Tối ưu hóa cánh tuabin dẫn động cho máy phát điện phục vụ khu vực vùng núi tỉnh khánh hòa

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG MAI NGUYỄN TRẦN THÀNH TỐI ƯU HÓA CÁNH TUABIN DẪN ĐỘNG CHO MÁY PHÁT ĐIỆN PHỤC VỤ KHU VỰC VÙNG NÚI TỈNH KHÁNH HÒA LUẬN VĂN THẠC SĨ KHÁNH HÒA – 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG MAI NGUYỄN TRẦN THÀNH TỐI ƯU HÓA CÁNH TUABIN DẪN ĐỘNG CHO MÁY PHÁT ĐIỆN PHỤC VỤ KHU VỰC VÙNG NÚI TỈNH KHÁNH HÒA LUẬN VĂN THẠC SĨ Ngành: Kỹ thuật khí Mã số: 60520103 Quyết định giao đề tài: 938/QĐ-ĐHNT ngày 26/9/2014 Quyết định thành lập HĐ: Ngày bảo vệ: Người hướng dẫn khoa học: TS ĐẶNG XUÂN PHƯƠNG Chủ tịch Hội đồng: Khoa sau đại học: KHÁNH HÒA - 2015 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết đề tài: “Tối ưu hóa cánh tuabin dẫn động cho máy phát điện phục vụ khu vực vùng núi tỉnh Khánh Hòa” công trình nghiên cứu cá nhân chưa công bố công trình khoa học khác thời điểm Khánh Hòa, ngày 17 tháng 10 năm 2015 Tác giả luận văn (Ký ghi rõ họ tên) Mai Nguyễn Trần Thành i LỜI CẢM ƠN Trong suốt thời gian thực đề tài, nhận giúp đỡ quý phòng ban trường Đại học Nha Trang, Khoa Sau đại học, Khoa Cơ khí tạo điều kiện tốt cho hoàn thành đề tài Đặc biệt hướng dẫn tận tình TS Đặng Xuân Phương giúp hoàn thành tốt đề tài Qua đây, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến giúp đỡ Tôi biết ơn thầy PGS TS Phạm Hùng Thắng cung cấp cho kiến thức việc theo đuổi mục tiêu nghiên cứu đề tài Bên cạnh đó, công việc thực hỗ trợ từ bạn học viên lớp cao học giảng viên Bộ môn Chế tạo máy Khoa Xây dựng Trường Đại học Nha Trang Tôi xin chân thành cám ơn ủng hộ từ vợ tôi, người giúp đỡ suốt thời gian học Cuối xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình tất bạn bè giúp đỡ, động viên suốt trình học tập thực đề tài Tôi xin chân thành cảm ơn! Khánh Hòa, ngày 17 tháng10 năm 2015 Tác giả luận văn (Ký ghi rõ họ tên) Mai Nguyễn Trần Thành ii MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan loại lượng tái tạo 1.2 Tổng quan điều kiện dòng suối khu vực vùng núi tỉnh Khánh Hòa 1.3 Các loại tuabin thủy động học (hydrokinetic turbine) 1.3.1 Lịch sử phát triển 1.3.2 Tình hình nghiên cứu nước 10 1.4 1.3.2.1 Nước 10 1.3.2.2 Trong nước 10 Mục tiêu, phạm vi nghiên cứu đề tài 11 1.4.1 Mục tiêu 11 1.4.2 Phạm vi nghiên cứu 11 1.5 Phương pháp nghiên cứu đề tài 11 CHƯƠNG 2: 2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 16 Cơ sở lý thuyết 16 2.1.1 Động lực học chất lỏng tuabin thủy động 16 2.1.1.1 Các định nghĩa 16 2.1.1.2 Ảnh hưởng hệ số thủy động học 16 2.1.1.3 Biên dạng cánh 17 2.1.1.4 Tỉ số vận tốc đầu cánh (λ) 21 2.1.1.5 Hệ số công suất (𝐶𝑝) 21 2.1.2 Phương pháp tính toán động lực học chất lỏng (CFD) 22 2.1.2.1 Các phương trình sở 22 2.1.3 Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) 25 2.1.4 Phương pháp thể tích hữu hạn (FVM) 26 2.1.5 Phương pháp sai phân hữa hạn (FDM) 28 2.1.6 Mô hình dòng chảy rối 28 2.1.6.1 Mô hình