Nghiên cứu, tính toán và thiết kế cơ cấu dẫn động điều khiển góc cánh Turbine gió kiểu trục đứng cho máy phát điện công suất 10kw

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP - LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ CẤU DẪN ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN GÓC CÁNH TURBINE GIÓ KIỂU TRỤC ĐỨNG CHO MÁY PHÁT ĐIỆN CÔNG SUẤT 10KW GIANG NGỌC THANH THÁI NGUYÊN, 2010 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP - GIANG NGỌC THANH NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ CẤU DẪN ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN GÓC CÁNH TURBINE GIÓ KIỂU TRỤC ĐỨNG CHO MÁY PHÁT ĐIỆN CÔNG SUẤT 10KW CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HƯỚNG DẪN KHOA HỌC HỌC VIÊN PGS.TS Nguyễn Đăng Hòe Giang Ngọc Thanh KHOA ĐÀO TẠO SĐH BGH TRƯỜNG ĐHKTCN PGS.TS Nguyễn Đăng Hòe Thái Nguyên, 2010 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tôi Giang Ngọc Thanh - Học viên cao học lớp K11- Công nghệ chế tạo máy (khóa học 2008 - 2010) trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên Sau hai năm học tập, rèn luyện nghiên cứu trường lựa chọn thực đề tài tốt nghiệp “Nghiên cứu, tính toán thiết kế cấu dẫn động điều khiển góc cánh turbine gió kiểu trục đứng cho máy phát điện công suất 10KW” Được hướng dẫn giúp đỡ tận tình PGS TS Nguyễn Đăng Hoè nỗ lực thân, đề tài hoàn thành năm 2010 Tôi cam đoan số liệu kết nêu luận văn tự thân thực hiện, không chép người khác chưa công bố công trình khác Trừ phần tham khảo nêu rõ Luận văn Nếu sai xin hoàn toàn chịu trách nhiệm Thái Nguyên, ngày 03 tháng 11 năm 2010 Tác giả Giang Ngọc Thanh Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CẢM ƠN Sau thời gian học tập, rèn luyện nghiên cứu trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên, tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo hướng dẫn khoa học PGS TS Nguyễn Đăng Hoè - Phó hiệu trưởng trường Đại học kỹ thuật công nghiêp - Đại học Thái Nguyên tận tình bảo, giúp đỡ tạo điều kiện để thực hoàn chỉnh luận văn tốt nghiệp Cảm ơn thầy giáo, cô giáo trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đai học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên trường Đại học Bách khoa Hà Nội tận tình giảng dạy hai năm học vừa qua Cảm ơn Lãnh đạo UBND tỉnh Thái Nguyên, Ban lãnh đạo Sở Công Thương Thái Nguyên phòng ban chức Sở Công Thương Thái Nguyên (số đường Cách mạng tháng tám - thành phố Thái Nguyên - tỉnh Thái Nguyên) tạo điều kiện để thực hoàn thành khóa học Cảm ơn gia đình, bạn bè đồng nghiệp động viên, giúp đỡ thời gian qua để luận văn hoàn thành tiến độ Do lực thân nhiều hạn chế nên Luận văn không tránh khỏi sai sót, tác giả mong nhận đóng góp ý kiến Thầy, Cô giáo, nhà khoa học bạn đồng nghiệp Thái Nguyên, ngày 03 tháng 11 năm 2010 Tác giả Giang Ngọc Thanh Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Chƣơng GIỚI THIỆU 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Giới thiệu việc sử dụng lượng gió - turbine gió 1.3 Tính cấp thiết đề tài 10 1.4 Mục tiêu ý nghĩa nghiên cứu 11 1.5 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 11 1.6 Các kết 12 1.7 Cấu trúc luận văn 12 Chƣơng 2.CÁC VẤN ĐỀ CƠ SỞ 14 2.1 Cơ sở tính toán lực khí động 14 2.1.1 Lý thuyết Albert Betz 14 2.1.2 Mô hình toán lực khí động cánh turbine 16 2.2 Một số dạng kết cấu VAWTs điển hình 19 2.2.1 Kiểu VAWT cánh cố định 19 2.3 Phân tích kết cấu Novel VAWT có khả điều chỉnh góc hứng gió 26 2.3.