong khoảng từ 20 – 30 mét với các mặt bít tại mỗi đầu và được nối lại với nhau tại các điểm Những cột tháp là hình nón cụt với đường kính cột tăng dần theo hướng chân đế để tăng độ bền của turbine và đồng thời cũng giúp tiết kiệm nguyên liệu.

Tháp dạng khung giàn

Cột tháp dạng khung giàn được sản xuất sử dụng những mặt nghiêng mối hàn ghép Lợi thế cơ bản của cột tháp dạng khung giàn là chi phí do một cột tháp dạng khung giàn chỉ chỉ yêu cầu bằng một nửa số nguyên liệu so với một cột tháp dạng hình ống với độ vững chãi tương tự Tuy nhiên, vì lý do thẩm mỹ, những cột tháp dạng khung giàn này ít được sử dụng trong thương mại đối với thị trường turbine gió ngày nay.

Tháp dây nối đất

Nhiều turbine gió được xây dựng với cột tháp thu hẹp được hỗ trợ bằng những dây nối Lợi thế của tháp dây nối đất là tiết kiệm được trọng lượng tháp do đó tiết kiệm chi phí Tuy nhiên, sử dụng tháp dây nối đất cần có diện tích lắp đặt rộng rãi để neo các chốt dây nối và cột tháp cũng dễ bị nghiêng dẫn đến hư hỏng, do đó ảnh hưởng đến an toàn tổng thể.

Thiết kế sơ bộ cho tháp đỡ của turbine gió

Chọn thiết kế cột tháp cho turbine gió là cột tháp có dạng ống rỗng, đường cột kính tăng dần từ đỉnh tới chân đế Với cột tháp chiều cao 10 m, các thông số đỉnh và đáy là:

+Đỉnh tháp: D đỉnθh mm ; bề dày t=6 mm

+Đáy tháp: D đáy 0mm ; bề dày t=5 mm

Vật liệu được chọn để thiết tháp là thép ASTM/ASME A106 Grade B.

Xác định tần số dao động tự nhiên của tháp đỡ

Giải thích hệ đa bậc tự do

Ta xét trường hợp hai bậc tự do không giảm chấn như sau:

Từ hệ trên, ta phân tách rời các liên kết và phân tích lực:

+ Phương trình 1: k1+k2 là lực tác dụng để dịch chuyển m1 còn m2 ở trạng thái đứng yên –k2 là lực tác dụng để giữ m1 ở trạng thái ổn định trong khi dịch chuyển m2

+ Phương trình 2: tương tự phương trình 1 nhưng xét cho vật m2

Từ hệ hai bậc tự do, ta khái quát lên phương trình tổng quát cho hệ đa bậc tự do là:

Trường hợp 1: Khối lượng được phân bố dọc theo chiều cao tháp

Để xác định được ma trận khối lượng và ma trận độ cứng, ta chia tháp thành mười phần, sau đó xác định giá trị khối lượng và độ cứng của từng phần đó để thiết lập ma trận.

Phương trình chuyển động cho hệ đa bậc tự do là:

Với m là ma trận khối lượng c là ma trận giảm chấn k là ma trận độ cứng f là ma trận ngoại lực u là ma trận dịch chuyển

Xét hệ thống không có sự tác động của ngoại lực, từ đó pt (1) trở thành

Với   m  1 là ma trận nghịch đảo của ma trận [m] Đặt   m  1 [ ] [ ] k  D , [D] được gọi là ma trận động lực học. Đối với dao động điều hòa có tần số ω thì:

Mục tiêu ban đầu ta cần xác định là tìm trị riêng của phương trình trên, ký hiệu là λ, với λ=ω 2

Trị riêng được xác định bằng phương trình:

Với [I] là ma trận đơn vị Tiếp theo, ta cần xác định định được ma trận [D] Để biết giá trị ma trận [D] thì cần phải xác định được ma trận khối lượng [m] và ma trận độ cứng [k]

Với cột tháp chiều cao 10 m, các thông số đỉnh và đáy là:

+Đỉnh tháp: D đỉ nθ h mm ; bề dày t=6 mm

+Đáy tháp: D đá y 0mm ; bề dày t=5 mm

Bề dày t (mm) Đường kính trong d (mm)

