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[.]

Mục lục Danh sách hình ảnh Danh sách bảng biểu Điện 1.1 Điện gió 1.2 Điện mặt trời Khí động 2.1 Nguyễn Duy Nam 2.1.1 Lý thuyết động lượng thẳng: 2.1.2 Lý thuyết tuyến tính cho cấu hình cánh thẳng: 2.1.3 Lý thuyết động lượng kép 2.1.4 Các ảnh hưởng thực tế đến hiệu suất turbine: 2.1.5 Vận tốc cảm ứng a) Tính tốn cho phần upstream 10 b) Tính tốn cho downstream .11 2.1.6 2.2 Lâm Hoàng Long .13 2.2.1 Lý thuyết phần tử cánh: .13 2.2.2 Ảnh hưởng tổn thất mũi cánh: .17 2.2.3 Lựa chọn biên dạng cánh: 21 2.3 Mơ hình hiệu chỉnh 12 Trần Hà Nam 25 Kết cấu: 25 3.1 Cơ sở lý thuyết sức bền vật liệu: 25 3.1.1 Các giả thiết vật liệu 25 3.1.2 Lý thuyết bền vật liệu 26 3.1.3 Các hình dáng vật thể nghiên cứu sức bền vật liệu 31 3.1.4 Các loại biến dạng .32 3.1.5 Moment qn tính hình học phẳng 33 3.2 Cơ sở lý thuyết dao động học 36 3.2.1 Khái niệm hệ đa bậc tự 36 3.2.2 Tần số dao động tự nhiên vật 37 3.2.3 3.3 Các mode dao động vật .38 Thiết kế sơ turbine gió trục đứng xác định tải lực lên cánh 39 3.3.1 Thiết kế sơ turbine gió trục đứng 39 3.3.2 Giới thiệu vật liệu sử dụng cho wind turbine .41 3.3.3 Các lực tác dụng lên turbine 44 3.4 Mô solidwork 48 3.4.1 Tổng thể: 48 3.4.2 Trục 48 3.4.3 Cánh tay đòn: .50 3.4.4 Máy phát: 51 3.5 Tính toán bền cho cánh 51 3.6 Thiết kế mơ tính tốn chi tiết cánh: .57 3.6.1 Các bươc thiết lập mơ hình tốn giải phương pháp phần tử hữu hạn 57 3.6.2 Các dạng lưới – Chọn loại lưới tính tốn 58 3.6.3 Mơ cánh đặc có khoét lỗ để giảm khối lượng 65 3.6.4 Mô cánh rống 11 rib – spar thời điểm làm việc 8m/s với lực áp suất pháp tuyến 74 3.6.5 Mô cánh rống 11 rib – spar – khảo sát ảnh hưởng bề dày 78 3.6.6 Mô cánh rỗng 21 rib – spar đánh giá ảnh hưởng phân bố rib spar lên toàn kết cấu cánh 81 3.6.7 Khảo sát ảnh hưởng vị trí ngàm lên kết cấu cánh 84 3.6.8 Tổng hợp kết quả, đưa phương án thiết kế kết cấu cuối 86 3.7 Tính tốn bền cho cánh tay địn: .94 3.7.1 Trường hợp cánh tay đòn chịu uốn túy quanh trục Oy .95 3.7.2 Trường hợp cánh tay đòn chịu uốn túy quanh Oz 98 3.7.3 Trường hợp cánh tay đòn chịu kéo túy theo phương Ox 100 3.7.4 Kiểm tra điều kiện bền cho cánh tay đòn 100 3.8 Tính tốn bền cho trục: 101 3.8.1 Trường hợp trục chịu uốn túy 103 3.8.2 Trường hợp trục quay chịu xoắn túy 106 3.9 Giới thiệu đưa thông số thiết kế cho tháp đỡ 107 3.9.1 Tháp hình ống 107 3.9.2 Tháp dạng khung giàn .108 3.9.3 Tháp dây nối đất 109 3.9.4 Thiết kế sơ cho tháp đỡ turbine gió 110 3.10 Xác định tần số dao động tự nhiên tháp đỡ 111 3.10.1 Giải thích hệ đa bậc tự do: 111 3.10.2 Trường hợp 1: Khối lượng phân bố dọc theo chiều cao tháp .112 3.10.3 Trường hợp 2: Xét khối lượng phân bố tập