Nghiên cứu, tính toán, thiết kế và chế tạo mô hình bộ điều tốc turbine gió bằng cách sử dụng hệ bánh răng nón

LUẬN VĂN THẠC SĨNGUYỄN DUY PHƯƠNG NGÀNH: CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY - 605204 S 0 9 NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH BỘ ĐIỀU TỐC TURBINE GIÓ BẰNG CÁCH SỬ DỤNG HỆ BÁNH RĂNG N

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGUYỄN DUY PHƯƠNG

NGÀNH: CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY - 605204

S 0 9

NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO

MÔ HÌNH BỘ ĐIỀU TỐC TURBINE GIÓ

BẰNG CÁCH SỬ DỤNG HỆ BÁNH RĂNG NÓN

Tp Hồ Chí Minh, tháng 4/2013

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN DUY PHƯƠNG

NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH BỘ ĐIỀU TỐC TURBINE GIÓ BẰNG CÁCH SỬ DỤNG

HỆ BÁNH RĂNG NÓN

NGÀNH: CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY - 605204

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN DUY PHƯƠNG

NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO

MÔ HÌNH BỘ ĐIỀU TỐC TURBINE GIÓ BẰNG CÁCH

SỬ DỤNG HỆ BÁNH RĂNG NÓN

NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204

Hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN NGỌC PHƯƠNG

Tp Hồ Chí Minh, tháng 4/2013

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:

Họ & tên: Nguyễn Duy Phương Giới tính:Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 09/01/1987 Nơi sinh:Tây Ninh

Quê quán: Tây Ninh Dân tộc:Kinh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 45/đường 34/ Bời Lời/Tây Ninh

Điện thoại cơ quan: Điện thoại nhà riêng:

Fax: E-mail:Phongba_91@yahoo.com.vn

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

1 Trung học chuyên nghiệp:

Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ Nơi học (trường, thành phố):

Ngành học:

2 Đại học:

Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 8/2005 đến 1/ 2010 Nơi học (trường, thành phố): Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí Minh Ngành học: Công nghệ chế tạo máy

Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Nghiên cứu và chế tạo mô hình bộ điều khiển tốc độ turbine gió bằng hệ bánh răng nón

Ngày và nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp:Trường đại học Sư Phạm

Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh 1/2010

Người hướng dẫn: Thạc sỹ Hoàng Trí

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:

Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 3/2010 đến

hiện tại

Công ty Hoya Lens Việt Nam, VISIP 2,Bến cát, Bình Dương Quản lý sản xuất

LỜI CAM ĐOAN

Xin cam đoan: Đề tài “Nghiên cứu, tính toán, thiết kế và chế tạo mô hình bộ điều tốc turbine gió bằng cách sử dụng hệ bánh răng nón” do thầy PGS.TS Nguyễn Ngọc Phương hướng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng

Tp Hồ Chí Minh, ngày 01 tháng 04 năm 2013

Tác giả luận văn

Nguyễn Duy Phương

LỜI CẢM ƠN

Sau hơn 7 tháng nghiên cứu, với sự hướng dẫn của thầy PGS.TS Nguyễn Ngọc Phương, luận văn với đề tài “Nghiên cứu, tính toán thiết kế và chế tạo mô hình bộ điều tốc turbine gió bằng cách sử dụng hệ bánh răng nón” đã hoàn thành Để hoàn thành tốt nhiệm vụ đồ án theo đúng yêu cầu, đúng tiến độ thì tác giả đã nhận được sự hỗ trợ nhiệt tình từ phía nhà trường, quý thầy cô, gia đình và bạn bè đồng nghiệp

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:

Thầy hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Ngọc Phương đã tận tình chỉ dẫn đóng góp

Thạc sỹ Hoàng Trí đã tư vấn, hướng dẫn những kiến thức ban đầu để có thể thực hiện tốt luận văn

Thầy Dương Bình Nam và xưởng cơ khí Hoàng Nam đã hỗ trợ, góp ý trong quá trình thiết kế, thi công và chế tạo mô hình

Toàn thể quý thầy cô giáo trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật, các đồng nghiệp, bạn

bè, gia đình đã góp ý, giúp đỡ, động viên tác giả trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn

Tác giả luận văn

Nguyễn Duy Phương

TÓM TẮT

Các nghiên cứu ngày nay về turbine gió là làm sao điều khiển hiệu quả tốc độ của turbine khi vận tốc gió thay đổi, đảm bảo hiệu suất turbine hoạt động cao nhất Nhược điểm lớn nhất của các hệ thống turbine gió hiện tại là khi tốc độ gió thay đổi, thì tốc độ turbine luôn không ổn định Các nghiên cứu ngày nay về turbine gió là làm sao điều khiển hiệu quả tốc độ của turbine khi vận tốc gió thay đổi

Nội dung luận văn “Nghiên cứu, tính toán, thiết kế và chế tạo mô hình bộ điều tốc turbine gió bằng cách sử dụng hệ bánh răng nón” do thầy PGS.TS Nguyễn Ngọc Phương hướng dẫn, được thực hiện trong thời gian hơn 8 tháng đã hoàn thành Nội dung luận văn trình bày về một kết cấu bộ điều tốc cánh turbine mới bằng cách dùng hệ bánh răng nón để thực hiện việc xoay cánh turbine với phương pháp thiết kế, chế tạo và quá trình điều khiển hoàn toàn đơn giản

Sau quá trình tính toán và thiết kế, mô hình thí nghiệm đã được thi công hoàn chỉnh

và được thực nghiệm tại khoa Cơ Khí máy trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh Kết quả thí nghiệm cho thấy bộ điều tốc sử dụng hệ bánh răng nón hoạt động rất hiệu quả, tốc độ turbine được điều khiển linh hoạt nhờ hệ thống trục vít bánh vít và động cơ bước Kết quả ban đầu cho thấy quá trình nghiên cứu đã đem lại những thành công trong quá trình điều khiển tốc độ turbine gió, đảm bảo độ ổn định, cân bằng cho toàn bộ hệ thống turbine trong quá trình hoạt động

ABSTRACT

Today, the researches about the wind turbine is how to effectively control the speed

of the turbine when the wind speed changes, ensure that the turbines are highest effective performance This is the biggest weakness of the current wind turbine system

Thesis content "Research, calculate, design and manufacture the model control of wind turbine speed by bevel-gear system " by teacher Dr Nguyen Ngoc Phuong guide, was completed in the near 8 months Thesis content consturcted a system control of wind turbine speed by using the bevel-gear system to revolve the turbine blade with manufacturing and control process is straightforward

After the calculation and design, experimental models is completed and experimented at the mechanical Department of Engineering University of Technical Education Ho Chi Minh Experimental results showed that the turbine operated effectively, flexible, turbine speed is controlled by bevel-gear and stepper motor The fist results showed that the research brought success in control the wind turbine speed, ensure safeness and balance for the turbine system during operation

MỤC LỤC

Quyết định giao đề tài

Lý lịch cá nhân i

Lời cam đoan ii

Cảm tạ iii

Tóm tắt iv

Mục lục vi

Danh mục hình vẽ ix

Danh mục bảng xi

Danh mục ký hiệu xii

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 13

1.1 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu: 13

1.1.1 Lý do chọn đề tài 13

1.1.2 Mục đích của đề tài nghiên cứu 14

1.1.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 15

1.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 16

1.3 Ý nghĩa thực tiễn và ý nghĩa khoa học của đề tài 16

1.4 Phương pháp nghiên cứu 16

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 17

2.1 Tổng quan về năng lượng gió 17

2.1.1 Định nghĩa gió và máy phát điện gió 17

2.1.2 Lịch sử phát triển năng lượng gió 18

2.2 Phân loại turbine gió 24

2.2.1 Turbine gió trụ đứng 24

2.2.2 Turbine gió trụ ngang 26

2.3 Động lực học cánh turbine gió 28

2.3.1 Thuyết động học của turbine 28

2.3.2 Động lực học cánh turbine gió 30

2.4 Phân tích lực và các yếu tố hảnh hưởng đến turbine 32

2.4.1 Phân tích lực tác dụng lên cánh turbine 32

2.4.2 Các giá trị ảnh hưởng đến tốc độ trục chính turbine 36

2.4.3 Mối quan hệ giữa góc tới α và C l , C d 39

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CƠ KHÍ 41

3.1 Thiết kế cánh turbine 41

3.1.1 Đường kính cánh turbine 41

3.1.2 Tỷ số tốc độ đỉnh TSR (Tip Speed Ratio) 42

3.1.3 Hiệu suất turbine Cp 43

3.1.4 Số lượng cánh turbine 44

3.2 Tính toán, thiết kế trục turbine 45

3.2.1 Tính toán số vòng quay của turbine 45

3.2.2 Tính toán thiết kế hộp tốc độ 46

3.2.3 Tính toán đường kính trục 50

3.2.4 Lựa chọn ổ lăn 52

3.2.5 Chọn động cơ 53

3.2.5.1 Các loại động cơ bước và so sánh với các loại động cơ khác 53

3.2.5.2 Tính toán công suất động cơ 58

3.2.6 Lựa chọn cảm biến 60

3.2.7 Thiết kế cơ cấu hãm tốc 62

3.2.8 Thiết kế chân giá đỡ 62

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN CHO BỘ ĐIỀU TỐC 63

4.1 Tính toán số vòng quay trục chính ứng với sự thay đổi của góc tới 63

4.1.1 Mối quan hệ giữa góc nghiêng cánh và góc tới 63

4.1.2 Tính toán số vòng quay trục chính khi góc cánh thay đổi 63

4.2 Mối quan giữa tốc độ trục chính, hệ bánh răng nón, trục vít bánh vít và động cơ 71 CHƯƠNG 5: GIỚI THIỆU MÔ HÌNH VÀ THỰC NGHIỆM 73

