Thiết kế quy trình công nghệ và chế tạo thực nghiệm cánh turbine trục đứng công suất 300W

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ––––––––––––––––– NGUYỄN THỊ LUẬN THIẾT KẾ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ VÀ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM CÁNH TURBINE TRỤC ĐỨNG CÔNG SUẤT 300W Chuyên ngành: Cơ khí kỹ thuật LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Thái Nguyên, năm 2015 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ii LỜI CAM ĐOAN Tôi là Nguyễn Thị Luận – Học viên cao học lớp K14 chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí, khóa 2011- 2013 trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên. Sau hai năm học tập, rèn luyện và nghiên cứu tại trƣờng. 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” Đƣợc sự giúp đỡ và hƣớng dẫn tận tình của PGS. TS Ngô Nhƣ Khoa và sự nỗ lực của bản thân, đề tài đã đƣợc hoàn thành. Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận văn này là của bản thân thực hiện, chƣa đƣợc sử dụng cho bất kỳ một khóa luận tốt nghiệp nào khác. Theo hiểu biết cá nhân, chƣa có tài liệu khoa học nào tƣơng tự đƣợc công bố, trừ những thông tin tham khảo đƣợc trích dẫn. Thái Nguyên, ngày 06 tháng 10 năm 2014 Học viên NGUYỄN THỊ LUẬN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iii LỜI CẢM ƠN Trƣớc hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến giáo viên hƣớng dẫn khoa học của tôi, thầy giáo - PGS.TS. Ngô Như Khoa, ngƣời 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 trƣờng 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 trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên đã tạo điều kiện để tôi đƣợc tham gia và hoàn thành khóa học này. Tôi xin cảm ơn các cán bộ, nhân viên của Trung tâm thí nghiệm - Trƣờng 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 ngƣời đã dành cho tôi. Mọi ngƣời 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 trƣờng 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 06 tháng 10 năm 2014 Học Viên NGUYỄN THỊ LUẬN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iv MỤC LỤC TRANG PHỤ BÌA…………………………………………………………………. LỜI CAM ĐOAN………………………………………………………………….i LỜI CẢM ƠN…………………………………………………………………… ii MỤC LỤC………………………………………………………………….iii DANH MỤC HÌNH VẼ……………………………………………………….….v DANH MỤC BẢNG BIỂU………………………………………………viii CÁC KÝ HIỆU CHỮ VIẾT TẮT…………… ix GIỚI THIỆU 1 1. Vấn đề nghiên cứu. 1 2. Mục tiêu và nội dung. 5 3. Phƣơng pháp và phƣơng pháp luận. 6 4. Cấu trúc luận văn. 6 CHƢƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU VÀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠOVẬT LIỆU COMPOSITE 7 1.1.Giới thiệu vật liệu composite và ứng dụng 7 1.1.1.Giới thiệu vật liệu composite 7 1.1.2. Ứng