trung phần rotor 120 3.10.4 Tính tốn mode dao động .125 3.10.5 Ansys Tìm tần số dao động riêng mode dao động hệ cột tháp mô 130 3.11 Một số đề xuất để hạn chế xảy cộng hưởng tháp đỡ 135 3.12 Các chi tiết lắp ráp 136 3.12.1 Đai ốc: 136 3.12.2 Bu lông: 138 3.12.3 Cánh .139 3.12.4 Tổng thể .146 Trần Trung Tiến 147 Danh sách hình ảnh Danh sách bảng biểu Điện 1.1 Điện gió 1.2 Điện mặt trời Khí động 2.1 Nguyễn Duy Nam 2.1.1 Lý thuyết động lượng thẳng: Trong lý thuyết này, turbine gió xem đĩa mỏng có diện tích qt A S Xét dịng khí chuyển động với vận tốc V xa trước turbine ống lưu tuyến, qua turbine có V2 sau turbine Vận tốc dịng khơng khí vị trí turbine diện tích qt AS có vận tốc p p V t s áp suất mặt trước đĩa mặt sau đĩa Trong trường hợp lý tưởng ta giả thiết dịng khơng khí chuyển động qua turbine thường đều, không nén được, không nhớt, không quay Áp suất tĩnh quanh bề mặt ống lưu tuyến giả thiết khắp nơi Áp suất tĩnh trước sau ống lưu tuyến áp suất tĩnh khơng khí Hình 1: sơ đồ dịng khơng khí ống lưu tuyến qua turbine Áp dụng nguyên lý bảo toàn khối lượng cho dịng khơng khí chuyển động ống lưu tuyến ta có:  m V A V2 A2 const Áp dụng ngun lý bảo tồn động lượng cho thể tích kiểm soát ống lưu tuyến, với điều kiện tổng ngoại lực áp suất tác dụng lên bề mặt thể tích kiểm sốt 0, ngoại lực ma sát quanh ống lưu tuyến Vậy lực T dịng khí tác dụng vào turbine độ biến thiên động lượng thẳng dịng khơng khí qua turbine:   T mV  mV2 VAs  V  V2  Mặt khác ta có lực chênh lệch áp mắt trước mặt sau turbine lực T: Do ta có: psBernoulli ptV  V  V2dòng  ps cho  khơng khí xa trước turbine dịng khơng khí Áp dụng phươngptrình t  T trước turbine Sau áp dụng phương trình Bernoulli dịng khơng khí sau turbine cho dịng khơng khí xa sau turbine ta được: 1 p  V  pt  Vt 2 1 p  V2  ps  Vs 2  pt  ps    V2  V2  Ta tìm vận tốc dịng khơng khí qua đĩa là: V  V  V2  V a V Đặt Độ giảm động đơn vị khối lượng khơng khí qua turbine: 1 E   V  V2   V   a  2 Công suất turbine nhận được: P m E  AsV3 (1  a )(1  a ) Hệ số công suất: CP  (1  a)(1  a ) Lực T:   T 2 V  V V V V V 2.1.2 Lý thuyết tuyến tính cho cấu hình cánh thẳng: Áp dụng lý thuyết phần tử cánh cấu hình cánh thẳng, ta có: r 1  90 a) Tính tốn cho lực T: Ta có Vr sin( ) V cos( ) Vr cos( ) R  V sin( ) Ta giả thiết xét góc tới nhỏ, đó:  c    a0 h    K l a0  CL K l sin( )  1 a c h    CD CD0    với Khi từ phương trình chung, qua biến đổi toán học ta thu phương trình sau: + Hệ số lực đẩy trung bình: CTa  nc nc RKl V  V RCD0 4 + Hệ số moment: CM a  ncK l ncCD0 V  (2 R  V ) 4 + Hệ số công suất: 2  ncCD0   ncR   ncK l  ncR  2R    C P R K l  3CD0   Kl  3CD0   1   16 16          2.1.3 Lý thuyết động lượng kép Lý thuyết