Luận văn Nghiên cứu, tính toán và thiết kế cơ cấu dẫn động điều khiển góc cánh turbine gió kiểu trục đứng cho máy phát điện công suất 10kW
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
---------------------------------------
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY
NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ CẤU
DẪN ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN GÓC CÁNH TURBINE
GIÓ KIỂU TRỤC ĐỨNG CHO MÁY PHÁT ĐIỆN
CÔNG SUẤT 10KW
GIANG NGỌC THANH
THÁI NGUYÊN, 2010
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
---------------------------------------
GIANG NGỌC THANH
NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ CẤU
DẪN ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN GÓC CÁNH TURBINE
GIÓ KIỂU TRỤC ĐỨNG CHO MÁY PHÁT ĐIỆN
CÔNG SUẤT 10KW
CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
HỌC VIÊN
Giang Ngọc Thanh
KHOA ĐÀO TẠO SĐH
BGH TRƯỜNG ĐHKTCN
PGS.TS. Nguyễn Đăng Hòe
Thái Nguyên, 2010
LỜI CAM ĐOAN
Tôi là Giang Ngọc Thanh - Học viên cao học lớp K11- Công nghệ chế tạo máy
(khóa học 2008 - 2010) tại trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái
Nguyên.
Sau hai năm học tập, rèn luyện và nghiên cứu tại trường tôi lựa chọn thực hiện
đề tài tốt nghiệp “Nghiên cứu, tính toán và thiết kế cơ cấu dẫn động điều khiển góc
cánh turbine gió kiểu trục đứng cho máy phát điện công suất 10KW”.
Được sự hướng dẫn và giúp đỡ tận tình của PGS. TS Nguyễn Đăng Hoè và sự
nỗ lực của bản thân, đề tài đã được hoàn thành năm 2010.
Tôi cam đoan các số liệu và kết quả nêu trong luận văn này là do tự bản thân
tôi thực hiện, không sao chép của người khác và chưa từng được ai công bố trong bất
kỳ một công trình nào khác. Trừ các phần tham khảo đã được nêu rõ trong Luận
văn. Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.
Thái Nguyên, ngày 03 tháng 11 năm 2010
Tác giả
Giang Ngọc Thanh
LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian học tập, rèn luyện và nghiên cứu tại trường Đại học Kỹ thuật
Công nghiệp Thái Nguyên, tác giả xin được bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc nhất tới thầy
giáo hướng dẫn khoa học PGS. TS Nguyễn Đăng Hoè - Phó hiệu trưởng trường Đại
học kỹ thuật công nghiêp - Đại học Thái Nguyên đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ và tạo
điều kiện để tôi thực hiện hoàn chỉnh luận văn tốt nghiệp.
Cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đai học
Sư phạm - Đại học Thái Nguyên và trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tận tình
giảng dạy trong hai năm học vừa qua.
Cảm ơn Lãnh đạo UBND tỉnh Thái Nguyên, Ban lãnh đạo Sở Công Thương
Thái Nguyên và các phòng ban chức năng của Sở Công Thương Thái Nguyên (số 4 -
đường Cách mạng tháng tám - thành phố Thái Nguyên - tỉnh Thái Nguyên) đã tạo mọi
điều kiện để tôi thực hiện và hoàn thành khóa học này.
Cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã động viên, giúp đỡ tôi trong thời
gian qua để luận văn được hoàn thành đúng tiến độ.
Do năng lực bản thân còn nhiều hạn chế nên Luận văn không tránh khỏi sai sót,
tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các Thầy, Cô giáo, các nhà khoa
học và các bạn đồng nghiệp.
Thái Nguyên, ngày 03 tháng 11 năm 2010
Tác giả
Giang Ngọc Thanh
-tnu.edu.vn
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.................................................................................. 2
Chƣơng 1. GIỚI THIỆU.......................................................................................... 4
1.1. Đặt vấn đề ......................................................................................................... 4
1.3. Tính cấp thiết của đề tài.................................................................................. 10
1.4. Mục tiêu và ý nghĩa nghiên cứu...................................................................... 11
1.5. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .................................................................. 11
1.6. Các kết quả chính............................................................................................ 12
1.7. Cấu trúc luận văn ............................................................................................ 12
Chƣơng 2.CÁC VẤN ĐỀ CƠ SỞ.......................................................................... 14
2.1. Cơ sở tính toán lực khí động........................................................................... 14
2.1.1. Lý thuyết Albert Betz............................................................................... 14
2.2. Một số dạng kết cấu VAWTs điển hình ......................................................... 19
2.2.1. Kiểu VAWT cánh cố định........................................................................ 19
3.1. Nguyên lý hoạt động của turbine.................................................................... 32
3.2. Phân tích lực khí động .................................................................................... 32
3.3. Kết luận chương 3........................................................................................... 41
GÓC CÁNH TURBINE......................................................................................... 43
4.2. Phân tích động học cơ cấu .............................................................................. 45
4.3.1. Tính số bậc tự do...................................................................................... 46
4.5. Kết luận chương 4........................................................................................... 61
KẾT LUẬN ............................................................................................................. 62
TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................... 64
-tnu.edu.vn
- 1 -
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT
HAWTs hệ turbine gió kiểu trục ngang.
