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

Cánh turbine trục ngang Một số loại vật liệu thường được sử dụng để chế tạo cánh turbine là nhôm, titan, thép, gỗ và vật liệu composite lớp nền nhựa, cốt sợi.. - Ý nghĩa thực tiễn: Kế

Trang 1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC KỸ THUẬT

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí

BAN ĐÀO TẠO

Trang 2

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Lê Thu Huyền

Học viên lớp cao học khóa 14- Kỹ thuật cơ khí- Trường ĐHKTCN Thái Nguyên Sau hai năm học tập, rèn luyện và nghiên cứu tại trường, 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 dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Ngô Như Khoa, cùng với các tài liệu đã được

trích dẫn trong phần tài liệu tham khảo ở phần cuối luận văn

Thái Nguyên, ngày…… tháng…….năm 2014

Học viên

Lê Thu Huyền

Trang 3

LỜI CẢM ƠN

Học viên bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Ngô

Như Khoa đã tận tình chỉ bảo, hướng 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 trường 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 được 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 được sự

đóng góp ý kiến của các thầy cô cũng như của bạn bè đồng nghiệp

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày…….tháng…….năm 2014

Học viên

Lê Thu Huyền

Trang 4

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

………

Trang 5

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 được 5

4 Phương pháp nghiên cứu 6

5 Ý nghĩa 6

CHƯƠNG 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

CHƯƠNG 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 phương 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

Trang 6

2.3.2 Thí nghiệm uốn 41

CHƯƠNG 3: CHẾ TẠO CÁNH TURBINE GIÓ TRỤC ĐỨNG CÔNG SUẤT 5KW 45

3.1 Phân tích chi tiết và chọn phương 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

CHƯƠNG IV: THỬ NGHIỆM ĐẶC TÍNH CÔNG NGHỆ CỦA CÁNH TURBINE GIÓ ĐÃ HOÀN THÀNH 56

4.1 Kiểm tra độ chính xác về kích thước 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

Trang 7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1 Cánh đồng điện gió Helpershainvà Ulrichstein-Helpershain-Germany 2

Hình 2 Các turbine gió được 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 phương pháp lăn ép 15

Hình 1.7 Phương pháp phun hỗn hợp composite 16

Hình 1.8 Phương pháp đùn ép 18

Hình 1.9 Phương pháp đúc chuyển nhựa 19

Hình 1.10 Phương 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 hướng 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 phương 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

Trang 8

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 E2 theo Vs 33

Hình 2.14 Biến đổi của các mô đun đàn hồi của các composite đồng phương 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 Dưỡng 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 lượng gel trắng 49

Hình 3.11 Xác định khối lượng 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 lượng 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

Trang 9

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 thước 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

Trang 10

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 E2/En tương ứng với các giá trị của tỉ số Es/En và Vs 33

Bảng 4.1 Kết quả thí nghiệm uốn 62

Trang 11

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT

E1 Mô đun Young theo phương cơ bản

E2 Mô đun Young theo phương ngang

E3 Mô đun Young ngang

υ12 Hệ số Poisson theo phương cơ bản

υ13 Hệ số Poisson theo phương ngang

υ23 Hệ số Poisson ngang

G12 Mô đun cắt trong mặt phẳng của lớp

G13 Mô đun cắt theo phương cơ bản

G23 Mô đun cắt theo phương ngang

σu Ứng suất uốn

σ1 Ứng suất uốn theo phương cơ bản

σ2 Ứng suất uốn theo phương ngang

σ3 Ứng suất uốn ngang

εu Biến dạng uốn phá hủy

∆l Biến dạng tuyệt đối

l Chiều dài mẫu

τ12 Ứng suất cắt trong mặt phẳng của lớp

γ12 Biến dạng góc trong mặt phẳng của lớp

σs Ứng suất trong sợi

σn Ứng suất trong nhựa

Ss Diện tích tiết diện ngang của sợi

Sn Diện tích tiết diện ngang của nhựa

En Môđun đàn hồi của nhựa

Es Môđun đàn hồi của sợi

Vs Thể tích của sợi

Vn Thể tích của nhựa

Gs Môđun cắt dọc của sợi

Gn Môđun cắt dọc của nhựa

Trang 12

P Lực tác dụng

h Chiều dày mẫu

b Chiều rộng mẫu

NACA Ủy ban cố vấn ngành hàng không quốc gia

Fc Lực cản của gió tác động lên cánh

Cd Hệ số cản

ρ Mật độ không khí

S Diện tích hình chiếu bề mặt cánh cản gió

V Vận tốc gió

Trang 13

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong công cuộc "công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước", Việt Nam cần đảm bảo nguồn năng lượng phát triển công nghiệp, trong đó điện năng giữ vai tròng cực kỳ quan trọng Từ trước đến nay, nguồn điện năng Việt Nam sử dụng chủ yếu được tạo ra từ các nhà máy nhiệt điện, thủy điện Tuy nhiên, cùng với việc mở cửa hội nhập của nền kinh tế, Việt Nam cũng gặp phải những khó khăn và trở ngại chung khi thiếu hụt về năng lượng, trong khi năng lượng truyền thống dần ngày càng cạn kiệt và ô nhiễm môi trường đang trở thành vấn đề toàn cầu Yêu cầu cấp thiết cần tìm ra nguồn năng lượng mới để khắc phục các vấn đề trên Năng lượng gió là một trong những nguồn năng lượng đáp ứng được yêu cầu cấp thiết đó