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động kết cấu 26 2.4 Đề xuất kết cấu VAWT khả điều chỉnh góc hứng gió cánh 29 CHƢƠNG ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG HỌC MÔ HÌNH VAWT MỚI 32 3.1 Nguyên lý hoạt động turbine 32 3.2 Phân tích lực khí động 32 3.3 Kết luận chương 41 Chƣơng TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CƠ CẤU DẪN ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN GÓC CÁNH TURBINE 43 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 4.1 Phân tích nguyên lý điều khiển-dẫn động cánh turbinee 43 4.2 Phân tích động học cấu 45 4.3.1 Tính số bậc tự 46 4.3.2 Tính tỷ số truyền với cánh nửa bên có bánh 46 4.3 Thiết kế cấu điều khiển - dẫn động cánh hệ thống VAWT 10KW 47 4.3.1 Thông số thiết kế chi tiết cấu điều khiển 05 cánh turbine 48 4.4 Mô nguyên lý hoạt động hệ thống VAWT 59 4.5 Kết luận chương 61 KẾT LUẬN 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -1- DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT HAWTs hệ turbine gió kiểu trục ngang VAWTs hệ turbine gió kiểu trục đứng U Vận tốc thực gió (m)  Trọng lượng riêng không khí (kg/m3) b Chiều rộng cánh turbine (m) h Chiều cao cánh turbine (m) r Bán kính Rotor (m) P Công suất (W) M Mômen (Nm) C Hệ số nâng Cd Hệ số cản (drag coefficient) S Diện tích cánh (m2) A Diện tích quét cánh turbine (m2)  Góc xoay cánh turbine (độ) F Áp lực (N) i Góc tới (độ)  Góc nâng (độ) g Gia tốc trọng trường (9.81m/s2) W Vận tốc tương đối (m)  Vận tốc góc (rad/s) Cp Hệ số công suất Cm Hệ số mômen n Số vòng quay (vòng/giây) Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -2- DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cấu tạo dẫn động khí turbine gió trục ngang Hình 1.2 Hình ảnh vận chuyển cánh turbine gió trục ngang nước Anh Hình 1.3 Hệ thống turbine gió trục đứng có biên dạng cánh phức tạp Hình 2.1 Khí động học cánh Rotor Hình 2.2 Lực khí động học cánh turbine Hình 2.3 Turbine kiểu dạng chén Hình 2.4 Turbine kiểu Darrieus dạng cải tiến Hình 2.5 Lực khí động học phần tử cánh Turbine Darrieus/H.rotor Hình 2.6 Turbine kiểu Savonius Hình 2.7 Rotor dạng phẳng bán hành trình Hình 2.8 Hệ thống cyclogyro Hình 2.9 Hệ thống Lagarde Hình 2.10 Hệ thống kiểu đĩa Hình 2.11 Hệ thống Novel Vertical Axis Wind Turbine Hình 2.12 Cấu tạo Novel VAWT Hình 2.13 Sơ đồ nguyên lý hoạt động Hình 2.14 Vị trí cánh chu kỳ sinh công turbine Hình 2.15 Vị trí cánh chu kỳ không sinh công turbine Hình 3.1 Hình 3.2 Vị trí cánh chu kỳ sinh công (trái) chu kỳ sinh công (phải) Gió tác động lên cánh Hình 3.3 Các thành phần lưc Fl Fd tác dụng