thiết kế tối ưu hộp tăng tốc dùng cho máy phát điện sức gió trục đứng công suất 10 kw

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ****** BÁO CÁO TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ TỐI ƯU HỘP TĂNG TỐC DÙNG CHO MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ TRỤC ĐỨNG CÔNG SUẤT 10KW Học Viên: Nguyễn Thị Thanh Nga Lớp: CH K11 CTM Chuyên ngành: Công nghệ Chế tạo máy HDKH: TS. Vũ Ngọc Pi THÁI NGUYÊN - 2010 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Nguyễn Thị Thanh Nga, Học viên lớp cao học khóa 11-Công nghệ chế tạo máy-Trường, hiện đang công tác tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên Xin cam đoan: Đề tài:” Thiết kế tối ưu hộp tăng tốc dùng cho máy phát điện sức gió trục đứng công suất 10kW “, do thầy giáo TS. Vũ Ngọc Pi hướng dẫn là công trình do bản thân tôi thực hiện dựa trên sự hướng dẫn của thầy giáo hướng dẫn khoa học và các tài liệu tham khảo đã trích dẫn. Thái Nguyên, ngày 10 tháng 10 năm 2010 Học viên Nguyễn Thị Thanh Nga Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CẢM ƠN Thứ nhất, tôi xin chân thành cảm ơn sâu sắc tới TS. Vũ Ngọc Pi, người đã tận tình hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn này. Trong quá trình làm luận văn thầy luôn định hướng cho bài luận văn, chỉ bảo tôi cách tìm tài liệu tham khảo và cung cấp một số tài liệu tham khảo. Đồng thời thầy đã hướng dẫn cho tôi về cách trình bày bài luận văn, bài báo. Tôi xin chân thành cảm ơn tới Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí – Khoa Cơ khí - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong thời gian học tập và làm luận văn. Lời cảm ơn sâu sắc tới trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã giúp đỡ tôi về kinh phí đào tạo cũng như thời gian học tập. Tôi cũng xin cảm ơn các bạn đồng nghiệp nơi tôi công tác đã động viên giúp đỡ tôi hoàn thành tốt công việc bộ môn để tạo điều kiện cho tôi được học tập tốt. Cuối cùng tôi gửi lời cảm ơn tới toàn thể gia đình tôi, mẹ tôi, chồng tôi và con tôi đã tạo điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành khóa học này. Thái Nguyên, ngày 10/10/2010 Nguyễn Thị Thanh Nga Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỤC LỤC Lời cam đoan Lời cảm ơn Mục lục Danh mục các ký hiệu và chữ cái viết tắt Danh Mục các hình vẽ Lời mở đầu 1 Chương 1: Tổng quan về máy phát điện sức gió 9 1.1. Tổng quan về máy phát điện sức gió 1.1.1. Lịch sử của máy phát điện sức gió 1.1.2. Máy phát điện sức gió trục đứng 1.1.3. Công suất của gió 1.1.4. Cấu tạo của tuốc bin gió trục đứng 1.1.4.1. Máy phát 1.1.4.2. Hộp tăng tốc 1.2. Tổng quan về thiết kế và thiết kế tối ưu máy phát điện sức gió 1.2.1. Một số nghiên cứu về máy phát điện sức gió trục ngang 1.2.2. Một số nghiên cứu về máy phát điện sức gió trục đứng 1.2.3. Một số nghiên cứu về hộp tăng tốc của máy phát điện sức gió 1.3. Kết luận 9 9 13 15 17 17 18 21 21 22 23 25 Chương 2: Cơ sở tính toán thiết kế 2.1. Lựa chọn hộp tăng tốc 2.1.1. Các loại bánh răng 2.1.2. Hộp tăng tốc 2.2. Cơ sở tính toán thiết kế bánh răng 2.2.1. Các thông số hình học 2.2.2. Số răng 26 26 26 29 31 31 36 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2.2.3. Tỷ số truyền 2.3. Máy phát 2.3.1. Hiện tượng từ 2.3.2. Các định luật cơ bản 2.3.3. Các loại máy phát 2.3.4. Lựa chọn loại máy phát 2.4. Kết luận 37 38 