Theo định nghĩa, năng lượng tái tạo (renewable energy) là năng lượng phát sinh từ các nguồn tài nguyên thiên nhiên như: tia nắng mặt trời, gió, mưa, thuỷ triều, nhiệt từ lòng đất và vì thế các loại năng lượng này được tái tạo một cách tự nhiên Như vậy năng lượng gió là một trong các nguồn năng lượng tái tạo Năng lượng gió ban tặng cho hành tinh chúng ta cơ hội giảm khí thải carbon, bầu không khí trong lành và nền văn minh bền vững Năng lượng gió cũng tạo cơ hội cho các nước trên thế giới cải thiện an ninh năng lượng, bảo vệ môi trường và thúc đẩy tăng trưởng kinh tế của mỗi nước

Điện năng được tạo ra từ năng lượng gió thông qua các máy phong điện (turbine gió) Nó có ưu điểm: tận dụng được nguồn năng lượng gió vô tận, ổn định,

dễ áp dụng và không gây ô nhiễm môi trường Xét về lâu dài, máy phong điện mang tính kinh tế cao hơn các nhà máy thuỷ điện và nhiệt điện Turbine có 2 loại: trục ngang và trục đứng

Trên thế giới, có rất nhiều nước đã sử dụng năng lượng gió để sản xuất ra điện năng như Đan Mạch, Đức, Hà Lan, Mỹ, và gần đây có Australia, Trung Quốc, Nhật Bản

Việt Nam có lợi thế là hơn 3000km bờ biển nên nguồn năng lượng gió rất dồi dào Ngoài ra, nước ta còn có các hải đảo, vùng núi cao cũng là vùng có tiềm năng

Trang 14

về gió rất lớn.Với ưu thế về vị trí địa lý này, Việt Nam hoàn toàn có thể sử dụng nguồn năng lượng gió để sản xuất điện năng

Theo kết quả khảo sát của Ngân hàng Thế giới trong chương trình đánh giá

về “Năng lượng gió Châu Á” thì Việt Nam là một quốc gia có tiềm năng về năng lượng gió cao nhất Đông Nam Á, với 513.360 MW, tức là gấp hơn 200 lần công suất của nhà máy thuỷ điện Sơn La, và hơn 10 lần tổng công suất dự báo của ngành điện Việt Nam năm 2020 [1]

Hình 1 Cánh đồng điện gió Helpershainvà Ulrichstein-Helpershain-Germany

Hình 2 Các turbine gió được lắp ở ngoài biển

Như vậy, cứ ở đâu có gió phù hợp là cho phép ta phát triển máy phong điện

để cung cấp điện năng Tại Việt Nam nơi đó thường là các hải đảo,bờ biển, vùng núi

Trang 15

cao biên giới…Điều này rất phù hợp cho việc giải quyết bài toán cung cấp điện sinh hoạt, đặc biệt là các gia đình ở vùng sâu, vùng xa, biên giới hải đảo để thay thế các nhà máy thuỷ điện, nhiệt điện đang hoạt động ở nước ta hiện nay Tuy nhiên việc sử dụng năng lượng gió ở Việt Nam cũng đang được quan tâm nhưng ở mức thấp Đầu năm 2013, nhà máy phong điện tại tỉnh Bình Thuận đã khánh thành và chính thức hoà mạng lưới điện quốc gia

Bộ phận chính đặc biệt quan trọng của turbine gió là cánh turbine Việc lựa chọn hình dạng, kích thước và vật liệu cánh turbine ảnh hưởng rất lớn tới hiệu suất

và độ bền của turbine gió Vật liệu chế tạo cánh turbine đòi hỏi phải nhẹ, chịu được mài mòn, có tính oxy hóa tốt, đặc biệt đối với turbine gió đặt ở ngoài biển

Hình 3 Cánh turbine trục đứng

Hình 4 Cánh turbine trục ngang

Một số loại vật liệu thường được 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

Trang 16

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

Thông số

Vật liệu

Khối lƣợng riêng (g/cm3)

Giới hạn

độ bền (N/mm2)

Modun đàn hồi E (kN/mm2)

Độ bền cắt trên khối lƣợng riêng (km)

Modun đàn hồi trên khối lƣợng riêng (103km)

Giới hạn mỏi (107N/mm2)

Bảng 1: Các thông số 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 quyết riêng của các công ty mà ta không thể tiếp cận đƣợc Với đề tài “

Trang 17

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 nước ta hiện nay

2 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu

Chương I: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu của đề tài

Chương II: Công nghệ chế tạo và xác định các đặc tính của vật liệu composite lớp

Chương III: Quy trình chế tạo cánh turbine gió trục đứng công suất 5kW Chương IV: Thử nghiệm đặc tính công nghệ của cánh turbine gió công suất 5KW

3 Dự kiến kết quả đạt được

- 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

Trang 18

Hình 6 Cánh turbine gió NACA 0015

4 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm

5 Ý nghĩa

- Ý nghĩa khoa học:

Nghiên cứu tổng quan 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 được phương pháp chế tạo cánh turbine gió kiểu trục đứng công xuất 5KW bằng vật liệu composite