dụng 8 1.2. Cấu tạo và phân loại vật liệu composite 13 1.2.1. Cấu tạo 13 1.2.2. Phân loại vật liệu composite 13 1.3. Công nghệ chế tạo các kết cấu dạng tấm, vỏ bằng vật liệu composite 14 1.3.1. Chế tạo thủ công 15 1.3.2. Chế tạo công nghiệp 19 1.4. Kết luận chƣơng 24 CHƢƠNG 2:PHÂN TÍCH KẾT CẤU CÁNH TURBINE VÀ VẬT LIỆUCHẾ TẠO 25 2.1. Khảo sát cánh turbine gió có biên dạng NACA 6621 25 2.2. Lựa chọn vật liệu 27 2.2.1.Vật liệu nền 27 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ v 2.2.2. Cốt. 34 2.2.3. Vấn đề đóng rắn 38 2.3. Kết luận chƣơng 41 CHƢƠNG 3:CHẾ TẠO MẪU VẬT LIỆU COMPOSITE LỚP VÀ XÁC ĐỊNH CƠ TÍNH 42 3.1. Mục đích thí nghiệm 42 3.2. Sơ đồ thí nghiệm 43 3.3. Mẫu thí nghiệm 43 3.4. Thiết bị thí nghiệm 47 3.4.1. Thí nghiệm kéo 48 3.4.2. Thí nghiệm uốn: 49 3.5. Trình tự thực hiện thí nghiệm 49 3.5.1. Thí nghiệm kéo. 49 3.5.2. Thí nghiệm uốn. 50 3.6. Cách thu thập số liệu 51 3.7. Kết quả thí nghiệm 51 3.7.1. Kết quả thí nghiệm (TN1) 51 3.7.2. Kết quả thí nghiệm (TN2) 53 3.8. Kết luận chƣơng: 56 CHƢƠNG 4:CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM CÁNH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 57 4.1. Thiết kế khuôn 57 4.2. Chế tạo cánh 60 4.3. Đánh giá kết quả 65 4.3.1. Độ chính xác kích thước và hình dáng 65 4.3.2. Xác định độ võng 66 4.4. Kết luận chƣơng 68 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 73 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vi DANH MỤC HÌNH VẼ TT Nội dung Trang Hình 1 G Hệ THốNG QUạT NĂNG LƢợNG GIÓ ở PALM SPRIN, CALIFORNIA, Mỹ 1 Hình 2 NHữNG TURBINE ĐIệN GIÓ ĐầU TIÊN TạI BÌNH THUậN 4 Hình 1.1 ỨNG DụNG VậT LIệU COMPOSITE Để CHế TạO CÁC Đồ DÙNG, DụNG Cụ THể THAO 9 Hình 1.2 ỨNG DụNG VậT LIệU COMPOSITE TRONG NGÀNH ÔTÔ 9 Hình 1.3 ỨNG DụNG VậT LIệU COMPOSITE CHế TạO CÁC Bộ PHậN TRÊN MÁY BAY 10 Hình 1.4 PHÁT TRIểN VậT LIệU COMPOSITE TRONG CHế TạO MÁY BAY DÂN DụNG 10 Hình 1.5 PHÁT TRIểN VậT LIệU COMPOSITE TRONG CHế TạO MÁY BAY QUÂN Sự 11 Hình 1.6 CÁNH QUạT GIÓ B75 CHế TạO BằNG VậT LIệU COMPOSITE 11 Hình 1.7 THUYềN LÀM BằNG VậT LIệU COMPOSITE 12 Hình 1.8 THUYềN, BồN CHứA DUNG DịCH HÓA CHấT VÀ THÙNG CHứA RÁC LÀM BằNG 12 VậT LIệU COMPOSITE 12 Hình 1.9 CấU TạO VậT LIệU COMPOSITE 13 Hình 1.10 CHế TạO VậT LIệU COMPOSITE BằNG PHƢƠNG PHÁP LĂN ÉP 15 Hình 1.11 PHƢƠNG PHÁP PHUN HỗN HợP 17 Hình 1.12 SƠ Đồ CÔNG NGHệ PHUN HỗN HợP 18 Hình 1.13 PHƢƠNG PHÁP ĐÙN ÉP 19 Hình 1.14 PHƢƠNG PHÁP ĐÚC CHUYểN NHựA 20 Hình 1.15 SƠ Đồ CÔNG NGHệ ĐÚC CHUYểN NHựA 21 Hình 1.16 CÁC THIếT Bị VÀ VậT LIệU TRONG CÔNG NGHệ ĐÚC CHÂN KHÔNG 22 Hình 1.17 SƠ Đồ CÔNG NGHệ ĐÚC CHÂN KHÔNG 22 Hình 1.18 QUÁ TRÌNH ĐIềN NHựA POLYMER VÀO KHUÔN TRONG 23 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vii CHế TạO Vỏ ÔTÔ Hình 2.1 CÁNH TURBINE CÔNG SUấT 