VAWTs hệ turbine gió kiểu trục đứng.
U
Vận tốc thực của gió (m).
Trọng lượng riêng của không khí (kg/m3).
Chiều rộng cánh turbine (m).
Chiều cao cánh turbine (m).
Bán kính Rotor (m).
b
h
r
P
Công suất (W).
M
C
Mômen (Nm).
Hệ số nâng.
Cd
S
Hệ số cản (drag coefficient).
Diện tích cánh (m2).
Diện tích quét của cánh turbine (m2).
Góc xoay cánh turbine (độ).
Áp lực (N).
A
F
i
Góc tới (độ).
Góc nâng (độ).
g
Gia tốc trọng trường (9.81m/s2).
Vận tốc tương đối (m).
Vận tốc góc (rad/s).
W
Cp
Cm
n
Hệ số công suất.
Hệ số mômen.
Số vòng quay (vòng/giây)
-tnu.edu.vn
- 2 -
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1
Hình 1.2
Hình 1.3
Hình 2.1
Hình 2.2
Hình 2.3
Hình 2.4
Hình 2.5
Hình 2.6
Hình 2.7
Hình 2.8
Hình 2.9
Hình 2.10
Hình 2.11
Hình 2.12
Hình 2.13
Hình 2.14
Hình 2.15
Hình 3.1
Cấu tạo bộ dẫn động cơ khí của turbine gió trục ngang
Hình ảnh vận chuyển cánh turbine gió trục ngang ở nước Anh.
Hệ thống turbine gió trục đứng có biên dạng cánh phức tạp
Khí động học cánh Rotor
Lực khí động học cánh turbine
Turbine kiểu dạng chén
Turbine kiểu Darrieus và các dạng cải tiến của nó
Lực khí động học trên phần tử cánh Turbine Darrieus/H.rotor
Turbine kiểu Savonius
Rotor dạng tấm phẳng bán hành trình
Hệ thống cyclogyro
Hệ thống Lagarde
Hệ thống kiểu đĩa
Hệ thống Novel Vertical Axis Wind Turbine
Cấu tạo của Novel VAWT
Sơ đồ nguyên lý hoạt động
Vị trí cánh trong chu kỳ sinh công của turbine
Vị trí cánh trong chu kỳ không sinh công của turbine
Vị trí cánh trong chu kỳ sinh công (trái) và chu kỳ sinh công
(phải)
Hình 3.2
Hình 3.3
Gió tác động lên cánh
Các thành phần lưc
F
và Fd tác dụng lên cánh
l
Hình 3.4
Các thành phần lực tiếp tuyến và pháp tuyến ở nửa bên phải.
-tnu.edu.vn
- 3 -
Hình 3.5
Hình 3.6
Hình 3.7
Hình 3.8
Hình 3.9
Hình 4.1
Hình 4.2
Hình 4.3
Hình 4.4
Hình 4.5
Hình 4.6
Hình 4.7
Hình 4.8
Hình 4.9
Hình 4.10
Hình 4.11
Hình 4.12
Hình 4.13
Hình 4.14
Hình 4.15
Hình 4.16
Hình 4.17
Hình 4.18
Hình 4.19
Hình 4.20
Hình 4.21
Lực tác dụng lên rotor tại vị trí 1.
Lực tác dụng lên rotor tại vị trí 2.
Lực tác dụng lên rotor tại vị trí 3.
Lực tác dụng lên rotor tại vị trí 4.
Quan hệ giữ a Cm, Cl, và góc tới của cánh NACA 0010-65
Vị trí cánh trong chu kỳ sinh công của turbine
Vị trí cánh trong chu kỳ không sinh công của turbine
Sơ đồ cơ cấu điều khiển/ dẫn động góc xoay cánh turbine
Sơ đồ nguyên lý cơ cấu điều khiển/ dẫn động
Phân tích chiều chuyển động của các bánh răng
Kích thước tổng thể cơ cấu điều khiểngóc xoay cánh
Ổ lăn
Bánh răng Z9
Bánh răng Z10
Bánh răng Z1
Bánh răng Z2
Bánh răng Z16
Bánh răng Z17
Chi tiết trục
Giá đỡ ổ lăn số 5, 8
Giá đỡ ổ lăn số 11, 15
Chi tiết số 3
Chi tiết số 18
Cụm chi tiết số 19
Các chi tiết thuộc cụm chi tiết số 19
Hình ảnh mô phỏng cơ cấu điều khiển 5 cánh turbine.