5.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bộ điều tốc 73

5.1.1 Giới thiệu 73

5.1.2 Nguyên lý hoạt động 75

5.2 Khảo sát hoạt động của bộ điều tốc ứng với sự thay đổi tốc độ trục chính 78

5.3 Kết quả thực nghiệm 82

5.3.1 Ghi nhận kết quả 83

5.3.2 Nhận xét kết quả thực nghiệm 85

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 88

PHỤ LỤC 89

KẾ HOẠCH THỰC HIỆN 91

TÀI LIỆU THAM KHẢO 92

DANH MỤC HÌNH

HÌNH TRANG

Hình 1.1.3 Một dạng kết cấu của hệ thống xoay cánh turbine 15

Hình 2.1.1 Các dạng turbine gió 18

Hình 2.1.2.1 Mô hình cánh gió tại Tung Mỹ, cuối thế kỷ 19 19

Hình 2.1.2.2 Sử dụng cối xay gió để bơm nước trên đảo Crete 20

Hình 2.1.2.3 Mô hình cối xay gió xuất hiện sau thế kỷ 13 20

Hình 2.1.2.4 Quạt gió cánh thép bơm nước ở vùng Trung Tây nước Mỹ (cuối 1800) 21 Hình 2.1.2.5 Máy phát điện sức gió do Charles F.Brush chế tạo 22

Hình 2.1.2.6 Kiểu turbine gió được phát minh vào năm 1960 23

Hình 2.1.2.7 Dạng turbine gió hiện đại được sử dụng phổ biến ngày nay 24

Hình 2.2.1 Một dạng turbine gió trục đứng 27

Hình 2.2.1 Một dạng turbine gió trục ngang 29

Hình 2.3.1 Mô hình dòng chảy của không khí qua mặt cắt ngang 31

Hình 2.3.2 Động lực học cánh turbine gió 33

Hình 2.3.1.1:Phân tích lực tác động lên cánh turbine 35

Hình 2.3.1.2 Biểu diễn lực trên mặt phẳng cắt ngang của cánh turbine 37

Hình 2.3.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến cánh turbine 38

Hình 2.4.2.1 Ảnh hưởng vận tốc đến góc tới 40

Hình 2.4.2.2 Góc tới  tăng làm ảnh hưởng đến hiệu suất làm việc turbine 41

Hình 2.4.2.3 Hình biểu diễn mặt phẳng lực 42

Hình 2.4.3: Mối quan hệ giữa góc tới α và Cl, Cd 43

Hình 2.4.3 Đường kính turbine thiết kế 45

Hình 3.2.2 Biểu đồ biểu diễn mối quan hệ giữa Cp và λ 46

Hình 3.2.3 Mối quan hệ giữa số lượng cánh turbine và hiệu suất Cp 47

Hình 3.2.4 Lựa chọn ổ lăn 55

Hình 3.2.5.1 Động cơ bước từ trở 57

Hình 3.2.5.2 Động cơ bước nam châm vĩnh cửu 58

Hình 3.2.5.3 Động cơ bước lai 59

Hình 3.2.5.4 Động cơ bước nam châm vĩnh cửu 61

Hình 3.2.6 Cảm biến từ dùng nhân biết kim loại 65

Hình 4.1 Biểu đồ biểu diễn sự thay đổi tốc độ trục chính ứng với vận tốc gió khác

nhau khi góc tới thay đổi 72

Hình 4.2 Biểu đồ biểu diễn tốc độ trục chính và góc xoay động cơ bước theo tính toán lý thuyết 73

Hình 5.1.2.1 Cấu tạo bộ điều tốc 78

Hình 5.1.2.2 Bộ cấp điện cho động cơ bước 80

Hình 5.2.1 Mô hình thí nghiệm 81

Hình 5.2.2 Các thí nghiệm tiến hành 83

Hình 5.3.1 Biểu đồ thực nghiệm biểu diễn mối quan hệ tốc độ trục chính và góc xoay

động cơ 86

Hình 5.3.2 Biểu đồ biểu diễn mối quan hệ giữa tốc độ trục chính và góc xoay động cơ bước theo thực nghiệm và theo tính toán lý thuyết 88

DANH MỤC BẢNG

BẢNG TRANG Bảng 2.4.3 Giá trị hệ số nâng và hệ số cản tương ứng với từng góc 40 Bảng 4.1 Bảng giá trị diểu diễn mối liên hệ góc tới và góc xoay cánh 59 Bảng 4.2.1 Số vòng quay trục chính ứng với 0