k − ε 29 2.1.6.2 Mô hình k − ω 30 2.1.6.3 Mô hình Shear-Stress Transport (SST) 30 2.1.7 Sự tương tác cấu trúc chất lỏng 31 2.1.8 Giải phương pháp số 31 2.1.9 Nguồn quay (momentum source) 32 2.1.10 Lưới tọa độ lớp liên kết suy rộng - The Generalized Grid Interface (GGI) 33 iii CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC TUABIN .35 3.1 Giới thiệu 35 3.2 Thiết kế mô hình hình học 38 3.2.1 Mô hình thiết kế Ansys CFX 40 3.2.1.1 Mô Ansys CFX 40 3.2.1.2 Chia lưới 40 3.2.1.3 Cài đặt mô hình 42 3.2.1.4 Kết 44 3.2.2 Xác định tốc độ quay 𝜔 tối ưu 47 3.2.3 Mô hình hệ thống tuabin thủy động học: 54 CHƯƠNG 4: TỐI ƯU HÓA HÌNH DÁNG TUABIN THỦY ĐỘNG HỌC 57 4.1 Giới thiệu tối ưu hóa 57 4.2 Thuật toán tối ưu hóa 58 4.3 Mục tiêu tối ưu hóa 60 4.4 Quy hoạch thực nghiệm 60 4.5 Kết thảo luận 61 4.6 Xác định góc nghiêng hợp lý cho trục lắp cánh tuabin so với mặt nước 70 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 72 5.1 Kết luận chung 72 5.2 Hướng nghiên cứu tương lai 73 5.3 Hạn chế đề tài 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO 74 Phụ lục 1: XÂY DỰNG MÔ HÌNH CÁC MẪU THÍ NGHIỆM TRONG PRO ENGINEER 5.0, KIỂM TRA TỈ SỐ MẶT ĐĨA TRONG AUTOCAD 2013 I Phụ lục 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TRONG ANSYS CFX 14.0 V iv DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT 𝑩𝑬𝑴: Blade element method (Phương pháp phần tử cánh) 𝑪𝑭𝑫: Computational flud dynamic (Tính toán động lực học chất lỏng) 𝑮𝑮𝑰: General grid interface (Lưới tọa độ lớp liên kết suy rộng) 𝑻𝑺𝑹: Tip speed ratio (Tỉ số vận tốc đầu cánh) 𝑭𝑽𝑴: Finite volume method (Phương pháp thể tích hữa hạn) 𝑭𝑬𝑴: Finite element method (Phương pháp phần tử hữu hạn) 𝑯𝑲𝑻: Hydrokinetic turbine (Tuabin thủy động học) 𝑭𝑫𝑴: Finite differents method (Phương pháp sai phân hữu hạn) 𝑫𝑶𝑬: Design of Experiments (Thiết kế thí nghiệm) v DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 3.1: Kết cánh thử nghiệm thứ 49 Bảng 3.2: Thông sô cánh thử nghiệm thứ 50 Bảng 3.3: Kết cánh thử nghiệm thứ hai 52 Bảng 3.4: Thông số cánh thử nghiệm thứ hai 52 Bảng 4.1: Bảng thông số quy hoạch thực nghiệm xuất từ phần mềm Isight 5.8 với việc chọn thiết kế thí nghiệm Box – Behnken 61 Bảng 4.2: Các thông số sau chạy mô Ansys CFX 24 thí nghiệm 61 Bảng 4.3 Bảng giá trị so sánh thông số trước sau tối ưu 68 Bảng 4.4 Bảng giá trị momen T góc nghiêng trục so với mặt nước thử nghiệm 70 vi DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 1.1: Suối Nam Cát Tiên — Khánh Sơn Hình 1.2: Suối Ninh Thượng - Ninh Hòa Hình 1.3 Tuabin Garman Hình 1.4 Tuabin Tyson, Úc Hình 1.5 Mẫu tuabin công ty Rutten, Bỉ Hình 1.6 Tuabin Gorlov Hình 1.7 Tuabin kiểu trục nghiêng Hình 1.8 Thế hệ thứ tuabin nghiên cứu Brazil bao gồm: Hình 1.9 Mô hình Box – Behnken yếu tố 13 Hình 1.10 Quy trình nghiên cứu 15 Hình 2.1: Các phận cánh tuabin thủy động lực học 16 Hình 2.2: Đường dòng bao quanh cánh 18 Hình 2.3: Các thông số biên dạng cánh 18 Hình 2.4: Ví dụ biên dạng cánh 18 Hình 2.5: Lực nâng lực cản 19 Hình 2.6 Đồ thị ví dụ ảnh hưởng góc tới đến hệ số lực nâng thí nghiệm loại biên dạng cánh (19) 20 Hình 2.7: Dạng chia lưới phần tử hữu hạn thông thường (hai chiều) 26 Hình 2.8: Loại lưới thể tích hữu hạn hai chiều thông thường (lưới hình chữ nhật) 27 Hình 2.9: Nguồn quay (momentum source) 32 Hình 2.10: Hai vá hai phần chia lưới không phù hợp Phần lưới GGI bên ổn định phần lưới GGI bên cánh tuabin 34 Hình 3.1: Mẫu cánh tuabin số (41) 39 Hình 3.2: Mẫu cánh tuabin số (40) 39 Hình 3.3: Mô hình Ansys CFX – DesignModeler 40 Hình 3.4: Mô hình nhìn từ phía 41 Hình 3.5: Mô hình khung dây 41 Hình 3.6: Các vùng CFX 42 Hình 3.7: Các điều kiện biên CFX 43 Hình 3.8: Giao diện khởi động Solver Manager 44 Hình 3.9: Giao diện chạy hội tụ Solver Manager 45 Hình 3.10: Vận tốc dòng chảy streamline 45 Hình 3.11: Áp suất phân bố mặt trước sau cánh tuabin contour 46 Hình 3.12: Lực phân bố bề mặt trước sau cánh tuabin contour 46 Hình 3.13: Tính momen quay cánh tuabin CFD – Post 46 Hình 3.14: Mô hình cánh thử nghiệm 50 vii Hình 3.15: Mô hình cánh thử nghiệm 52 Hình 3.16 Mô hình tuabin đồng bào vùng núi 54 Hình 3.17 Mô hình tuabin trục nghiêng 54 Hình 3.18 Sơ đồ kết cấu tuabin thủy động học 55 Hình 4.1: Biểu đồ tối ưu hóa thích nghi Response Surface dòng chảy 59 Hình 4.2: Thông số lấy sau chạy tối ưu, từ thông số ta đưa phương trình hồi quy 63 Hình 4.3: Giao diện tối ưu hóa Isight 5.8 64 Hình 4.4: Hệ số R2 = 0,9348 (≈1) sau tối ưu Isight 5.8 64 Hình 4.5 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ hệ số lực nâng 𝑪𝒍 góc 𝜶 dòng tới biên dạng cánh gốc cánh NACA 0012 (52) 68 Hình 4.6: Kết thông số cánh sau tối ưu 69 viii Phụ lục 1: XÂY DỰNG MÔ HÌNH CÁC MẪU THÍ NGHIỆM TRONG PRO ENGINEER 5.0, KIỂM TRA TỈ SỐ MẶT ĐĨA TRONG AUTOCAD 2013 Ta tiến hành xây dựng biên dạng cánh NACA 0012, 0010, 0009 trước tiến hành vẽ mẫu: Lấy tọa độ điểm biên dạng từ trang Web : Hình phụ lục 1: Biên dạng cánh NACA 0012 (nguồn Web) Lấy tọa độ điểm từ trang Web, đưa vào Pro ENGINEER 5.0: Tạo file sketch : Xuất tọa độ biên dạng cánh NACA0012 vào ta có biên dạng NACA 0012 hoàn chỉnh: Hình phụ lục 2: NACA 0012 Lưu lại file, làm tương tự cho biên dạng cánh NACA 0010, NACA 0009 : Hình phụ lục 3: NACA 0010 Hình phụ lục 4: NACA 0009 I Tạo file part – solid vẽ mẫu 1: Dùng lệnh Revolve tạo củ cánh có kích thước: 𝜙 200 𝑚𝑚, dài 600 mm Hình phụ lục 5: Dùng lệnh Revolve tạo củ cánh Dùng lệnh Blend – Protrution để tạo tiết diện đùn với biên dạng cánh có góc xoắn khác nhau: Đưa tất biên dạng cánh vào ta có kết cuối : Hình phụ lục 6: Kết cuối II Với góc xoắn giảm tuyến tính từ gốc đến đỉnh cánh (250 – 150), độ dày cánh giảm dần từ gốc đến đỉnh cánh (NACA 0012 – NACA 0010 - NACA 0009), kích thước biên dạng cánh tăng dần từ gốc đến đỉnh cánh Cánh sau hoàn thành lệnh blend - protrution : Hình phụ lục 7: Cánh sau hoàn thành lệnh blend - protrution Dùng lệnh pattern tạo số cánh theo thông số quy hoạch thực nghiệm Hình phụ lục 8: Dùng lệnh pattern tạo số cánh III Cuối dùng lệnh extrude – cut để tạo đường kính 1m theo yêu cầu Hình phụ lục 9: Dùng lệnh extrude – cut để tạo đường kính Kiểm tra tỉ số mặt đĩa cánh phần mềm AutoCAD 2013: Dùng lệnh area đo biên dạng gần cánh (không tính phần đè lên nhau) sau tùy theo số cánh nhân lên để lấy diện tích, lấy diện tích đo chia cho diện tích 1m ta có tỉ số mặt đĩa Hình phụ lục 10: Dùng lệnh Area đo biên dạng CAD IV Phụ lục 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TRONG ANSYS CFX 14.0 Hình phụ lục 11: Giao diện Ansys Workbench Mở file xuất từ Pro ENGINEER 5.0 giao diện DesignModeler cách Import External Geometry File… Hình phụ lục 12: Cây thư mục DesignModeler V Hình phụ lục 13: Chi tiết Enclosure3 Hình phụ lục 14: Chi tiết Enclosure4 Hình phụ lục 15: Outline Meshing VI Hình phụ lục 16: Chi tiết Mesh VII Hình phụ lục 17: Outline CFX - Pre Hình phụ lục 18: Chi tiết cài đặt loại phân tích VIII Hình phụ lục 19: Chi tiết cài đặt domain: water IX Hình phụ lục 20: Chi tiết cài đặt boundary: inlet Hình phụ lục 21: Chi tiết cài đặt boundary: opening Hình phụ lục 22: Chi tiết cài đặt boundary: outlet X Hình phụ lục 23: Chi tiết cài đặt boundary: water_wall Hình phụ lục 24: Chi tiết cài đặt domain: water_turbine XI Hình phụ lục 25: Chi tiết cài đặt boundary: turbine Hình phụ lục 26: Chi tiết cài đặt Domain Interface : Domain Interface XII Hình phụ lục 27: Outline CFD – Post XIII Hình phụ lục 28: Chi tiết cài đặt Streamline Hình phụ lục 29: Chi tiết cài đặt Contour XIV Với việc thử nghiệm góc nghiêng ta thay đổi thông số cài đặt vận tốc dòng cho Domain Inlet Hình phụ lục góc nghiêng 100: Hình phụ lục 30 Chi tiết cài đặt vận tốc dòng chảy cho Domain Inlet Ansys CFX XV [...]... trên đây chúng tôi xin đề xuất đề tài Tối ưu hóa cánh tuabin dẫn động cho máy phát điện phục vụ khu vực vùng núi tỉnh Khánh Hòa với mục tiêu tối ưu hóa hình dáng của cánh tuabin làm cơ sở khoa học để ứng dụng vào thiết kế tuabin dẫn động cho máy phát điện phục vụ khu vực vùng núi của tỉnh Khánh Hòa nói riêng cũng như tiến tới có thể áp dụng cho các khu vực vùng núi khác ở nước ta nói chung Đóng góp... các dòng suối khu vực vùng núi tỉnh Khánh Hòa thì máy phát điện sử dụng cánh tuabin dẫn dòng được xem như là một hướng nghiên cứu thử nghiệm mới có thể mang lại hiệu quả tốt Để nâng cao hiệu suất của máy phát điện loại này thì việc tối ưu hóa kết cấu cánh tuabin dẫn dòng được xem như là vấn đề quan trọng nhất để nâng cao hiệu suất của tuabin Tuy nhiên, quá trình tối ưu kết cấu cánh tuabin dẫn dòng gặp... máy tính để giải quyết các vấn đề phát triển turbine thủy động học cung cấp điện năng cho đồng bào vùng cao ở tỉnh Khánh Hòa từ năng lượng dòng suối Cách thức xây dựng mô hình tối ưu hóa được giải thích để tối ưu hóa cánh tuabin cho dòng suối có vận tốc 1,6 m/s để tạo ra momen quay lớn nhất với công suất đầu ra là 𝑃𝑡 = 500W, kế hoạch trong