-tnu.edu.vn
- 4 -
Chƣơng 1
GIỚI THIỆU
1.1. Đặt vấn đề
Hiện nay, trong số các nguồn năng lượng mới, năng lượng bằng sức gió
phát triển nhanh nhất trên thế giới vì nguyên liệu dồi dào, rẻ tiền, dễ áp dụng,
sạch và không làm hại môi trường. Các máy phát điện lợi dụng sức gió (trạm
phong điện) đã được sử dụng nhiều ở các nước châu Âu, Mỹ và các nước công
nghiệp phát triển khác. Đức đang dẫn đầu thế giới về công nghệ phong điện.
Hiện tại, các trạm phong điện trục ngang (gồm một máy phát điện có trục
quay nằm ngang với turbine 3 cánh đón gió) đang được sản xuát và sử dụng phổ
biến hơn nhiều so với các trạm phong điện trục đứng (gồm một máy phát điện
có trục quay thẳng đứng với các cánh đón gió đặt thẳng đứng). Hiện có các loại
máy phát phong điện với công suất rất khác nhau, từ vài trăm W tới hàng MW.
Các trạm phong điện có thể hoạt động độc lập hoặc cũng có thể nối với mạng
điện quốc gia. Các trạm phong điện có thể phát điện khi tốc độ gió từ 3 m/s (11
km/h), và tự ngừng phát điện khi tốc độ gió vượt quá 25 m/s (90 km/h). Tốc độ
gió hiệu quả từ 10 m/s tới 17 m/s, tùy theo từng thiết bị phong điện.
Đối với hệ turbine gió kiểu trục ngang (HWAT). Đây là hướng đi chủ yếu
của các công ty lớn cũng như của nhiều nhà khoa học trên thế giới, với những
thành công vượt bậc về công nghệ, thể hiện qua sản phẩm mang tính thương mại
hóa của một số hãng chế tạo nổi tiếng thế giới như Vestas (Denmark) với các
-tnu.edu.vn
- 5 -
sản phẩm V52-850 kW, V80-1.8 MW, V80-2.0 MW, V82-1.65 MW, V90-
1.8&2.0 MW, V90-3.0 MW; Suzlon (India) với các turbine 950 kW to 2 MW;
công ty
Siemens(germany) đưa ra thị trường các turbine lớn 1.3 MW, 2.3 MW và 3.6
MW; ..v..v. Tuy nhiên các hệ thống này hiện được xem là rào cản lớn về mặt
công nghệ chế tạo tại Việt Nam, do đó các dự án phát triển phong điện trong
nước hiện đang đi theo hướng nhập khẩu thiết bị hoàn chỉnh để xây dựng các
nhà máy điện gió tại một số khu vực tiềm năng.
1.2. Giới thiệu về việc sử dụng năng lƣợng gió - turbine gió
Các trang trại gió ngoài khơi đầu tiên là ở Cape Cod, Massachusetts.
Trang trại gió lớn nhất thế giới là Horse Hollow Trung tâm Năng lượng gió, tại
Texas, với 421 turbine gió có khả năng cung cấp điện cho 220.000 hộ gia đình /
năm. Ngày nay, năng lượng gió là một nguồn năng lượng hấp dẫn, thay thế cho
nhiên liệu hóa thạch, vì nó rất phong phú, có thể tái tạo, phân phối rộng rãi, sạch
sẽ và sản xuất không thải khí nhà kính. Tính đến năm 2009, tỷ lệ phần trăm điện
mà có nguồn gốc từ năng lượng gió là 19% ở Đan Mạch, 13% ở Tây Ba Nha và
Bồ Đào Nha, 7% ở Đức và Ireland.
Hiện nay, năng lượng gió chủ yếu là chuyển đổi thành điện năng bằng
cách triển khai turbine gió. Có nhiều turbine gió với những công suất khác nhau
từ khoảng 1kW đến hàng MW. Chúng có thể phát điện khi tốc độ gió đạt 2,8m/s
và tự ngưng phát điện khi tốc độ gió vượt quá 25m/s, và hoạt động hiệu quả
trong tốc độ gió từ 10m/s đến 17m/s. Turbine gió được chia thành hai loại: một
loại trục đứng giống như máy bay trực thăng (vertical axis wind turbines -
VAWTs) và một loại trục ngang (horizontal axis wind turbines - HAWTs).
Turbine gió trục ngang là loại phổ biến hơn, thường có 2 hay 3 cánh
quạt. Ngày nay turbine gió trục ngang 3 cánh quạt được sử dụng rộng rãi.
-tnu.edu.vn
11 trang
17300
Free
Bạn đang xem tài liệu "Luận văn Nghiên cứu, tính toán và thiết kế cơ cấu dẫn động điều khiển góc cánh turbine gió kiểu trục đứng cho máy phát điện công suất 10kW", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- luan_van_nghien_cuu_tinh_toan_va_thiet_ke_co_cau_dan_dong_di.pdf
