đề tài tốt nghiệp “thiết kế quy trình công nghệ và chế tạo thử nghiệm cánh turbine trục đứng công suất 300w bằng vật liệu composite”

1 LỜI CAM ĐOAN Tôi là Nguyễn Thị Luận – Học viên cao học lớp K14 chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí, khóa 2011- 2013 trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên. Sau hai năm học tập, rèn luyện và nghiên cứu tại trường. Tôi lựa chọn thực hiện đề tài tốt nghiệp “Thiết kế quy trình công nghệ và chế tạo thử nghiệm cánh turbine trục đứng công suất 300W bằng vật liệu composite” Được sự giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của PGS. TS Ngô Như Khoa và sự nỗ lực của bản thân, đề tài đã được hoàn thành. Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận văn này là của bản thân thực hiện, chưa được sử dụng cho bất kỳ một khóa luận tốt nghiệp nào khác. Theo hiểu biết cá nhân, chưa có tài liệu khoa học nào tương tự được công bố, trừ những thông tin tham khảo được trích dẫn. Thái Nguyên, ngày 05 tháng 10 năm 2014 Học viên NGUYỄN THỊ LUẬN 2 LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến giáo viên hướng dẫn khoa học của tôi, thầy giáo - PGS.TS. Ngô Như Khoa, người đã tận tình chỉ bảo, động viên và giúp đỡ cho tôi rất nhiều trong suốt thời gian làm luận văn tốt nghiệp. Tôi xin cảm ơn các thầy cô giáo trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã tận tình giảng dạy trong hai năm học vừa qua Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, các phòng ban chức năng trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên đã tạo điều kiện để tôi được tham gia và hoàn thành khóa học này. Tôi xin cảm ơn các cán bộ, nhân viên của Trung tâm thí nghiệm - Trường ĐHKT Công nghiệp, phòng thí nghiệm kỹ thuật và công nghệ vật liệu đã giúp tôi hoàn thành luận văn này. Lòng biết ơn chân thành tôi xin bày tỏ với gia đình tôi, vì tất cả những gì mà mọi người đã dành cho tôi. Mọi người đã chăm sóc, động viên tôi trong suốt thời gian tôi sống, học tập và làm luận văn. Cuối cùng, tôi xin cảm ơn Ban giám hiệu, các thầy cô giáo, các bạn bè, đồng nghiệp trong trường Trung cấp nghề Nam Thái Nguyên đã tạo điều kiện, hỗ trợ và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập và làm đề tài này. Thái Nguyên, ngày 07 tháng 09 năm 2014 Học Viên Nguyễn Thị Luận 3 4 CÁC KÝ HIỆU CHỮ VIẾT TẮT E Modul đàn hồi (MPa) σ Ứng suất phá hủy (MPa) ρ Khối lượng riêng (kg/m 3 ) N Công suất động cơ (W) P Lực kéo, nén tối đa (N) NACA Ủy ban cố vấn ngành hàng không quốc gia S Diện tích cánh (m 2 ) F Lực tác động lên cánh (N) V Vận tốc thực của gió (m/s) n Tốc độ làm việc (mm/min) CNC Máy cắt điều khiển bằng máy tính (Computer Numerical Control) CMM Máy đo tọa độ 3 chiều (Coordinates Measuring Machine) SM Máy thử kéo, nén (Servo Control Universal Testing Machine ) 5 6 GIỚI THIỆU 1. Vấn đề nghiên cứu. Hiện nay, ở Việt Nam nói riêng và thế giới nói chung, nhu cầu về năng lượng điện ngày một tăng cao, trong khi đó các nhà máy điện sử dụng các nguồn năng lượng truyền thống như thủy điện, nhiệt điện,… đang ngày càng cạn kiệt và mất cân bằng sinh thái, ô nhiễm môi trường. Bởi vậy,việc sử dụng nguồn năng lượng sạch, có khả năng tái tạo như năng lượng gió, năng lượng mặt trời,… là một xu hướng đang phát triển mạnh trên thế giới. Trên thế giới: * Tình hình phát triển năng lượng gió Hiện nay trong số các nguồn năng lượng mới, năng lượng bằng sức gió phát triển nhanh nhất trên thế giới vì nguyên liệu dồi dào, rẻ tiền, dễ áp dụng, sạch và không làm hại môi trường. Do vậy việc sử dụng nguồn năng lượng tái tạo từ gió ngày càng được quan tâm ở nhiều quốc gia trên thế giới như Đức, Mỹ, Pháp, Tây Ban Nha, Bồ Đào Nha, Trung Quốc, Đan Mạch,…là những nước có lịch sử phát triển hệ thống máy phong điện từ lâu đời và vẫn phát triển mạnh mẽ cho đến ngày nay. Theo [5], thống kê đến năm 2007 thế giới đã xây dựng được khoảng 20073MW điện, trong đó, Mỹ có 5244 MW, Tây Ban Nha có 3522 MW, Trung Quốc có 3449MW, Ấn Độ có 1730 MW và Đức có 1667 MW. Hình 1: Hệ thống quạt năng lượng gió ở Palm Sprin, California, Mỹ 7 Ở khu vực Châu Á, Trung Quốc là một trong những nước dẫn đầu nghiên cứu phát triển và sử dụng nguồn năng lượng gió, đặc biệt chú trọng các loại máy phong điện cỡ nhỏ. Chủ yếu là các máy phong điện trục đứng có công suất từ (100- 1000)W phục vụ sinh hoạt cho hộ gia đình, phục vụ chiếu sáng cho các cột đèn công cộng. Được chế tạo từ vật liệu composite với biên dạng và chiều cao cánh khác nhau . Tham khảo một số hãng sản xuất nổi tiếng ở Trung Quốc [10,11,12,13,14,15] Hãng sản xuất Công suất (W) Cánh Số cánh Chiều cao (m) Shandong Yaneng New Energy Equipment Co., Ltd. 100 3 0,8 Nanjing Xinda Green Energy Co., Limited 300 5 1,4 500 5 1,6 1000 5 2,4 Hubei Bluelight Science & Technology Development Co., Ltd. 400 3 1,4 Jilin Powerful Renewable Energy Technology Co., Ltd. 500 3 1,8 Qingdao Hengfeng Wind Power Generator Co., Ltd 600 5 1,6 300 3 1,3 * Một số nghiên cứu gần đây Bộ phận chính và quan trọng nhất của turbine gió là bộ phận cánh. đặc biệt là khả năng quay của cánh. Để nó hoạt động tốt cần chú ý tới việc thiết kế lựa chọn hình dạng , kích thước cánh và vật liệu chế tạo cánh tối ưu. Biên dạng cánh turbine có thể ở dạng tấm phẳng đơn giản; dạng vỏ trụ; hay dạng khí động học phức tạp. Xét về mặt kết cấu, cánh turbine gió thường ở dạng kết cấu tấm/vỏ có hoặc không có gân gia cường và ở dạng hộp panel. Từ thời xa xưa khi thiết kế cánh turbine thì việc đầu tiên các nhà khoa học quan tâm xem xét vật liệu chế tạo cánh là gì? Thuộc tính vật liệu sử dụng cánh quyết định phần lớn phương pháp thiết kế và chế tạo cánh. Cánh quạt càng nặng thì 8 sẽ cần có nhiều gió hơn để quay roto, nghĩa là thu được ít năng lượng. Do đó, các cánh quạt nhẹ, trọng lượng nhẹ, chắc chắn cho phép tăng tối đa sản lượng năng lượng. Nhôm, titan, thép, gỗ và composite là những loại vật liệu mà đã được các nhà nghiên cứu thử nghiệm để chế tạo cánh turbine. So sánh thấy vật liệu composite có tính ưu việt vượt trội hơn hẳn là: khả năng chế tạo từ vật liệu này thành các kết cấu sản phẩm theo những yêu cầu kỹ thuật khác nhau mà ta mong muốn, các thành phần cốt của Composite có độ cứng, độ bền cơ học cao, vật liệu nền luôn đảm bảo cho các thành phần liên kết hài hoà tạo nên các kết cấu có khả năng chịu nhiệt và chịu sự ăn mòn của vật liệu trong điều kiện khắc nghiệt của môi trường. Một trong các ứng dụng có hiệu quả nhất khi chế tạo cánh turbine là Composite lớp (nền nhựa, cốt sợi). Đây là vật liệu có nhiều tính ưu việt và có khả năng áp dụng rộng rãi, tính chất nổi bật là nhẹ, độ bền cơ học cao, rẻ tiền, dễ kiếm, dễ lắp đặt, có độ bền riêng và các đặc trưng đàn hồi cao, bền vững với môi trường ăn mòn hoá học, độ dẫn nhiệt, dẫn điện thấp. Khi chế tạo ở một nhiệt độ và áp suất nhất định dễ triển khai được các thủ pháp công nghệ, thuận lợi cho quá trình sản xuất. Do vậy composite là loại vật liệu được sử dụng rộng rãi khi chế tạo cánh turbine. Mặc dù đã có rất nhiều chủng loại sản phẩm, turbine gió đã và đang được sản xuất bởi các tập đoàn công nghiệp lớn trên thế giới và đưa vào sử dụng với các kiểu dáng khác nhau [2]: Kiểu dáng chén, kiểu savonius, cánh dạng tấm phẳng , kiểu Darrieus- Rotor và H- Rotor. Thể hiện qua sản phẩm mang tính thương mại hóa của một số hãng nổi tiếng trên thế giới như Vestas (Denmark) với các sản phẩm V52-850 KW, V80-1.8 MW, V80-2.0 MW, V90-3,0. Suzlon (India) với các turbine 950KW to 2MW; công ty GE Energy (USA) có sản phẩm 1.500-3.6000KW; Siemens (Germany) đưa ra thị trường các turbine lớn 1.3 MW, 2.3 MW, 3.6MW và Enercon nổi tiếng với sản phẩm E – 126 lập kỷ lục thế giới về công suất 7MW,… thì các nghiên cứu về lĩnh vực turbine gió vẫn được nhiều nhà khoa học trên thế giới đặc biệt quan tâm trong những năm gần đây là những nghiên cứu về chế tạo cánh turbine gió trên các tạp chí khoa học hay trên các bài báo: “Sử dụng sợi carbon trong thiết kế chế tạo cánh turbine gió” được đăng trên tạp chí SAND 2000- 9 0478 phát hành in tháng 3 năm 2000, quy trình sản xuất cánh [16], kỹ thuật và sản xuất cánh turbine gió bằng vật liệu composite [17],… Ở Việt Nam: * Tình hình phát triển năng lượng gió Việc sử dụng năng gió cũng đang được quan tâm nhưng ở mức thấp. - Nhà máy phát điện gió đầu tiên ở Việt Nam là nhà máy đặt tại huyện đảo Bạch Long Vỹ, thành phố Hải Phòng. Công suất 800KW với vốn đầu tư 0,87 triệu USD (14 tỷ đồng) - Nhà máy điện gió thứ 2 của cả nước đặt tại huyện đảo Lý Sơn vận hành bằng sức gió, có kết hợp máy phát điện diesel với tổng công suất 7MW, tổng vốn đầu tư gần 2 tỷ đồng - Năm 2007, nhà máy phong điện Phương Mai 3 được xây dựng trong khu kinh tế Nhơn Hội, huyện Phù Cát, tỉnh Bình Định - Đầu năm 2013, nhà máy phong điện tại Bình Thuận đã khánh thành và chính thức hòa mạng lưới điện quốc gia Song tất cả các máy móc thiết bị của máy phong điện đều được nhập khẩu từ nước ngoài với giá thành tương đối cao 10 Hình 2: Những turbine điện gió đầu tiên tại Bình Thuận * Các nghiên cứu trong nước Đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ phát điện bằng sức gió có công suất 10-30kw phù hợp với điều kiện Việt Nam”, 2004 của nhóm khoa học thuộc đại học Bách Khoa Hà Nội do PGS.TSKH Nguyễn Phùng Quang làm chủ đề tài. Nội dung đề tài đã nghiên cứu thiết kế, chế tạo trạm phong điện trục ngang với công suất thiết kế 10-30kw phù hợp với điều kiện Việt Nam. Đề tài này chưa áp dụng cho máy phong điện trục đứng và loại công suất nhỏ. - Đề tài “Tính toán thiết kế hệ thống cánh turbine gió kiểu trục đứng trong máy phong điện công suất 10kw”,2009, luận văn thạc sỹ Chu Đức Quyết trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. Nội dung đề tài đã tính toán thiết kế các vị trí, số cánh, kích thước hệ thống cánh turbine, với biên dạng cánh phẳng. - Gần đây đã có một số nghiên cứu như: Luận văn của Dương Văn Đồng đã tính toán, thiết kế các vị trí, số cánh, kích thước hệ thống cánh phẳng cho máy phong điện kiểu trục đứng công suất 3KW. Trần Thị Nam Thu với luận văn mô hình hóa và tính toán kếu cấu cánh tuốc bin gió kiểu trục đứng theo lý thuyết chuyển vị bậc nhất bằng phương pháp phần tử hữu hạn… Các nghiên cứu trên vẫn chỉ dừng lại ở việc mô hình hóa cánh tuốc bin. Tuy nhiên, công nghệ chế tạo cánh turbine gió không được công bố hoặc nếu có thì chỉ ở mức độ rất hạn chế kể cả trên các tạp chí khoa học hay sách chuyên [...]... dựng được quy trình công nghệ để chế tạo cánh turbine trục đứng công suất 300W bằng vật liệu composite nền nhựa epoxy cốt sợi thủy tinh; - Chế tạo thử nghiệm được cánh turbine * Nội dung: - Nghiên cứu tổng quan về quy trình công nghệ chế tạo các kết cấu dạng tấm, vỏ bằng vật liệu composite; - Chế tạo thử nghiệm vật liệu composite lớp bằng phương pháp lăn ép; - Thử nghiệm với mẫu là vật liệu composite... được công nghệ chế tạo cánh turbine bằng vật liệu composite lớp chúng ta bắt buộc phải tự nghiên cứu và thử nghiệm Với đề tài “Thiết kế quy trình công nghệ và chế tạo thử nghiệm cánh turbine trục đứng công suất 300W bằng vật liệu composite” là rất cần thiết, thúc đẩy quá trình nghiên cứu thực nghiệm và ứng dụng năng lượng gió phục vụ lợi ích con người 2 Mục tiêu và nội dung *Mục tiêu: - Xây dựng được quy. .. năng công nghệ và khả năng ứng dụng của công nghệ này 3 Phương pháp và phương pháp luận - Nghiên cứu thực nghiệm; - Bằng các thử nghiệm chế tạo vật liệu composite lớp (thời gian đóng rắn, thời gian tháo khuôn, độ giãn nở của vật liệu, kết cấu khi đóng rắn để chế tạo khuôn), tiến tới thử nghiệm chế tạo cánh turbine gió bằng vật liệu composite lớp Trên cơ sở đó xây dựng quy trình công nghệ và chế tạo cánh. .. gốm) 1.3 Công nghệ chế tạo các kết cấu dạng tấm, vỏ bằng vật liệu composite Hiện nay có nhiều phương pháp chế tạo sản phẩm bằng vật liệu composite Các công nghệ chế tạo được lựa chọn tùy theo yêu cầu của sản phẩm và yêu cầu của sản xuất Theo [4], các công nghệ được sử dụng trong chế tạo sản phẩm bằng vật liệu composite bao gồm: phương pháp chế tạo thủ công và chế tạo công nghiệp Chế tạo thủ công bao... Quốc sản xuất, đề tài tiến hành lấy mẫu vật liệu để phân tích kết cấu lớp vật liệu thành phần, làm cơ sở cho việc nghiên cứu thiết kế quy trình công nghệ và chế tạo thử nghiệm cánh turbine theo yêu cầu đặt ra 2.1 Khảo sát cánh turbine gió có biên dạng NACA 6621 Bộ 5 cánh turbine gió trục đứng công suất 300W có biên dạng NACA 6621 có kết cấu như hình 2.1 Hình 2.1 Cánh turbine công suất 300W có biên dạng... cánh turbine gió 12 4 Cấu trúc luận văn Ngoài phần giới thiệu và phần kết luận chung, luận văn được chia thành 4 chương với các nội dung cơ bản từng chương như sau: Chương 1: Tổng quan về vật liệu và công nghệ chế tạo vật liệu composite Chương 2: Phân tích kết cấu cánh turbine và vật liệu chế tạo Chương này phân tích kết cấu cánh turbine trục đứng công suất 300w, lựa chọn vật liệu chế tạo Chương 3: Chế. .. Chế tạo mẫu vật liệu composite lớp và xác định cơ tính Chương này trình bày về việc chế tạo mẫu, chuẩn bị máy móc, trang thiết bị cần thiết để thí nghiệm, kế hoạch, kết quả thí nghiệm và đánh giá Chương 4: Thử nghiệm chế tạo cánh và đánh giá kết quả Các kết luận và đề xuất nghiên cứu tiếp theo được trình bày trong phần cuối cùng của luận văn CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU VÀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VẬT LIỆU... chế tạo lõi xốp chèn khít vào vỏ composite không có đủ điều kiện để thực hiện Vì vậy phần sau luận văn tập trung vào mục đích đặt ra là thử nghiệm công nghệ chế tạo vật liệu composite Do vậy sẽ tăng chiều dày, số lớp vật liệu và lựa chọn vật liệu phù hợp để chế tạo được cánh turbine mà đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật như nguyên mẫu Hình 2.3 Cánh turbine gió chế tạo 32 2.2 Lựa chọn vật liệu 2.2.1 .Vật liệu. .. lượng trong chế tạo các sản phẩm đơn chiếc, loạt sản phẩm nhỏ, kích thước vừa và nhỏ Công nghệ này ít có tác động xấu tới môi trường Do đó, cần có đầu tư nghiên cứu để có thể ứng dụng vào ngành công nghiệp chế tạo turbine gió ở Việt Nam hiện nay và trong tương lai 30 CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH KẾT CẤU CÁNH TURBINE VÀ VẬT LIỆU CHẾ TẠO Giới thiệu Dựa trên bộ 5 cánh turbine gió trục đứng công suất 300W thuộc... LIỆU COMPOSITE Chương này giới thiệu về vật liệu composite, thành phần, tính chất và ứng dụng vật liệu trong kỹ thuật và đời sống Ngoài ra, chương này còn giới thiệu các loại vật liệu nền, cốt và công nghệ chế tạo các kết cấu tấm, vỏ bằng vật liệu composite 1.1 Giới thiệu vật liệu composite và ứng dụng 1.1.1 Giới thiệu vật liệu composite Vật liệu composite là vật liệu nhiều pha: trong đó các pha khác . nghiên cứu và thử nghiệm. Với đề tài “Thiết kế quy trình công nghệ và chế tạo thử nghiệm cánh turbine trục đứng công suất 300W bằng vật liệu composite” là rất cần thiết, thúc đẩy quá trình nghiên cứu. tích kết cấu cánh turbine và vật liệu chế tạo. Chương này phân tích kết cấu cánh turbine trục đứng công suất 300w, lựa chọn vật liệu chế tạo. Chương 3: Chế tạo mẫu vật liệu composite lớp và xác. của vật liệu, kết cấu khi đóng rắn để chế tạo khuôn), tiến tới thử nghiệm chế tạo cánh turbine gió bằng vật liệu composite lớp. Trên cơ sở đó xây dựng quy trình công nghệ và chế tạo cánh turbine