38 40 43 46 46 Chương 3: Xây dựng bài toán tối ưu 3.1. Giới thiệu về bài toán tối ưu 3.2. Xây dựng hàm mục tiêu 3.2.1. Hàm mục tiêu khối lượng của hệ gồm hộp tăng tốc và máy phát là nhỏ nhất 3.2.1.1. Khối lượng của hộp tăng tốc 3.2.1.2. Khối lượng của máy phát 3.2.2. Hàm mục tiêu về giá thành của hệ gồm hộp tăng tốc và máy phát là nhỏ nhất 3.3. Bài toán tối ưu 3.3.1. Bài toán tối ưu đơn mục nhằm đạt khối lượng của hệ là nhỏ nhất 3.3.2. Bài toán tối ưu đơn mục về giá thành nhỏ nhất 3.4. Kết luận 48 48 48 48 48 56 61 61 61 62 62 Chương 4: Các phương pháp giải bài toán tối ưu 4.1. Các phương pháp giải bài toán tối ưu đơn mục tiêu 4.2. Lựa chọn phương pháp giải bài toán tối ưu đơn mục tiêu 63 63 65 Chương 5: Kết quả và nhận xét 5.1. Kết quả và nhận xét 5.2. Kết luận 67 67 73 Chương 6: Kết luận và kiến nghị 6.1. Kết luận 6.2. Kiến nghị 74 74 75 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Tài liệu tham khảo Phụ lục 1: Bài báo Phụ lục 2: Một phần chương trình giải bào toán tối ưu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ CÁI VIẾT TẮT HAWTs Tuốc bin gió kiểu trục ngang VAWTs Tuốc bin gió kiểu trục đứng P 0 Công suất của gió (W) C p Hệ số Bezt  Khối lượng riêng của không khí  = 1,25(Kg/m 3 )  Vận tốc góc (rad/s) u Tỷ số truyền Z Số răng của bánh răng d Đường kính vòng tròn chia (mm) d b Đường kính vòng tròn cơ sở (mm) d f Đường kính vòng tròn chân răng (mm) d w Đường kính vòng tròn lăn (mm) a w Khoảng cách trục G H Khối lượng của hộp tăng tốc (kg) G VH Khối lượng của vỏ hộp tăng tốc (Kg)  1 Khối lượng riêng của vật liệu làm vỏ hộp  1 = 7,8.10 -6 (Kg/mm 3 ) G BR Khối lượng của bánh răng (Kg)  2 Khối lượng riêng của vật liệu làm bánh răng  2 = 7,8.10 -6 (Kg/mm 3 ) G TR Khối lượng của trục (Kg)  3 Khối lượng riêng của vật liệu làm trục  3 = 7,8.10 -6 (Kg/mm 3 ) T Mô men xoắn (Nmm)  o Hiệu suất của ổ lăn  br Hiệu suất của bánh răng G mp Khối lượng của máy phát (Kg) G s Khối lượng của stator (Kg) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn G r Khối lượng của rotor (Kg) G d Khối lượng của dây quấn đồng (Kg) G v Khối lượng của vỏ máy phát (Kg)  4 Khối lượng riêng của vật liệu làm stator  4 = 7,8.10 -3 (Kg/cm 3 )  5 Khối lượng riêng của vật liệu làm rotor  5 = 7,8.10 -3 (Kg/cm 3 )  6 Khối lượng riêng của vật liệu làm dây quấn  6 = 8,9.10 -3 (Kg/cm 3 )  7 Khối lượng riêng của vật liệu làm vỏ máy phát  7 = 7,8.10 -3 (Kg/cm 3 ) D n Đường kính ngoài của stator (cm) D Đường kính trong của stator (cm) f Tần số (Hz) p Số đôi cực A Tải đường (A/cm) B  Mật độ từ thông khe hở không khí (gauxơ) J Mật độ dòng điện (A/mm 2 ) l  Chiều dài lõi sắt stator (cm)  Bước cực (cm)  Khe hở không khí (mm) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 0.1 Bản đồ tiềm năng gió của thế giới Hình 0.2 Bản đồ tiềm năng điện gió ở Việt Nam Hình 1.1 Mô hình cối xay gió xuất hiện sau thế kỷ 13 Hình 1.2 Máy bơm chạy bằng sức gió, phía Tây nước Mỹ những năm 1800 Hình 1.3 Máy phát điện sức gió do Charles F. Brush chế tạo, 1888 Hình 1.4 Tuốc bin gió của Dane Poul La Cour ở Askov, Đan Mạch Hình 1.5 Máy phát Gedser, Công suất 200Kw HÌnh 1.6 Tuốc bin gió trục đứng Savonius Hình 1.7 Tuốc bin gió trục đứng kiểu Darieus với đường kính 34m HÌnh 1.8 VAWT kiểu H – rotor ở Anh Hình 1.9 Quan hệ giữa hệ số Betz C p và tỷ số vân tốc V 0 /V Hình 1.10 Cỡ của tuốc bin gió Hình 1.11 Cấu tạo của tuốc bin gió trục đứng Hình 1.12 Hộp tăng tốc với tỷ số truyền u = 50 Hình 1.13 Hộp tăng tốc cho tuốc bin gió 1.5 MW Hình 1.14 Hộp tăng tốc dùng cho tuốc bin ESI-80 Hình 1.15 Hộp tăng tốc bánh răng hành tinh của hãng Kisssoft Hình 1.16 Hộp tăng tốc bánh răng hành tinh Hình 1.17 Mô hình hộp tăng tốc của hệ thống tuốc bin 1,5 MW Hình 1.18 Sự so sánh giá của hệ thống tuốc bin khi sử dụng và không sử dụng hộp tăng tốc Hình 2.1 Hệ thống cơ bản về năng lượng gió Hình 2.2 Cặp bánh răng trụ răng thẳng Hình 2.3 (a) Bánh răng trụ răng nghiêng; (b) Bánh răng chữ V HÌnh 2.4 Bộ truyền bánh răng côn Hình 2.5 Bộ truyền trục vít – bánh vít Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 2.6 Bánh răng hành tinh Hình 2.7 Sự hình thành đường than khai Hình 2.8 Sự ăn khớp của hai biên dạng than khai Hình 2.9 Các thông số chế tạo bánh răng Hình 2.10 Các thông số của bánh răng trụ răng nghiêng Hình 2.11 Đoạn ăn khớp thực của cặp bánh răng Hình 2.12 Số răng của bánh răng chủ động Hình 2.13 Tỷ số truyền cuar hộp tăng tốc bánh răng trụ răng nghiêng hai cấp Hình 2.14 Sự tạo thành đường sức khi nam châm trái cực Hình 2.15 Sự tạo thành đường sức khi nam châm cùng cực Hình 2.16 Sự tạo thành điện từ Hình 2.17 Định luật Faraday về cảm ứng điện từ Hình 2.18 Định luật về lực điện từ Hình 2.19 Định luật Lenz Hình 2.20 Các kiểu rotor Hình 2.21 Các bộ phận của máy phát điện không đồng bộ Hình 2.22 Lõi thép stator và rotor Hình 2.23 Dây quấn stator và dây quấn rotor Hình 3.1 Sơ đồ tính toán khối lượng của hộp số Hình 3.2 Sơ đồ tính toán khối lượng của máy phát Hình 4.1 Véc tơ Gradien cho hàm f(x 1 , x 2 , x 3 ) tại điểm x * Hình 4.2 Phương pháp lát cắt vàng HÌnh 4.3 Sơ đồ thuật giải của phương pháp tìm kiếm trực tiếp Hình 5.2 Biểu đồ quan hệ giữa tỷ số truyền chung của hộp tăng tốc và số vòng quay của máy phát Hình 5.2 Mối quan hệ giữa số vòng quay và khối lượng máy phát Hình 5.3 Biểu đồ quan hệ giữa tỷ số truyền của hộp tăng tốc và khối lượng của hộp [...]... luận văn - Mục đích: Thiết kế tối ưu hộp tăng tốc dùng cho máy phát điện sức gió trục đứng công suất 10 kW - Đối tượng nghiên cứu: máy phát và hộp tăng tốc trong máy phát điện sức gió trục đứng - Nhiệm vụ của luận văn Nghiên cứu tổng quan về máy phát điện sức gió: Khái quát về máy phát điện sức gió nói chung và máy trục các hướng nghiên cứu, tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về đứng nói riêng để... sức gió nói riêng Việc tính toán thiết kế và thiết kế tối ưu hộp tăng tốc của máy phát điện sức gió cũng đã được chú ý Tuy nhiên chưa có nghiên cứu nào về thiết kế tối ưu hộp tăng tốc cho máy phát điện sức gió nhằm mục tiêu giá thành của hệ thống là nhỏ nhất Chính vì thế cần thiết phải thiết kế tối ưu hộp tăng tốc cho máy phát điện sức gió kiểu trục đứng 1 0kW Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái... máy phát điện sức gió trục đứng B.G Newman and T.M Ngabo [19] thiết kế cánh tuốc bin kiểu cánh buồn của máy phát điện sức gió trục đứng Cũng nghiên cứu về tính toán thiết kế hệ thống cánh tuốc bin gió kiểu trục đứng trong máy phong điện công suất 1 0KW của tác giả Chu Đức Quyết [3] Một nghiên cứu của Sandra Eriksson [1] về điều khiển trực tiếp máy phát của tuốc bin gió trục đứng Phương pháp này là thiết. .. toán thiết kế tối ưu hộp giảm tốc ở Việt