300W CÓ BIÊN DạNG NACA 6621 25 Hình 2.2 MẫU THÍ NGHIệM KHảO SÁT CƠ TÍNH CÁNH TURBINE 26 Hình 2.3 CÁNH TURBINE GIÓ CHế TạO 27 Hình 2.4 NHựA POLYESTER 29 Hình 2.5 NHựA EPOXY VÀ CHấT ĐÓNG RắN TETA 33 Hình 2.6 MộT Số COMPOSITE CốT SợI 34 Hình 2.7 SợI THủY TINH 35 Hình 2.8 SợI Kevlar 36 Hình 2.9 SợI CACBON 36 Hình 2.10 VảI THủY TINH 37 Hình 2.11 CHấT ĐÓNG RắN TETA 40 Hình 3.1 SƠ Đồ KÉO MẫU 43 Hình 3.2 SƠ Đồ UốN MẫU 43 Hình 3.3 TấM MẫU 1 45 Hình 3.4 MẫU KÉO SợI THẳNG VÀ SợI CHÉO 46 Hình 3.5 MẫU UốN SợI THẳNG VÀ SợI CHÉO 46 Hình 3.6 MÁY ĐO KÉO, NÉN SM-50 48 Hình 3.7 THIếT Bị ĐO Độ BềN UốN 49 Hình 3.8 THÍ NGHIệM THử KÉO 50 Hình 3.9 THÍ NGHIệM THử UốN 50 Hình 3.10 KếT QUả Số LIệU THÍ NGHIệM KÉO 51 Hình 4.1 CắT DƢỡNG CÁNH TURBINE GIÓ TRÊN MÁY CNC 58 Hình 4.2 GÁ DƯỡNG TRÊN KHUNG Gỗ 59 Hình 4.3 HÌNH DạNG 2 NửA KHUÔN SAU KHI Sử DụNG DƢỡNG GạT Để CHế TạO 59 Hình 4.4 KHUÔN BÊ TÔNG 60 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ viii Hình 4.5 KHUÔN ĐƢợC LÀM KÍN BằNG NƢớC XI MĂNG 60 Hình 4.6 KHUÔN ĐÃ ĐƢợC CHốNG DÍNH 61 Hình 4.7 NHữNG HÌNH ảNH ở CÔNG ĐOạN PHủ GELCOAT TRắNG TRÊN KHUÔN 62 Hình 4.8 HÌNH ảNH SAU KHI RảI LớP SợI THủY TINH 62 Hình 4.9 TRảI LớP VậT LIệU NềN 63 Hình 4.10 GIA CONG XONG 5 LớP VậT LIệU COMPOSITE 63 Hình 4.11 HAI NửA CÁNH TURBINE SAU KHI Dỡ KHUÔN 64 Hình 4.12 CÁNH TURBINE GIÓ CHế TạO 65 Hình 4.13 ĐO BIÊN DạNG CÁNH SAU CHế TạO 65 Hình 4.14 BIÊN DạNG CÁNH KHảO SÁT A) VÀ CÁNH CHế TạO B) 66 Hình 4.15 VậN TốC GIÓ TÁC DụNG LÊN CÁNH TURBINE 66 Hình 4.16 Kết quả tính mOMEN QUAN TINH J trên autocad 67 Hình 4.17 ĐO Dộ VÕNG CANH 68 Hình 4.18 Kiểm tra khuyết tật và sự phân bố sợi, nhựa 69 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ix DANH MỤC BẢNG BIỂU TT Nội dung Trang Bảng 2.1 Tính chất một số vật liệu nền nhiệt rắn 27 Bảng 2.2 Cơ tính riêng của một số vật liệu dạng sợi 38 Bảng 3.1 Mẫu chịu kéo 47 Bảng 3.2 Mẫu chịu uốn 47 Bảng 3.3 Thử nghiệm kéo M1k 51 Bảng 3.4 Thử nghiệm kéo mẫu M2k 52 Bảng 3.5 Tổng hợp kết quả thử nghiệm kéo 52 Bảng 3.6 Thử nghiệm uốn M1k 52 Bảng 3.7 Thử nghiệm uốn mẫu M2k 52 Bảng 3.8 Tổng hợp kết quả thử nghiệm uốn 53 Bảng 3.9 Thử nghiệm kéo mẫu M1k-x 53 Bảng 3.10 Thử nghiệm kéo mẫu M3k 53 Bảng 3.11 Thử nghiệm kéo mẫu M3k-x 54 Bảng 3.12 Tổng hợp kết quả thử nghiệm kéo 54 Bảng 3.13 Thử nghiệm uốn mẫu M1u-x 54 Bảng 3.14 Thử nghiệm uốn mẫu M3u 55 Bảng 3.15 Thử nghiệm uốn mẫu M3u-x 55 Bảng 3.16 Tổng hợp kết quả thử nghiệm uốn 55 Bảng 4 Bảng so sánh gía trị độ võng của cánh khi tính toán và thí nghiệm 68 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ x CÁC KÝ HIỆU CHỮ VIẾT TẮT E Modul đàn hồi (MPa) σ Ứng suất phá hủy (MPa) ρ Khối lƣợng 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) C d Hệ số cản n Tốc độ làm việc (mm/min) J Momen quán tính (mm 4 ) 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 ) [...]... mức độ rất hạn chế kể cả trên các tạp chí khoa học hay sách chuyên khảo Để có thể nắm bắt đƣợc 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... tiêu và nội dung *Mục tiêu: - Xây dựng đƣợc 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 đƣợc 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 phƣơng pháp lăn ép; - Thử nghiệm. .. năng công nghệ và khả năng ứng dụng của công nghệ này 3 Phƣơng pháp và phƣơng 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. .. nay và trong tƣơng lai 25 CHƢƠNG 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 bộ NACA 4 số 6621 do hãng Shenzhen Effsu New Energe ở Trung 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. .. 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 nhƣ hình 2.1 Hình 2.1 Cánh turbine công suất 300W có biên dạng NACA 6621 26 Để khảo sát đƣợc vật liệu, chiều dày và số lớp chế tạo cánh turbine 6621, tiến hành cắt mẫu để thí nghiệm Hình 2.2.Mẫu thí nghiệm khảo sát cơ tính cánh turbine Kết quả khảo sát, phân tích cho thấy: Cánh turbine. .. cánh turbine gió 4 Cấu trúc luận văn Ngoài phần giới thiệu và phần kết luận chung, luận văn đƣợc chia thành 4 chƣơng với các nội dung cơ bản từng chƣơng nhƣ 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 Chƣơng này phân tích kết cấu cánh turbine trục đứng công suất 300w, lựa chọn vật liệu chế tạo Chương 3: Chế tạo. .. gốm) 1.3 Công nghệ chế tạo các kết cấu dạng tấm, vỏ bằng vật liệu composite Hiện nay có nhiều phƣơng pháp chế tạo sản phẩm bằng vật liệu composite Các công nghệ chế tạo đƣợc lựa chọn tùy theo yêu cầu của sản phẩm và yêu cầu của 15 sản xuất Theo [4], các công nghệ đƣợc sử dụng trong chế tạo sản phẩm bằng vật liệu composite bao gồm: phƣơng pháp chế tạo thủ công và chế tạo công nghiệp Chế tạo thủ công bao... vật liệu composite lớp và xác định cơ tính Chƣơng 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 đƣợc trình bày trong phần cuối cùng của luận văn 7 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆUVÀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOSITE... này chƣa 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 Quy t 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 cánh phẳng - Gần đây đã có một số nghiên... thiết kế các vị trí, số cánh, kích thƣớc 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 phƣơng 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 đƣợc công . đƣợc 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. tích kết cấu cánh turbine và vật liệu chế tạo. Chƣơng 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. - Xây dựng đƣợc 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 đƣợc cánh turbine. * Nội