Nghiên cứu và xây dựng chương trình tính toán thông số cánh của động cơ gió trục ngang với vận tốc gió nhỏ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN CHÍ THIỆN NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG CHƢƠNG TRÌNH TÍNH TỐN THƠNG SỐ CÁNH CỦA ĐỘNG CƠ GIÓ TRỤC NGANG VỚI VẬN TỐC GIÓ NHỎ Chuyên ngành Mã số : KỸ THUẬT NHIỆT : 605280 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 06 NĂM 2014 i CƠNG TRÌNH ĐƢỢC HỒN THÀNH TẠI TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM Cán hƣớng dẫn khoa học : TS NGUYỄN THẾ BẢO (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét : (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét : (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ Trƣờng Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày tháng năm Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trƣởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn đƣợc sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƢỞNG KHOA CƠ KHÍ ii ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN CHÍ THIỆN MSHV: 12060484 Ngày, tháng, năm sinh: 14/08/1989 Nơi sinh: Tiền Giang Chuyên ngành: KỸ THUẬT NHIỆT Mã số : 605280 I TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG CHƢƠNG TRÌNH TÍNH TỐN THƠNG SỐ CÁNH CỦA ĐỘNG CƠ GIĨ TRỤC NGANG VỚI VẬN TỐC GIÓ NHỎ II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Nghiên cứu sở lý thuyết tính tốn thơng số cánh - Lập chƣơng trình vẽ biên dạng cánh NACA số số - Số hóa đồ thị 10 cánh NACA số (2306, 2309, 2312, 2315, 2406, 2409, 2412, 2415, 2418, 2421) 10 cánh NACA số (63215, 63218, 63221, 63415, 63418, 63421, 64415, 64421, 65415, 65421) để tìm thơng số tối ƣu cánh - Phân tích lựa chọn cánh có hiệu suất cao để tính tốn thơng số cánh cho động gió trục ngang III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 20/7/2013 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 20/06/2014 V CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: TS NGUYỄN THẾ BẢO Tp HCM, ngày tháng năm 20 CÁN BỘ HƢỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) TRƢỞNG KHOA CƠ KHÍ (Họ tên chữ ký) iii LỜI CÁM ƠN Thứ nhất, xin chân thành cám ơn hƣớng dẫn nhiệt tình, tận tâm TS Nguyễn Thế Bảo Thứ 2, xin cám ơn giúp đỡ, hỗ trợ Thầy, Cô Bộ môn Công Nghệ Nhiệt đƣa nhận xét đánh giá giúp tơi hồn chỉnh luận văn Sau cùng, xin cám ơn giúp đỡ gia đình, bạn bè đồng nghiệp ủng hộ cho đề tài thành cơng HỌC VIÊN THỰC HIỆN Nguyễn Chí Thiện iv TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Với bách nhu cầu lƣợng, ngƣời ta sử dụng động gió trục ngang với tốc độ gió thấp thực có hiệu địa điểm nhƣ thành thị, nông thôn Qua nghiên cứu tài liệu, tập hợp xây dựng sở lý thuyết tính tốn thơng số cánh Và tơi lập chƣơng trình vẽ biên dạng cánh NACA số số Đồng thời, số hóa đồ thị 10 cánh NACA số (2306, 2309, 2312, 2315, 2406, 2409, 2412, 2415, 2418, 2421) 10 cánh NACA số (63215, 63218, 63221, 63415, 63418, 63421, 64415, 64421, 65415, 65421) để tìm thơng số tối ƣu cánh Sau đó, tơi phân tích lựa chọn cánh có hiệu suất cao để thiết kế thơng số cánh thành cơng cho động gió trục ngang SUMMARY OF THESIS For the urgent demand of energy, Horizontal Axis Wind Turbines (HAWT) have been effectively used for low speed wind places (in both urban and rural areas) Doing some research, I have gathered the data and built up a theoretical background for parameter calculations of rotor blades Then, a program was written to draw the edge of any airfoil (modified NACA, 4-digit and 5-digit ones) In addition, I digitized the graphs of 10 4-digit NACA airfoils (2306, 2309, 2312, 2315, 2406, 2409, 2412, 2415, 2418, 2421) and 10 5-digit NACA airfoils (63215, 63218, 63221, 63415, 63418, 63421, 64415, 64421, 65415, 65421) to find the optimal parameter Subsequently, I performed an analysis and chose the airfoil with the best performance to design the parameter of rotor blades for Horizontal Axis Wind Turbines v LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ Tơi xin cam đoan kết đƣợc tính tốn luận văn chƣa đƣợc công bố hay không đƣợc viết tài liệu TpHCM, ngày tháng Nguyễn Chí Thiện năm vi MỤC LỤC NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ ii LỜI CÁM ƠN iii TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ iv LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ .v DANH SÁCH HÌNH VẼ x DANH SÁCH BẢNG xii DANH SÁCH KÝ HIỆU xiii CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN .1 1.1 Giới thiệu lƣợng gió 1.1.1 Tình hình sử dụng lƣợng giới .1 1.1.3 Tình hình sử dụng lƣợng gió Việt Nam 1.2 Giới thiệu Turbine gió 1.2.1 Turbine gió trục ngang (HAWT) 1.2.2 Turbine gió trục đứng (VAWT) 1.3 Hiệu suất turbine gió 1.4 Mục tiêu nhiệm vụ đề tài 12 1.4.1 Mục tiêu đề tài 12 1.4.2 Nhiệm vụ đề tài .13 1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu 13 1.6 Ý nghĩa khoa học tính cấp thiết đề tài 14 CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ LUẬN 15 2.1 Nguyên lý cấu tạo động gió trục ngang 15 2.1.1 Nguyên lý làm việc turbine gió trục ngang .15 vii 2.1.2 Cấu tạo động gió trục ngang 17 2.1.2.1 Cánh gió .17 2.1.2.2 Cơ cấu điều tốc .19 2.1.2.3 Bộ truyền động .21 2.1.2.5 Cơ cấu định hƣớng gió 25 2.1.2.6 Trụ đỡ động .27 2.1.2.7 Bộ phận khác 28 2.2 Cơ sở lý thuyết động lực học khơng khí động gió 28 2.2.1 Cơ sở động học cánh 28 2.2.1.1 Lực khí động tác dụng lên cánh 28 2.2.1.2 Đặc tính lực nâng lên tiết diện cánh .31 2.2.1.3 Đặc tính lực cản lên tiết diện cánh .32 2.2.1.4 Đƣờng cong cực 33 2.2.1.5 Đặc tính moment tác dụng lên tiết diện cánh .34 2.2.1.6 Tiêu điểm trung tâm áp lực .35 2.2.1.7 Lực nâng, lực cản moment trƣờng hợp góc lớn .36 2.2.1.8 Ảnh hƣởng hệ số Reynold độ nhám thô bề mặt .37 2.2.2 Lý thuyết động lƣợng hƣớng trục 38 2.2.3 Lý thuyết phân tố cánh phân tố cánh 43 CHƢƠNG 3: TÍNH TỐN THIẾT KẾ 48 3.1 Tính tốn bán kính cánh quạt Rotor 48 3.2 Tỉ tốc đầu mút 48 3.3 Biên dạng cánh 50 3.4 Chiều dài dây cung cánh 57 viii 3.5 Góc đặt cánh .59 3.6 Tính tốn hiệu suất động 60 CHƢƠNG 4: VIẾT CHƢƠNG TRÌNH TÍNH TỐN .62 4.1 Chƣơng trình vẽ biên dạng cánh số 62 4.1.1.Sơ đồ khối 62 4.1.2 Giao diện chƣơng trình 62 4.1.3 Kết chƣơng trình .63 4.2 Chƣơng trình vẽ biên dạng cánh cánh .63 4.2.1 Sơ đồ khối .63 4.2.2 Giao diện chƣơng trình 64 4.2.3 Kết chƣơng trình .64 4.3 Chƣơng trình tính thơng số tối ƣu biên dạng: .64 4.3.1 Sơ đồ khối .64 4.3.2 Giao diện chƣơng trình 65 4.3.3 Kết 66 4.4 Chƣơng trình lựa chọn hiệu suất biên dạng: 66 4.4.1 Sơ đồ khối .66 4.4.2 Giao diện chƣơng trình: 67 4.4.3 Kết chƣơng trình .67 4.5 Tính tốn thơng số cánh thiết kế 67 4.5.1 Sơ đồ khối .67 4.5.2 Giao diện chƣơng trình 68 4.5.3 Kết chƣơng trình .69 CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN 71 ix 5.1 Kết luận 71 5.2 Hƣớng phát triển đề tài .71 TÀI LIỆU THAM KHẢO 72 PHỤ LỤC 73 Phụ lục 1: Mã code matlab chƣơng trình vẽ biên dạng cánh số 73 Phụ lục 2: Mã code chƣơng trình vẽ biên dạng cánh số 74 Phụ lục 3: Mã code chƣơng trình tính thông số biên dạng cánh 75 Phụ lục 4: Mã code chƣơng trình lựa chọn hiệu suất biên dạng 89 Phụ lục 5: Mã code chƣơng trình tính tốn thơng số cánh thiết kế 91 PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 93 79 10 0.959041 12 1.128082 14 1.288767 16 1.440753 18 1.571781 20 1.683425]; B1=[0 0.009348 0.013843 0.02 0.028737 0.04266 10 0.05754 12 0.076875 14 0.094654 16 0.120665 18 0.14758 20 0.1925]; a=polyfit(A(:,1),A(:,2),2); b=polyfit(B1(:,1),B1(:,2),2); alpha=0:1:22; case 'NACA2412' A=[0 0.1389 0.2639 0.4062 0.5486 0.6910 10 0.8298 12 0.9735 14 1.1057 16 1.231 18 1.3461 20 1.4586 22 1.5348]; B1=[0 0.0088 0.0124 0.0196 0.0287 0.04 10 0.054 12 0.0708 14 0.0911 16 0.1147 18 0.1379 20 0.1638 22 0.196]; a=polyfit(A(:,1),A(:,2),2); b=polyfit(B1(:,1),B1(:,2),2); alpha=0:1:24; case 'NACA2415' A=[0 0.1187 0.2635 0.4044 0.5515 0.6939 10 0.8453 12 0.9799 14 1.1207 16 1.2525 18 1.3659 GVHD: TS Nguyễn Thế Bảo HVTH: Nguyễn Chí Thiện 80 20 1.4631 22 1.5071]; B1=[0 0.0101 0.014 0.02 0.0279 0.0381 10 0.051 12 0.0666 14 0.0847 16 0.104 18 0.126 20 0.1494 22 0.1871]; a=polyfit(A(:,1),A(:,2),2); b=polyfit(B1(:,1),B1(:,2),2); alpha=0:1:24; case 'NACA2418' A=[0 0.1510 0.2888 0.4414 0.6027 0.7513 10 0.8999 12 1.0466 14 1.2418 16 1.3122 18 1.4258 20 1.4983 22 1.4707]; B1=[0 0.0127 0.0165 0.0223 0.031 0.0422 10 0.0555 12 0.0716 14 0.0924 16 0.1132 18 0.1382 20 0.1630 22 0.2248]; a=polyfit(A(:,1),A(:,2),2); b=polyfit(B1(:,1),B1(:,2),2); alpha=0:1:22; case 'NACA2421' A=[0 0.1343 0.2845 0.4187 0.5753 0.7160 10 0.8571 12 1.0012 14 1.1325 16 1.2574 18 1.363 20 1.4207 22 1.4207 24 1.4047 GVHD: TS Nguyễn Thế Bảo HVTH: Nguyễn Chí Thiện 81 26 1.363 28 1.2875 30 1.1934]; B1=[0 0.0122 0.0157 0.0224 0.031 0.0416 10 0.0549 12 0.0706 14 0.0891 16 0.1091 18 0.1342 20 0.1734 22 0.2221 24 0.2709 26 0.315 28 0.3584 30 0.4033]; a=polyfit(A(:,1),A(:,2),2); b=polyfit(B1(:,1),B1(:,2),2); alpha=0:1:32; otherwise disp('Nhap ma hieu canh NACA 2306,2309,2312,2315,2406,2409,2412,2415,2418,2421') end Ham_CL=polyval(a,alpha); Ham_CD=polyval(b,alpha); z=polyval(a,alpha)./polyval(b,alpha); % -SSE=0;SST=0; mean=sum(A(:,2))/length(A(:,2)); for i=1:size(A,1) SSE=SSE+(A(i,2)-polyval(a,A(i,1)))^2; SST=SST+(A(i,2)-mean)^2; end R1=1-SSE/SST; SSE2=0;SST2=0; mean2=sum(B1(:,2))/length(B1(:,2)); for i=1:size(B1,1) SSE2=SSE2+(B1(i,2)-polyval(b,B1(i,1)))^2 SST2=SST2+(B1(i,2)-mean2)^2; end R2=1-SSE2/SST2; [T,M]=polyder(a,b);G=roots(T); for i=1:length(G) y(i)=polyval(a,G(i))/polyval(b,G(i)); end maxy=max(y); for i=1:length(y) if y(i)==maxy alpha_toi_uu=G(i); end end CL_toi_uu=interp1(A(:,1),A(:,2),alpha_toi_uu); CD_toi_uu=interp1(B1(:,1),B1(:,2),alpha_toi_uu); if isnan(CD_toi_uu)==1 CD_toi_uu=polyval(b,alpha_toi_uu); end GVHD: TS Nguyễn Thế Bảo HVTH: Nguyễn Chí Thiện 82 DS=[a R1 b R2 alpha_toi_uu CL_toi_uu CD_toi_uu]; text_CL=sprintf('%0.5g*alpha^2+%0.5g*alpha+%0.5g',a(1),a(2),a(3)); text_CD=sprintf('%0.5g*alpha^2+%0.5g*alpha+%0.5g',a(1),a(2),a(3)); case p=str2num(NACAx(6:7))/100; t=str2num(NACAx(8:9))/100; m=-.76571*p^2+1.6821*p-.02814; k1=720.37*exp(-22.971*p); x=0:.01:1; for i=1:length(x) yt(i)=t/.2*(.2969*x(i)^.5-.126*x(i).3516*x(i)^2+.2843*x(i)^3-.1015*x(i)^4); if x(i)