Thể tích hình nón cụt được xác định bằng công thức:

V  3 r  r  r r h Để xác định thể tích của các phần của tháp, ta cần xác định được phần thể tích của phần hình nón bên ngoài và bên trong (ứng với bán kính lớn R và bán kính nhỏ r) Sau đó xác định được khối lượng m của từng phần theo công thức: x x

Qua đó, ta có bảng phân bố khối lượng như sau:

Từ bảng thống kê trên, ta xác định được ma trận khối lượng:

Page | 118 Độ cứng K được xác định bằng công thức

Với E [N/m 2 ] là module đàn hồi Young, với vật liệu thép ASTM/ASME A106 Grade B,

L [m] là chiều cao từng phần của tháp

I là momen quán tính mặt cắt ngang của tháp (m 4 ), với mặt cắt ngang của tháp là hình vành khăn, ta có công thức:

Vậy ta có giá trị của độ cứng K mỗi phần có giá trị là:

Từ bảng hệ số K trên, ta có ma trận độ cứng như sau:

Nhập ma trận độ cứng và khối lượng, ta tìm được bảng trị riêng như sau:

Từ ma trận trị riêng, ta có kết quả các giá trị tần số riêng của hệ cột tháp từ Matlab là:

Nhận xét: Tần số dao động tự nhiên của cột tháp tăng từ đỉnh tháp xuống gốc tháp do khối lượng và kích thước của gốc tháp lớn.

Trường hợp 2: Xét khối lượng phân bố tập trung ở phần rotor chính

Khối lượng (kg) m1 Cánh tay đòn + 50% 1.975 9.375

Thanh dầm 2 Ống trụ 0.15 2.883 m3 Ổ bi + máy phát 0.5 19.56

Thanh dầm 3 Ống trụ 0.5 9.611 m4 Ổ bi 0 1.56

Trong hệ đa bậc tự do, ta chia tuabin gió thành 10 nút Mỗi nút có hai bậc tự do là độ dịch chuyển u và chuyển động quay 

Trường hợp này ta xét khối lượng phân bố tập trung ở phần đỉnh tháp ( m m m 1 , 2 , 3 ) đồng thời khối lượng cũng tác dụng đều lên phần còn lại của tháp.

Ta có bảng phân bố khối lượng như sau:

*Code matlab tính trị riêng, tần số riêng:

Tương tự các bước làm ở trường hợp 1, ta có bảng phân bố moment quán tính, độ cứng K và trị riêng như sau:

Mome nt quán tính Ip

Từ ma trận trị riêng, ta có kết quả các giá trị tần số riêng của hệ cột tháp từ Matlab là:

1[ ] f Hz f Hz 2 [ ] f Hz 3 [ ] f Hz 4 [ ] f Hz 5 [ ] f Hz 6 [ ] f Hz 7 [ ] f Hz 8 [ ] f Hz 9 [ ] f Hz 10 [ ]

Nhận xét: Do    2 nên tần số f có hai giá trị (+) và (-), với quy ước dấu (-) tượng trưng cho hướng về phía ngược lại của mode hình dạng của hệ cột tháp, tương ứng với hai biên độ A và –A.

So với trường hợp là chỉ xét phân bố khối lượng dọc theo thân tháp, ta thấy trường hợp 2 là tính luôn cả phần khối lượng tập trung cộng với khối lượng phân bố dọc theo tháp có tần số nhỏ hơn. Đồ thị của trị riêng và tần số riêng ứng với 10 vị trí:

180 Đồ thị tần số riêng

Nhận xét: Đồ thị trị riêng và tần số riêng về cơ bản có sự xu hướng gia tăng theo phần chia từ ngọn tới gốc với xu hướng đường kính cột tháp tăng dần.