lên cánh Hình 3.4 Các thành phần lực tiếp tuyến pháp tuyến nửa bên phải   Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -3Hình 3.5 Lực tác dụng lên rotor vị trí Hình 3.6 Lực tác dụng lên rotor vị trí Hình 3.7 Lực tác dụng lên rotor vị trí Hình 3.8 Lực tác dụng lên rotor vị trí Hình 3.9 Quan hệ giữa Cm, Cl, góc tới cánh NACA 0010-65 Hình 4.1 Vị trí cánh chu kỳ sinh công turbine Hình 4.2 Vị trí cánh chu kỳ không sinh công turbine Hình 4.3 Sơ đồ cấu điều khiển/ dẫn động góc xoay cánh turbine Hình 4.4 Sơ đồ nguyên lý cấu điều khiển/ dẫn động Hình 4.5 Phân tích chiều chuyển động bánh Hình 4.6 Kích thước tổng thể cấu điều khiểngóc xoay cánh Hình 4.7 Ổ lăn Hình 4.8 Bánh Z9 Hình 4.9 Bánh Z10 Hình 4.10 Bánh Z1 Hình 4.11 Bánh Z2 Hình 4.12 Bánh Z16 Hình 4.13 Bánh Z17 Hình 4.14 Chi tiết trục Hình 4.15 Giá đỡ ổ lăn số 5, Hình 4.16 Giá đỡ ổ lăn số 11, 15 Hình 4.17 Chi tiết số Hình 4.18 Chi tiết số 18 Hình 4.19 Cụm chi tiết số 19 Hình 4.20 Các chi tiết thuộc cụm chi tiết số 19 Hình 4.21 Hình ảnh mô cấu điều khiển cánh turbine Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -4- Chƣơng GIỚI THIỆU 1.1 Đặt vấn đề Hiện nay, số nguồn lượng mới, lượng sức gió phát triển nhanh giới nguyên liệu dồi dào, rẻ tiền, dễ áp dụng, không làm hại môi trường Các máy phát điện lợi dụng sức gió (trạm phong điện) sử dụng nhiều nước châu Âu, Mỹ nước công nghiệp phát triển khác Đức dẫn đầu giới công nghệ phong điện Hiện tại, trạm phong điện trục ngang (gồm máy phát điện có trục quay nằm ngang với turbine cánh đón gió) sản xuát sử dụng phổ biến nhiều so với trạm phong điện trục đứng (gồm máy phát điện có trục quay thẳng đứng với cánh đón gió đặt thẳng đứng) Hiện có loại máy phát phong điện với công suất khác nhau, từ vài trăm W tới hàng MW Các trạm phong điện hoạt động độc lập nối với mạng điện quốc gia Các trạm phong điện phát điện tốc độ gió từ m/s (11 km/h), tự ngừng phát điện tốc độ gió vượt 25 m/s (90 km/h) Tốc độ gió hiệu từ 10 m/s tới 17 m/s, tùy theo thiết bị phong điện Đối với hệ turbine gió kiểu trục ngang (HWAT) Đây hướng chủ yếu công ty lớn nhiều nhà khoa học giới, với thành công vượt bậc công nghệ, thể qua sản phẩm mang tính thương mại hóa số hãng chế tạo tiếng giới Vestas (Denmark) với Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read ... KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP - GIANG NGỌC THANH NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ CẤU DẪN ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN GÓC CÁNH TURBINE GIÓ KIỂU TRỤC ĐỨNG CHO MÁY PHÁT ĐIỆN CÔNG SUẤT 10KW CHUYÊN... thực đề tài tốt nghiệp Nghiên cứu, tính toán thiết kế cấu dẫn động điều khiển góc cánh turbine gió kiểu trục đứng cho máy phát điện công suất 10KW Được hướng dẫn giúp đỡ tận tình PGS TS Nguyễn... tích kết cấu Novel VAWT có khả điều chỉnh góc hứng gió 26 2.3.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động kết cấu 26 2.4 Đề xuất kết cấu VAWT khả điều chỉnh góc hứng gió cánh 29 CHƢƠNG ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG