Thiết kế quy trình công nghệ và chế tạo cánh turbine trục đứng công suất 5KW bằng vật liệu composite

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ VÀ CHẾ TẠO CÁNH TURBINE TRỤC ĐỨNG CÔNG SUẤT 5KW BẰNG VẬT LIỆU COMPOSITE. Học viên : Lê Thu Huyền Lớp : Cao học k14-KTCK Chuyên ngành : Kỹ thuật cơ khí Giáo viên hƣớng dẫn : PGS.TS Ngô Nhƣ Khoa BAN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC HƢỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS NGÔ NHƢ KHOA HỌC VIÊN LÊ THU HUYỀN `Thái Nguyên, 2014 i Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Lê Thu Huyền Học viên lớp cao học khóa 14- Kỹ thuật cơ khí- Trƣờng ĐHKTCN Thái Nguyên. Sau hai năm học tập, rèn luyện và nghiên cứu tại trƣờng, tôi lựa chọn thực hiện đề tài: “ Thiết kế quy trình công nghệ và chế tạo cánh turbine trục đứng công suất 5KW bằng vật liệu composite”. Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung luận văn này là do chính bản thân tôi thực hiện dƣới sự hƣớng dẫn của PGS.TS Ngô Nhƣ Khoa, cùng với các tài liệu đã đƣợc trích dẫn trong phần tài liệu tham khảo ở phần cuối luận văn. Thái Nguyên, ngày……. tháng…….năm 2014 Học viên Lê Thu Huyền ii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI CẢM ƠN Học viên bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo hƣớng dẫn PGS.TS Ngô Nhƣ Khoa đã tận tình chỉ bảo, hƣớng dẫn , giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi và động viên trong suốt quá trình hoàn thành luận văn. Học viên trân trọng cảm ơn tập thể các thầy cô giáo trƣờng Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên đã nhiệt tình dạy dỗ trong cả khóa học. Cảm ơn các thầy cô giáo trong Trung tâm thí nghiệm và phòng đào tạo sau đại học vì sự giúp đỡ tận tình. Cảm ơn gia đình và bạn bè đã động viên, giúp đỡ về mọi mặt trong thời gian qua để luận văn đƣợc hoàn thành đúng tiến độ. Mặc dù đã cố gắng, song do điều kiện về thời gian và kinh nghiệm thực tế còn nhiều hạn chế nên không tránh khỏi thiếu sót. Vì vậy, tôi rất mong nhận đƣợc sự đóng góp ý kiến của các thầy cô cũng nhƣ của bạn bè đồng nghiệp. Tôi xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày…….tháng…….năm 2014 Học viên Lê Thu Huyền iii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… iv Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ix DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT x MỞ ĐẦU 1 1. Tính cấp thiết của đề tài 1 2. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu. 5 3. Dự kiến kết quả đạt đƣợc. 5 4. Phƣơng pháp nghiên cứu 6 5. Ý nghĩa 6 CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 7 1.1. Tổng quan về vật liệu composite 7 1.1.1. Khái niệm composite 7 1.1.2. Cấu tạo của vật liệu composite. 7 1.2. Công nghệ chế tạo các kết cấu dạng tấm, vỏ bằng vật liệu composite 14 1.3. Ứng dụng vật liệu composite lớp trong sản xuất cánh turbine. 21 1.4. Phân tích kết cấu cánh, điều kiện làm việc, quy mô sản xuất và vật liệu cánh turbine gió công suất 5kW. 24 CHƢƠNG II: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VÀ CÁC ĐẶC TÍNH CƠ HỌC CỦA VẬT LIỆU COPOSITE LỚP 27 2.1. Cơ sở để xác định các môđun kỹ thuật 27 2.1.1. Xác định bằng thí nghiệm. 27 2.1.2. Xác định bằng lý thuyết. 31 2.2. Chế tạo mẫu vật liệu composite bằng phƣơng pháp lăn ép. 34 2.2.1. Chế tạo khuôn. 34 2.2.2. Chế tạo mẫu. 35 2.3. Thí nghiệm thử kéo và uốn trên các mẫu vật liệu. 37 2.3.1. Thí nghiệm kéo. 37 v Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 2.3.2. Thí nghiệm uốn. 41 CHƢƠNG 3: CHẾ TẠO CÁNH TURBINE GIÓ TRỤC ĐỨNG CÔNG SUẤT 5KW 45 3.1. Phân tích chi tiết và chọn phƣơng án gia công. 45 3.2. Chế tạo khuôn. 46 3.3. Chế tạo cánh turbine. 47 3.3.1 Chế tạo các đoạn cánh turbine 48 3.3.2. Nối các đoạn cánh và ghép các nửa cánh. 53 CHƢƠNG IV: THỬ NGHIỆM ĐẶC TÍNH CÔNG NGHỆ CỦA CÁNH TURBINE GIÓ ĐÃ HOÀN THÀNH 56 4.1. Kiểm tra độ chính xác về kích thƣớc và hình dáng hình học của cánh chế tạo. 56 4.2. Kiểm tra độ cứng tế vi 57 4.3. Kiểm tra khuyết tật và tỷ lệ sợi/ nhựa. 59 4.4. Thí nghiệm uốn đánh giá cơ tính của cánh chế tạo. 59 4.4.1. Cơ sở xác định thí nghiệm. 59 4.4.2. Tiến hành thí nghiệm. 61 KẾT LUẬN CHUNG 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO 66 vi Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1. Cánh đồng điện gió Helpershainvà Ulrichstein-Helpershain-Germany 2 Hình 2. Các turbine gió đƣợc lắp ở ngoài biển 2 Hình 3. Cánh turbine trục đứng 3 Hình 4. Cánh turbine trục ngang 3 Hình 5. Bản vẽ cánh turbine gió NACA 0015 5 Hình 6. Cánh turbine gió NACA 0015 6 Hình 1.1 Nhựa Polyester 8 Hình 1.2. Nhựa Epoxy 9 Hình 1.3. Bột đá 10 Hình 1.4. Vải sợi thủy tinh dạng vải dệt và sợi bện đã cắt đoạn 11 Hình 1.5. Vải sợi cacbon 12 Hình 1.6. Chế tạo vật liệu composite bằng phƣơng pháp lăn ép. 15 Hình 1.7. Phƣơng pháp phun hỗn hợp composite 16 Hình 1.8. Phƣơng pháp đùn ép. 18 Hình 1.9. Phƣơng pháp đúc chuyển nhựa 19 Hình 1.10. Phƣơng pháp đúc chân không 20 Hình 1.11. Cánh turbine gió B75 của hãng Siemens 21 Hình 1.12. Cánh turbine gió công suất 10W 22 Hình 1.13. Cánh turbine gió trục đứng công suất 300W của công ty Quingdao Hongkun Wind 23 Hình 1.14. Cánh turbine gió NACA 0015 24 Hình 2.1. Lớp vật liệu composite trực hƣớng 27 Hình 2.2. Mẫu thí nghệm kéo 28 Hình 2.3. Sơ đồ thí nghiệm kéo 28 Hình 2.4. Mô phỏng quá trình biến dạng kéo mẫu theo phƣơng cơ bản 29 Hình 2.5. Mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng 29 Hình 2.6. Xác định môđun đàn hồi kéo. 29 Hình 2.7. Xác định hệ số Poisson 30 Hình 2.8. Sơ đồ thí nghiệm cắt 30 Hình 2.9. Biến dạng cắt của nhựa 31 vii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 2.10. Sơ đồ mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng. 31 Hình 2.11 Sơ đồ phân bố sợi trong nhựa 32 Hình 2.12. Định luật hỗn hợp với môđun Young 32 Hình 2.13. Biến đổi của mô đun E 2 theo V s 33 Hình 2.14. Biến đổi của các mô đun đàn hồi của các composite đồng phƣơng theo tỷ lệ sợi 34 Hình 2.15. Phủ chất chống dính Wax 8 lên khuôn 35 Hình 2.16. Trải lớp vải sợi thủy tinh và lăn phẳng lớp vải sợi. 36 Hình 2.17. Mẫu kéo sợi thẳng và sợi chéo 37 Hình 2.18. Mẫu uốn sợi thẳng 37 Hình 2.19. Máy thử độ bền kéo 38 Hình 2.20. Thử kéo mẫu vật liệu composite. 38 Hình 2.21. Biểu đồ biểu diễn mối quan hệ giữa lực và biến dạng. 39 Hình 2.22. Sơ đồ thí nghiệm uốn 41 Hình 2.23. Thí nghiệm thử uốn mẫu vật liệu composite. 41 Hình 3.1. Bản vẽ cánh turbine biên dạng NACA 0015 45 Hình 3.2. Biên dạng cánh NACA 0015 46 Hình 3.3. Dƣỡng chế tạo khuôn. 46 Hình 3.4. Khung ống kẽm để làm khuôn. 46 Hình 3.5. Quá trình làm khuôn bêtông. 47 Hình 3.6. Khuôn cánh turbine. 