Tính toán các mode dao động

Nếu như từ các trị riêng, ta có thể tìm các tần số dao động tự nhiên thì từ véc-tơ riêng, ta sẽ xác định được các mode dao động của hệ cột tháp ứng với các tần số dao động tự nhiên đó Ta có:

Với {A} là véc-tơ riêng của hệ (modal vector) Với hệ mười bậc tự do, ta sẽ có mười véc- tơ riêng Véc-tơ riêng thứ nhất được xác định bằng công thức:

Từ thông số trị riêng   1 54.3, ta thay vào phương trình xác định véc-tơ riêng, ta tìm được { } A 1

*Code matlab ứng với trị riêng   1 54.3 : lamda1T.3;

Từ đó ta có kết quả:

Từ phương trình ma trận trên, ta có hệ phương trình như sau:

*Code matlab giải hệ phương trình 10 ẩn số: function F = myfun(x)

Vào command window, nhập hàm:

Ta có: các giá trị x sẽ ứng với với giá trị A{1}

Page | 130 Đồng thời lấy giá trị tỉ lệ biên độ, ta có:

Từ đó, ta có giá trị theo tỉ lệ biên độ của {A 1 }:

Nhận xét: với mode 1, ta thấy véc-tơ trị riêng biến thiên không đều từ gốc tháp tới ngọn tháp, tăng dần từ gốc tháp và giảm ở đỉnh tháp ứng với tần số riêng thứ nhất.

Tương tự như vậy, xác định được các giá trị số hạng theo tỉ số biên độ của các véc-tơ riêng còn lại, từ đó biết được các mode hình dạng còn lại của hệ cột tháp, kết quả của các véc-tơ riêng còn lại được trình bày trong bảng sau:

Nhận xét: Phương pháp giải tích để tìm tần số dao động riêng và các mode dao động của một hệ đa bậc tự do bất kì là một phương pháp dài và phức tạp, phương pháp này yêu cầu đầu vào của bài toán cần phải rõ ràng và cũng dễ bị sai sót trong qua trình tính toán Bên cạnh đó, phương pháp này chỉ áp dụng cho các hệ đơn giản, những hệ phức tạp hơn cần được thực hiện bằng những phương pháp khác như thí nghiệm hoặc mô phỏng bằng phần mềm.

Tìm tần số dao động riêng và các mode dao động của hệ cột tháp bằng mô phỏng

Ansys là một phần phần mềm mô phỏng bằng cách sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method) để tính toán ứng suất, biến dạng, chuyển vị, dao động,…và các ứng xử khác của công trình, vật thể dưới tác động của ngoại lực và nội lực, các lực tĩnh và động

Mô hình hóa cột tháp:

Thiết lập ngàm một đầu đáy tháp, đặt khối lượng phân bố trên cột tháp:

Thiết lập với 20 mode dao động, ta có kết quả sau:

Bốn mode dao động ứng với các tần số f1,f2,f3, f4

Ansys cho ta hai giá trị tần số dao động tự nhiên giống nhau theo từng cặp để thể hiện cho sự dao động về hai hướng, tức là hai biên độ dao động A và –A của cột tháp Do đó trong Ansys, ta lấy 20 kết quả sẽ tương ứng với giá trị của 10 tần số dao động tự nhiên cần tìm Giá trị tần số dao động tự nhiên từ Ansys được thể hiện trong bảng sau:

1[ ] f Hz f Hz 2 [ ] f Hz 3 [ ] f Hz 4 [ ] f Hz 5 [ ] f Hz 6 [ ] f Hz 7 [ ] f Hz 8 [ ] f Hz 9 [ ] f Hz 10 [ ]

Bảng so sánh tần số dao động riêng giữa tính toán và mô phỏng bằng Ansys:

Sai số tần số riêng (%)

Nhận xét: Bảng tần số và đồ thị của các mode dao động cột tháp có sai số so với tính toán do trong quá trình chia lưới, tính toán trong phần mềm Ansys Sai số chênh lệch khoảng 0.5%-16% Tuy nhiên, các mode dao động của hình dạng tháp có sự tương đồng trong cả hai phương pháp Qua các mode hình dạng từ mô phỏng Ansys, ta thấy được rằng sự cộng hưởng xảy ra trong quá trình hoạt động turbine gió thì rất nguy hiểm khi tần số riêng bằng tần số ngoại lực.