động lượng đĩa kép cãi thiện có quan hệ mật thiết với lý thuyết động lượng đĩa đơn mô hình đa ống dịng thời điểm, có nhiều ẩn số số phương trình để giải cách sử dịng riêng lẻ lý thuyết phần tử cánh khó Lý thuyết ống dịng đơn có hạn chế xem vận tốc cảm ứng không đổi suốt trình dịng khí từ cánh qua đến cánh khác ( tức vận tốc cảm ứng vùng upstream downstream nhau) Để tăng độ xác so với thực nghiệm, nên mơ hình tính tốn động lượng đĩa kép đời Trong lý thuyết động lượng, dịng khí giả sử không nhớt, ổn định, chiều không xoay Newman đuwocj sử dụng giả thuyết để hệ số công suất cực 16 16 đại với mơ hình đĩa kép C pmax= =0.64 so sánh với giới hạn Betz ta thấy động 25 27 lương đĩa kép cho ta kết tốt [tham khảo 17] a) Xây dựng phương trình từ thể tích kiểm sốt Áp suất tĩnh vận tốc góc dịng tĩnh xa vơ tiếp cận vào rotor p∞ V ∞ [hinh] Áp suất đĩa giảm từ giá trị p2 sang p1 hay p2 > p1và kết sinh lực cản D1; tương tự lực cản đĩa thứ D2 kết giảm áp suất từ p4 sang p3 Phương trình động lượng áp dụng cho kết thể tích kiểm sốt hình [hinh] [hinh] Thể tích kiểm sốt ( hình vành khun) Phương trình liên tục: ρ ( A0 −a0 ) V ∞ =ρ ( A−a ) V u =ρ ( A w −aw ) V Ω Phương trình Bernoulli: 1 p∞ + ρ V 2∞ =p 1+ ρ V 2u 2 1 p2 + ρV 2u= p∞ + ρ V 2Ω 2 Phương trình động lượng: T 1−T a=m´ u ( V ∞−V Ω )=ρ ( A−a ) V u ( V ∞−V Ω ) Thể tích khiểm sốt 2: Phương trình động lượng: T 1−T a=( p 1− p2) ( A−a ) Thể tích kiểm sốt 3: Phương trình liên tục: ρ a0 V ∞ =ρaV u =ρ aw V d =ρ aw V ' ' Phương trình động lượng: T a +T =ρaV d (V u−V ' ' ) Phương trình Bernoulli: Từ sang 1: ( p0= p ∞) 1 p∞ + ρ V 2∞ =p 1+ ρ V 2u 2 Từ sang 3: 1 p2 + ρV 2u= p3 + ρV 2d 2 Từ sang 5: 1 p4 + ρ V 2d = p∞ + ρ V ' ' 2 Thể tích kiểm sốt 5: Phương trình động lượng: T a=( p 1− p2) a T 2=( p3 − p4 ) A b) Hệ số lực cản đĩa trước ( upstream disk) Từ phương trình (3.4) (3.5) ta được: ( p1− p2 ) ( A−a ) =ρ ( A−a ) V u ( V ∞ −V Ω ) ¿> ( p 1−p ) ( A−a )=ρ V u ( V ∞−V Ω ) Từ (3.8) (3.9) ta được: 1 1 p1 + ρV 2u− p2− ρ V 2u= p∞ + ρ V 2∞ −p ∞− ρ V 2Ω 2 2 ¿> p1 −p 2= ρ(V 2∞ −V 2Ω ) Kết hợp (3.13) (3.14), thu vận tốc sau đĩa 1: ρ V u ( V ∞−V Ω )= ρ(V 2∞−V 2Ω) ¿>V u = (V ∞ +V Ω ) Từ (3.4) (3.15), được: 1 T a=ρa V u ( V ∞−V Ω )= ρa ( V ∞ +V Ω )( V ∞−V Ω )= ρa(V 2∞−V 2Ω ) 2 Từ (3.5) ta thu được: V Ω =2V u−V ∞ Thay (3.17) vào (3.16), ta thu được: T a= ρa ¿ Từ phương trình liên tục (3.6) ta thu được: V a= A d Vu Thay (3.19) vào (3.18) , ta thu được: V T a= ρA d ¿ Vu T a=2 ρA V d (V ∞−V u ) Tương tự cho thể tích kiểm sốt 2, tìm lực cản đĩa 1: D1=T 1=ρA V u ( V ∞ −V Ω ) =ρA V u ( V ∞−2 V u +V ∞ ) ¿> D =2 ρ V u (V ∞−V u ) A Hệ số lực cản C D tác dụng lên đĩa 1: D1 ρ V u (V ∞ −V u ) A V u (V ∞−V u ) CD1= = = 1 2 V 