47 Hình 3.7. Phủ chất chống dính Wax 8 lên khuôn 48 Hình 3.8. Gel trắng 48 Hình 3.9. Butanox 48 Hình 3.10. Xác định khối lƣợng gel trắng 49 Hình 3.11. Xác định khối lƣợng butanox 49 Hình 3.12. Trộn hỗn hợp Gel – Butanox và phủ đều lên bề mặt khuôn 49 Hình 3.13. Lớp phủ bề mặt gel trắng 50 Hình 3.14. Xác định khối lƣợng nhựa 50 Hình 3.15. Hỗn hợp nhựa – Butanox 50 Hình 3.16. Trải lớp vải sợi thủy tinh và lăn phẳng lớp vải sợi. 50 Hình 3.17. Bề mặt trong của cánh sau khi gia công 51 Hình 3.18. Quá trình tạo gờ cho cánh 51 viii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 3.19. Đoạn cánh turbine sau khi gia công gờ. 52 Hình 3.20. Lắp giấy giáp vào máy mài 52 Hình 3.21. Vệ sinh làm sạch đoạn cánh turbine. 52 Hình 3.22. Đoạn cánh 2000mm 53 Hình 3.23. Gia công đoạn cánh turbine 1000mm 53 Hình 3.24. Khoan lỗ và phủ nhựa lên hai mặt đầu của hai đoạn cánh 54 Hình 3.25. Lắp bulông nối hai đoạn cánh. 54 Hình 3.26. Bề mặt ngoài cánh turbine sau khi nối các đoạn cánh 54 Hình 3.27. Quá trình ghép các nửa cánh lại với nhau 55 Hình 3.28. Cánh turbine gió sau khi ghép và cánh 4000mm đã hoàn thành. 55 Hình 4.1. Kiểm tra kích thƣớc cánh turbine gió đã chế tạo 56 Hình 4.2. Đo biên dạng cánh turbine trên máy đo tọa độ ba chiều CMM 56 Hình 4.3. Kết quả đo biên dạng cánh trên màn hình máy tính 57 Hình 4.4. Cánh turbine đã chế tạo và cánh NACA 0015 57 Hình 4.5. Thí nghiệm đo độ cứng tế vi tại ba vị trí trên mẫu 58 Hình 4.6. Kiểm tra khuyết tật của mẫu trên kính hiển vi điện tử. 59 Hình 4.8. Kết quả tính mômen quán tính J trên phần mềm Auto Cad. 61 Hình 4.9. Thí nghiệm uốn cánh turbine gió đã chế tạo. 62 ix Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1: Các thông số kỹ thuật của một số vật liệu cánh turbine 4 Bảng1.1. Thông số kỹ thuật cánh turbiine gió trục ngang của công ty Shanghai Good Serve Industrial 22 Bảng 1.2. Thông số kỹ thuật cánh turbine gió trục đứng của một số công ty 23 Bảng 2.1. Các giá trị E 2 /E n tƣơng ứng với các giá trị của tỉ số E s /E n và V s 33 Bảng 4.1. Kết quả thí nghiệm uốn 62 [...]... công nghệ để chế tạo cánh turbine trục đứng công suất 5KW bằng vật liệu composite nền nhựa epoxy cốt sợi thủy tinh - Chế tạo thử nghiệm đƣợc cánh turbine trục đứng công suất 5KW * Nội dung: Chƣơng I: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu của đề tài Chƣơng II: Công nghệ chế tạo và xác định các đặc tính của vật liệu composite lớp Chƣơng III: Quy trình chế tạo cánh turbine gió trục đứng công suất 5kW Chƣơng IV:... 5 Thiết kế quy trình công nghệ và chế tạo cánh turbine trục đứng công suất 5KW bằng vật liệu composite sẽ rất cần thiết cho việc ứng dụng vật liệu mới, vật liệu composite lớp để chế tạo cánh turbine trục đứng áp dụng cho máy công suất 5KW, góp phần cho việc phát triển máy phong điện cung cấp điện năng ở nƣớc ta hiện nay 2 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu *Mục tiêu: - Xây dựng đƣợc quy trình công nghệ. .. về quy trình công nghệ chế tạo các kết cấu dạng tấm, vỏ bằng vật liệu composite Từ đó xây dựng lên quy trình công nghệ chế tạo cánh turbine gió bằng vật liệu composite lớp - Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả của đề tài cho phép xác định đƣợc phƣơng pháp chế tạo cánh turbine gió kiểu trục đứng công xuất 5KW bằng vật liệu composite 7 CHƢƠNG I TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 1.1 Tổng quan về vật liệu. .. IV: Thử nghiệm đặc tính công nghệ của cánh turbine gió công suất 5KW 3 Dự kiến kết quả đạt đƣợc - Quy trình công nghệ chế tạo cánh turbine gió trục đứng - Bộ cánh turbine gió NACA 0015(5 cánh) công suất 5KW bằng vật liệu composite nền nhựa cốt sợi thủy tinh Hình 5 Bản vẽ cánh turbine gió NACA 0015 6 Hình 6 Cánh turbine gió NACA 0015 4 Phƣơng pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm... kỹ thuật của một số vật liệu cánh turbine Sau khi đã lựa chọn đƣợc vật liệu chế tạo thì công việc quan trọng nhất là thiết kế đƣợc quy trình công nghệ chế tạo cánh turbine Trên thế giới, có rất nhiều tập đoàn công nghiệp đã sản xuất cánh turbine gió và đƣa vào sử dụng với nhiều kiểu dáng khác nhau Tuy nhiên, công nghệ chế tạo cánh turbine gió vẫn chỉ là những bí quy t riêng của các công ty mà ta không... (DMPT): CH3C6H5N(CH3)2 1.2 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 sản xuất Các công nghệ đƣợc sử dụng trong chế tạo sản phẩm bằng vật liệu composite bao gồm: Phƣơng pháp lăn ép (phƣơng pháp chế tạo thủ công) Một trong những phƣơng... tùy thuộc vào các đơn đặt hàng 1.4 Phân tích kết cấu cánh, điều kiện làm việc, quy mô sản xuất và vật liệu cánh turbine gió công suất 5kW Theo [5], cánh turbine gió trục đứng công suất 5kW cần chế tạo có biên dạng cánh NACA 0015 nhƣ hình vẽ (tọa độ các điểm của biên dạng NACA0015 cho trong phụ lục) Sau khi khảo sát bảng thông số cánh turbine gió của các công ty, với cánh turbine cần chế tạo, với đề... Cánh turbine trục ngang Một số loại vật liệu thƣờng đƣợc sử dụng để chế tạo cánh turbine là nhôm, titan, thép, gỗ và vật liệu composite lớp (nền nhựa, cốt sợi) So với các loại vật liệu 4 khác, vật liệu composite lớp có độ cứng, độ bền cơ học cao, có khả năng chịu nhiệt và chịu sự ăn mòn của vật liệu trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt cao hơn, dễ chế tạo và kinh tế hơn Độ bền Khối lƣợng Vật liệu. .. composite 1.1.1 Khái niệm composite Vật liệu composite là vật liệu tổ hợp (mức độ vĩ mô) của hai hay nhiều vật liệu khác nhau nhằm tạo ra vật liệu mới có tính năng ƣu việt hơn hẳn vật liệu thành phần [2] Những đặc điểm chính của vật liệu composite gồm: - Là vật liệu nhiều pha - Trong vật liệu composite có tỉ lệ, hình dạng, kích thƣớc cũng nhƣ sự phân bố của nền và cốt tuân theo các qui định thiết kế. .. 2.5 16 - 25 Bảng1.1 Thông số kỹ thuật cánh turbiine gió trục ngang của công ty Shanghai Good Serve Industrial Hình 1.12 Cánh turbine gió công suất 10W 23 Một số công ty sản xuất cánh turbine trục đứng đƣa ra các thông số của cánh nhƣ sau [4]: Hình 1.13 Cánh turbine gió trục đứng công suất 300W của công ty Quingdao Hongkun Wind Power Equipmet Tên công ty Công suất Số cánh Chiều dài (m) Chiều dày Số lớp . 5 Thiết kế quy trình công nghệ và chế tạo cánh turbine trục đứng công suất 5KW bằng vật liệu composite sẽ rất cần thiết cho việc ứng dụng vật liệu mới, vật liệu composite lớp để chế tạo cánh. đƣợc quy trình công nghệ để chế tạo cánh turbine trục đứng công suất 5KW bằng vật liệu composite nền nhựa epoxy cốt sợi thủy tinh. - Chế tạo thử nghiệm đƣợc cánh turbine trục đứng công suất 5KW. . của cánh turbine gió công suất 5KW. 3. Dự kiến kết quả đạt đƣợc. - Quy trình công nghệ chế tạo cánh turbine gió trục đứng. - Bộ cánh turbine gió NACA 0015(5 cánh) công suất 5KW bằng vật liệu