Trang 19

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

1.1 Tổng quan về 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 ưu 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 thước cũng như sự phân

bố của nền và cốt tuân theo các qui định thiết kế trước

- Tính chất của các pha thành phần được kết hợp để tạo nên tính chất chung của composite Tuy nhiên tính chất của composite không bao gồm tất cả tính chất của pha thành phần khi chúng đứng riêng lẻ mà chỉ lựa chọn những tính chất tốt và phát huy thêm

1.1.2 Cấu tạo của vật liệu composite

- Vật liệu nền cần đáp ứng được yêu cầu khai thác và công nghệ

- Vật liệu nền có thể được tạo thành từ một chất hoặc hỗn hợp nhiều chất được trộn lẫn một cách đồng nhất

Trang 20

- Nhựa nhiệt rắn: PU, PP, UF, Epoxy, Polyester không no được gia công dưới áp suất và nhiệt độ cao, riêng với epoxy và polyme không no có thể tiến hành

ở nhiệt độ thường và gia công bằng tay

Nhìn chung, nhựa nhiệt rắn cho vật liệu và cơ tính cao hơn nhựa nhiệt dẻo

- Một số loại nhựa nhiệt rắn thông thường:

a Polyester không no (Nhựa Polyester)

Nhựa polyester được sử dụng rộng rãi trong công nghệ composite Polyester thường là loại không no, có khả năng đóng rắn ở dạng lỏng hoặc ở dạng rắn nếu có điều kiện thích hợp

Hai loại polyester thường dùng trong công nghệ composite là orthophthalic và isophthalic, Nhựa orthophthalic cho tính kinh tế cao, được sử dụng rộng rãi Còn nhựa isophthalic có khả năng kháng nược tuyệt vời nên là vật liệu quan trọng trong công nghiệp, đặc biệt là hàng hải

Thời gian đề polyester tự đóng rắn chậm, vì vậy cần dùng chất xúc tác và chất xúc tiến để đạt tốc độ trùng hợp của nhựa trong một khoảng thời gian nào đó.Quá trình đóng rắn được gọi là quá trình polymer hoá Đây là phản ứng hoá học một chiều cho phép nhựa chịu tải tốt mà không bị giòn

Hình 1.1 Nhựa Polyester

Trang 21

b Vinylester

Vinylester có cấu trúc tương tự như polyester Tuy nhiên, vinylester có ít nhóm este hơn polyester, nhóm ester rất dễ bị thuỷ phân, tức là vinyester kháng nước tốt hơn các loại polyester khác do vậy thường dùng vật liệu này làm lớp phủ bên ngoài cho sản phẩm ngập trong nước như là vỏ ngoài của tàu, thuyền, ống dẫn, bồn chứa hoá chất

c Epoxy

Epoxy đại diện cho nhựa có tính năng tốt nhất hiện nay Nói chung, epoxy có tính năng cơ lý, kháng môi trường hơn hẳn các loại nhựa khác, là loại nhựa được sử dụng nhiều nhất trong các chi tiết máy bay Nhựa epoxy không có nhóm ester, do

đó khả năng kháng nước của epoxy rất tốt Với tích chất kết dính và khả năng kháng nước tuyệt vời của mình, epoxy rất lý tưởng để sử dụng trong ngành đóng tàu Epoxy đóng rắn dễ dàng ở nhiệt độ từ 5 - 1500C Ưu điểm nổi bật của epoxy là co ngót thấp khi đóng rắn Lực liên kết, tính chất cơ lý của epoxy được tăng cường bởi tính cách điện và khả năng kháng hoá chất

Ứng dụng của epoxy rất đa dạng, nó được dùng làm keo dán, hỗn hợp xử lý bề mặt, hỗn hợp đổ, bột trét, sơn

Hình 1.2 Nhựa Epoxy

2 Thành phần cốt (chất độn)

Chất độn đóng vai trò là chất chịu ứng suất tập trung vì độn thường có tính chất cơ lý cao hơn nhựa Người ta đánh giá độn dựa trên các đặc điểm sau:

Trang 22

- Tính gia cường cơ học

- Tính kháng hóa chất, môi trường, nhiệt độ

- Phân tán vào nhựa tốt

- Truyền nhiệt, giải nhiệt tốt

- Thuận lợi cho quá trình gia công

Hình 1.3 Bột đá

- Giảm giá thành

- Tăng thể tích cần thiết đối với độn trơ, tăng độ bền cơ lý, hoá, nhiệt, điện

- Dễ đúc khuôn, giảm sự tạo bọt khí trong nhựa có độ nhớt cao

- Cải thiện tính chất bề mặt vật liệu, chống co rút khi đông rắn, che khuất sợi trong cấu tạo tăng cường sợi, giảm toả nhiệt khi đóng rắn

b Độn dạng sợi

Trang 23

Sợi có tính năng cơ lý hoá cao hơn độn dạng hạt, tuy nhiên, sợi có giá thành cao hơn nên thường dùng để chế tạo các loại vật liệu cao cấp Cốt sợi cũng có thể là sợi tự nhiên như sợi gai, sợi đay, sợi lanh, xơ dừa, xơ tre, bông có thể là sợi nhân tạo như: sợi thuỷ tinh, sợi cacbon, sợi Bo, sợi cacbua silic, sợi amide