2∞ ρV∞ A ρV∞ A 2 Vu Vu ¿>C D 1=4 1− V∞ V∞ ( ) D2=T 2=ρA V d (2 V u−V ∞ −V '' ) Từ (3.6),(3.7),(3.12) (3.20), thu được: V ' ' =V d ± [ V 2d + V u ( V u−V d −V ∞ ) + V ∞ (2 V d +V ∞ ) ] /2 Biết D2=T từ (3.7) (3.20), thu lực cản đĩa 2: D2=T 2=ρA V d ( 2V u−V ∞−V ' ' ) c) Hệ số lực cản cho đĩa sau ( đĩa 2): D2 CD2= ρ V 2∞ A Vd Vu Vd V d Vd Vu Vu Vd C D =2 − + +2 +4 − −1 +1 −1 V∞ V∞ V∞ V∞ V∞ V∞ V∞ V∞ { [( ) ( Nhận xét : C D =f C D =f Vu V∞ ( ) ( Vu Vd , V∞ V∞ ) Tổng lực cản: C D =C D +C D Biến đổi tỉ số Vu hàm theo C D được: V∞ ) ] } Vu 1 = + √ 1−C D V∞ 2 Ta thấy C D =1 Vu = V∞ 2.1.4 Các ảnh hưởng thực tế đến hiệu suất turbine: Một số ảnh hưởng bên đến hiệu suất turbine gió aspect ratio, dịng downwash xác định phần a) Tỉ số Aspect ratio: Trong trình quay 3600 quanh trục, biên dạng cánh phải trải qua trường hợp góc tới lớn trường hợp xảy ra, cánh turbine tình trạng stall, cần phải sử dụng số liệu thực nghiệm hệ số lực nâng, hệ số lực cản, hệ số moment biên dạng cánh để xác định góc tới mà cánh bị stall Tuy nhiên số liệu thường đo đạc cho trường hợp cánh vô hạn ta cần phải có phép hiệu chỉnh để sử dụng số liệu cho cánh hữu hạn có tỉ số aspect ratio xác định Chúng ta có phương pháp hiệu chỉnh Prandtl sau: CL0 CL  a 1  AR CL CD CD0   AR C C Trong L0 D0 hệ số lực nâng hệ số lực cản cánh dài vơ hạn b) Dịng downwash: Trong cấu hình turbine gió nhiều cánh, theo chiều quay, cánh sau nằm dòng downwash từ cánh trước, góc tới thực tế đến cánh bị giảm Người ta xác định hệ số lực nâng cánh trường hợp có dịng downwash sau: a0      AR  CL CL0     a0   AR   c) Độ cong dòng Ảnh hưởng khơng đáng kể: 1% 2.1.5 Vận tốc cảm ứng Thành phần vận tốc sau cánh upstream nhỏ vận tốc môi trường cục (V u< V ∞ ) Mặt phẳng vùng downstream upstream vùng mà vận tốc cảm ứng cân V e < V u; vận tốc cảm ứng giảm dọc theo trục ống dòng theo hướng từ upwind sang downwind thành phần vận tốc downwind có vận tốc nhỏ vận tốc cân tức V d < V e Quan hệ vận tốc nói theo vận tốc môi trường biểu diễn bên Với upstream: V u=(1−au)V ∞ (1) Tại mặt phẳng upstream downstream: V e =(1−2 au )V ∞ Với downstream: V d =( 1−ad ) V e =( 1−a d ) (1−2 au)V ∞ (2) (3) Hình 1: mặt phẳng xích đạo chia làm nửa Ta thấy: + vùng upstream : −π /2≤ θ ≤ π /2 + vùng downstream : π /2≤ θ ≤ π /2 a) Tính tốn cho phần upstream vùng upstream : −π /2≤ θ ≤ π /2 xét lưu lượng khối lượng khí qua ống dịng: m=ρ ´ Vu A (4) Giả sử ống dịng xét có chiều cao h Ta được: m=ρ ´ V u r ∆ θ|cosθθ|h (5) Sự thay đổi vận tốc hay giảm vận tốc qua phần upstream gồm giai đoạn, (1) dịng từ khơng khí vào đĩa (2) dịng từ sau đĩa qua mặt phẳng đĩa Do đó: ∆ V u =( V u−V ∞ ) + ( V e −V u ) =( 1−2 au ) V ∞ −V ∞ ¿> ∆ V u=−2 au V ∞ (6)