tương lai sẽ tối ưu hóa cho tuabin tại 1 m/s Vòng lặp tối ưu. .. áp suất thủy động của dòng chất lỏng tác dụng lên cánh tuabin để từ đó làm cơ sở tối ưu hóa hình dạng cánh tuabin cho máy phát điện phục vụ cho khu vực miền núi tỉnh Khánh Hòa 1.5 Phương pháp nghiên cứu đề tài Đề tài sử dụng phương pháp nghiên cứu tổng hợp và chọn lọc các cơ sở lý thuyết và các công trình tính toán, sử dụng hiệu quả sự trợ giúp của máy tính để giải quyết các vấn đề đặt ra - Nghiên... tiêu xác định giá trị tối ưu của các thông số như: góc xoắn tại gốc cánh, hiệu số góc xoắn tại gốc và đỉnh cánh, số cánh tuabin và tỉ số mặt đĩa với mục đích làm tăng hiệu suất thủy động Cp của cánh tuabin dẫn dòng phục vụ việc chạy được máy phát điện công suất 500 W 1.4.2 Phạm vi nghiên cứu Ứng dụng công cụ CFD trong mô phỏng số vào khảo sát momen quay của cánh tuabin, áp suất thủy động của dòng chất... gian khi nghiên cứu mô hình cánh tuabin, làm giảm công sức và chi phí về tài chính rất nhiều trong việc thiết kế và chế tạo cánh tuabin Vấn đề tối ưu hóa hình dáng cho cánh tuabin hiện nay chưa được đưa ra một cách có hệ thống, nhất là các nguồn tài liệu ở trong nước hiện nay về vấn đề này là quá ít, gây khó khăn cho việc nghiên cứu Trong khi đó tối ưu hóa hình dáng 1 cho cánh tuabin có ý nghĩa trong việc... m/s Vòng lặp tối ưu hóa được chứng minh và các kết quả cho thấy một thiết kế tối ưu hóa sẽ có công suất đầu ra 𝑃𝑡 = 549,36 W với hiệu suất thủy động 𝐶𝑝 = 0,3295 Các nhận xét, đánh giá kết quả và quy trình để tiến hành tối ưu hóa thiết kế được thảo luận Kế hoạch tương lai cho việc chế tạo và chạy mẫu thử nghiệm được đưa ra Từ khóa: tuabin thủy động học, tối ưu hóa, hiệu suất thủy động xi LỜI NÓI ĐẦU... trình động lực học chất lỏng và sự tương tác giữa chất lỏng và vật rắn để tối ưu hóa kết cấu cánh tuabin - Tính toán kết hợp các cơ sở lý thuyết cánh trong cơ chất lỏng để giải quyết vấn đề cần nghiên cứu trong phạm vi đề tài - Thông thường người ta sử dụng phương pháp thực nghiệm hoặc sử dụng mô phỏng để tối ưu hóa Trong đề tài này phương pháp mô phỏng được sử dụng để tối ưu hóa hình dạng cánh tuabin. .. Mẫu tuabin của công ty Rutten, Bỉ Các tài liệu kỹ thuật liên quan đến khái niệm và việc thiết kế các tuabin thủy động học (hydrokinetic turbine - HKT) không nhiều Loại tuabin này khác hoàn toàn với loại tuabin phát điện công suất lớn ở các nhà máy thủy điện hoặc các loại tuabin nước kiểu khác ở tính năng dễ di chuyển và nhỏ gọn trong kết cấu nhưng công suất nhỏ hơn các loại tuabin của nhà máy thủy điện. .. đến momen về tâm khí động học (tâm khí động học là vị trí mà momen là độc lập với góc tới) và lực cản bị ảnh hưởng bởi các góc tới, độ cong và bề dày 2.1.1.3 Biên dạng cánh Các mặt cắt ngang của một cánh tuabin là một biên dạng cánh (airfoil) được sử dụng để tạo ra lực cơ học do chuyển động của chất lỏng xung quanh cánh Hiệu suất thủy động và công suất điện tối đa mong muốn ở cánh tuabin phụ thuộc vào