Thiết Kế Và Chế Tạo Thử Nghiệm Thiết Bị Đo Gió Cho Máy Phong Điện Trục Đứng Có Điều Khiển

Header Page of 126 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP - LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ ĐO GIÓ CHO MÁY PHONG ĐIỆN TRỤC ĐỨNG CÓ ĐIỀU KHIỂN Ngành : CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY Mã số : 60 52 01 03 Học viên : PHẠM THẾ ANH Ngƣời HD khoa học : PGS.TS NGÔ NHƢ KHOA THÁI NGUYÊN - 2013 Footer Page of 126 Header Page of 126 LỜI CẢM ƠN Sau thời gian học tập, rèn luyện nghiên cứu trƣờng Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên, tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới PGS TS Ngô Nhƣ Khoa - Trƣởng phòng Đào tạo trƣờng Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên tận tình hƣớng dẫn giúp đỡ trình nghiên cứu để hoàn thành đề tài luận văn tốt nghiệp Cảm ơn thầy cô giáo trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên tận tình giảng dạy hai năm học qua Cảm ơn Ban Giám hiệu lãnh đạo khoa Khoa Cơ khí - Trƣờng Cao Đẳng Công nghiệp Phúc Yên (Phƣờng Trƣng Nhị - TX.Phúc Yên – Tỉnh Vĩnh Phúc) tạo điều kiện mặt thời gian để thực hoàn thành đề tài Cảm ơn gia đình, bạn bè đồng nghiệp động viên, giúp đỡ thời gian qua để luận văn đƣợc hoàn thành tiến độ Thái Nguyên, ngày 24 tháng 05 năm 2013 Tác giả Phạm Thế Anh Số hóa Trung tâm Học liệu Footer Page of 126 http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Header Page of 126 LỜI CAM ĐOAN Tôi Phạm Thế Anh - Học viên cao học lớp K13-Công nghệ chế tạo máy Khóa học 2010-2012 trƣờng Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên Sau hai năm học tập, rèn luyện nghiên cứu trƣờng lựa chọn thực đề tài tốt nghiệp “Thiết kế chế tạo thử nghiệm thiết bị đo gió cho máy phong điện trục đứng có điều khiển” Đƣợc hƣớng dẫn giúp đỡ tận tình PGS TS Ngô Nhƣ Khoa nỗ lực thân, đề tài đƣợc hoàn thành năm 201 Tôi xin cam đoan toàn nội dung kết luận văn tự thân thực hiện, không chép ngƣời khác Nếu sai xin hoàn toàn chịu trách nhiệm Thái Nguyên, ngày tháng năm 201 Tác giả Phạm Thế Anh Số hóa Trung tâm Học liệu Footer Page of 126 http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Header Page of 126 MỤC LỤC Lời cảm ơn………………………………………………………………… Lời cam đoan………………………………………………………… …… Mục lục …………………………………………………………… …… Danh mục hình vẽ…………………………………………… …… Danh mục bảng biểu………………………………………… …… Danh mục ký hiệu chữ viết tắt…………………………… …… MỞ ĐẦU…………………………………………………………… …… 10 Tính cấp thiết đề tài………………………………………… …… 10 Mục tiêu nhiện vụ luận văn……………………………… …… 11 Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu……………………………… …… 12 Phƣơng pháp nghiên cứu……………………………………… .…… 12 Ý nghĩa…………………………………………………………… …… 12 NỘI DUNG CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 13 1.1 Các loại thiết bị đo gió.………………………………………………… 13 1.1.1 Cup Anemometer……………………………………………………… 13 1.1.2 Windmill anemometer………………………………………………… 14 1.1.3 Hot-wire anemometer ………………………………………………… 14 1.1.4 Sonic anemometer…………………………………………………… 15 1.2 Vị trí lắp thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc…………………………… 15 1.2.1 Trên máy phong điện trục ngang trục đứng……………………… 15 1.2.2 Trên máy phong điện trục đứng có điều khiển góc cánh……………… 16 1.3 Kết cấu, nguyên lý làm việc thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc……… 18 1.3.1 Kết cấu chung thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc…………………… 