Từ biểu thức (3.15) ta có mômen tác dụng lên phân tố cánh tại bán kính r :
(3.17) Ta chia cánh quạt thành n phần, mỗi phần có độ dài là :
BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Page 49
Với . Vùng hoạt động của đĩa
Trong mỗi đoạn này coi như các chỉ số là không thay đổi. Và ta sẽ tính các hệ số dòng chảy à cho các đoạn từ đó cho ta công suất tổng của rotor cánh quạt
Hình 3.12. Phân đoạn chi tiết cánh
Tại bán kính hay
Mômen tác dụng lên đoạn cánh thứ i là :
(3.18) Công suất đoạn cánh thứ i là :
( ) ( ) (3.19) Xét tỷ số Với :
BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Page 50
Hiệu suất của rotor cánh quạt là :
∑
Qua tính toán thử nghiệm ta tính được:
Công suất của cánh quạt rotor là :
(3.20)
Với các thông số cánh như trên ta có công suất trên trục roto khi làm việc ở tốc độ gió max 20 m/s có vận tốc quay là 45 rad/s:
P =0,5.0,514.1,225. . = 39893 W =39,893 (KW) Momen xoắn của cánh quạt rotor là: T = =748 kNm=748 kNm
Dựa vào bài toán trên ta cũng có thể khảo sát hệ số công suất theo tỉ số vận tốc đầu mũi , kết quả cho dưới theo bảng dưới đây
4 75% trên cánh có thất tốc 5 10% trên cánh có thất tốc, 0,440 6 0,514 7 0,507 8 0,481 9 0,447 10 0,400 11 0,336 12 0,246 13 0,092
BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Page 51
Hình 3.13. Đồ thị biểu diễn hệ số công suất theo tỉ số vận tốc đầu mũi
Hiệu suất rotor cánh quạt đạt giá trị max khi .
Hiện tượng thất tốc xảy ra trên làm giảm hệ số lực nâng và tăng chỉ số lực cản vì vậy việc tính hiệu suất rotor cánh với tỷ số vận tốc là rất khó xác định ( phải biết hệ số lực nâng và lực cản khi thất tốc). Nhưng do tăng hệ số lực cản sẽ làm hiệu suất rotor giảm rất nhanh. Có thể nói khi đường cong hiệu suất có độ dốc rất lớn và giá trị hiệu suất nhanh chóng chở về 0.
Khi lớn thì góc tới trên cánh sẽ giảm điều đó làm giảm tỷ số hơn thế nữa hệ số dòng chảy cũng tăng nhanh ( ) điều này làm giảm hiệu suất của rotor.
BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Page 52 3.3 Thiết kế cánh
3.3.1 Vật liệu
Trong kỹ thuật sản xuất cánh tuabin gió cũng như cánh máy bay, các vật liệu sau đây được coi là phù hợp:
- Nhôm, - Titan, - Thép,
- Vật liệu composite sợi thủy tinh, sợi cacbon và aramide, - Gỗ.
Các yếu tố quan trọng nhất được đánh giá đầu tiên là: - Trọng lượng cụ thể (g/cm3)
- Sức mạnh giới hạn (N/mm2) - Môđun đàn hồi (kN/m2)
- Phá sức mạnh liên quan đến trọng lượng cụ thể, chiều dài phá vỡ tính bằng (km)
- Mô đun đàn hồi liên quan đến trọng lượng cụ thể, (103 km) - Hệ số cho phép mệt mỏi sau khi 107 đến 108 chu kỳ tải (N/mm2).
Chi phí vật liệu, chi phí sản xuất và chi phí của sự phát triển có liên quan đáng kể. Vật liệu nhôm dùng trong sản xuất máy bay truyền thống có tính chất là vật liệu phù hợp, nhưng các kỹ thuật sản xuất thường được sử dụng là quá tốn kém. Do đó, chỉ có thể được xem xét nếu các cánh quạt có thể được lắp ráp từ bán thành phần. Titanium là một vật liệu quá đắt vì lý do chi phí. Sợi carbon là vật liệu tương đối phù hợp, quá trình xử lý của nó có thể được thực hiện rất hiệu quả nếu một phương pháp sản xuất thích hợp được sử dụng. Ngoài ra, tỷ lệ đại chúng thuận lợi đạt được bởi các sợi carbon có độ bền cao nên được xem xét. Do đó, sợi carbon gia cố bằng vật liệu composite có thể được coi là một vật liệu phù hợp với khả năng hoạt động của tuabin trong môi trường khí hậu nhiệt đới.
3.3.2 Tính toán tải trọng gió
Theo TCVN 2737 - 1995 Tải trọng gió gồm 2 thành phần tĩnh và động.
A. Thành phần
BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Page 53
Giá trị tiêu chuẩn thành phần tĩnh của tải trọng gió ở độ cao Z so với mốc chuẩn được xác định theo công thức :
W = Wo. k . c (3.21)
Trong đó :
+ Wo : giá trị áp lực gió theo bản đồ phân vùng
+ k : hệ số tính đến sự thay đổi của áp lực gió theo độ cao và dạng địa hình ( theo bảng 5, TCVN 2737 - 1995 )
+ c : hệ số khí động, xác định ( theo bảng 6, TCVN 2737 - 1995 ) - Hệ số tin cậy của tải trọng gió lấy bằng 1,2
b. Thành phần động
Khi xác định áp lực mặt trong Wi cũng như khi tính toán nhà nhiều tầng cao dưới 40m, hoặc nhà công nghiệp 1 tầng cao dưới 3,6m với tỷ số độ cao trên nhịp nhỏ hơn 1,5, xây dựng ở địa hình dạng A và B ( địa hình trống trải và tương đối trống trải theo điều 6.5 của TCVN 2737-1995 ) : không cần tính đến thành phần động của tải trọng gió.
B. Phân vùng theo áp lực gió Wo
a. Theo áp lực gió, lãnh thổ Việt Nam được phân thành các vùng : IA, IIA, IIB, IIIA, IIIB, IVB, VB
Vùng Ảnh hưởng bão Áp lực gió Wo (daN/m
2) ( daN/m2 = kg/m2 )
I A Không
65
( Vùng núi, đồi, đồng bằng, thung lũng ) 55 ( Các vùng còn lại ) II A II B Yếu Khá mạnh 83 95 III A Yếu 110
BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Page 54
III B Mạnh 125
IV B Rất mạnh 155
V B Rất mạnh 185
Bảng 10. Phân vùng theo áp lực gió Wo
Ghi chú :
+ Khu vực IA : gồm các tỉnh vùng rừng núi phía Bắc như: Cao Bằng, Hà Giang, Lai Châu, Lạng Sơn, Lào Cai, Sơn La, Tuyên Quang, Yên Bái ; Các tỉnh vùng cao nguyên Trung Bộ như Công Tum, Gia Lai, Đắc Lắc, Lâm Đồng, Đồng Nai ; Các tỉnh phía Tây Nam Bộ như An Giang, Đồng Tháp ...
+ Khu vực II A : gồm thành phố Hồ Chí Minh, Khánh Hòa và các tỉnh miền Đông Nam Bộ như : Bà Rịa - Vũng Tàu, Long An, Bến Tre, Tiền Giang, Sóc Trăng, Trà Vinh, Vĩnh Long, Cần Thơ, Bạc Liêu, Cà Mau ...
+ Khu vực II B : gồm thành phố Hà Nội, các tỉnh Bắc Giang, Bắc Ninh, Hà Tây và một số vùng phụ cận Hà Nội như : Hải Dương, Hưng Yên, Hòa Bình, Vĩnh Phúc, Phú Thọ...; một số vùng đồng bằng các tỉnh miền Trung như Quảng Trị, Thừa Thiên - Huế, Quảng Nam, tp Đà Nẵng, Quảng Ngãi...
+ Khu vực III B : gồm một số vùng của các tỉnh đồng bằng Bắc Bộ như Hải Dương, Hưng Yên, Nam Định, Hà Nam, Ninh Bình, vùng đồng bằng Thanh Hóa, một số vùng ven biển của Quảng Ninh và các tỉnh miền Trung như Nghệ An, Quảng Bình, Quảng Trị, Thừa Thiên - Huế, Quảng Nam, Đà Nẵng, Quảng Ngãi, Phú Yên...
+ Khu vực IV B : gồm tỉnh Thái Bình, Hải Phòng và một số vùng ven biển Bắc Bộ và Trung Bộ như Nam Định, Hà Nam, Ninh Bình, Thanh Hóa, Hà Tĩnh...
+ Khu vực V B : là các khu vực ở ngoài hải đảo như quần đảo Hoàng Sa...
Đối với vùng ảnh hưởng của bão được đánh giá là yếu, giá trị của áp lực gió Wo được giảm đi 10kg/m2 đối với vùng I-A, 12kg/m2 đối với vùng II-A và 15kg/m2 đối với vùng III-A.
b. Công trình ở vùng núi và hải đảo có cùng độ cao, địa hình và ở sát các trạm quan trắc khí tượng có trong bảng trên thì giá trị áp lực gió tính toán được lấy theo trị số độc lập của trạm đó.
BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Page 55
c. Công trình xây dựng ở vùng có địa hình phức tạp ( hẻm núi, cửa đèo ... ) giá trị áp lực gió Wo phải lấy theo số liệu quan trắc tại hiện trường. Khi đó áp lực gió được tính theo công thức :
Wo = 0,0613 . Vo2
Trong đó Vo là vận tốc gió (m/s) ( vận tốc trung bình trong khoảng 3 giây, bị vượt trung bình 1 lần trong 20 năm ), ở độ cao 10m so với mốc chuẩn, tương ứng với địa hình dạng B (địa hình tương đối trống trải theo điều 6.5 TCVN 2737-1995).
Hệ số k kể đến sự thay đổi áp lực gió theo độ cao và dạng địa hình. Dạng địa hình. Độ cao Z A B C Dạng địa hình. Độ cao Z A B C 3 5 10 15 20 30 40 50 60 1,00 1,07 1,18 1,24 1,29 1,37 1,43 1,47 1,51 0,80 0,88 1,00 1,08 1,13 1,22 1,28 1,34 1,38 0,47 0,54 0,66 0,74 0,80 0,89 0,97 1,03 1,08 80 100 150 200 250 300 350 >400 1,57 1,62 1,72 1,79 1,84 1,84 1,84 1,84 1,45 1,51 1,63 1,71 1,78 1,84 1,84 1,84 1,18 1,25 1,40 1,52 1,62 1,70 1,78 1,84
Bảng 11. Hệ số k kể đến sự thay đổi áp lực gió theo độ cao và dạng địa hình.
Ghi chú :
- Địa hình dạng A : là địa hình trống trải, không có hoặc có rất ít vật cản cao không qúa 1,5m ( bờ biển thoáng, mặt sông hồ lớn, đồng muối, cánh đồng không có cây cao ... )
BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Page 56
- Địa hình dạng B : là địa hình tương đối trống trải, có một số vật cản thưa thớt cao không qúa 10m ( vùng ngoại ô ít nhà, thị trấn, làng mạc, rừng thưa hoặc rừng non, vùng trồng cây thưa ... )
- Địa hình dạng C : là địa hình bị che chắn mạnh, có nhiều vật cản sát nhau cao từ 10m trở lên ( trong thành phố, vùng rừng rậm ... )
Công trình được xem là thuộc dạng địa hình nào nếu tính chất dạng địa hình đó không thay đổi trong khoảng cách 30h khi h < 60m và 2km khi h > 60m tính từ mặt đón gió của công trình, h là chiều cao công trình.
Khu vực lắp đặt :Cửa Nam Triệu (Bạch Đằng),huyện Thủy Nguyên,TP Hải Phòng , thuộc khu vực IV B
Độ cao tháp tính từ mặt đất (chênh lệch 1,5 m so với mực nước biển) : 20 m
Áp dụng công thức (3.21),bảng số 3... Ta tính được áp dụng gió tác dụng trên 1 đơn vị diện tích cách quạt là:
W = Wo. k . c =155.1,2.0,8= 160 daN/ =1,6 kN/
3.3.3 Tính toán kiểm nghiệm chi tiết Cánh
Ứng dụng phần mềm Autodesk Inventor Professional 2012 vào công việc tính toán sức bền cho phân tố cánh.
Thiết lập các thông số cho việc tính toán. Vật liệu
Tên gọi Sợi cacbon
General
Mass Density 1,2 g/cm^3
Yield Strength 62,01 MPa
Ultimate Tensile Strength 68,9 MPa
Stress
Young's Modulus 2,275 GPa
Poisson's Ratio 0,38 ul
BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Page 57
Stress Thermal
Expansion Coefficient 0,0000675 ul/c Thermal Conductivity 0,137 W/( m K )
Specific Heat 1256,1 J/( kg c )
Bảng 12. Bảng vật liệu sản xuất cánh
Điều kiện hoạt động
Đặt lực Dạng tải trọng Áp lực không khí Độ lớn 1600,000 N Vector X 163,581 N Vector Y 1591,600 N Vector Z -7,217 N Bảng 13. Áp lực gió tác dụng lên cánh Chọn mặt
BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Page 58
BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Page 59
Ràng buộc cố định
Chọn mặt
Hình 3.15. Vị trí ràng buộc cánh với trục cánh
Kết quả tính toán
Phản ứng lực và Moment trên ràng buộc
Constraint Name
Reaction Force Reaction Moment
Magnitude Component (X,Y,Z) Magnitude Component (X,Y,Z)
Fixed Constraint:1 1600 N -58,7108 N 1673,8 N m 1671,06 N m -1598,89 N -60,971 N m 10,4814 N 73,9845 N m
BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Page 60
Kết quả tổng quan
Tên gọi Giới hạn nhỏ nhất Giới hạn lớn nhất
Thể tích 10360100 mm^3
Khối lượng 12,4322 kg
Von Mises Stress 0,0000835478 MPa 59,6682 MPa 1st Principal Stress -5,03477 MPa 62,4718 MPa 3rd Principal Stress -59,8151 MPa 8,11671 MPa
Displacement 0 mm 874,647 mm
Safety Factor 1,03925 ul 15 ul
Stress XX -33,2827 MPa 25,4587 MPa
Stress XY -17,964 MPa 9,78651 MPa
Stress XZ -12,9889 MPa 8,84515 MPa
Stress YY -38,4187 MPa 18,3483 MPa
Stress YZ -11,7346 MPa 21,0209 MPa
Stress ZZ -44,4055 MPa 58,6475 MPa
