5. í nghĩa
4.3.Vật liệu chế tạo cỏnh turbine giú
Cỏnh là bộ phận trực tiếp tƣơng tỏc với giú, vỡ vậy vật liệu chế tạo cỏnh turbine cần đảm bảo đƣợc độ bền, độ ổn định và tớnh thẩm mĩ cho cỏnh. Vật liệu chế tạo cỏnh turbine cú rất nhiều loại, nhƣ cỏc loại thộp hợp kim, vật liệu tổng hợp. Ngày nay, với khoa học kỹ thuật phỏt triển chỳng ta cú rất nhiều loại vật liệu mới để chế tạo cỏnh, trong đú vật liệu composite đƣợc cỏc nhà khoa học sử dụng chế tạo cỏnh rất hiệu quả.
Từ thời xa xƣa khi thiết kế cỏnh turbine thỡ việc đầu tiờn cỏc nhà khoa học quan tõm là xem xột vật liệu chế tạo cho cỏnh là gỡ? Thuộc tớnh vật liệu sử dụng cỏnh quyết định phần lớn phƣơng phỏp thiết kế và sản xuất cỏnh. Ngƣợc lại, việc thiết kế phụ thuộc vào vật liệu sử dụng nờn hỡnh thành cỏc chỉ tiờu yờu cầu kỹ thuật cho việc lựa chọn vật liệu chế tạo cỏnh turbine. Núi cỏch khỏc, việc lựa chọn vật liệu cỏnh, cỏc khỏi niệm thiết kế và phƣơng phỏp sản xuất, năng suất lao động khụng thể xem xột một cỏch độc lập, riờng lẻ mà cần phải xem xột một cỏch tổng thể tất cả cỏc yếu tố cú ảnh hƣởng tới quỏ trỡnh hoạt động của cỏnh turbine.
Một số vật liệu đƣợc cỏc phũng thớ nghiệm kỹ thuật quan tõm, nhƣ: - Nhụm
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
Vật liệu Thụng số
- Thộp
- Gỗ
- Vật liệu sợi composite (sợi thủy tinh, sợi cỏc bon và sợi aramide) Cỏc thuộc tớnh quan trọng của vật liệu đƣợc đỏnh giỏ nhƣ sau:
- Khối lƣợng riờng (g/cm3) - Giới hạn độ bền (N/mm2) - Modulus đàn hồi (KN/m2)
- Độ bền cắt trờn khối lƣợng riờng, gọi là độ nứt dài
- Modulus đàn hồi tƣơng đối cho khối lƣợng riờng (103km) - Độ bền mỏi cho phộp từ 107
đến 108 (N/mm2) (cú tải)
Vật liệu chế tạo cỏnh turbine cú ảnh hƣởng nhất định đến giỏ thành của sản xuất và cụng nghệ chế tạo cỏnh.
Bảng tổng hợp dƣới đõy cho ta thấy cỏc thụng số kỹ thuật của một số loại vật liệu:
Khối lượng riờng γ (g/cm3) Giới hạn độ bền σB (N/mm2) Mudulus đàn hồi E (kN/mm2 ) Độ bền cắt trờn khối lượng riờng σB/ γ (km) Modulus đàn hồi trờn khối lượng riờng E/ γ (103 km) Giới hạn mỏi ± σA (107N/mm2) Thộp Ts 52 7.85 520 210 6.6 2.7 60 Thộp hợp lim húa 1.7735.4 7.85 680 210 8.7 2.7 70 Nhụm AlZnMgCu 2.7 480 70 18 2.6 40 Nhụm AlMg5 2.7 236 70 8.7 2.6 20 Hợp kim Ti 3.7164.1 4.5 900 110 20 2.4 Composite sợi thủy tinh/nhựa 1.7 420 15 24.7 0.9 35 Composite sợi Cordbon/nhựa 1.4 550 44 39 3.1 100 Composite sợi Aramide/nhựa 1.25 450 24 36 1.9 Gỗ 0.38 ~65 ~8 ~17 ~2.1 ~20 Gỗ/nhựa 0.58 ~75 ~11 ~13 ~1.9 ~35
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
Nhụm là vật liệu cú nhiều thuộc tớnh thƣờng đƣợc làm cỏnh mỏy bay, nhƣng vật liệu này lại đắt tiền. Nhụm đó đƣợc sử dụng chế tao cỏnh turbine ở Trung Quốc.
Titanium là vật liệu đắt tiền. Việc chế biến titanium đƣợc đỏnh giỏ là khú và đắt tiền, nờn titanium thƣờng ớt đƣợc sử dụng làm vật liệu chế tạo cỏnh turbine.
Sợi carbon cũng rất đắt tiền, nếu phƣơng phỏp sản xuất thớch hợp thỡ chế biến sợi carbon mang lại lợi nhuận rất cao. Một ƣu thế của sợi carbon là độ bền cao nờn sợi này đƣợc sử dụng rộng rói. Nhất là vật liệu composite cú cốt sợi carbon đƣợc xem xột ứng dụng rộng rói trong tƣơng lai. Ngày nay, ngƣời ta thƣờng sử dụng vật liệu composite cú cốt sợi là carbon và thủy tinh để chế tạo cỏnh turbine.
Vỡ một số vật liệu đắt tiền rất đắt tiền nhƣng cú cỏc đặc tớnh vƣợt trội, nờn ngƣời ta lựa chọn cỏc vật liệu đa hợp cú cốt bao gồm cỏc sợi nhụm, thộp, carbon và sợi thủy tinh gọi là vật liệu đa hợp GFRP. Gần đõy, ngƣời ta kết hợp sợi thủy tinh và sợi carbon hoặc gỗ và nhựa epoxy để tạo thành vật liệu đa hợp phự hợp với yờu cầu của cỏnh turbine.
Vật liệu sợi là vật tƣ kỹ thuật cú tầm quan trọng sống cũn của nhõn loại trong sản xuất và đời sống ....Từ loại sợi thảo mộc, vỏ, xơ của cỏc loại cõy cỏ, dõy leo, con ngƣời tiến đến dựng sợi sinh vật rất quan trọng là tơ tằm. Sợi kim loại và sợi đa phõn tử (polimer) dần dần phong phỳ hơn và thay thế cho cỏc sợi từ sinh vật.
Sợi thuỷ tinh ra đời, cú độ bền chắc gấp từ 7 đến 16 lần sợi thộp cựng kớch cỡ, và sau đú là sợi carbone với cỏc tớnh năng ƣu việt nhƣ: cỏch điện, cỏch nhiệt, chịu đƣợc hoỏ chất, chịu lực hàng trăm lần sắt thộp ... đó lờn tiếng thỏch thức cỏc loại vật liệu sợi khỏc trƣớc nú.
Vật liệu tổ hợp (composite) là một loại vật liệu đƣợc nghiờn cứu và ứng dụng rộng rói nhất trong 10 năm trở lại đõy. Do những đặc tớnh ƣu việt của chỳng mà ngày nay ngƣời ta sử dụng vào hầu hết cỏc lĩnh vực cụng nghiệp và đời sống. Vật liệu tổng hợp đƣợc chia thành nhiều nhúm loại khỏc nhau, tuỳ thuộc vào chất phụ gia tăng cƣờng. Nhƣng loại vật liệu tổ hợp đƣợc tăng cƣờng bằng cốt sợi là cú ý nghĩa kinh tế kỹ thuật rất cao.
Những turbine giú sản xuất từ những năm 1980 cho đến cuối những năm 1990 chủ yếu sử dụng cỏc thành phần cơ bản, sau thời kỳ đú những thành phần đặc
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
biệt bắt đầu đƣợc thiết kế và sản xuất cho cỏnh turbine. Một trong số những giải phỏp tốt nhất đang sử dụng đú là nguyờn liệu composite trong chế tạo turbine giú.
Ngày nay việc sử dụng vật liệu composite trong cỏnh turbine cú vai trũ hết sức quan trọng, nú đũi hỏi vật liệu phải cú yờu cầu cao về tớnh chất vật lý, thành phần húa học,..v..v..để turbine cú thể làm việc đƣợc trong điều kiện khắc nghiệt ngoài trời (khụng cú che chắn để bảo vệ ) và chịu đƣợc tải trọng lớn.
Vật liệu composite nền nhựa cốt sợi thủy tinh:
Sợi thủy tinh- nguyờn tố chủ đạo thuỷ tinh là silic, chiếm một tỷ lệ lớn trong cỏt trắng. Sự tồn tại cỏc phõn tử chất lạ trong nguyờn liệu sẽ làm cho thuỷ tinh cú những màu sắc và tớnh chất rất khỏc, cú lợi cũng nhƣ cú hại. Để đảm bảo kỹ thuật, nhà sản xuất phải lọc thuỷ tinh thành thuỷ tinh siờu sạch bằng ly tõm hay bằng cỏch nung nguyờn liệu với chất hấp thụ là Creolite hay Diatomic, núi cỏch khỏc là làm giàu silic trong nguyờn liệu rồi mới phối hợp với cỏc “nguyờn tố lạ”.
- Thuỷ tinh siờu sạch đƣợc gọi là thạch anh, cho phộp tất cả cỏc bƣớc súng quang học đi qua, và là cơ sở chế tạo cỏc linh kiện thiết bị quang học (mỏy chụp hỡnh, kớnh viễn vọng v.v....) tốt nhất.
- Cú chỡ (Pb) thỡ chiết suất thuỷ tinh tăng lờn nhiều lần nờn úng ỏnh và bắt sỏng nhƣ kim cƣơng và đƣợc gọi là pha lờ, thờm bạc (Ag) thỡ hiệu ứng phản xạ toàn phần đƣợc xỏc lập và dựng trong cụng nghệ cỏp quang. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Cú mặt cỏc phõn tử oxit sắt (FeO) và lƣu huỳnh (S), thuỷ tinh sẽ giũn và dễ vỡ. Cú canxi (Ca) thỡ tớnh dễ vỡ càng tăng lờn, nhƣng mảnh vỡ lại khụng cú cạnh sắc, tạo ra đƣợc loại thuỷ tinh “hạt lựu” (loại thuỷ tinh này khi vỡ sẽ tan thành những mảnh nhỏ nhƣ hạt lựu, khụng sắc bộn nờn khú gõy thƣơng tớch cho ngƣời sử dụng, thƣờng đƣợc chế tạo làm kớnh chắn giú của xe ụ tụ).
- Khi cú mặt nhụm (Al) thỡ thuỷ tinh dẻo dai, chịu đƣợc uốn cong, thờm cobalt (Co) thỡ thuỷ tinh dễ dàng kộo sợi, sau đú là se xoắn hay dệt, dựng làm cỏp chịu lực, hay kết hợp với kevlar làm ỏo giỏp chống đạn.
- Cú germanium (Ge) thỡ thuỷ tinh (siờu sạch – tinh thể) lại xuất hiện tớnh năng dị kỳ : bỏn dẫn, và là cơ sở của chế tạo linh kiện bỏn dẫn của cụng nghiệp điện tử, cho đến vi mạch mỏy tớnh điện tử.
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
- Cú Molipdenn (Mo) và Chrụme (Cr) thỡ thuỷ tinh ngăn chặn đƣợc tia tử ngoại, thờm Paladium thỡ chặn cả phúng xạ nguyờn tử.
- Nấu thuỷ tinh trong xỳt (NaOH) 34 Be ở nhiệt độ 1270C vài giờ sau thỡ thuỷ tinh thành thể lỏng (thuỷ tinh lỏng). Xử lý bằng hơi Fluoric Acid trong điều kiện siờu tĩnh (chống rung động trờn bể thuỷ ngõn) thỡ thuỷ tinh lỏng kết tinh thành tinh thể lỏng, là vật liệu chế tạo bề mặt cho đồng hồ, mỏy tớnh ... Một ớt vi lƣợng Phosphor oxyd 2,3,4 và Chrome Oxyd 2,3, cho phộp tinh thể lỏng đổi màu theo điều kiện điện ỏp và là cơ sở của màn hỡnh màu tinh thể lỏng.
Hỡnh 4.14. Sợi thủy tinh
Sợi thủy tinh thƣờng sử dụng trong cỏnh turbine giú cú hai kiểu chớnh đú là E- glass và S+R glass.
- Nhựa epoxy là loại nhựa cú nhiều ƣu điểm tốt và đƣợc sử dụng rộng rói để chế tạo vật liệu composite nhƣ cú tớnh ổn định hoỏ học, bền hoỏ chất, cú tớnh cơ học cao, nú cú độ bỏm dớnh cao với nhiều loại cốt, tiện lợi khi xử lý cụng nghệ, tạo dỏng cỏc kết cấu và cú thể giữ lõu ở trạng thỏi chƣa đúng rắn, tiện lợi cho việc chế tạo kết cấu và cỏc bỏn thành phẩm.
Việc sử dụng nhựa epoxy trờn nền cốt sợi thuỷ tinh làm tăng tớnh bền cơ học lờn đỏng kể và rất thớch hợp để chế tạo thiết bị chống ăn mũn hoỏ chất.
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
Qua nghiờn cứu đó lựa chọn đƣợc hai loại nhựa Epoxy: EP- 3 và EP- 4 trong số 5 loại epoxy cú trờn thị trƣờng, cú khối lƣợng phõn tử trung bỡnh, độ nhớt và cỏc chỉ số hoỏ học thớch hợp cho yờu cầu đề tài.
Kết luận
Căn cứ vào đặc điểm, yờu cầu cỏnh turbine mà đề tài thiết kế và tham khảo cỏc tài liệu cú đƣợc, tỏc giả lựa chọn vật liệu composite nền nhựa cốt sợi thủy tinh (E = 39,1GPa) để chế tạo cỏnh turbine.
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
CHƢƠNG 5
KẾT LUẬN CHUNG 5.1 Kết quả luận văn đó đạt được
- Xỏc định đƣợc hệ số chuyển đổi năng lƣợng giú thành cơ năng khi giú đi qua turbine.
- Xỏc định đƣợc quan hệ giữa vận tốc giú và cụng suất turbine.
- Xỏc định đƣợc hệ số cản lực của của cỏnh turbine khi cú giú tỏc động - Xỏc định đƣợc gúc đặt cỏnh hợp lý để turbine đạt cụng suất tối đa. - Xỏc định đƣợc kớch thƣớc chiều cao và đƣờng kớnh rotor, chiều dài dõy cung cỏnh turbine cho mỏy phỏt điện bằng sức giú cụng suất 3kw.
- Xỏc định đƣợc quy luật đƣờng giú di chuyển qua cỏc cỏnh turbine. - Luận văn là nguồn tài liệu cho cỏc đề tài khỏc liờn quan tham khảo