THIẾT KẾ CÁNH TURBINE MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ KIỂU TRỤC ĐỨNG 10KW
3.6. VẬT LIỆU CÁNH TURBINE
Do đặc trưng về điều kiện làm việc của turbine gió là ở ngoài trời, bộ phận cánh không được che chắn, hơn nữa là cánh làm việc được dưới sự tác động của vận tốc gió. Vì vậy yêu cầu vật liệu dùng để chế tạo cánh turbine phải đảm bảo bền ở điều kiện ngoài trời, cứng vững dưới tác dụng của gió và nhẹ để giảm công hao phí tới mức tối đa, thêm vào đó là yêu cầu làm sao cho chi phí về vật liệu và chế tạo đạt mức thấp nhất có thể.
Trong quá trình nghiên cứu và chế tạo cánh turbine, đã có rất nhiều loại vật liệu khác nhau được dùng để chế tạo cánh turbine. Vật liệu tổ hợp, còn gọi là vật liệu composite là một loại vật liệu được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi nhất vào hầu hết các lĩnh vực công nghiệp và đời sống trong những năm gần đây. Vật composite tuỳ thuộc vào chất phụ gia tăng cường mà được chia thành nhiều nhóm loại khác nhau.
Vật liệu composite là vật liệu tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhau tạo lên vật liệu mới có tính năng hơn hẳn các vật liệu ban đầu, khi những vật liệu này làm việc riêng rẽ. Mỗi vật liệu composite gồm một hay nhiều pha gián đoạn được phân bố trong một pha liên tục duy nhất (Pha là một loại vật liệu thành phần nằm trong cấu trúc của vật liệu composite.) Pha liên tục gọi là vật liệu nền (matrix), thường làm nhiệm vụ liên kết các pha gián đoạn lại. Pha gián đoạn được gọi là cốt hay vật liệu tăng cường (reinforcement) được trộn vào pha nền làm tăng cơ tính, tính kết dính, chống mòn, chống xước ... Ưu điểm chính của vật liệu composite là khả năng đạt độ cứng vững khi làm việc ở tốc độ cao, chống chịu được điều kiện làm việc ngoài trời không được che chắn.
Coposite sử dụng trong cơ khí chế tạo máy là loại vật liệu tổ hợp được tăng cường bằng cốt sợi như sợi thủy tinh, sợi thủy tinh dệt kim, nhựa epoxy graphit và nhựa epoxy bo…
Đa số cánh turbine gió được làm bằng sợi thủy tinh cốt thép với vật liệu nền là polyme nhiệt rắn như: Nhựa polyester và nhóm nhựa cô đặc như: nhựa phenol, nhựa furan, nhựa amin, nhựa epoxy. Loại vật liệu composite sử dụng vật liệu nền
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
là gỗ keo epoxy hoặc vật liệu khác cũng có thể được sử dụng tuy nhiên không được dùng phổ biến. Một số cánh turbine được làm bằng vật liệu composite sợi kim loại như thép hoặc nhôm, tuy nhiên những loại vật liệu này nặng hơn vật liệu composite sợi thủy tinh do đó sẽ làm tăng công hao phí của turbine trong quá trình làm việc. Cánh turbine dài có thể được làm bằng sợi Cacbon composite, loại vật liệu này còn được dùng để cấu trúc lại loại cánh làm bằng sợi thủy tinh với mục đích giảm diện tích và tăng độ cứng vững. Tuy nhiên dùng loại vật liệu này lại yêu cầu tăng độ chính xác và chi phí khi chế tạo.
Thừa hưởng kết quả của tài liệu [12] sau khi tác giả đã tiến hành tạo FEM cho cánh gồm 124,042 đoạn, 55,044 nút, 327 vùng mắt lưới và sử dụng phương pháp tính toán phần tử hữu hạn bằng phần mềm Anasyc đã khảo sát bốn mẫu vật liệu composite là các loại vật liệu cho ở bảng 3.8.
Bảng 3.8. Vật liệu dự kiến chọn làm cánh turbine
Vật liệu Mô đun đàn hồi
[GPa] Khối lƣợng riêng [kg/m3]
Sợi Kevlar
149 179 1470
Sợi Technora 70 1390
Sợi thủy tinh
E 76 2540
Sợi thủy tinh
S 88 2540
Kết quả khảo sát đưa ra kết luận chọn vật liệu sợi Technora. Đây là vật liệu composite thuộc loại Aramid ; viết tắt của “aromatic polyamide” (polyamide có chứa vòng thơm). Sợi aramid là sợi nhân tạo chất lượng cao. Phân tử aramid
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
là mạch polymer cứng, liên kết nhau bằng liên kết hydro rất mạnh nên truyền ứng suất cơ rất tốt. Technora là sợi tổng hợp giữa para-aramid và copolyamid vòng thơm, nổi bật cơ tính, kháng nhiệt và hóa chất như axit và kiềm.
Sợi technora có một số tính chất nổi bật so với các loại sợi tổng hợp khác:
Độ bền cao.
Kháng mài mòn tốt.
Kháng dung môi hữu cơ.
Kháng dẫn (điện, nhiệt)
Không nóng chảy (chỉ bắt đầu phân hủy ở 5000C)
Cháy chậm.
Ổn định hình dạng ở nhiệt độ cao.
Sợi technora có các tính chất độc đáo này là do kết hợp: - Mạch polymer cứng
- Kết tinh định hướng cao.
- Tương tác giữa các mạch phân tử là liên kết hydro nên rất liên kết giữa các mạch phân tử rất chặt chẽ.
3.7. KẾT LUẬN
- Qua phân tích đã lựa chọn được kiểu cánh thẳng để sử dụng cho máy phát điện sức gió kiểu trục đứng 10 KW. Loại cánh thẳng này có khả năng tự điều chỉnh hướng gió, chế tạo đơn giản.
- Với loại cánh thẳng, từ việc phân tích đó mở ra là số cánh tối ưu sẽ lựa chọn trong khoảng từ 3 đến 5 cánh.
- Đã tính toán xác định được véc tơ vận tốc tác dụng lên turbine 5 cánh, 4 cánh và 3 cánh và tỷ số tốc độ ứng với từng turbine đó.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
- Việc tính toán lựa chọn số cánh tơi ưu dựa trên nguyên tắc với cùng điều kiện làm việc, cùng kích thước cánh và vận tốc gió, số cánh tối ưu là số cánh sao cho chi phí chế tạo cánh (tính bằng VN đồng ) trên một đơn vị công suất tạo ra (KW) là nhỏ nhất.
- Phần cuối chương đã tiến hành tính toán lựa chọn số cánh tối ưu cho máy phát điện sức gió kiểu trục đứng 10 KW. Thêm vào đó, kích thước cánh, vật liệu làm cánh được xác định:
+ Số cánh tối ưu của máy phát điện sức gió kiểu trục đứng 10 KW là 5. + Các kích thước của máy phát điện sức gió kiểu trục đứng 10 KW là như sau: h = 2,4m ; b = 0,72m.
+ Để đảm bảo khả năng làm việc cũng như tuổi thọ cánh khi làm việc ngoài trời, vật liệu của cánh máy phát điện sức gió kiểu trục đứng 10 KW có thể lựa chọn là vật liệu sợi Technora.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Phần 4: