Dạng đối xứng

6. Kết cấu luận văn

3.2 Cánh xoắn kiểu Quiet-Revolution

3.2.1.2 Dạng đối xứng

Biên dạng đối xứng là kiểu mà độ cong bề mặt phía dƣới và độ cong bề mặt phía trên của cánh đối xứng nhau qua dây cung theo một quy luật nào đĩ. Biên dạng cánh đối xứng thƣờng đƣợc chọn sử dụng là bộ NACA 4 số [33] đƣợc trình bày ở hình 3.10.

Hình 3.10: Biên dạng cánh loại NACA-04 [33]

Mỗi biên dạng cánh cĩ sự phân bố áp lực trên cánh (lực nâng, lực cản) khác nhau ảnh hƣởng đến dịng chảy so với biên dạng cánh thẳng. Lực nâng (lift

coeeficient) và lực cản (drag coeeficient) của biên dạng NACA 00XX này là khác

nhau. Đồ thị biểu diễn giá trị các lực nâng, cản của các biên dạng (XX = 12, 15, 18, 21) đƣợc trình bày ở hình 3.11.

Hình 3.11: Biểu đồ lực nâng và lực cản loại NACA 00XX [32] 3.2.1.3 Biên dạng NACA khơng đối xứng

Biên dạng NACA khơng đối xứng là kiểu mà độ cong bề mặt phía dƣới của cánh gần nhƣ là mặt phẳng, cịn độ cong bề mặt phía trên lồi lên theo một quy luật nào đĩ. Biên dạng cánh khơng đối xứng thƣờng đƣợc chọn sử dụng đƣợc trình bày ở hình 3.12.

Hình 3.12: Biên dạng cánh NACA khơng đối xứng [29] 3.2.2 Tính tốn biên dạng NACA

3.2.2.1 NACA 4 số

Bộ NACA đầu tiên đƣợc các nhà thiết kế tạo ra là bộ 4 số, thƣờng đƣợc viết dƣới dạng NACA XXXX. Ví dụ NACA 2415, nĩ cĩ ý nghĩa nhƣ sau:

Hình 3.13: Ý nghĩa các chỉ số trong bộ NACA 2415

- Chỉ số đầu tiên (m) biểu thị độ cong lớn nhất, là phần trăm trên chiều dài

dây cung.

- Chỉ số thứ hai (p) biểu thị vị trí độ cong lớn nhất, là phần mười trên chiều

dài dây cung.

- Cịn hai số cuối (t) biểu thị độ dày tối đa, là phần trăm trên chiều dài dây

cung.

Ví dụ: NACA 2415 cĩ độ cong 2% (0,02c) tại vị trí 40% (0,4c) độ dài từ đầu cánh trên dây cung và độ dầy tối đa 15% (0,12c) dây cung của cánh (hình 3.14).

m - Khoảng cách lớn nhất giữa dây cung b và đường tâm cánh c; c - Chiều dài đường tâm cánh (đường con trung bình); t - Bề rộng cánh; r - Bán kính cung trịn tại đầu cánh; b - Dây cung nối điểm đầu đến điểm cuối cánh

Hình 3.14: Các thơng số cơ bản trên tiết diện biên dạng cánh NACA

Từ các thơng số m, p và t chúng ta cĩ thể tính tốn tọa độ các điểm trên biên dạng cánh theo trình tự các bƣớc nhƣ sau [29]:

Đầu tiên chọn giá trị của x từ 0 đến chiều dài dây cung c.

- Bƣớc 1: Tính tốn tọa độ các đƣờng cong trung bình bằng giá trị m và p

cho mỗi tọa độ x qua các cơng thức sau: + Tính yc khi x = 0 đến x = p  2 c 2 m y 2px x p   (3-54) + Tính yc khi x = p đến x = c   2 c 2 m y (1 2p 2px x ) 1 p      (3-55) Trong đĩ:

x - Tọa độ dọc theo chiều dài của cánh, từ 0 đến c;

y - Tọa độ trên và dƣới đƣờng biên theo chiều dài dây cung cánh. Gọi yt là tọa độ cho độ dầy và yc là tọa độ cho độ cong;

m - Độ cong tối đa của cánh trên dây cung;

p - Vị trí của độ cong tối đa trên 10% chiều dài dây cung; t - Độ dày tối đa của cánh trên dây cung.

- Bƣớc 2: Tính độ dốc các tọa độ đƣờng cong trung bình

  c 2 dy 2m p x dx  p  (3-56)

+ Độ dốc các tọa độ nửa cánh bên phải (p  x  c) qua cơng thức nhƣ sau:

   c 2 dy 2m p x dx  1 p   (3-57)

- Bƣớc 3: Tính tốn phân bố độ dầy phía trên (+) và phía dƣới (-) đƣờng cong trung bình bằng các giá trị của t qua các cơng thức tọa độ của x nhƣ sau:

2 3 4 t 0 1 2 3 4 t x x x x x y a a a a a 0, 2 c c c c c                                      2 3 4 t t x x x x x y 0, 2969 0,126 0, 351 0, 2843 0,1015 0, 2 c c c c c                                       (3-58) Với a0 = 0,2969; a1 = - 0,126 ; a2 = - 0,3516; a3 = 0,2843; a4 = - 0,1015; t = 28,6 - Bƣớc 4: Cuối cùng xác định tọa độ cho bề mặt trên (xu, yu) và bề mặt dƣới (xl, yl) của cánh thơng qua các cơng thức sau:

u c t x x y sin (3-59) u c t y  y y cos (3-60) Trong đĩ a.tg dyc dx         l c t x  x y sin (3-61) l c t y y y cos (3-62) 3.2.2.1 NACA 5 số

NACA 5 số cĩ chiều dày cánh xác định giống nhƣ NACA 4 số, nhƣng việc xác định đƣờng cong trung bình khác nhau và biểu thị tên cũng phức tạp hơn.

Chỉ số đầu nhân với 3/2 để biểu thị phần mƣời hệ số lực nâng thiết kế Cl. Hai chỉ số tiếp theo chia 2 cho ta vị trí độ cong lớn nhất p theo phần mƣời dây cung.

Bộ NACA 5 số thƣờng sử dụng các loại nhƣ NACA 63-215, NACA 63-218, NACA 63-221, NACA 63-415, NACA 63-421,…

Ví dụ, NACA 23-012 cĩ độ dầy tối đa 12%; hệ số lực nâng là 0,3; vị trí độ cong lớn nhất 15% từ đầu cánh trên chiều dài dây cung.

Tính tọa độ của cánh nhƣ sau:

- Chọn giá trị đầu tiên của x từ 0 đến chiều dài dây cung c;

- Tính tốn tọa độ đƣờng cong trung bình cho mỗi tọa độ x qua các cơng thức (3-63) và (3-64). + Tính yc khi x = 0 đến x = p 3 2 2 1 c k y x 3mx m (3 m)x 6         (3-63) + Tính yc khi x = p đến x = c   3 1 c k m y 1 x 6   (3-64)

Từ giá trị p đã biết xác định giá trị m và k1 bằng cách dùng bảng 3.1 dƣới đây.

Bảng 3.1: Quan hệ độ cong (m) và vị trí độ cong (p) trên cánh NACA 5 số [43]

Tính tốn độ dầy cánh và xác định tọa độ bề mặt giống nhƣ ở NACA 4 số.

3.2.3 Kết luận

Các bộ cánh biên dạng NACA đã đƣợc quy định theo tiêu chuẩn, mỗi biên dạng cánh cĩ các đặc điểm khác nhau và cĩ các ƣu điểm, nhƣợc điểm khác nhau nên tùy theo yêu cầu kỹ thuật mà nhà thiết kế cĩ thể sử dụng biên dạng cánh nào cho phù hợp với yêu cầu ứng dụng.

Trong phạm vi đề tài, để đảm bảo yêu cầu tính tốn thiết kế cho kết quả khách quan và tối ƣu nhất nên tác giả lựa chọn biên dạng cánh tính tốn là biên dạng cánh khơng đối xứng NACA 2412.

Chƣơng 4

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

4.1 Đề xuất thơng số thiết kế hệ thống trụ đèn điện giĩ CSCC 4.1.1 Các yêu cầu lắp đặt hệ thống trụ đèn điện giĩ CSCC 4.1.1 Các yêu cầu lắp đặt hệ thống trụ đèn điện giĩ CSCC 4.1.1.1 Tốc độ giĩ

Về giĩ, thành phố Hồ Chí Minh chịu ảnh hƣởng bởi hai hƣớng giĩ chính và chủ yếu là giĩ mùa Tây - Tây Nam và Bắc - Ðơng Bắc. Giĩ Tây - Tây Nam từ Ấn Ðộ Dƣơng thổi vào trong mùa mƣa, khoảng từ tháng 6 đến tháng 10, tốc độ trung bình 3,6m/s và giĩ thổi mạnh nhất vào tháng 8, tốc độ trung bình 4,5 m/s. Giĩ Bắc- Ðơng Bắc từ biển Đơng thổi vào trong mùa khơ, khoảng từ tháng 11 đến tháng 2, tốc độ trung bình 2,4 m/s. Ngồi ra cĩ giĩ tín phong, hƣớng Nam - Ðơng Nam, khoảng từ tháng 3 đến tháng 5 tốc độ trung bình 3,7 m/s [44].

Theo “Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia - Số liệu điều kiện tự nhiên dùng trong xây dựng” (QCVN 02:2009/BXD, Tr. 78) thì tốc độ giĩ trung bình của thành phố Hồ Chí Minh đo tại trạm Tân Sơn Hồ (Tân Sơn Nhất) đƣợc cho ở bảng 4.1.

Bảng 4.1: Vận tốc giĩ trung bình tháng và năm (m/s) tại TPHCM [9]

Tháng

Năm I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII

2,3 3,1 3,6 3,3 2,5 2,7 2,9 3,8 2,7 2,2 2,2 2,0 2,8

(Số liệu được đo tại trạm Tân Sơn Hồ, Tân Sơn Nhất, Tp. HCM)

4.1.1.2 Yêu cầu về chiếu sáng

Căn cứ các tiêu chuẩn, quy chuẩn xây dựng Việt Nam hiện hành về trụ đèn chiếu sáng cơng cộng, ta cĩ các quy chuẩn sau:

Theo “Tiêu chuẩn thiết kế chiếu sáng nhân tạo đƣờng, đƣờng phố, quảng trƣờng, đơ thị” (TCXDVN 259:2001, Tr. 2 - 4) thì đƣờng nội bộ (nơi dự kiến lắp đặt trụ đèn) sẽ cĩ cấp chiếu sáng là C [10]:

- Độ chĩi trung bình: Lav ≥ 0,4 - 0,6 Cd/m2 - Độ rọi trung bình: Eav ≥ 8 - 12 Lx

- Tổng quang thơng phải đạt từ 6.000 Lm trở lên (đối với dạng đèn nấm ánh sáng tán xạ yêu cầu), độ cao treo đèn thấp nhất từ 3 – 4 m.

4.1.1.3 Lựa chọn đèn

Nguồn điện đƣợc cấp cho trụ đèn lấy từ nguồn điện phát ra từ tuabin giĩ trục đứng nên cơng suất khá nhỏ. Do vậy, loại đèn đƣợc lựa chọn sử dụng cĩ cơng suất khơng quá 100 W (mức cơng suất thƣờng đƣợc thiết kế cho các tuabin giĩ trục đứng loại nhỏ ở các vùng cĩ tốc độ giĩ thấp và khơng thƣờng xuyên). Căn cứ vào tổng quang thơng, độ chĩi và độ rọi trung bình đã đƣợc đề cập đến ta lựa chọn loại đèn đƣờng LED Điện Quang ĐQ LEDSL03 50765 (50 W Daylight). Đây là loại đèn cơng nghệ mới LED SMD tiên tiến tiết kiệm điện cĩ cơng suất nhỏ với quang thơng lớn, hiệu suất ánh sáng cao, chip LED chất lƣợng cao đƣợc nhập từ Hàn Quốc, Nhật Bản cho ánh sáng đồng nhất, tuổi thọ cao lên đến 50.000 giờ, thân thiện với mơi trƣờng.

Đối với đèn chiếu sáng cơng cộng, do đặc điểm nhu cầu cần thời gian chiếu sáng dài, liên tục và thƣờng đƣợc sử dụng ngồi trời nên địi hỏi phải cĩ khả năng chịu đƣợc những điều kiện khắc nghiệt của thời tiết và mơi trƣờng. Sản phẩm đèn đƣờng LED Điện Quang đƣợc thiết kế chắc chắn, thân đèn đƣợc chế tạo từ hợp kim nhơm, tính năng chống thấm chống bụi (IP65) đảm bảo khả năng phát sáng ở những điều kiện khắc nghiệt nhất cũng nhƣ chống chịu đƣợc va đập, độ bền cao.

Hình 4.1: Đèn đường LED Điện Quang ĐQ LEDSL03 50765 (50W Daylight)

Các đặc tính kỹ thuật nhƣ sau [45]:

- Điện áp: 12 V

- Cơng suất đèn: 50 W

- Nhiệt độ màu: 6.500 K - Quang thơng: 6.000 Lm - Hiệu suất phát quang: 110 Lm/W - Gĩc LED phát quang: 110 độ

- Kích thƣớc (DxRxC): 500x210x70 mm - Tuổi thọ: > 30.000 giờ - Độ cao lắp đặt: 4 - 6 m

- Nhiệt độ mơi trƣờng hoạt động: -30oC ÷ +50oC

Từ các yêu cầu kỹ thuật của đèn chiếu sáng cơng cộng (TCXDVN 259:2001) và đặc tính kỹ thuật của đèn đƣờng Điện Quang ta cĩ thể đi đến một số kết luận sau: - Chọn đèn đƣờng LED Điện Quang ĐQ LEDSL03 50765 (50W Daylight) cĩ quang thơng 6.000 Lm. Loại đèn này đáp ứng đƣợc yêu cầu chiếu sáng đối với đƣờng nội bộ và ổn định trong thời gian hoạt động ( 8 năm).

- Chiều cao lắp đặt đèn so với mặt đƣờng là 5 m, độ vƣơn cần đèn là 1,5 m, gĩc ngẩng cần đèn là 15o [TCXDVN 295-2001].

4.2 Thiết kế biên dạng cánh, kết cấu tuabin giĩ trục đứng cánh xoắn 4.2.1 Thơng số thiết kế tuabin 4.2.1 Thơng số thiết kế tuabin

Thiết kế tuabin giĩ cơng suất nhỏ cánh xoắn kiểu Quiet-Revolution/GB cĩ yêu cầu nhƣ sau:

- Biên dạng cánh theo kiểu NACA 2412;

- Tuabin tự động bắt đầu khởi động khi tốc độ giĩ đạt 2,5 m/s; - Điện áp: 12 V;

- Cơng suất nguồn điện phát ra: 50 W;

- Dịng điện phát ra từ dynamơ đƣợc nạp vào ắc-quy và hoạt động của đèn LED 12 VDC đƣợc cấp nguồn từ ắc-quy.

- Khơng phụ thuộc vào hƣớng giĩ; - Đƣờng kính tuabin  1 m;

- Địa điểm lắp đặt để khảo sát tại trƣờng đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp. HCM;

- Nhiệt độ mơi trƣờng hoạt động: 25oC - 40oC; - Độ ẩm: 70 - 80%;

4.2.2 Thiết kế biên dạng cánh tuabin 4.2.2.1 Yêu cầu thiết kế 4.2.2.1 Yêu cầu thiết kế

- Biên dạng cánh NACA 2412; - Đƣờng kính tuabin  1 m;

- Tuabin giĩ phát ra cơng suất ổn định ở vận tốc 6 m/s (vận tốc giĩ để tuabin làm việc ổn định);

4.2.2.2 Tính tốn thiết kế biên dạng cánh tuabin a) Xác định các thơng số cánh a) Xác định các thơng số cánh

Từ những dữ liệu lựa chọn ban đầu sau:

- Cơng suất tuabin: PT = 50 W

- Vận tốc giĩ: v = 6 m/s

- Chọn bán kính tuabin sơ bộ: R = 0,5 m - Trọng lƣợng riêng của khơng khí:  = 1,225 kg/m3 - Hệ số cơng suất: Cp = 0,35 - Hệ số tốc độ đầu cánh:  = 3,5 - Số cánh tuabin: n = 3 - Gĩc xoắn tồn bộ cánh: o = 120o Theo cơng thức (3-20) ta cĩ: T p w w P C 0, 35 P 142,857 (W) P     Theo cơng thức (3-21) ta cĩ: Cp = 4a(1 – a)2 = 0,35  a = 0,626 Theo cơng thức (3-18) ta cĩ: 2 3 2 T S S P = r2 .A .a(1- a) .v = 50Þ A = 1, 08 (m ) Theo cơng thức (3-13) ta cĩ: As = 2R.L  L = 1,08 (m) Theo cơng thức (3-46) ta cĩ:

2 2 2 0

L  (R )   l l 1, 08 (m)

Khi k0 = 1,2 = 1,47 thì theo cơng thức (3-51) ta cĩ:

2 1 0 w 1 k k b.v R k 3, 7b Theo cơng thức (3-24) ta cĩ: vw = (1 – a)v = 2,24 (m/s) Theo cơng thức (3-26) ta cĩ: top v R 42, 0 (rad / s) v v        Theo cơng thức (3-19) ta cĩ: PT = nT  T = 0,397 (Nm) Theo cơng thức (3-52) ta cĩ: 0 2 2 2 1 1 0 0 l q

T k R l q cos sin d k R sin T 1, 67b

2             Với: T = 1,67b = 0,397  b = 0,2381 (m) = 238,1 (mm) Theo cơng thức (3-53) ta cĩ: o 0 L q tg 2, 06 64,1 R         Theo cơng thức (3-3) ta cĩ: P = F.v  F = 23,81 (N)

b) Tính tọa độ cánh biên dạng NACA 2412

Các thơng số cánh biên dạng NACA 2412 đƣợc tính tốn nhƣ sau:

- Độ cong lớn nhất trên cánh: m = 2% x c = 0,02 x 238,1 = 4,8 (mm) (với chiều dài dây cung c = 238,1 mm).

- Tại vị trí cĩ độ cong lớn nhất: p = 40% x c = 0,4 x 238,1 = 95,2 (mm)

- Độ dày tối đa của cánh: t = 12% x c = 0,12 x 238,1 = 28,6 (mm)

-

Hình 4.2: Biên dạng cánh NACA 2412 khơng đối xứng

Từ các thơng số m, p và t chúng ta cĩ thể tính tốn tọa độ các điểm thuộc biên dạng cánh. Để thực hiện tính tốn, ta chia chiều dài dây cung thành 2 phần:

- Nửa cánh bên trái cĩ tọa độ x từ 0  p

- Nửa cánh bên phải cĩ tọa độ x từ p  hết chiều dài c sau đĩ thực hiện theo trình tự sau:

Bƣớc 1: Tính tốn tọa độ các đƣờng cong trung bình bằng các giá trị m và p

cho mỗi tọa độ x:

- Tính tốn tọa độ đƣờng cong trung bình nửa cánh bên trái bằng giá trị m và p cho mỗi tọa độ x (0  x  p):

+ Chia đƣờng cong trung bình nửa cánh bên trái ra thành 25 phần bằng nhau.

+ Áp dụng cơng thức (3-54) để tính đƣờng cong trung bình nửa cánh bên trái (đoạn từ 0  p):  2 c 2 m y 2px x p  

- Tính tốn tọa độ đƣờng cong trung bình nửa cánh bên phải bằng giá trị m và p cho mỗi tọa độ x (p  x  c):

+ Chia đƣờng cong trung bình nửa cánh bên phải ra thành 40 phần bằng nhau.

+ Áp dụng cơng thức (3-55) để tính đƣờng cong trung bình nửa cánh bên phải (đoạn từ p  hết chiều dài đoạn c).

  2 c 2 m y (1 2p 2px x ) 1 p     

Bƣớc 2: Tính độ dốc các tọa độ đƣờng cong trung bình

- Độ dốc các tọa độ nửa cánh bên trái (0  x  p) bằng cơng thức (3-56):

  c 2 dy 2m p x dx  p 

- Độ dốc các tọa độ nửa cánh bên phải (p  x  c) bằng cơng thức (3-57):

   c 2 dy 2m p x dx  1 p  

Bƣớc 3: Tính tốn phân bố độ dày phía trên (+) và phía dƣới (-) đƣờng cong

trung bình bằng các giá trị của t bằng cơng thức (3-58).

2 3 4 t t x x x x x y 0, 2969 0,126 0, 3516 0, 2843 0,1015 0, 2 c c c c c                                      Trong đĩ: t = 28,6 mm

Bƣớc 4: Cuối cùng xác định tọa độ cho bề mặt trên (xu, yu) và bề mặt dƣới