Việc độn thêm các loại sợi này vào hỗn hợp có tác dụng làm tăng độ bền cơ học cũng như độ bền hoá học của vật liệu composite như: khả năng chịu được va đập, độ giãn nở cao,khả năng cách âm tốt, tính chịu ma sát, mài mòn, độ nén, độ uốn dẻo và độ kéo đứt cao, khả năng chịu được trong môi trường ăn mòn như: muối, kiềm, axit

* Sợi thuỷ tinh: Là chất vô cơ dẻo hơn sợi thực vật hoặc động vật, không thể

thắt nút, đàn hồi hay giãn rộng ra, không cháy, không dẫn điện, không mục nát, không thấm nước và bền với hầu hết các axit (bền vững hơn bất kỳ sợi dệt nào)

Sợi thuỷ tinh thường có dạng thô, sợi chỉ và sợi bện đã cắt đoạn; dạng tấm mỏng, chiếu đệm và các sản phẩm không dệt; dạng vải dệt từ các sợi thô Sợi thuỷ tinh thường được ứng dụng trong sản xuất composite polymer, chế tạo vỏ tàu thuyền, ôtô, vỏ xe máy,cánh quạt trong tua bin nước

Hình 1.4 Vải sợi thủy tinh dạng vải dệt và sợi bện đã cắt đoạn

* Sợi hữu cơ: Có môdun đàn hồi cao, độ bền cao khi kéo, ổn định cao về

nhiệt độ, bền va đạp, không chảy, tính cách điện cao Sợi hữu cơ có 2 loại phỏ biến: Sợi hữu cơ aramid và sợi polyetylen, nhiệt độ làm việc của composite sử dụng sợi hữu cơ thường dưới 2000C Sợi hữu cơ được sử dụng rộng rãi để chế tạo thân, vỏ tên lửa, động cơ nhiên liệu rắn, bình, ống chịu lực gang tay cách nhiệt, mũ, áo giáp, thiết bị thể thao

Trang 24

Hình 1.5 Vải sợi cacbon

3 Chất pha loãng

Các chất pha loãng phải thoả mãn các điều kiện sau đây:

- Chất pha loãng phải đồng trùng hợp tốt với polyester, không trùng hợp riêng

rẽ tạo sản phẩm không đồng nhất làm ảnh hưởng đến tính chất của sản phẩm, hoặc còn sót lại monomer làm sản phẩm mềm dẻo, kém bền

- Chất pha loãng phải tạo hỗn hợp đồng chất với polyester, tốt nhất là dung môi cho polyester Lúc đó nó hoà tan hoàn toàn vào giữa các mạch phân tử polyester, tạo thuận lợi cho phản ứng đóng rắn và tạo độ nhớt thuận lợi cho quá trình gia công

- Nhiệt độ sôi cao, khó bay hơi trong quá trình gia công và bảo quản

- Nhiệt phản ứng đồng trùng hợp thấp, sản phẩm đồng trùng hợp ít co rút

- Ít độc

Để đóng rắn polyester, người ta thường dùng các chất pha loãng: styrene, metyl meta acrylat (MMA), vinyl, triallil xianuarat trong đó styrene được sử dụng nhiều nhất do có những tính chất ưu việt:

Trang 25

c Chất tẩy bọt khí

Bọt khí làm sản phẩm composite bị giảm độ chịu lực, độ chịu thời tiết và thẩm

mỹ bề mặt Lượng thường sử dụng: 0.2 - 0.5% lượng nhựa Tuy nhiên,lưu ý nên cho chất tẩy bọt khí vào nhựa trước khi dùng các thành phần khác

d Chất thấm ướt sợi

Chất thấm ướt sợi có tác dụng tăng khả năng thấm ướt sợi giúp sử dụng độn nhiều hơn Lượng thường dùng: 0.5 - 1.5% so với độn cùng với chất tăng độ phân tán và chất ngăn thoát hơi styrene

5 Chất xúc tác, xúc tiến

a Chất xúc tác

Các chất xúc tác chỉ được cho vào nhựa trước khi gia công Vai trò của chúng

là tạo gốc tự do kích thích cho quá trình xúc tác phản ứng đồng trùng hợp Tác nhân kích thích cho sự tạo thành gốc tự do có thể là chất xúc tiến, bức xạ ánh sáng, tia tử ngoại hay nhiệt độ Chất xúc tác gồm các loại: Xúc tác Peroxide, xúc tác azo và diazo

b Chất xúc tiến

Chất xúc tiến đóng vai trò quan trọng cho phản ứng gốc tự do của chất xúc tác Dùng chất xúc tiến sẽ làm giảm được nhiệt độ và thời gian đóng rắn một cách đáng kể và có thể đóng rắn nguội Chất xúc tiến gồm các loại:

- Xúc tiến kim loại: Là muối của kim loại chuyển tiếp như: cobalt, chì, mangan, ceri và các acid như: naphthenic, linoleic, octonic hoà tan tốt trong

Trang 26

polymer Loại chất xúc tiến này thường dùng chung với các chất xúc tác dạng hydroperoxit (MEKP, HCH) Naphtheniccobalt là loại thông dụng nhất thường dùng

- Amin bậc ba: Loại xúc tiến này thường dùng với các chất xúc tác peroxide, thuộc loại này thường gặp:

+ Dimetyl - aniline (DMA): C6H5N(CH3)2

+ Dietyl - aniline (DEA): C6H5N(C2H5)2

+Dimetyl - p - toluidin (DMPT): CH3C6H5N(CH3)2

1.2 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 Các công nghệ được sử dụng trong chế tạo sản phẩm bằng vật liệu composite bao gồm:

Phương pháp lăn ép (phương pháp chế tạo thủ công)

Một trong những phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất trong chế tạo sản phẩm bằng vật liệu composite là phương pháp chế tạo thủ công Phương pháp thủ công sử dụng khuôn hở, có thể sử dụng khuôn dương hoặc khuôn âm

Quy trình chế tạo được thực hiện như hình 1.6

Vật liệu sử dụng trong phương pháp thủ công thường là polyester không no hoặc epoxy và sợi thủy tinh

* Ưu điểm: Sử dụng khuôn mẫu đơn giản vì quá trình chế tạo ở nhiệt độ và

áp suất không cao

* Nhược điểm: Phương pháp này sử dụng khuôn hở nên chất lượng hai bề mặt sản phẩm không đồng đều Phương pháp thủ công thường được áp dụng cho các loạt sản phẩm có số lượng nhỏ hoặc sản phẩm đơn chiếc

Trang 27

Hình 1.6 Chế tạo vật liệu composite bằng phương pháp lăn ép

Phương pháp phun hỗn hợp composite

Trong phương pháp phun hỗn hợp, vật liệu gia cường có kích thước nhỏ được trộn với nhựa polymer theo tỷ lệ xác định Súng phun được sử dụng để phun hỗn hợp nhựa polymer và vật liệu gia cường vào khuôn Vật liệu gia cường được cung cấp liên tục vào một đầu cấp của súng phun, nhựa polymer và chất khởi tạo phản ứng được cung cấp tới một đầu cấp khác của súng Quá trình hòa trộn được diễn ra trong thiết bị hòa trộn tĩnh hoặc động trong súng phun hoặc trong thiết bị khác Tương tự như phương pháp chế tạo thủ công, chất hỗ trợ tháo khuôn được phun hoặc quét lên mặt khuôn, tiếp theo là lớp gel-coat tạo bề mặt cho sản phẩm Sau đó hỗn hợp nhựa polymer, chất khởi tạo phản ứng và sợi gia cường được phun

ép vào khuôn

Vật liệu sử dụng trong phương pháp phun hỗn hợp composite tương tự như trong phương pháp thủ công Sợi thủy tinh được cắt với chiều dài từ 10mm tới 40mm trước khi được trộn vào hỗn hợp

* Ưu điểm: Nhanh, chi phí dụng cụ thấp

* Nhược điểm:

- Hàm lượng nhựa cao

- Chỉ chế tạo được composite sợi ngắn

Trang 28

- Phương pháp phun hỗn hợp composite có thể kiểm soát tốt tỷ lệ của nhựa polymer và vật liệu gia cường trong hỗn hợp, qua đó đảm bảo tính thẩm mỹ và độ đồng đều về cơ tính của sản phẩm

Vật liệu được lựa chọn trong phương pháp gia công này là nhựa epoxy, polyester, vinylester và các loại sợi thông thường

Trang 29

* Ưu điểm:

- Nhanh, hiệu quả kinh tế cao

- Tỷ lệ sợi/nhựa có thể điều chỉnh được khi sợi đi qua bể nhựa

- Giá thành sợi giảm thiểu do không qua công đoạn dệt sợi thành vải

- Tính chất của sản phẩm tốt do có thể điều chỉnh phương của sợi phù hợp

* Nhược điểm:

- Hạn chế ở một số dạng sản phẩm nhất định (rỗng, mặt cắt tròn, oval, )

- Khó điều chỉnh chính xác vị trí sợi dọc theo chiều dài sản phẩm

- Giá thành đối với những sản phẩm lớn là rất cao

- Yêu cầu nhựa có độ nhớt thấp nên ảnh hưởng tính chất cơ học và vấn đề an toàn sức khoẻ

Phương pháp đùn ép

Quy trình chế tạo: Nhựa polymer dưới dạng bột hoặc hỗn hợp nhựa polymer

và vật liệu gia cường có chiều dài ngắn được cấp vào trống chứa hỗn hợp vật liệu của máy đùn ép Trục vít được sử dụng để đẩy hỗn hợp vật liệu về phía trước của trống, nén hỗn hợp vật liệu đồng thời đẩy không khí chứa trong vật liệu ra ngoài Trong quá trình hòa trộn ma sát làm tăng nhiệt độ của hỗn hợp, năng lượng nhiệt này làm vật liệu chuyển sang trạng thái lỏng trước khi được chuyển tới buồng phun

ép Do quá trình nén cắt trong trục vít, chiều dài của sợi gia cường giảm Dưới lực