X Displacement -21,1749 mm 0,337459 mm Y Displacement -0,21719 mm 874,398 mm Z Displacement -9,45204 mm 9,29408 mm Equivalent Strain 0,0000000349342 ul 0,0243805 ul 1st Principal Strain -0,00000000078634 ul 0,0246954 ul 3rd Principal Strain -0,0245652 ul 0,0000000248296 ul Strain XX -0,00847078 ul 0,00581344 ul
BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Page 61 Strain XY -0,0108968 ul 0,00593643 ul Strain XZ -0,00787901 ul 0,00536541 ul Strain YY -0,0116493 ul 0,00897857 ul Strain YZ -0,00711814 ul 0,0127511 ul Strain ZZ -0,0157045 ul 0,022689 ul
Bảng 15. Tổng hợp kết quả kiểm nghiệm bền cánh
Số liệu hình ảnh
Ứng suất
BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Page 62
Ứng suất chủ yếu số 1
Hình 3.17. Ứng suất chủ yếu vị trí số 1
Ứng suất chủ yếu số 3
BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Page 63
Chuyển vị
Hình 3.19. Chuyển vị của cánh
Hệ số an toàn
BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Page 64
Biến dạng tương đương
Hình 3.21. Biến dạng của cánh
Biến dạng chủ yếu số 1
BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Page 65
Biến dạng chủ yếu số 3
BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Page 66 CHƯƠNG IV
HỘP DẪN ĐỘNG HÀNH TINH
4.1 Chọn hộp số & phân phối tỷ số truyền cho hộp hành tinh một cấp A103
4.1.1 Giới thiệu chung về hệ dẫn động hành tinh
Truyền động bánh răng hành tinh là truyền động bánh răng mà trong cơ cấu có ít nhất một bánh răng có trục quay di động đối với vỏ. Bánh răng có trục quay di động đối với vỏ trong quá trình làm việc được gọi là bánh vệ tinh. Khâu trên đó đặt bánh vệ tinh được gọi là cần và được kí hiệu bằng số 0. Khi làm việc cần quay hoặc có thể quay quanh một trục cố định gọi là trục chính. Các bánh răng ăn khớp với bánh vệ tinh và có trục trùng với trục chính được gọi là các bánh trung tâm. Các khâu có thể quay quanh trục chính và khi bộ truyền làm việc tiếp nhận tải trọng ngoài được gọi là các khâu cơ bản.
Truyền động hành tinh so với truyền động bánh răng thường có rất nhiều ưu điểm như: tỷ số truyền lớn, từ một trục chủ động có thể truyền năng lượng tới một số trục bị động với vận tốc góc thay đổi trong thời gian làm việc (như hệ dẫn động các bánh xe ô tô), khuôn khổ kích thước nhỏ gọn (chỉ bằng 1/3 hay 1/4 khối lượng của hệ dẫn động bánh răng thường có cùng công suất truyền dẫn hoặc có khi còn bé hơn nữa). Truyền động hành tinh còn dùng để tổng hợp chuyển động, sử dụng khá rộng trong máy cắt kim loại, trong hệ dẫn động điều chỉnh vô cấp, trong các thiết bị đo lường. Ngoài ra hệ dẫn động hành tinh còn có một số công dụng đặc biệt như:
Hệ hành tinh rất thích hợp trong công việc truyền công suất lớn giữa hai trục đồng trục với nhau.
Với hệ hành tinh cũng có thể thực hiện được truyền động theo một chiều (tải không thuận nghịch bằng cách lợi dụng hiện tượng tự hãm).
Truyền động bánh răng hành tinh có rất nhiều sự khác biệt so với truyền động bánh răng thường về mặt động học (tỷ số truyền), hiệu suất, phương pháp tính toán thiết kế.
Trong khuôn khổ đề tài khoa học, do thời gian nghiên cứu có hạn nên em chỉ đưa ra những sự khác biệt về phương pháp tính toán thiết kế một bộ truyền bánh răng hành tinh ứng với một sơ đồ và một chế độ làm việc cụ thể.
4.1.2. Phân phối tỷ số truyền cho hệ hành tinh 1 cấp
Cơ sở phân phối tỷ số truyền cho các cấp trong hệ Tỷ số truyền thực của hộp là:
6,97 Từ kí hiệu của sơ đồ A103 ta chọn sơ đồ cho hộp giảm tốc như sau:
BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Page 67
Hình 1:Sơ đồ hệ dẫn động hành tinh kiểu