Một số đề xuất để hạn chế xảy ra cộng hưởng trên tháp đỡ

Hiện tượng cộng hưởng là khi tần số riêng bằng tần số ngoại lực của hệ Hiện tượng này vô cùng nguy hiểm với tuabin gió khi đang hoạt động Một hệ bất kì luôn có tần số dao động riêng, do đó trong thực tế, ta không thể loại bỏ cộng hưởng mà chỉ có thể đề phòng hiện tượng cộng hưởng xảy ra Đối với cột tháp đỡ cho turbine gió, ta có thể đề phòng cộng hưởng xảy ra bằng một số phương án sau: o Cộng hưởng có xảy ra trên tháp phụ thuộc vào tần số của ngoại lực trùng với tần số dao động riêng của tháp hay không, cụ thể là sự tác động của turbine gió lên lên trục Mục tiêu ta cần xác định là tần số hoạt động của turbine gió không bị trùng với tần số dao động riêng của tháp để tránh gây ra cộng hưởng Do đó, để điều này không xảy ra, cần tìm những vị trí cố định turbine gió ở nơi có lượng gió phù hợp (không làm cho tần số dao động của rotor trùng với tần số dao động riêng của tháp) Bên cạnh đó, việc bảo trì thường xuyên để turbine gió hoạt động tốt, giảm thiểu những rung động trong quá trình hoạt động cũng góp cũng góp phần quan trọng để tránh xảy ra hiện tưởng cộng hưởng như thường xuyên kiểm tra và điều chỉnh, tăng cường bôi trơn cho hệ truyền động ổ bi o Nhờ vào việc xác định được các mode hình dạng của tháp ứng với một tần số dao động riêng nhất định, ta có thể thực hiện gia cố thêm cho phần kết cấu tháp, cụ thể là những phần có xu hướng bị biến dạng mạnh trong trường hợp xảy ra cộng hưởng để hạn chế những phá hủy có thể xảy ra với kết cấu tháp o Sử dụng phương pháp dây nối đất nếu như khu vực lắp đặt turbine có diện tích rộng rãi nhằm giảm thiểu rung động xảy ra dẫn đến cộng hưởng cho turbine gió Khi xảy ra mưa bão ở khu vực lắp đặt turbine gió, lúc này vận tốc gió đạt mức độ rất lớn, làm cho turbine hoạt động rất nhanh Nếu vẫn để turbine hoạt động trong điều kiện thời tiết này, khả năng turbine có tần số dao động trùng với những tần số dao động riêng lớn của tháp là rất cao Nếu xảy ra cộng hưởng, cả hệ thống turbine

Page | 138 sẽ nhanh chóng bị phá hủy Do đó khi có mưa bão xảy ra, tốt nhất ta nên hạ bộ rotor xuống và tạm ngưng hoạt động của turbine gió.

Các chi tiết lắp ráp

Đai ốc

Đai ốc lắp cho cánh tay đòn và là cánh ta chọn loại đai ốc tinh sáu cạnh ISO-4034 kích thước M5

Bu lông

Bu lông ta sử dụng là loại bu lông đầu 6 cạnh tiêu chuẩn ISO 4016 kích thước M5

Cánh

Dùng phần mềm Q-blade, ta có thể chia cánh ra làm 20 phần, sau đó thiết lập các thông số cánh như:

Ta có bảng thông số như sau:

Page | 141 hình 3.12-12 Bảng thông số cánh

Page | 142 hình 3.12-13 Cánh mô phỏng QBlade

Page | 143 hình 3.12-14 Rotor trong QBlade b) Solidwork Đối với phần mêm solidwork, việc mô phỏng cánh sẽ phức tạp hơn so với phần mềm Qblade Tuy nhiên ưu điểm của phần mềm là có thể ghép nối các bộ phận của tuabin gió lại với nhau.

 Bước 1: Thiết lập thông số biên dạng cánh

Page | 144 hình 3.12-15 Thông số tọa độ mặt trên và mặt dưới cánh

 Bước 2: Thiết lập biên dạng cánh NACA0021 trong solidwork

 Bước 3: Thiếp lập cánh 3D hình 3.12-17 Cánh 3D

Page | 146 hình 3.12-18 Rotor trong Solidwork

Tổng thể

hình 3.12-19 Hình chiếu mặt trên