ép của trục vít, vật liệu được đùn ép vào khuôn, hệ thống van một chiều được sử dụng để ngăn vật liệu bị nén ngược lại trống chứa Khi vật liệu đã được nén vào trong khuôn, trục vít được giữ nguyên vị trí để duy trì áp suất trong khuôn Khi vật liệu đã đông kết trong khuôn, trục vít được di chuyển theo chiều ngược lại để chuẩn

bị cho chu trình đùn ép sản phẩm tiếp theo

* Ưu điểm: Khả năng tự động hóa cao, năng suất lớn, hiệu quả cao, phù hợp với loạt sản phẩm có số lượng lớn Phương pháp này có thể sử dụng để chế tạo các sản phẩm có hình dạng phức tạp

Trang 30

Phương pháp đúc chuyển nhựa

Phương pháp đúc chuyển nhựa sử dụng khuôn kín, vật liệu gia cường được đặt trước trong khuôn Với loạt sản phẩm có số lượng không lớn vật liệu gia cường được cắt thủ công và đặt trên nửa khuôn phía dưới Nửa khuôn phía trên được đóng lại, nhựa polymer được điền đầy vào khuôn dưới áp suất cao Sau khi nhựa polymer được điền đầy vào khuôn, hỗn hợp nhựa polymer và vật liệu gia cường được để đông kết trong thời gian xác định Sau đó sản phẩm được tháo khuôn để tiến hành sản xuất chi tiết tiếp theo

Với các sản phẩm có kích thước không lớn, có thể sử dụng một đường cấp nhựa polymer cho toàn bộ sản phẩm; với sản phẩm có kích thước lớn hơn, nhiều đường cấp được sử dụng nhằm đảm bảo cung cấp đủ nhựa polymer cho từng bộ phận, chi tiết của sản phẩm Đường cấp nhựa thường được đặt tại vị trí thấp nhất trong khuôn Nhựa polymer được điền vào khuôn theo hướng từ dưới lên để đảm bảo đẩy các bọt khí trong khuôn và vật liệu gia cường ra ngoài, tránh tạo các rỗ khí trong sản phẩm sau khi hoàn thiện

Trang 31

Vật liệu: Nhựa: epoxy, polyester, vinylester và phenolic; có thể đóng rắn trong điều kiện nhiệt độ thường hoặc nhiệt độ cao

Hình 1.9 Phương pháp đúc chuyển nhựa

Sợi: bất kỳ loại vật liệu dệt nào nếu đảm bảo điều kiện có khoảng trống cho phép dòng nhựa lỏng đi qua Một số loại vải được phát triển riêng hỗ trợ cho dòng nhựa lỏng

* Ưu điểm:

- Vật liệu lớp được tạo thành với tỷ lệ sợi cao, lỗ bọt ít

- Khống chế được vấn đề môi trường

- Giảm nhân công

- Hai mặt của sản phẩm được định dạng theo bề mặt khuôn

* Nhược điểm:

- Trang thiết bị đắt tiền

- Phù hợp với sản phẩm kích thước nhỏ

Phương pháp đúc chân không

Phương pháp này sử dụng sự chênh lệch áp suất trong khuôn và thiết bị chứa nhựa polymer để điền nhựa vào khuôn Nhựa polymer được chứa trong bình, khi độ chân không trong khuôn đã đạt tới yêu cầu, van dẫn bình chứa mở ra, nhựa trong bình chứa được điền vào khuôn theo hệ thống ống dẫn bố trí theo chu vi của khuôn

Trang 32

Tốc độ điền nhựa vào khuôn phụ thuộc vào chi tiết được chế tạo, tỷ lệ vật liệu gia cường, chủng loại nhựa polymer, và phương án bố trí, thiết kế khuôn

Quy trình công nghệ được thực hiện như sau:

- Quét phủ lớp chống dính hỗ trợ tháo khuôn:

- Quét phủ lớp vật liệu tạo bề mặt (gel-coat);

- Đặt các lớp vật liệu gia cường vào khuôn;

- Đặt các lớp hỗ trợ dẫn nhựa polymer lên trên lớp vật liệu gia cường;

- Đặt túi chân không, sử dụng băng làm kín (sealant tape) để làm kín thể tích trong khuôn;

- Hút chân không thể tích trong khuôn;

- Mở van nhựa khi độ chân không đạt yêu cầu để điền nhựa polymer từ thiết

bị chứa vào khuôn;

- Tháo khuôn sau khi vật liệu trong khuôn đông kết và định hình

Hình 1.10 Phương pháp đúc chân không

* Ưu điểm: Chế tạo khuôn đơn giản, chi phí đầu tư không cao so với phương

án đúc chuyển nhựa truyền thống, các thiết bị chính bao gồm bơm hút chân không, thiết bị chứa nhựa polymer và thiết bị hòa trộn nhựa polymer, các dụng cụ đo và hệ thống dẫn chân không

* Nhược điểm: Chỉ kiểm soát được chất lượng một bề mặt của chi tiết gia công do sử dụng khuôn một mặt, khó kiểm soát độ đồng đều của chiều dầy chi tiết cũng như tỷ lệ vật liệu gia cường và nhựa polymer

Trang 33

1.3 Ứng dụng vật liệu composite lớp trong sản xuất cánh turbine

Composite nền polyme được chế tạo hiện nay đã có đặc tính cơ lý cao hơn kim loại, nhẹ hơn kim loại, cách nhiệt, cách điện tốt hơn và rất bền với các tác nhân hóa học và môi trường Ví dụ, một ống dẫn dầu khí d =100 mm, có trọng lượng khoảng 3 - 4 kg/m và có thể khai thác sử dụng từ 50 - 70 năm; trong khi ống thép cùng đường kính và độ dày, nặng gấp 4 - 5 lần và chỉ sử dụng được từ 5 - 10 năm

và rất hay bị gỉ Vật liệu composite polyme đang được thay thế cho kim loại để chế tạo các chi tiết của thân, vỏ máy bay, tên lửa, thân vỏ động cơ, các khung, dầm, vách ngăn của máy bay, cánh turbine Năm 1991, composite chỉ chiếm có 3% khối lượng, nhưng đến năm 2000 đã chiếm đến 65% khối lượng của máy bay Composite polyme còn được ứng dụng làm các ống dẫn dầu khí, hóa chất, thân vỏ và các chi tiết của ôtô và các thiết bị khác của ngành chế tạo máy

Vật liệu composite ngày nay được ứng dụng rộng rãi trong ngành chế tạo cánh turbine Hãng Siemens đã sản xuất cánh quạt dài nhất thế giới cho tuabin gió Dài 75 mét, cánh gần như là lớn như sải cánh của một máy bay Airbus A380 Các cánh quạt B75 được lắp hệ thống năng lượng gió ngoài khơi tại trạm kiểm tra Østerild của Đan Mạch [3]

Hình 1.11 Cánh turbine gió B75 của hãng Siemens

Siemens thành lập nhà máy điện gió trong 30 năm qua Kích thước và đầu ra của các công nghệ liên quan đã dần phát triển trong thời gian này Trong vài năm

Trang 34

tới, các nhà cung cấp năng lƣợng của Đan Mạch sẽ lắp đặt 300 bộ cánh tuabin gió của Siemens ngoài khơi bờ biển Anh

Trên thế giới, ngoài Siemens còn có rất nhiều hãng sản xuất cánh turbine Tuy nhiên, các tài liệu nói về việc chọn lựa chiều dày, số lớp vật liệu composite phụ thuộc vào chiều dài cánh còn rất hạn chế Ở Việt Nam, một số công ty cũng sản xuất cánh turbine nhƣng chủ yếu dựa vào kinh nghiệm

Công ty Shanghai Good Serve Industrial, Trung Quốc [4] chuyên sản xuất cánh turbine gió bằng vật liệu composite sợi thủy tinh đã đƣa ra bảng thông số kỹ thuật trên một số sản phẩm của mình

Chiều dài (m)

Chiều dày (mm)

Số lớp

Bắt đầu gió tốc độ (m/s)

Tốc độ gió tối đa (m/s)

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

Trang 35

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 (mm)

Trang 36

Nhƣ vậy, công nghệ chế tạo cánh turbine gió bằng vật liệu composite lớp đang ngày càng phát triển mạnh mẽ trên thế giới Cùng với nó, các công ty, tập đoàn chuyên sản xuất cánh turbine cũng dần tăng lên về số lƣợng và chất lƣợng Tuy nhiên, qua phân tích ở trên ta thấy, việc chọn lựa kết cấu cánh nhƣ thế nào không đƣợc quy định cụ thể mà chủ yếu dựa vào kinh nghiệm cũng nhƣ 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 tài này chọn số cánh 5, chiều dày 5mm, số lớp 10

Hình 1.14 Cánh turbine gió NACA 0015

Cánh NACA 0015 có biên dạng đối xứng, rỗng Cánh có tỷ lệ chiều dày/ chiều dài rất nhỏ: t/l =5/4000 = 0.00125 Nhƣ vậy, cánh turbine gió có kết cấu dạng

vỏ mỏng, kín, chịu áp lực gió trên bề mặt ngoài nên độ cứng vững, độ ổn định về hình dáng biên dạng cánh theo vuông góc với bề mặt cánh là yếu tố đặc biệt cần quan tâm Nếu dùng vật liệu thép chế tạo cánh thì cánh sẽ có khối lƣợng rất lớn Nhôm nhẹ nhƣng với chiều dày cánh nhỏ rất dễ bị biến dạng và đắt tiền.Nhựa tổng hợp rẻ nhƣng độ bền kém Vật liệu composite lớp dễ chế tạo, có độ bền cao, nhẹ và kinh tế Vật liệu composite lớp sẽ là sự chọn lựa hàng đầu để chế tạo cánh turbine

Ở Việt Nam, các turbine gió phù hợp đặt ở bờ biển, hải đảo, vùng núi cao Với điều kiện thời tiết khắc nghiệt bốn mùa, độ ẩm lớn, nắng gió ngoài biển khơi Cánh

Trang 37

turbine gió đòi hỏi phải nhẹ, có độ bền cao, chịu được nhiệt, ẩm và không bị oxy hóa Vật liệu composite lớp nền nhựa cốt sợi đáp ứng được yêu cầu ở Việt Nam Tuy nhiên, trên thị trường hiện nay có rất nhiều loại nhựa và sợi

Nhựa có 2 loại nhựa nhiệt rắn và nhựa nhiệt dẻo Nhựa nhiệt dẻo dùng để gia công trên máy ép phun ở trạng thái nóng chảy Nhựa nhiệt rắn có nhựa PP, PU được gia công dưới áp suất và nhiệt độ cao Nhựa Epoxy và polyester không no có thể tến hành ở nhiệt độ thường và gia công bằng tay