DANH MỤC KÝ HIỆU

a đại lượng đặc trưng sự thay đổi vận tốc[ ] α góc tới của dòng không khí [độ]

A diện tích hoạt động cánh turbine [m2

] θ góc xoay cánh turbine [độ]

c chiều dài dây cung cánh [m] φ góc dòng chảy [độ]

Cp hệ số công suất turbine [ ] λ tốc độ dỉnh (vận tốc tip)

Cl hệ số cản [ ] η hiệu suất turbine [ ]

P công suất turbine [W]

q lưu lượng dòng chảy [m3/s]

về năng lượng cũng ngày càng lớn và việc thỏa mãn nhu cầu này thực sự là một thách thức đối với hầu hết mọi quốc gia Khi các nguồn năng lượng hoá thạch ngày càng bị cạn kiệt, nhu cầu sử dụng điện năng ngày một tăng cao, vấn đề môi trường cần được đảm bảo thì việc tìm kiếm, khai thác, sử dụng các nguồn năng lượng mới được đặt ra rất cấp thiết

Hiện trên thế giới, việc phát triển điện từ nguồn năng lượng mới đang là một xu thế lớn, đặc biệt nguồn năng lượng gió thể hiện ở mức tăng trưởng cao nhất so với các nguồn năng lượng khác Ở Việt Nam, sự khởi sắc của nền kinh tế từ sau đổi mới làm nhu cầu về điện gia tăng đột biến trong khi năng lực cung ứng chưa phát triển kịp thời Nếu tiếp tục đà này, nguy cơ thiếu điện vẫn sẽ còn là nỗi lo thường trực của ngành điện lực Việt Nam cũng như của các doanh nghiệp và người dân cả nước Do đó, việc đầu tư và xây dựng các nhà máy phát điện là vô cùng cần thiết và cấp bách Với những thành tựu của thế giới và tiềm năng của Việt Nam về năng lượng gió, chúng ta hoàn toàn có thể phát triển nguồn năng lượng này để góp phần vào sự phát triển kinh

tế - xã hội của đất nước

Với những ưu điểm từ năng lượng gió giải quyết được vấn đề cấp bách hiện nay là môi trường,Việt Nam đang dần xây dựng và mở rộng, phát triển nguồn năng lượng

dồi dào này, nhưng để tận dụng triệt để, ngoài yếu tố tự nhiên còn phụ thuộc nhiều vảo vấn đề kỹ thuật, đặc biệt là hệ thống phát điện gió Do gió là nguồn năng lượng không ổn định nên trong quá trình khai thác thường xảy ra các sự cố về mặt kỹ thuật làm hư hỏng các hệ thống máy phát Nhược điểm của động cơ gió là khi tốc độ gió thay đổi, tốc độ quay của turbine cũng thay đổi theo, khi tốc độ trục chính tăng cao vượt qua tốc độ cho phép thì có thể gây cháy máy phát hoặc mất cân bằng toàn bộ hệ thống turbine gây ra những thiệt hại nghiêm trọng

Nhận biết được tầm quan trọng của động cơ phát điện gió, đề tài “Nghiên cứu, tính toán, thiết kế và chế tạo mô hình bộ điều tốc turbine gió bằng cách sử dụng hệ bánh

răng nón” được thực hiện Với bộ điều tốc này có thể giữ cho tốc độ quay của turbine

ổn định bằng cách xoay cánh để thay đổi diện tích bề mặt hứng gió, giúp cho turbine luôn hoạt động với hiệu suất lớn nhất, linh hoạt vừa tạo sự ổn định, mặt khác phải giữ được sự cân bằng cho toàn bộ hệ thống turbine gió

Khi đề tài được khai thác một cách triệt để sẽ hứa hẹn mang đến nhiều thành công mới trong việc xây dựng và chế tạo máy phát điện gió phù hợp với mọi sự thay đổi từ gió, nâng cao sự hoạt động ổn định cho toàn bộ hệ turbine gió, đảm bảo độ cân bằng của toàn bộ hệ thống được và giảm bớt những rủi ro đồng thời mang lại hiệu quả kinh

tế cao

1.1.2 Mục đích của đề tài nghiên cứu

Một turbine gió cần phải hoạt động với một công suất tối ưu, phải khai thác được tiềm năng vốn có của nó, đồng thời cần phải xét về chi phí, mức độ bảo trì Chính vì vậy, cần có những phương pháp điều khiển, kết cấu phù hợp để hạn chế những rủi ro, chi phí thiết kế giảm, chế độ bảo trì và phương pháp điều khiển đơn giản nhưng hiệu quả

Nhiệm vụ trước mắt của đề tài là thực hiện các bước tính toán và thiết kế ban đầu