18 1.3.2 Nguyên lý làm việc thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc……………… 20 1.4 Cơ sở nghiên cứu khí động lực học………………………………… 23 Số hóa Trung tâm Học liệu Footer Page of 126 http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Header Page of 126 1.4.1 Các thông số gió…………………………………………… 23 1.4.2 Cơ sở lực nâng, lực cản khí động lực học…………………… 24 1.4.3 Hệ số cản CD cánh có dạng cốc……………………………… 26 1.5 Các mô hình tính toán khí động lực học cho thiết bị đo gió kiểu cốc… 27 1.5.1 Mô hình cốc………………………………………………………… 29 1.5.2 Mô hình Ramachandran………………………………………… 30 1.5.3 Đề xuất Kondo cộng sự…………………………………… 32 1.5.4 Đề xuất mô hình kết hợp cốc cốc……………………………… 34 1.6 Kết luận 34 CHƢƠNG TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ KHÍ ĐỘNG HỌC TRÊN THIẾT BỊ ĐO GIÓ KIỂU CỐC 2.1 Các thông số thiết kế cho thiết bị đo gió kiểu cốc……………… 35 2.1.1 Ảnh hƣởng thông số thiết kế chính…………………………… 35 2.1.2 Yêu cầu thiết kế cho thiết bị đo gió kiểu cốc………………………… 37 2.2 Mô hình thiết kế chế tạo cho thiết bị đo gió kiểu cốc……………… 38 2.2.1 Thiết kế sơ mô hình thiết bị đo gió kiểu cốc………………… 38 2.2.2 Thiết kế chi tiết nguyên lý mô hình thiết bị đo……………… 38 2.2.3 Mô hình chế tạo thiết bị đo tốc độ gió hƣớng gió…………… 41 2.3 Mô hình khí động lực học cho cốc 41 2.3.1 Một số giả định phân tích mô hình cốc 41 2.3.2 Mô men khí động lực học mô hình cốc……………………… 42 2.3.3 Thực nghiệm mô hình cốc 44 2.3.4 Mô men khí động lực học rotor cốc………………………… 48 2.4 Ma sát lăn ổ bi bên thiết bị đo…………………………… 49 2.4.1 Cơ sở tính toán mô men ma sát lăn ổ bi………………………… 49 2.4.2 Thực nghiệm xác định giá trị mô men ma sát lăn Qf ổ bi…… 52 2.4.3 Quan hệ mô men ma sát lăn Qf với vận tốc góc ω 55 Số hóa Trung tâm Học liệu Footer Page of 126 http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Header Page of 126 2.5 Phƣơng trình khí động lực thiết bị đo gió kiểu cốc………………… 56 2.5.1 Kết tính toán khí động lực học cho rotor cốc, với Rrc = 360 mm 56 2.5.2 Kết tính toán khí động lực học cho rotor cốc, với Rrc = 330 mm 58 2.5.3 Kết tính toán khí động lực học cho rotor cốc, với Rrc = 300 mm 59 2.5.4 Kết tính toán khí động lực học cho rotor cốc, với Rrc = 270 mm 60 2.5.5 Kết tính toán khí động lực học cho rotor cốc, với Rrc = 240 mm 61 2.5.6 Kết tính toán khí động lực học cho rotor cốc, với Rrc = 210 mm 62 2.5.7 Kết tính toán khí động lực học cho rotor cốc, với Rrc = 180 mm 63 2.5.8 Kết tính toán khí động lực học cho rotor cốc, với Rrc = 150 mm 64 2.5.9 Nhận xét mô hình tính toán khí động lực học 65 2.6 Kiểm nghiệm mô hình khí động lực học thiết bị đo gió…………… 67 2.6.1 Xây dựng mô hình thực nghiệm……………………………………… 67 2.6.2 So sánh mô hình tính toán mô hình thực nghiệm 73 2.7 Kết luận 74 CHƢƠNG TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ ĐUÔI HƢỚNG GIÓ 3.1 Cơ sở tính toán, thiết kế cho đuôi hƣớng gió 75 3.1.1 Một số đặc điểm đuôi lái gió 75 3.1.2 Kết cấu nguyên lý hoạt động đuôi hƣớng gió 75 3.1.3 Mô hình khí động lực học cho đuôi hƣớng gió 79 3.2 Kiểm nghiệm mô hình thiết kế cho đuôi lái gió 80 3.2.1 Thông số kết cấu phận xác định hƣớng gió 80 3.2.2 Sơ đồ thực nghiệm cho đuôi lái gió đƣợc thiết kế 81 3.3.Kết luận 81 CHƢƠNG KẾT LUẬN CHUNG 4.1 Kết luận văn đạt đƣợc…………………………………………… Số hóa Trung tâm Học liệu Footer Page of 126 http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 82 Header Page of 126 4.2 Những kiến nghị nghiên cứu tiếp theo………………………………… 82 TÀI LIỆU THAM KHẢO 83 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cup Anemometer ……………………………………….……… Hình 1.2 Windmill anemometer …………………………….……………… 13 Hình 1.3 Hot-wire anemometer ……………… …………………………… 14 Hình 1.4 Sonic anemometer ……………………………………………… 14 Hình 1.5 Thiết bị đo gió vỏ máy máy phong điện trục ngang …… 15 Hình 1.6 Thiết bị đo gió chân đế máy phong điện trục đứng …… 16 Hình 1.7 Vị trí lắp mong muốn thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc máy 16 phong điện trục đứng có điều khiển góc cánh……………………………… Hình 1.8 Một số dạng cốc ………………………………………… 17 Hình 1.9 Bản vẽ phân rã - Cup Anemometer………………………… 18 Hình 1.10 Thiết bị đo gió dựa quan hệ điện áp sinh tỷ lệ với tốc độ gió 19 Hình 1.11 Các thành phần vận tốc gió tác động lên vật thể …………… 20 Hình 1.12 Bản chất hình thành lực khí động học ……………………… 24 Hình 1.13 Đồ thị biểu diễn quan hệ CD CL với góc tới  ………… 25 Hình 1.14 Mô hình đơn giản hóa rotor thiết bị đo gió…………… 26 Hình 1.15 Hệ số cản số dạng hình học bản…………… ……… 26 Hình 1.16 Các mô men tác dụng lên rotor thiết bị đo gió……………… 27 Hình 1.17 Mô hình cốc ………………………………………………… 28 Hình 1.18 Độ lệch góc α θ phụ thuộc vào hệ số K………………… 30 Hình 1.19 Hệ số khí động lực học C kiểu cốc Brevoort - Joyner II… 31 N Hình 1.20 Hệ số CN kiểu cốc Brevoort - Joyner II Kondo đề xuất… 32 Hình 2.1 Một thiết kế hợp lý cho thiết bị đo gió…………………………… 33 Hình 2.2 Một thiết kế chƣa hợp lý cho thiết bị đo gió……………………… 36 Hình 2.3 Kết cấu sơ thiết bị đo gió.………………………………… 37 Hình 2.4 Bản vẽ phân rã cho mô hình thiết bị đo tốc độ gió hƣớng gió… 38 Hình 2.5 Bản vẽ lắp cho mô hình thiết bị đo tốc độ gió hƣớng gió……… 39 Số hóa Trung tâm Học liệu Footer Page of 126 http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Header Page of 126 Hình 2.6 Mô hình chế tạo cho thiết bị đo tốc độ gió hƣớng gió………… 40 Hình 2.7 Mô hình hóa cho cốc …………………… 41 Hình 2.8 Dạng biểu đồ mô men khí động lực học tổng quát cốc 42 Hình 2.9 Sơ đồ bố trí thực nghiệm đo lực cản FD mô hình cốc 43 Hình 2.10 Đồ thị mô men khí động lực học xây dựng từ thực nghiệm 47 Hình 2.11 Sơ đồ khí dộng lực học rotor cốc ………………………… 48 Hình 2.12 Các chi tiết kết cấu ổ bi 49 Hình 2.13 Lớp thấm chất bôi trơn khe hở ngõng trục……………… 50 Hình 2.14 Độ nhớt số loại dầu tƣơng ứng với nhiệt độ ổ bi 51 Hình 2.15 Sơ đồ bố trí thực nghiệm đo điện áp dòng điện 52 Hình 2.16 Quan hệ Qf vận tốc góc ω……………………………… 54 Hình 2.17 Đồ thị thể quan hệ V ω 56 Hình 2.18 Sơ đồ bố trí thực nghiệm đo vận tốc góc rotor 66 Hình 3.1 Mô hình thiết kế đuôi hƣớng gió 68 Hình 3.2 Bản vẽ phân rã đuôi hƣớng gió……………………………… 75 Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý chiết áp vòng……………………………… 76 Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý mã hóa xung quang học (5 bit)………… 77 Hình 3.5 Sơ đồ mô tả đặc tính khí động lực học đuôi hƣớng gió 78 Hình 3.6 Thiết bị đo gió đƣợc lắp đặt máy phong điện trục đứng 79 Hình 3.7 Sơ đồ bố trí thực nghiệm đo lực cản tác động lên cánh 80 81 Số hóa Trung tâm Học liệu Footer Page of 126 http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Header Page of 126 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Bảng số liệu tính toán lực mô men khí động lực học cốc Bảng 2.2 Các thiết bị thực nghiệm đo lực cản FD mô hình cốc 44 Bảng 2.3 Bảng số liệu thực nghiệm lực mô men khí động lực học 45 cốc Bảng 2.4 Các thiết bị thực nghiệm đo điện áp dòng điện 47 Bảng 2.5 Bảng số liệu thực nghiệm đo điện áp dòng điện 53 Bảng 2.6 Bảng số liệu tính toán ω rotor cốc với Rrc = 360 55 Bảng 2.7 Bảng số liệu tính toán ω rotor cốc với Rrc = 330 57 Bảng 2.8 Bảng số liệu tính toán ω rotor cốc với Rrc = 300 58 Bảng 2.9 Bảng số liệu tính toán ω rotor cốc với Rrc = 270 59 Bảng 2.10 Bảng số liệu tính toán ω rotor cốc với Rrc = 240 60 Bảng 2.11 Bảng số liệu tính toán ω rotor cốc với Rrc = 210 61 Bảng 2.12 Bảng số liệu tính toán ω rotor cốc với Rrc = 180 62 Bảng 2.13 Bảng số liệu tính toán ω rotor cốc với Rrc = 150 63 Bảng 2.14 Các thiết bị thực nghiệm đo vận tốc góc ω (rad/s) rotor 64 tƣơng ứng với tốc độ gió V (m/s) Bảng 2.15 Bảng số liệu thực nghiệm đo vận tốc góc ω với Rrc = 360 67 Bảng 2.16 Bảng số liệu thực nghiệm đo vận tốc góc ω với Rrc = 330 69 Bảng 2.17 Bảng số liệu thực nghiệm đo vận tốc góc ω với Rrc = 300 69 Bảng 2.18 Bảng số liệu thực nghiệm đo vận tốc góc ω với Rrc = 270 70 Bảng 2.19 Bảng số liệu thực nghiệm đo vận tốc góc ω với Rrc = 240 70 Bảng 2.20 Bảng số liệu thực nghiệm đo vận tốc góc ω với Rrc = 210 71 Bảng 2.21 Bảng số liệu thực nghiệm đo vận tốc góc ω với Rrc = 180 72 Số hóa Trung tâm Học liệu Footer Page of 126 http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Header Page 10 of 126 10 Bảng 2.22 Bảng số liệu thực nghiệm đo vận tốc góc ω với Rrc = 150 72 73 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT n Số lƣợng cánh rotor ( Số cốc) Dc Đƣờng kính cốc (mm) Rrc Bán kính quay cốc (mm) h Chiều cao trục quay rotor (mm) Sc Diện tích hứng gió cốc (m2) A Diện tích đuôi hƣớng gió (m2) V Tốc độ gió (m/s) Vr Vận tốc tƣơng đối gió so với cốc (m/s) ω Vận tốc góc rotor (rad/s) CD Hệ số cản CDv Hệ số cản mặt lõm cốc CDx Hệ số cản mặt lồi cốc ρ Mật độ không khí (kg/m3) FD Mô men quay rotor (N.m) QA Mô men khí động lực học trung bình rotor (N.m) QC(av) Mô men khí động lực học trung bình cốc sau vòng quay (N.m) Qf Mô men ma sát lăn trung bình ổ bi (N.m) α Góc tới (độ) θ Góc quay rotor (độ) βv Góc xoay đuôi hƣớng gió (độ) β Góc đuôi hƣớng gió so với phƣơng gió (độ) Số hóa Trung tâm Học liệu Footer Page 10 of 126 http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Header Page 76 of 126 76 Bảng 2.19 Bảng số liệu thực nghiệm đo vận tốc góc ω với Rrc = 240 Vận tốc gió V Vận tốc góc ω Vận tốc góc ω từ (m/s) từ thực nghiệm kết tính (rad/s) (rad/s) 0 0 1,0 1,686 1,906 -11,5 1,5 2,659 2,867 -7,2 2,0 3,676 3,827 -3,9 2,5 4,681 4,787 -2,2 3,0 5,822 5,748 1,3 3,5 6,503 6,708 -3,0 4,0 7,665 7,668 -0,04 4,5 8,555 8,629 -0,8 5,0 9,414 9,589 -1,8 5,5 10,336 10,549 -2,0 6,0 10,922 11,509 -5,1 Sai số (%) Bảng 2.20 Bảng số liệu thực nghiệm đo vận tốc góc ω với Rrc = 210 Vận tốc gió V Vận tốc góc ω Vận tốc góc ω từ (m/s) từ thực nghiệm kết tính (rad/s) (rad/s) 0 0 1,0 1,267 1,910 -33,6 1,5 2,482 2,933 -15,4 2,0 3,361 3,957 -15,0 2,5 4,346 4,980 -12,7 3,0 5,665 6,004 -5,6 3,5 6,828 7,027 -2,8 4,0 7,864 8,050 -2,3 Số hóa Trung tâm Học liệu Footer Page 76 of 126 Sai số (%) http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Header Page 77 of 126 77 4,5 8,796 9,074 -3,0 5,0 9,634 10,097 -4,6 5,5 10,598 11,121 -4,7 6,0 11,404 12,144 -6,1 Bảng 2.21 Bảng số liệu thực nghiệm đo vận tốc góc ω với Rrc = 180 Vận tốc gió V Vận tốc góc ω Vận tốc góc ω từ (m/s) từ thực nghiệm kết tính (rad/s) (rad/s) 0 0 1,0 1,654 1,888 -12,4 1,5 2,712 2,890 -6,1 2,0 3,843 3,892 -1,2 2,5 4,639 4,893 -5,2 3,0 5,550 5,895 -5,8 3,5 6,712 6,896 -2,7 4,0 7,812 7,898 -1,1 4,5 8,817 8,899 -1,0 5,0 10,053 9,90 1,5 5,5 10,838 10,902 -0,6 6,0 11,613 11,904 -2,4 Sai số (%) Bảng 2.22 Bảng số liệu thực nghiệm đo vận tốc góc ω với Rrc = 150 Vận tốc gió V Vận tốc góc ω Vận tốc góc ω từ (m/s) từ thực nghiệm kết tính (rad/s) (rad/s) 0 0 1,0 1,602 1,598 0,2 1,5 2,681 2,641 1,5 Số hóa Trung tâm Học liệu Footer Page 77 of 126 Sai số (%) http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Header Page 78 of 126 78 2,0 3,801 3,683 3,2 2,5 4,807 4,725 1,7 3,0 5,896 5,767 2,2 3,5 6,796 6,809 -0,2 4,0 8,011 7,852 2,0 4,5 8,922 8,894 0,3 5,0 10,095 9,937 1,6 5,5 10,880 10,979 -0,9 6,0 11,634 12,021 -3,2 2.6.2 So sánh mô hình tính toán mô hình thực nghiệm Mô hình tính toán có kết gần sát với mô hình thực nghiệm Kết từ thực nghiệm có giá trị thấp đôi chút so với tính toán, nguyên nhân dẫn đến kết ảnh hƣởng độ trễ mặt động lực học hệ thống chƣa đƣợc xác định mô hình tính toán 2.7 Kết luận Với kết thu đƣợc chƣơng ta hoàn toàn có sơ sở tính toán thiết kế cho thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc Thông qua thực nghiệm cho phép ta rút số nhận xét chung nhƣ sau:  Kết thực nghiệm phù hợp với mô hình tính toán từ lý thuyết  Bán kính quay cốc ảnh hƣởng đến vận tốc góc rotor, nên chọn bán kính quay cốc có giá trị ngắn nhằm tăng tốc độ vòng quay rotor đáp ứng yêu cầu vị trí làm việc thiết bị đo gió đồng thời đảm bảo mức độ tuyến tính  Diện tích cốc có ảnh hƣởng định Dựa mô hình tính toán thấy tăng diện tích cốc cụ thể đƣờng kính cốc vận tốc góc rotor tăng, mức độ tuyến tính giảm Số hóa Trung tâm Học liệu Footer Page 78 of 126 http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Header Page 79 of 126 79 Dựa mô hình tính toán, tác giả thiết kế chế tạo đƣợc thiết bị đo gió kiểu cốc với thông số đáp ứng đƣợc yêu cầu đặt thiết bị đo CHƢƠNG TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ ĐUÔI HƢỚNG GIÓ 3.1 Cơ sở tính toán, thiết kế cho đuôi hƣớng gió 3.1.1 Một số đặc điểm đuôi lái gió Đuôi lái gió phận xác định hƣớng gió đa dạng phong phú chủng loại kiểu dáng, nhiên đặc điểm chung chúng thƣờng có dạng phẳng đƣợc thiết kế theo dạng khí động lực học giống nhƣ đuôi máy bay Đuôi lái gió có dạng phẳng có ƣu điểm thiết kế chế tạo đơn giản, đảm bảo độ tin cậy liệu Với ƣu điểm nhƣ nên thiết kế đuôi lái gió cho phận xác định hƣớng gió, tác giả lựa chọn hình dạng đuôi lái gió có dạng phẳng Số hóa Trung tâm Học liệu Footer Page 79 of 126 http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Header Page 80 of 126 80 đƣợc theo hình dạng khí động đuôi máy bay Hình dạng đuôi lái gió đƣợc thiết kế nhƣ hình 3.1 Hình 3.1 Mô hình thiết kế đuôi hướng gió 3.1.2 Kết cấu nguyên lý hoạt động đuôi hƣớng gió Kết cấu đuôi lái gió đƣợc mô tả nhƣ hình 3.2 Số hóa Trung tâm Học liệu Footer Page 80 of 126 http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Header Page 81 of 126 81 Hình 3.2 Bản vẽ phân rã đuôi hướng gió (Model 12302/12305 R.M.Young Company) 1) Cánh lái gió; 2) Trục xoay; 3) Khớp nối dạng đĩa; 4) Khớp nối chiết áp Số hóa Trung tâm Học liệu Footer Page 81 of 126 http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Header Page 82 of 126 82 5) Chiết áp; 6) Cáp tín hiệu Đuôi hƣớng gió chủ yếu làm việc dựa quan hệ thay đổi góc đến tín hiệu điện Các thiết bị xác định hƣớng gió hoạt động dựa số nguyên lý nhƣ sau: + Dựa thay đổi điện áp thay đổi góc xoay Trục xoay đuôi hƣớng gió đƣợc gắn chiết áp nhằm tạo điện áp tỷ lệ thuận với thay đổi góc Hình 3.3 cho thấy sơ đồ nguyên lý chiết áp vòng đƣợc sử dụng phận xác định hƣớng gió Chiết áp bao gồm phần phát thu tín hiệu, phần phát tín hiệu gồm dây dẫn, phần thu tín hiệu gồm rotor bao quanh nam châm vĩnh cửu stator gồm cuộn dây phân bố góc 120° Trục rotor đƣợc gắn kim xoay cho phép xác định góc xoay đuôi hƣớng gió Một điện áp 12V đƣợc đƣa trực tiếp vào chiết áp thông qua cặp tiếp điểm trƣợt, hai tiếp điểm đƣợc gắn trực tiếp với trục xoay đuôi hƣớng gió Dòng điện thông qua cặp tiếp điểm trƣợt đƣợc đặt vào cuộn dây stator sinh từ trƣờng Kim gắn chặt vào rotor góc độ tỷ lệ thuận với vị trí cặp tiếp điểm trƣợt góc xoay đuôi hƣớng gió Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý chiết áp vòng Ƣu điểm mô hình thiết kế đơn giản, dễ dàng lắp đặt Tuy nhiên nhƣợc điểm cặp tiếp điểm nhanh mòn dẫn đến sai số đo sau thời gian sử dụng Thêm vào đó, điện trở dây cáp phần phát thu tín hiệu chịu ảnh hƣởng lớn khoảng cách lắp đặt Sai số lớn xuất dây nối lỏng lẻo Số hóa Trung tâm Học liệu Footer Page 82 of 126 http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Header Page 83 of 126 83 + Dựa mã hóa xung quang học Hình 3.4 trình bày nguyên lý mã hóa xung quang học, bao gồm đĩa có rãnh đồng tâm cho phép ánh sáng truyền qua phần lại làm vật liệu quang điện Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý mã hóa xung quang học (5 bit) Bộ mã hóa xung đƣợc thiết kế với số bit cụ thể nhằm đáp ứng độ phân giải cần đo góc xoay Nếu số bit cụ thể bít độ phân giải đo đƣợc nhƣ sau: 360° ÷ 25 = 360° ÷ 32 = 11,25° 360° ÷ 28 = 360° ÷ 256 = 1,4° Cho chùm ánh sáng đến đĩa tròn đƣợc xẻ rãnh, ánh sáng qua rãnh đến đƣợc đầu thu tín hiệu đầu nhân đƣợc “1” Khi ánh sáng phản xạ lại từ bề mặt đĩa không đến đƣợc đầu thu tín hiệu đầu nhận đƣợc “0” Tại vị trí đĩa, tín hiệu đầu nhận đƣợc là: 01010 Phân đoạn thứ 11 nhƣ hình 3.4 tƣơng ứng góc: 11 x 11,25° 12 x 11,25°, cụ thể nằm 123,75° 135° Sử dụng mã hóa xung quang học có ƣu điểm giảm tối đa ma sát học hệ thống, cho độ phân giải mong muốn Thêm vào đó, thiết bị thích hợp cho việc xử lý liệu với máy tính đầu đƣợc xử lý nhƣ tín hiệu kỹ thuật số Cụ thể phân tích từ hình 3.2 thấy nguyên lý hoạt động phận xác định hƣớng gió dựa thay đổi điện áp thông qua chiết áp: Khi luồng gió thay đổi hƣớng làm xoay đuôi hƣớng gió 1, trục xoay 2, khớp Số hóa Trung tâm Học liệu Footer Page 83 of 126 http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Header Page 84 of 126 84 nối dạng đĩa khớp nối chiết áp xoay theo Dẫn đến vị trí núm xoay chiết áp thay đổi, thay đổi điện trở chiết áp đƣợc truyền đến thiết bị để tính toán, quy đổi góc xoay đuôi hƣớng gió thông qua cáp tín hiệu 3.1.3 Mô hình khí động lực học cho đuôi hƣớng gió Đặc trƣng khí động lực học đuôi lái gió phụ thuộc chủ yếu vào hƣớng gió Phƣơng trình chuyển động đuôi lái gió đƣợc mô tả biểu thức dƣới đây: I d v  FD  r dt (3.1) Trong đó, d  v / dt đạo hàm bậc hai theo thời gian góc xoay đuôi lái gió gia tốc góc FD lực cản tác động lên đuôi lái gió với điểm đặt cách trục xoay khoảng cách r Hình 3.5 Sơ đồ mô tả đặc tính khí động lực học đuôi hướng gió Lực cản tác động lên đuôi lái gió đƣợc xác định theo biểu thức sau: FD  0,5 ACD V (3.2) Với A diện tích đuôi lái gió, ρ mật độ không khí, CL hệ số nâng V tốc độ gió Giả thiết mô men cản trở chuyển động xoay đuôi lái gió xung quanh trục Mf có giá trị giá trị lớn mô men ma sát lăn ổ bi Dựa vào kết tính toán chƣơng 2, ta có giá trị lớn mô men ma sát lăn Qfmax = 0,262 N.m Vậy theo giả thiết ta có Mf = 0,262 N.m Số hóa Trung tâm Học liệu Footer Page 84 of 126 http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Header Page 85 of 126 85 Theo thiết kế, sai số góc đuôi lái gió 5˚ ứng với vận tốc gió nhỏ theo thiết kế V = 3,0 m/s, để thỏa mãn yêu cầu lực cản tác động vào đuôi lái gió cần phải thỏa mãn điều kiện sau: FD  r  sin5o  M f (3.3) Nhƣ vậy, để đảm bảo yêu cầu sai số góc, diện tích đuôi lái gió A phải thỏa mãn điều kiện sau: A Mf (3.4) 0,5.CD .V r.sin 5o Đuôi lái gió đƣợc thiết kế cho trọng tâm cách trục quay khoảng r = 237 (mm) Thay giá trị tƣơng ứng thông số vào biểu thức 3.4 ta thu đƣợc diện tích cần thiết đuôi lái gió là: A  0,064 (m2) Nhƣ vậy, với thiết kế cho ban đầu diện tích đuôi lái gió A = 0,082 (m2) hoàn toàn thỏa mãn yêu cầu 3.2 Kiểm nghiệm mô hình thiết kế cho đuôi lái gió 3.2.1 Thông số kết cấu phận xác định hƣớng gió Theo kết tính toán, thiết kế đuôi hƣớng gió hoàn toàn phù hợp Hình 3.6 mô tả mô hình chế tạo đƣợc lắp máy phong điện trục đứng Vật liệu đƣợc sử dụng để chế tạo nhôm nhựa Số hóa Trung tâm Học liệu Footer Page 85 of 126 http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Header Page 86 of 126 86 Hình 3.6: Thiết bị đo gió lắp đặt máy phong điện trục đứng 3.2.2 Sơ đồ thực nghiệm cho đuôi lái gió đƣợc thiết kế Nhằm kiểm nghiệm kết tính toán, thiết kế nhƣ sản phẩm chế tạo đƣợc, tác giả tiến hành thực nghiệm theo sơ đồ nhƣ hình 3.7 dƣới đây: Hình 3.7: Sơ đồ bố trí thực nghiệm đo lực cản tác động lên cánh Thực nghiệm đƣợc tiến hành nhƣ sau Cho quạt quay với tốc độ gió đến cánh 3,0 m/s, đặt lực kế vuông góc với đuôi lái gió vị trí trọng tâm nó, cho đuôi lái gió tạo góc 5˚ so với hƣớng gió Kết lực kế cho thấy giá trị lực đo đƣợc 0,5 N Nhƣ vậy, đuôi lái gió đƣợc tính toán, thiết kế chế tạo hoàn toàn đảm bảo yêu cầu toán 3.3.Kết luận Nhƣ ta hoàn toàn có sở để xác định đƣợc thông số đuôi lái gió thỏa mãn yêu cầu đặt cho phận xác định hƣớng gió Tuy nhiên, nhƣ trình bày chƣơng hạn chế thiết bị thử nghiệm ảnh hƣởng không nhỏ đến kết thử nghiệm mô hình Số hóa Trung tâm Học liệu Footer Page 86 of 126 http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Header Page 87 of 126 87 CHƢƠNG KẾT LUẬN CHUNG 4.1 Kết luận văn đạt đƣợc - Tìm hiểu đƣợc quan hệ động học thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc - Xác định đƣợc yếu tố ảnh hƣởng đến vận tốc góc rotor - Xác định đƣợc kết cấu, kích thƣớc hợp lý thiết bị đo gió kiểu cốc - Xác định đƣợc kết cấu kích thƣớc tiết diện hợp lý đuôi lái gió 4.2 Những kiến nghị nghiên cứu - Nghiên cứu xác định yếu tố ảnh hƣởng đến độ trễ mặt học - Nghiên cứu quy luật ảnh hƣởng vận tốc cánh tuarbine đến vận tốc thiết bị đo gió kiểu cốc gắn tuarbine - Nghiên cứu, tính toán bù sai số lập trình cho điều khiển thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc Số hóa Trung tâm Học liệu Footer Page 87 of 126 http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Header Page 88 of 126 88 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] PGS.TSKH Nguyễn Phùng Quang (2007), Nghiên cứu thiết kế chế tạo phát điện sức gió có công suất 10 – 30kw phù hợp với điều kiện Việt Nam, mã số KC.06 20CN Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội [2] Th.s Chu Đức Quyết (2009), Tính toán thiết kế hệ thống cánh turbine gió kiểu trục đứng máy phong điện công suất 10KW, 2009 [3] Th.s Nguyễn Văn Huỳnh (2009), Nghiên cứu ứng dụng điều khiển mờ thích nghi để điều khiển cánh gió tuabin trục đứng, 2009 [4] Th.s Dƣơng Văn Đồng (2010), “Nghiên cứu, tính toán thiết kế biên dạng cánh turbine gió trục đứng cho máy phong điện công suất 3KW, 2010 Tiếng Anh [5] Troels Friis Pedersen (2006), Accurate Wind Speed Measurements in Wind Energy, Risø National Laboratory, July 2006 [6] Paul R.Ebert, David H.Wood (1995), Correcting measurements from a cup anemometer and wind vane, The University of Sydney, Australia 1995 [7] Fasinmirin J T, Oguntunde P G and Ladipo K O (2011), Development and calibration of a self-recording cup anemometer for wind speed measurement, Department of Agricultural Engineering, Federal University of Technology, Akure, Nigeria [8] R.M.YOUNG COMPANY (1994), Gill Microvane & 3-Cup Anemometer [9] Troels Friis Pedersen (2003), Development of a Classification System for Cup Anemometers – CLASSCUP, Risø National Laboratory Số hóa Trung tâm Học liệu Footer Page 88 of 126 http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Header Page 89 of 126 89 [10] E.L Houghton and P.W Carpenter (2003), Aerodynamics for Engineering Students - Fifth Edition, The University of Warwick [11] Nicholas Caplan & N Gardner (2011), Lift and Drag, 2011 [12] Wyngaard J.C (1981), Cup, propeller, vane, and sonic anemometers in turbulence research Ann Rev Fluid Mech 1981, 13, 399–423 [13] Ramachandran, S.A (1969), Theoretical study of cup and vane anemometers Quart J Roy Meteorol Soc 1969, 95, 163–180 [14] Brevoort,M.J; Joyner, U.T (1934), Aerodynamic Characteristics of Anemometer Cups; NACA Technical Note 489; Washington, DC, USA, 1934 [15] Brevoort, M.J.; Joyner, U.T (1935), Experimental Investigation of the Robinson-Type Cup Anemometer; NACA Technical Note 513; Washington, DC, USA, 1935 [16] Ramachandran, S.A (1969), Theoretical study of cup and vane anemometers Quart J Roy Meteorol Soc 1969, 95, 163–180 [17] Kondo, J.; Naito, G.; Fujinawa, Y (1971), Response of cup anemometer in turbulence J Meteorol Soc Jpn.1971, 49, 63–74 [18] Troels Friis Pedersen, (2003), Wind speed measurement and use of cup anemometry, Risø National Laboratory, Denmark Số hóa Trung tâm Học liệu Footer Page 89 of 126 http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Header Page 90 of 126 Số hóa Trung tâm Học liệu Footer Page 90 of 126 90 http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ... thiện thiết kế cho máy phong điện trục đứng có điều khiển góc cánh Mục tiêu nhiệm vụ luận văn - Tên đề tài: Thiết kế chế tạo thử nghiệm thiết bị đo gió cho máy phong điện trục đứng có điều khiển ... thiết kế chế tạo thiết bị đo gió chuyên dụng gắn trực tiếp rotor Từ lý cho thấy việc thực đề tài Thiết kế chế tạo thử nghiệm thiết bị đo gió cho máy phong điện trục đứng có điều khiển cần thiết. .. Thiết kế chế tạo thử nghiệm thiết bị đo gió cho máy phong điện trục đứng có điều khiển cần thiết 1.3 Kết cấu, nguyên lý làm việc thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc 1.3.1 Kết cấu chung thiết bị