nghiên cứu, tính toán và thiết kế biên dạng cánh turbine gió trục đứng cho máy phát điện công suất 3 kw

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ****** LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Ngành: Công nghệ Chế tạo máy NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ BIÊN DẠNG CÁNH TURBINE GIÓ TRỤC ĐỨNG CHO MÁY PHÁT ĐIỆN CÔNG SUẤT 3KW DƢƠNG VĂN ĐỒNG THÁI NGUYÊN - 2010 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ****** LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ BIÊN DẠNG CÁNH TURBINE GIÓ TRỤC ĐỨNG CHO MÁY PHÁT ĐIỆN CÔNG SUẤT 3KW Ngành : Công nghệ Chế tạo máy Mã số : 60.52.04 Học viên : Dƣơng Văn Đồng Lớp : CHK11 CTM HDKH : PGS. TS Ngô Nhƣ Khoa THÁI NGUYÊN - 2010 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1 LỜI CAM ĐOAN Tôi là Dƣơng Văn Đồng - Học viên cao học lớp K11-Công nghệ chế tạo máy Khóa học 2008 - 2010 trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. Sau hai năm học tập, rèn luyện và nghiên cứu tại trƣờng tôi lựa chọn thực hiện đề tài tốt nghiệp “Nghiên cứu, tính toán và thiết kế biên dạng cánh turbine gió trục đứng cho máy phát điện công suất 3KW”. Đƣợc sự hƣớng dẫn và giúp đỡ tận tình của PGS. TS Ngô Nhƣ Khoa và sự nỗ lực của bản thân, đề tài đã đƣợc hoàn thành năm 2010. Tôi cam đoan toàn bộ nội dung và kết quả của luận văn này là do tự bản thân tôi thực hiện, không sao chép của ngƣời khác. Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm. Thái Nguyên, ngày 10 tháng 10 năm 2010 Tác giả Dương Văn Đồng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2 LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian học tập, rèn luyện và nghiên cứu tại trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên, tác giả xin đƣợc bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc nhất tới PGS. TS Ngô Nhƣ Khoa và ban Công nghệ thông tin Đại học Thái Nguyên đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ và tạo điều kiện để tôi thực hiện hoàn thành đề tài luận văn tốt nghiệp. Cảm ơn các thầy, cô giáo trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã tận tình giảng dạy trong hai năm học vừa qua. Cảm ơn Ban Giám hiệu và khoa Khoa học cơ bản - Trƣờng Cao đẳng Kỹ thuật Công nghiệp (số 202 - Trần Nguyên Hãn - TP. Bắc Giang) đã tạo điều kiện về thời gian để tôi thực hiện và hoàn thành khóa học. Cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã động viên, giúp đỡ tôi trong thời gian qua để luận văn đƣợc hoàn thành đúng tiến độ. Thái Nguyên, ngày 10 tháng 10 năm 2010 Tác giả Dương Văn Đồng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3 MỤC LỤC Lời cam đoan………………………………………………………… …… 1 Lời cảm ơn………………………………………………………………… 2 Mục lục. …………………………………………………………… …… 3 Danh mục các hình vẽ…………………………………………… …… 6 Danh mục các bảng biểu………………………………………… ……… 9 Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt…………………………… ………… 10 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài………………………………………… ……… 12 2. Mục tiêu và nhiện vụ của luận văn……………………………… …… 13 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu……………………………… …… 14 4. Phƣơng pháp nghiên cứu……………………………………… …… 14 5. Ý nghĩa…………………………………………………………… …… 14 NỘI DUNG CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1. Năng lƣợng gió………………………………………………… …… 15 1.1.1. Tình hình sử dụng năng lƣợng gió trên thế giới……………… …… 15 1.1.2 Tình hình sử dụng năng lƣợng gió ở Việt Nam……………… …… 17 1.2. Các loại máy phong điện……………………………………… …… 19 1.3. Các kiểu dáng hình học cánh turbine gió……………………… …… 21 1.3.1. Kiểu dạng chén…………………………………………… …… 22 1.3.2. Kiểu savonius……………………………………………… …… 23 1.3.3. Turbine kiểu plates…………………………………………… … 24 1.3.4. Kiểu Darrieus – Rotor và H – Rotor………………………… …… 24 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 4 1.4. Kết luận chƣơng 1…………………………………………… ……. 25 CHƢƠNG 2. CƠ SỞ KHOA HỌC TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ BIÊN DẠNG CÁNH TURBINE GIÓ 2.1. Học thuyết Albert Betz ……………………… …… 26 2. 2. Đặc điểm cấu tạo và nguyên lý hoạt động máy phong điện…………… 28 2.2.1. Máy phong điện trục ngang(HAWT) 28 2.2.2. Máy phong điện trục đứng(VAWTs) 30 2.3. Cánh turbine gió 32 2.3.1. Các thông số cơ bản trên cánh turbine 33 2.3.2. Lực tác động lên cánh turbine 32 2.4. Lực tác dụng lên rotor 39 2.4.1. Lực tác dụng lên rotor trục đứng 39 2.4.2. Lực tác dụng lên rotor trục ngang 41 2.4.2.1. Các khái niệm hình học 41 2.4.2.2. Năng suất vận hành của một phần tử cánh 42 2.4.2.3. Biểu thức tổng quát của áp lực, mômen và công suất 43 2.5. Một số loại rotor điển hình 44 2.5.1. Rotor Darieus 44 2.5.2. Rotor Savonius 49 2.6. Kết luận chƣơng 2 50 CHƢƠNG 3. TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MÔ HÌNH CÁNH TURBINE GIÓ 3.1. Các biên dạng cánh thƣờng dùng 51 3.1.1. Biên dạng cánh NACA 51 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 5 3.1.2. Một số biên dạng cánh khác 57 3.2. Mô hình thực nghiệm 59 3.2.1. Các thiết bị thực nghiệm 59 3.2.2 Thực hiện các thí nghiệm 61 3.2.2.1. Thí nghiệm thứ nhất : Xác định hệ số cản lực gió qua bề mặt cánh turbine 61 3.2.2.2. Thí nghiệm thứ hai : Xác định góc đặt cánh 63 3.2.2.3. Thí nghiệm thứ ba: Xác định vận tốc góc và công suất rotor biên dạng cánh cung tròn 64 3.2.2.4. Thí nghiệm thứ tƣ: Xác định tốc độ vòng quay và công suất rotor biên dạng cánh NACA0015 69 3.3. Kết luận chƣơng 3 73 CHƢƠNG 4. TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CÁNH TURBINE GIÓ TRỤC ĐỨNG CHO MÁY PHÁT ĐIỆN CÔNG SUẤT 3KW 4.1. Thiết kế cánh turbine gió biên dạng cung tròn 74 4.2. Thiết kế cánh turbine gió biên dạng NACA0015 82 4.3. Vật liệu chế tạo cánh turbine gió 93 CHƢƠNG 5. KẾT LUẬN CHUNG 5.1. Kết quả luận văn đã đạt đựơc 99 5.2. Những kiến nghị nghiên cứu tiếp theo 99 100 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 6 TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. Biểu đồ phát triển điện năng từ nguồn gió ở một số nƣớc trên thế giới…………………………………………………………………………… 16 Hình 1.2. Biểu đồ sử dụng điện của một số nƣớc trên thế giới……………… 16 Hình 1.3. Máy phong điện trục đứng, trục ngang……………………………. 19 Hình 1.4. Máy phong điện có 2 cánh và 3 cánh cách đều…………………… 19 Hình 1.5. Rotor dạng chén…………………………………………………… 22 Hình 1.6. Rotor dạng savonius. ………………………………………… 23 Hình 1.7. Rotor dạng plates. ………………………………………………… 24 Hình 1.8. Rotor dạng Darrieus – Rotor và H – Rotor. ………………………. 24 Hình 2.1. Khí động học cánh rotor. ………………………………………… 26 Hình 2.2. Máy phong điện ngang……………………………………………. 28 Hình 2.3. Các bộ phận của turbine gió trục ngang………………………… 29 Hình 2.4. Sơ đồ nguyên lý hoạt động máy phong điện trục ngang………… 30 Hình 2.5. Máy phong điện trục đứng………………………………………… 30 Hình 2.6. Cấu tạo của turbine gió trục đứng………………………………… 31 Hình 27. Sơ đồ nguyên lý hoạt động turbine gió trục đứng ………………… 32 Hình 2.8. Các thông số cánh turbine……………………………………… 32 Hình 2.9. Sự di chuyển của luồng gió khi vào cánh…………………….…… 34 Hình 2.10. Phân bố áp lực gió ở mặt trên và mặt dƣới của cánh……………. 34 Hình 2.11. Các thành phần lực tác dụng lên cánh turbine……………….… 35 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 7 Hình 2.12. Biểu đồ biến thiên của hệ số C  và C d …………………….……. 37 Hình 2.13. Biểu diễn hệ số C l và C d trên dây cung và tiếp tuyến với dây cung………………………………………………………………………… 37 Hình 2.14. Lực tác động lên một vị trí cánh…………………………………. 39 Hình 2.15. Lực tác động lên các vị trí khi u/v>1…………………………… 40 Hình 2.16. Lực tác động lên các vị trí khi u/v<1…………………………… 40 Hình 2.17. Tam giác véc tơ lực ……………………… 41 Hình 2.18. Các thông số rotor trục ngang……………………………………. 41 Hình 2.19. Biểu diễn các thành phần vận tốc tác dụng trên mặt cắt ngang cánh…………………………………………………………………………… 42 Hình 2.20. Thành phần vận tốc trên rotor Darrieus………………………… 44 Hình 2.21. Thành phần vận tốc trên H-rotor…………………………………. 45 Hình 2.22. Rotor Savonius…………………………………………………… 49 Hình 3.1. Kết cấu hình học cánh NACA…………………………………… 51 Hình 3.2. Biên dạng cánh cong đối xứng……………………………………. 57 Hình 3.3. Biên dạng cánh cong không đối xứng……………………………. 58 Hình 3.4. Biên dạng cánh cung tròn………………………………………… 58 Hình 3.5. Biên dạng cánh dạng nón ………………………………………… 58 Hình 3.6. Biên dạng cánh tấm phẳng………………………………………… 59 Hình 3.7. Hình ảnh các thiết bị và mô hình thực nghiệm…………………… 60 Hình 3.8. Thí nghiệm xác định hệ số cản lực khi gió đi qua cánh turbine… 61 Hình 3.9. Giá trị hệ số cản trên các bề mặt cánh turbine biên dạng khác nhau. 62 Hình 3.10. Cánh và rotor biên dạng cung tròn……………………………… 64 Hình 3.11. Bố trí các thiết bị thí nghiệm………………………………….… 65 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 8 Hình 3.12. Biểu đồ so sánh tốc độ vòng quay rotor giữa tính toán và đo thực nghiệm theo các giá trị vận tốc gió khác nhau. ……………………………… 68 Hình 3.13. Rotor và các cánh NACA0015………………………………… 69 Hình 3.14 . Biểu đồ tốc độ vòng quay thực nghiệm so với tính toán mô hình rotor cánh NACA0015……………………………………………………… 72 Hình 4.1. Lực tác dụng lên cánh……………………………………………… 74 Hình 4.2. Vị trí tính M 1 ………………………………………………………. 77 Hình 4.3. Vị trí tính M 2 ………………………………………………………. 78 Hình 4.4. Vị trí tính M 3 ………………………………………………………. 79 Hình 4.5. Vị trí tính M 4 ………………………………………………………. 80 Hình 4.6. Gió tác động lên cánh………………… ………………………… 83 Hình 4.7. Các thành phần lực F l và F d tác động lên cánh………………… 84 Hình 4.8. Các thành phần lực pháp tuyến và tiếp tuyến……………………… 85 Hình 4.9. Quan hệ các góc β, i, θ……………………………… …………… 86 Hình 4.10. Vị trí tính M 1 ……………………………………………………… 88 Hình 4.11. Vị trí tính M 2 ……………………………………………………… 89 Hình 4.12. Vị trí tính M 3 ……………………………………………………… 90 Hình 4.13. Vị trí tính M 4 ……………………………………………………… 91 Hình 4.14. Sợi thủy tinh …………………………………………………… 97 θ [...]... nhà máy thủy điện, nhiệt điện đang hoạt động ở nƣớc ta hiện nay Từ các lý do trên, việc thực hiện đề tài Nghiên cứu, tính toán và thiết kế biên dạng cánh turbine gió trục đứng cho máy phát điện công suất 3KW là rất cần thiết, góp phần cho việc phát triển máy phong điện cung cấp điện năng ở nƣớc ta hiện nay 2 Mục tiêu và nhiệm vụ  Tên đề tài: Nghiên cứu, tính toán và thiết kế biên dạng cánh turbine. .. dùng cho hộ gia đình Và chƣa tìm ra đƣợc hệ thống cánh turbine kiểu trục đứng có phƣơng hứng gió cố định phù hợp, để phát huy tối đa công suất máy phong điện Vì vậy, đòi hỏi cần có một loại máy phong điện công suất nhỏ phù hợp với điều kiện Việt Nam và đề tài Nghiên cứu, tính toán và thiết kế biên dạng cánh turbine gió trục đứng cho máy phát điện công suất 3KW ” cần thực hiện để chế tạo máy phát điện. .. giá khả năng và phạm vi ứng dụng của đề tài 3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Tính toán, thiết kế hệ thống cánh turbine gió kiểu trục đứng - Có phƣơng hứng gió cố định - Với năm cánh trên rotor - Sử dụng cho máy phát điện bằng sức gió công suất đến 3KW 4 Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu, tính toán khí động học tác động lên hệ thống cánh turbine gió - Thực nghiệm mô hình cánh turbine gió - Xác định... vụ: Nghiên cứu tổng quan về các công trình đã đƣợc thực hiện trong và ngoài nƣớc đối với tính toán thiết kế cánh turbine gió Nghiên cứu, tính toán xây dựng công thức để xác định đƣợc biên dạng cánh turbine gió Thực nghiệm mô hình để khảo sát, đánh giá và xác định các thông số cơ bản của hệ thống cánh turbine gió Xác định đƣợc thông số cơ bản của cánh turbine cho máy phát điện bằng sức gió công suất 3kw. .. biên dạng cánh phẳng và cho phép xoay quanh trục cho máy phong điện kiểu trục đứng Chƣa tính toán cho Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 19 máy phong điện công suất nhỏ ( 3kw) , chƣa sử dụng biên dạng cánh cong và cánh có phƣơng hứng gió cố định Nhƣ vậy, các đề tài này nghiên cứu máy phong điện công suất từ 1 0kw trở lên, chƣa nghiên cứu các máy phong điện cỡ nhỏ... chƣa nghiên cứu turbine kiểu trục đứng và áp dụng cho việc sử dụng năng lƣợng gió để phát ra điện năng Đề tài Tính toán thiết kế hệ thống cánh turbine gió kiểu trục đứng trong máy phong điện công suất 1 0KW , 2009, luận văn Thạc sỹ của Chu Đức Quyết, Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Nội dung đề tài đã tính toán thiết kế các vị trí, số cánh, kích thƣớc hệ thống cánh turbine, với biên dạng. .. dạng cánh turbine gió trục đứng cho máy phát điện công suất 3KW  Mục tiêu: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 14 Lựa chọn đƣợc cánh phù hợp cho loại turbine gió kiểu trục đứng với năm cánh phƣơng hứng gió cố định có tiềm năng ứng dụng trong các máy phát điện bằng sức gió công suất 3KW Góp phần thúc đẩy nghiên cứu và ứng dụng năng lƣợng gió vào phục vụ lợi... giản đến phức tạp, nhƣ: biên dạng phẳng, biên dạng cong, biên dạng xoắn ốc và có thể sử dụng kết hợp một số loại biên dạng Biên dạng cánh turbine cần đạt đƣợc yêu cầu: hứng gió đƣợc lớn nhất, khi gió tác động vào cánh sao cho lực cản gió ít nhất đồng thời lực gió đẩy cánh sinh mô men quay lớn nhất Biên dạng cánh turbine gió là một yếu tố quyết định tới hiệu suất turbine gió và đây cũng là mũi nhọn... phát điện bằng sức gió phục vụ điện năng sinh hoạt cho hộ gia đình và sử dụng cho các mục đích khác 1.2 Các loại máy phong điện Nếu phân loại theo phƣơng của trục máy: ngƣời ta đã chế tạo và sử dụng hai loại là máy phong điện trục đứng và máy phong điện trục ngang Hình 1 .3 Máy phong điện trục đứng, trục ngang Nếu phân loại theo số lƣợng cánh: ta có máy phong điện hai cánh đối xứng, ba cánh cách lệch 1200... …… 63 Bảng 3. 7 Vận tốc, số vòng quay và công suất rotor cánh cung tròn… …… 67 Bảng 3. 8 Kết quả đo thực nghiệm số vòng quay rotor cánh cung tròn……… 67 Bảng 3. 9 Bảng so sánh kết quả thực nghiệm và tính toán thiết kế ……… 67 Bảng 3. 10 Vận tốc, số vòng quay và công suất mô hình biên dạng cánh NACA0015………….………….………….………….………….………… 71 Bảng 3. 11 Vận tốc, số vòng quay rotor biên dạng NACA0015.…………… 71 Bảng 3. 12 . ĐỨNG CHO MÁY PHÁT ĐIỆN CÔNG SUẤT 3KW 4.1. Thiết kế cánh turbine gió biên dạng cung tròn 74 4.2. Thiết kế cánh turbine gió biên dạng NACA0015 82 4 .3. Vật liệu chế tạo cánh turbine gió 93. tài Nghiên cứu, tính toán và thiết kế biên dạng cánh turbine gió trục đứng cho máy phát điện công suất 3KW là rất cần thiết, góp phần cho việc phát triển máy phong điện cung cấp điện năng ở. THUẬT CÔNG NGHIỆP ****** LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ BIÊN DẠNG CÁNH TURBINE GIÓ TRỤC ĐỨNG CHO MÁY PHÁT ĐIỆN CÔNG SUẤT 3KW Ngành : Công