Ở Việt Nam nói chung, quy mô sản xuất turbine gió rất nhỏ Các công ty chủ yếu chế tạo cánh turbine gió theo đơn đặt hàng Số lượng mặt hàng cũng rất hạn chế Trong phạm vi đề tài nói riêng chỉ chế tạo bộ cánh turbine gió công suất 5kW Như vậy, trong các phương pháp gia công đã nêu ở trên, phương pháp chế tạo thủ công phù hợp với điều kiện, quy mô sản xuất ở Việt Nam cũng như trong phạm vi đề tài

Với phương pháp chế tạo thủ công, có thể dùng nhựa epoxy hoặc polyester không no Nhựa epoxy có độ bền cao, kháng nước, kháng hóa chất tốt Giá thành nhựa epoxy trên thị trường Việt Nam khoảng 120 – 150.000 VNĐ/kg Nhựa polyester có độ bền kém hơn nhựa epoxy Tuy nhiên, polyester vẫn được dùng rộng rãi trong công nghệ composite do giá thành rẻ Giá thành trên thị trường Việt Nam khoảng 45 – 60.000 VNĐ/kg Các nhược điểm trên của nhựa polyester có thể được khắc phục bằng cách tăng chiều dày và số lớp vật liệu Với cánh turbine gió công suất 5kW, ta có thể chọn nhựa polyester làm nền

Thành phần cốt đóng vai trò là chất chịu lực chủ yếu Thành phần cốt có hai dạng: dạng hạt và dạng sợi Sợi có tính năng cơ lý hóa cao hơn hạt Sợi có nhiều loại như sợi thủy tinh, sợi carbon, sợi amide Sợi carbon và sợi amine có độ bền rất cao nhưng giá thành cũng rất đắt, vì vậy chỉ dùng để chế tạo chi tiết có độ bền cao như thân, vỏ tên lửa, động cơ nhiên liệu Sợi thủy tinh được dùng phổ biến trong ngành công nghiệp Sợi thủy tinh dạng thô, sợi bện đã cắt đoạn, dạng vải dệt từ các sợi thô giá thành khoảng 40 – 70.000VNĐ/kg; dạng vải dệt sợi tinh giá thành khoảng 90 -120.000VNĐ/kg Với đề tài này, sợi thủy tinh đáp ứng yêu cầu về kỹ thuật cũng như kinh tế để làm thành phần cốt chế tạo cánh turbine

Trang 38

Kết luận chương I

Các sản phẩm composite được chế tạo bằng nhiều loại vật liệu khác nhau và theo nhiều phương pháp khác nhau Sau khi nghiên cứu đặc điểm cấu tạo của vật liệu composite, với đề tài này em lựa chọn thành phần nền là nhựa polyester với cốt

là sợi thuỷ tinh; chất đóng rắn butanox và chất tách khuôn Wax 8 Với các thành phần vật liệu này đảm bảo cho cánh turbine có khả năng chịu được các điều kiện khắc nghiệt trong môi trường nắng gió ngoài biển khơi Với các trang thiết bị, kinh phí hiện có và đảm bảo yêu cầu công nghệ chế tạo cánh turbine gió hiện nay, phương pháp thủ công là sự lựa chọn phù hợp do đáp ứng tốt về giá thành, chất 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 Trong phạm vi đề tài, tác giả lựa chọn biên dạng cánh đối xứng NACA 0015 (bộ NACA 4 số) để chế tạo cánh turbine Cánh turbine NACA

0015 có cần chế tạo có chiều dài 4m, số cánh 5, chiều dày 5mm, số lớp 10

Trang 39

CHƯƠNG II: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VÀ CÁC ĐẶC TÍNH

CƠ HỌC CỦA VẬT LIỆU COPOSITE LỚP

Một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng tới độ bền của sản phẩm là thành phần vật liệu, phương pháp gia công và độ dày của sản phẩm Vì vậy, trước khi tiến hành chế tạo cánh turbine cần chế tạo mẫu để xác định được tỷ lệ các vật liệu thành phần, độ dày mẫu và cơ tính của nó; thông qua đó làm căn cứ để chế tạo cánh Ở chương II sẽ trình bày rõ hơn về vấn đề này

2.1 Cơ sở để xác định các môđun kỹ thuật

2.1.1 Xác định bằng thí nghiệm

Composite đồng phương được cấu tạo từ các sợi song song nằm trong nhựa

Vật liệu composite trực hướng được cấu tạo từ các lớp composite đồng phương hoặc các lớp composite cốt vải Các lớp vải được dệt từ các sợi đồng phương vuông góc với nhau Các lớp này có ba mặt phẳng đối xứng và trực giao từng đôi một, vì vậy chúng tạo thành một vật liệu trực hướng Các phương chính (1,2) được chọn tương ứng theo phương cơ bản và phương ngang Phương 3 vuông góc với mặt phẳng của lớp vật liệu (hình 2.1)

Vật liệu composite đồng phương được gọi là trường hợp riêng của vật liệu

composite trực hướng và được gọi là trực hướng tròn xoay hay đẳng hướng ngang

Hình 2.1 Lớp vật liệu composite trực hướng

Định dạng
Số trang	79
Dung lượng	3,46 MB