Nam Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ VÀ THIẾT KẾ TỐI ƢU MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ 1.1 Tổng quan về máy phát điện sức gió 1.1.1 Lịch sử phát triển của máy phát điện sức gió Hàng nghìn năm loài người đã chứng kiến những ứng dụng của năng lượng gió vào cuộc sống từ rất sớm Gió. .. - Công suất máy phát thấp chủ yếu nằm ở mức vài chục kW Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1.1.2 Máy phát điện sức gió trục đứng (VAWTs) Trong suốt thế kỷ 20, máy phát điện sức gió trục ngang tiếp tục phát triển với nhiều tuốc bin lớn hơn và hiện đại hơn Song song với sự phát triển của máy phát điện sức gió trục ngang thì máy phát điện sức gió trục đứng cũng... nay, máy phát điện sức gió đã và đang sử dụng ở nhiều nước trên thế giới trong đó có Việt Nam Việc sử dụng máy phát điện sức gió càng ngày càng được quan tâm vì đây là nguồn năng lượng dồi dào, rẻ tiền và không gây hại cho môi trường Cho đến nay có khá nhiều công trình nghiên cứu về thiết kế và thiết kế tối ưu máy phát điện sức gió nói chung và máy phát điện sức gió nói riêng Việc tính toán thiết kế. .. ($ 100 0) 1800 1600 1400 1200 100 0 800 600 400 200 0 1 2 3 4 5 Hình 1.14: Sự so sánh giá của hệ thống tuốc bin khi sử dụng và không sử dụng hộp tăng tốc [23] (1) công suất hệ thống 660 kW khi sử dụng hộp tăng tốc; (2 )công suất hệ thống 750 kW khi sử dụng và hộp tăng tốc; (3) công suất hệ thống 1,5 MW khi sử dụng hộp tăng tốc; (4) công suất hệ thống 600 kW khi không sử dụng hộp tăng tốc; (5) công suất. .. của tuốc bin gió trục đứng [7] 1.1.4.1 Máy phát Có nhiều loại máy phát được sử dụng cho tuốc bin gió như: máy phát điện cảm ứng, máy phát điện đồng bộ và máy phát điện không đồng bộ Trong lịch sử, máy phát điện cảm ứng được ứng dụng rất phổ biến [9] Máy phát điện đồng bộ thông thường sử dụng cho rotor có tốc độ quay không đổi, còn máy phát điện cảm ứng có thể sử dụng cho rotor có tốc độ quay thay đổi... của cánh 1.5.3 Một số nghiên cứu về hộp tăng tốc của máy phát điện sức gió Một nghiên cứu của Andrew Firth và Hui Long [21] về sự phát triển của công cụ phần mềm thiết kế cho hộp tăng tốc của hệ thống tuốc bin Phần mềm này rất dễ dàng khi tính toán hộp tăng tốc hành tinh Nó đã được tính toán thử nghiệm cho hộp tăng tốc của hệ thống tuốc bin với công suất 2 MW và máy phát không đồng bộ ba pha với số vòng... tế tốc độ của gió rất nhỏ nên số vòng quay của rotor nhỏ Do đó thường sử dụng hộp tăng tốc nối giữa rotor với máy phát để tăng số vòng quay của trục Vì vậy, máy phát mới giảm được số đôi cực từ và giảm được khối lượng của máy phát 11 4.2 Hộp tăng tốc Năng lượng của gió từ rotor qua máy phát được chuyển đổi thành điện năng vad được thông qua một số các bộ phận như: trục, hộp tăng tốc v.v… Hộp tăng tốc . Mục đích: Thiết kế tối ưu hộp tăng tốc dùng cho máy phát điện sức gió trục đứng công suất 10 kW - Đối tượng nghiên cứu: máy phát và hộp tăng tốc trong máy phát điện sức gió trục đứng - Nhiệm. tuốc bin gió trục đứng 1.1.4.1. Máy phát 1.1.4.2. Hộp tăng tốc 1.2. Tổng quan về thiết kế và thiết kế tối ưu máy phát điện sức gió 1.2.1. Một số nghiên cứu về máy phát điện sức gió trục ngang. Tổng quan về máy phát điện sức gió 9 1.1. Tổng quan về máy phát điện sức gió 1.1.1. Lịch sử của máy phát điện sức gió 1.1.2. Máy phát điện sức gió trục đứng 1.1.3. Công suất của gió 1.1.4.