mô hình hoá và tính toán kết cấu cánh turbine gió kiểu trục đứng theo lý thuyết chuyển vị bậc nhất bằng phương pháp phần tử hữu hạn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
******



LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT




ĐỀ TÀI:
MÔ HÌNH HÓA VÀ TÍNH TOÁN KẾT CẤU CÁNH
TURBINE GIÓ KIỂU TRỤC ĐỨNG THEO LÝ THUYẾT
CHUYỂN VỊ BẬC NHẤT BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHẦN TỬ
HỮU HẠN.




Học Viên: Trần Thị Nam Thu
Lớp: CHK11 CTM
Chuyên ngành: Công nghệ Chế tạo máy
HDKH: PGS.TS. Ngô Như Khoa

THÁI NGUYÊN – 2010
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
******



LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT




ĐỀ TÀI:
MÔ HÌNH HÓA VÀ TÍNH TOÁN KẾT CẤU CÁNH TURBINE
GIÓ KIỂU TRỤC ĐỨNG THEO LÝ THUYẾT CHUYỂN VỊ
BẬC NHẤT BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN.


Học Viên: Trần Thị Nam Thu
Lớp: CHK11 CTM
Chuyên ngành: Công nghệ Chế tạo máy
HDKH: PGS.TS. Ngô Như Khoa



HƢỚNG DẪN KHOA HỌC HỌC VIÊN

PGS.TS. Ngô Nhƣ Khoa Trần Thị Nam Thu




THÁI NGUYÊN – 2010
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT - 1 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM
MỤC LỤC
Lời cảm ơn 1
Mục lục 1
Bảng các ký hiệu và chữ cái viết tắt 3
Mở đầu 5
Chƣơng 1. Tổng quan về kết cấu cánh Turbine gió và vật liệu Composite 8
1.1. Giới thiệu 8
1.2. Cánh và kết cấu cánh: Hình dáng hình học và khí động học cánh turbine… 9
1.2.1. Các thông số hình học……………………………………………… 9
1.2.2. Hình dáng biên dạng cánh…………………………………………… 9
1.2.3. Khí động lực học tác dụng trên cánh quay trong môi trường tĩnh… 10
1.3. Lực, sự phân bố áp lực và một số yếu tố ảnh hưởng đến sự phân bố áp lực trên
cánh turbine…………………………………………………………………. 12
1.3.1. Nguyên lý…………………………………………………………… 13
1.3.2. Khái niệm cơ bản của sự phân bố áp lực…………………………… 14
1.3.3. Ảnh hưởng hình học biên dạng cánh……………………………… 16
1.3.3.1. Ảnh hưởng của kích thước ngăn……………………………. 16
1.3.3.2. Ảnh hưởng của chiều dày………………………………… 17

1.3.4. Ảnh hưởng của số Reynol………………………………………… 21
1.4. Vật liệu Composite 21
1.4.1. Lý thuyết tấm nhiều lớp kinh điển………………………………… 25
1.4.2. Lý thuyết biến dạng cắt bậc nhất…………………………………… 26
1.5. Kết luận 26
Chƣơng 2. Xây dựng các hệ thức cơ bản cho kết cấu dạng vỏ bằng vật liệu
Composite lớp theo lý thuyết chuyển vị bậc nhất của Midlin ……………. 28
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT - 2 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM
2.1. Trường chuyển vị…………………………………………………… 28
2.2. Trường biến dạng………………………………………………… 29
2.3. Trường ứng suất…………………………………………………… 30
2.4. Trường nội lực……………………………………………… 32
Chƣơng 3. Tính toán vỏ Composite nhiều lớp chịu uốn bằng phƣơng pháp phần
tử hữu hạn…………………………………………………………………….… 37
3.1. Mô hình hóa bài toán…………………………………………………… 37
3.2. Mô hình hóa phần tử vỏ………………………………………………… 38
3.2.1. Ma trận độ cứng của phần tử vỏ……………………………………. 44
3.2.2. Quy đổi về lực nút………………………………………………… 49
3.2.3. Hệ phương trình phần tử hữu hạn………………………………… 49
Chƣơng 4. Xây dựng hệ phƣơng trình phần tử hữu hạn cho kết cấu vỏ sử dụng
phần tử tứ giác bậc hai…………………………………………………………. 52
4.1. Giới thiệu…………………………………………………………………. 52
4.2. Phần tử tứ giác bậc hai……………………………………………………. 52
4.3. Phần tử quy chiếu…………………………………………… 53
4.4. Ma trận Jacobien của các phần tử………………………………………… 58
4.5. Xây dựng ma trận độ cứng tổng thể K……………………………………. 60
4.6. Xây dựng véc tơ lực nút tổng thể F………………………………………. 81

Chƣơng 5. Kết quả số………………………………………………………… 86
Kết luận chung…………………………………………………………… 60
Tài liệu tham khảo………………………………………………………… 81






LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT - 3 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM
BẢNG CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ CÁI VIẾT TẮT
Ký hiệu
Tên các đại lượng
a, b
Các kích thước của kết cấu vỏ: chiều dài, chiều rộng.
s r z
Hệ trục chung của vỏ.

x y z
Hệ trục tọa độ địa phương của vỏ theo các phương khi đã
chuyển đổi về hệ trục chung.
u, v, w
Là các thành phần chuyển vị theo các phương s, r, z của
vỏ.
u
0
, v

0
, w
0
Là các thành phần chuyển vị theo các phương s, r, z tại
mặt trung bình của vỏ.
/

Toán tử đạo hàm riêng theo…
,,
s r z
  

Các thành phần biến dạng dài theo các phương s, r, z của
vỏ.
12
,RR

Bán kính tọa độ cong trực giao r, s
,,
rs sz rz
  

Các thành phần biến dạng góc của vỏ.
00000
,,,,
rzszrsrs


Là các biến dạng của mặt phẳng trung tâm tấm.
,,

s r rs
k k k

Là các thành phần độ cong.
11 22
,


Là các thành phần ứng suất pháp của vỏ
12 13 23
,,
  

Là các thành phần ứng suất tiếp của vỏ
11 22 12 13 23
, , , ,
    

Là các thành phần biến dạng của vỏ
k
Q

Là các ma trận đàn hồi
 
N

Ma trận các thành phần lực màng của vỏ.
 
Q

Ma trận các thành phần lực cắt của vỏ.
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT - 4 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM
 
M

Ma trận các thành phần mô men nội lực của vỏ.
 
d

Véc tơ chuyển vị
 
i
d

Véc tơ chuyển vị nút của phần tử vỏ
 
t
d

Véc tơ chuyển vị điểm Mt của phần tử vỏ.
N
i
Hàm nội suy nút của vỏ.
L
i

Ma trận các toán tử của vỏ.

[B
i
]
Ma trận tính biến dạng của vỏ.
 
a

Chuyển vị nút của phần tử vỏ.
[K
e
]
Ma trận độ cứng của phần tử vỏ.
[K]
Ma trận độ cứng tổng thể
 
e
P

Véc tơ tải trọng tác dụng lên phần tử.
 
F

Véc tơ lực nút chung
[B]
P
Ma trận tính lực
,


Hệ tọa độ quy chiếu.

[J],
J

Ma trận Jacobien và định thức của nó
ii

,

Tọa độ các điểm Gauss
W
i
Hàm trọng số tại điểm Gauss
,
sr


Là các góc xoay quanh các truc r, s của vỏ.


Là góc phương sợi của lớp vật liệu vỏ
PTHH (FEM)
Phần tử hữu hạn


LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT - 5 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM
MỞ ĐẦU
Bộ phận chính của máy phong điện kiểu trục ngang hay trục đứng là bộ phận

cánh, đặc biệt là khả năng quay của cánh. Để nó hoạt động tốt cần chú ý tới việc lựa
chọn hình dạng và kích thước cánh tối ưu. Biên dạng cánh turbine có thể ở dạng tấm
phẳng đơn giản; dạng vỏ trụ; hay dạng khí động học phức tạp. Xét về mặt kết cấu, cánh
turbine gió thường ở dạng kết cấu tấm/vỏ có hoặc không có gân gia cường và ở dạng
hộp panel, vật liệu thường sử dụng là vật liệu composite lớp.
Việc nghiên cứu xây dựng các mô hình tính toán cho kết cấu cánh turbine gió là
không thể thiếu trong quá trình thiết kế nó góp phần nâng cao hiệu suất của các máy
phong điện. Đây là nhóm kết cấu phức tạp. Trong lĩnh vực cơ học vật liệu và kết cấu
Composite các phương pháp có thể được chia thành hai nhóm: nhóm phương pháp giải
tích và nhóm phương pháp số. Ở đây, luận văn đã sử dụng nhóm phương pháp số mà
cụ thể là phương pháp phần tử hữu hạn để xây dựng mô hình cơ học tính toán ứng xử
cơ học kết cấu cánh. Phương pháp này đã được ứng dụng vào cơ học từ rất lâu, nó
thường được sử dụng để khảo sát các mô hình có những đặc điểm cơ học phức tạp. Do
đặc điểm quản lý thông tin về nút (lực nút, chuyển vị nút) nên khối lượng tính toán sơ
cấp rất lớn. Phương pháp phần tử hữu hạn chỉ thực sự có ý nghĩa khi được ứng dụng
máy tính. Vì vậy mà luận văn đã xây dựng chương trình tính bằng MATLAB.
Dựa trên cơ sở mô hình cơ học, nghiên cứu xây dựng mô hình PTHH để có thể
giải quyết các bài toán bền, cứng cho cánh turbine khi chịu tác dụng của tải trọng gió.
Gần đây đã có một số nghiên cứu liên quan đến đề tài như: Nghiên cứu động lực
học cánh turbine nhằm nâng cao hiệu quả và độ an toàn của hệ thống cánh turbine gió
[1], [5]; hay nghiên cứu động lực học cánh turbine kiểu trục đứng nhằm nâng cao hiệu
quả mặt hứng gió và giảm thiểu ảnh hưởng của mặt cản gió cho cánh turbine [2]; Một
số nghiên cứu về hiệu quả sử dụng vật liệu compossite lớp cho cánh turbine [6].
Các nghiên cứu trong nước về hệ thống turbine gió nói riêng và phong điện nói
chung còn đặc biệt ít. Nghiên cứu có quy mô và gần đây nhất có thể kể đến là kết quả
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT - 6 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM
của nhóm nghiên cứu do PGS-TSKH Nguyễn Phùng Quang [4] là nghiên cứu, thiết kế

và chế tạo hệ thống phát điện chạy bằng năng lượng gió có công suất danh định từ
10KW đến 30KW. Nội dung nghiên cứu tập trung chủ yếu vào việc xây dựng các bộ
điều khiển: bộ điều khiển nạp bank accu, bộ điều khiển công suất phát, bộ nghịch lưu
và tích hợp với hệ thống turbine gió và máy phát nhập ngoại.
Luận văn của Chu Đức Quyết [8], đã tính toán thiết kế các vị trí, số cánh, kích
thước hệ thống cánh phẳng cho máy phong điện kiểu trục đứng.
Và một số nghiên cứu về kết cấu tấm có gân gia cường bằng vật liệu compossite
lớp, như: Nguyễn Tiến Dũng [7], trong đó, đề tài đã thiết lập được phần tử lai tấm gân
để xây dựng mô hình PTHH cho bài toán kết cấu tấm có gân tăng cứng chịu tải trọng
phân bố đều và áp dụng mô hình chuyển vị bậc nhất Mindlin với việc sử dụng phần tử
tam giác bậc cao (6 nút tại mỗi phần tử và mỗi nút có 5 bậc tự do), để xây dựng ma
trận độ cứng phần tử của tấm – gân; Trần Hữu Quốc [9], đã xây dựng mô hình phần tử
tấm – gân với phần tử tứ giác 9 nút cho tấm và phần tử dầm 3 nút cho gân, dựa trên lý
thuyết chuyển vị cắt bậc cao của Reddy.
Mặc dù ngành công nghiệp chế tạo turbine gió nói chung trên thế giới đã và
đang được phát triển mạnh mẽ, tuy nhiên các công trình công bố cũng như các tài liệu
về vấn đề này còn rất hạn chế, đặc biệt là vấn đề tính toán cơ học kết cấu cánh, nội
dung đề cập đến trong đề tài luận văn này.
Trong luận văn này, bằng phương pháp phần tử hữu hạn, sử dụng phần tử tứ
giác 4 nút và sử dụng hàm nội suy hình học tại các nút của phần tử vỏ để tính ma trận
độ cứng của vỏ. Khảo sát bài toán tĩnh để phân tích biến dạng của kết cấu vỏ kín làm
bằng vật liệu composite.



LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT - 7 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM
MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN

- Tên đề tài: Mô hình hoá và tính toán kết cấu cánh turbine gió kiểu trục
đứng theo lý thuyết chuyển vị bậc nhất bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn.
- Mục tiêu: Xây dựng mô hình cơ học tính toán ứng xử cơ học kết cấu cánh
turbine gió kiểu trục đứng bằng vật liệu composite lớp.
- Đối tượng nghiên cứu: Tính toán số đối với bài toán vỏ kín bằng vật liệu
Composite lớp, liên kết ngàm 2 đầu chịu tác dụng của tải trọng phân bố đều.
- Nhiệm vụ:
+ Nghiên cứu tổng quan về các công trình đã được thực hiện trong và ngoài
nước đối với kết cấu vỏ bằng vật liệu Composite lớp.
+ Xây dựng mô hình hoá kết cấu cánh turbine gió, xây dựng được mô hình cơ
học tính toán ứng xử cơ học kết cấu
+ Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn tính toán ứng xử cơ học kết cấu cánh
turbine.
+ Xây dựng chương trình tính bằng MATLAB, áp dụng tính toán cơ học kết cấu
cánh turbine của trạm phong điện kiểu trục đứng công suất 10KW, vật liệu cánh là
Composite lớp, nền nhựa cốt sợi thuỷ tinh .







LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT - 8 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM
CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU CÁNH TURBINE GIÓ
VÀ VẬT LIỆU COMPOSITE.
1.1. Giới thiệu

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 có các loại máy phát phong điện với công suất rất khác nhau, từ 1 kW 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.
Như vậy năng lượng gió là nguồn năng lượng tái tạo phát triển hơn cả. Trong
tương lai nguồn năng lượng tái tạo thu được từ các turbine gió đóng vai trò quan trọng
trong sự phát điện của nguồn điện. Turbine được phân ra làm hai loại: Turbine gió trục
ngang (HAWT) và turbine gió trục đứng (VAWT), các turbine này chúng khác nhau về
vị trí trục. Mặc dù HAWT hiệu quả hơn và với sự chế tạo phong phú chúng được sử
dụng phổ biến. VAWT được nghiên cứu bởi nhiều nhà nghiên cứu sử dụng công nghệ
phân tích hiện đại.
Có thể thấy rằng, phạm vi cũng như quy mô sử dụng các trạm phong điện trục
đứng còn rất khiêm tốn so với các hệ thống HAWT, các hệ thống VAWT có thể hoạt
động bình đẳng với mọi hướng gió nên có cấu tạo đơn giản, các bộ phận đều có kích
thước không quá lớn nên vận chuyển và lắp ráp dễ dàng, độ bền cao, duy tu bảo dưỡng
đơn giản. Với đăc điểm như vậy, nên thị trường mà các công ty R&D (nghiên cứu chế
tạo và thương mại hóa) hệ thống này (chủ yếu của Trung Quốc) hiện đang hướng tới là
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT - 9 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM
các trạm phát điện độc lập, công suất vừa và nhỏ, phù hợp với các trang trại, hộ gia
đình hay những nơi độc lập xa trung tâm.
1.2. Cánh và kết cấu cánh: Hình dáng hình học và khí động học cánh

turbine.
1.2.1. Các thông số hình học

Hình 1.1. Hình dáng hình học cánh turbine.
Đầu nhọn của biên dạng cánh (điểm B) được gọi là “đuôi cánh”. Đầu cánh là vị
trí của điểm A ở đầu biên dạng cánh, cách xa điểm B nhất.
AB =
l
là dây cung của biên dạng cánh.
ABM là bề mặt trên ; ANB là bề mặt dưới.
Góc tới i là góc hợp bởi dây cung và phương véc tơ vận tốc
V
của gió.
Góc nâng
o

bằng 0 là góc hợp bởi dây cung với đường trung hòa.
Góc nâng

là góc hợp bởi đường trung hòa và véc tơ vận tốc
V
của gió.
0
0
i
i





Trong đó:
o

là âm,

và i là dương
1.2.2. Hình dáng biên dạng cánh
- Theo hình dáng biên dạng cánh: Biên dạng NACA đối xứng (NACA 0009,
NACA 0012, NACA 0015, NACA 0018, NACA 0024 …) và không đối xứng (NACA
(05, 07, 08, 11, 15, 22, 27, 33, 37, 44)15…).
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT - 10 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM
- Theo kí hiệu số: Biên dạng NACA 4 số (00xx) với “xx” là phần trăm theo
chiều dày t của dây cung, NACA 5 số, NACA 6 số. Hình 1.1 là biên dạng NACA
không đối xứng

Hình 1.2. Hình dạng profin NACA đối xứng
1.2.3. Khí động lực học tác dụng trên cánh quay trong môi trƣờng tĩnh
Giả sử cánh được lắp trên giá đỡ và gió di chuyển tới với vận tốc
V
, nhưng
chiều ngược lại, khí động học tác dụng lên cánh có giá trị không đổi. Lực tác dụng chỉ
phụ thuộc vào vận tốc tương đối và góc đụng.
Áp lực của gió lên mặt của cánh không đều: Trên mặt trước áp lực giảm và trên
mặt sau áp lực tăng. Mô tả đồ thị biến thiên của áp lực, ta vẽ trên đường vuông góc với
mặt biên dạng cánh là các đoạn có chiều dài bằng K
p:

2
0
2
1
V
pp
K
P




Trong đó p là áp lực tĩnh, vuông góc trên bề mặt cánh, và dương ở mặt dưới của
cánh. (Hình 1.3)

Hình 1.3. Áp lực ở mặt trên và mặt dưới của cánh
Tổng hợp của các lực tác dụng lên cánh là F
Z
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT - 11 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM
2
2
1
SVCF
r



Trong đó:

là trọng lượng riêng của không khí.
S là diện tích được tính bằng: S = (dây cung)

(chiều dài của cánh)
r
C
là hệ số khí động học.
Lực này có thể chia thành 2 thành phần:
- Thành phần song song với véc tơ
V
: lực cản
d
F

- Thành phần vuông góc với véc tơ
V
: lực nâng
l
F

d
F
và
l
F
được tính:
2

2
1
SVCF
dd



2
2
1
SVCF
ll




Hình 1.4. Thành phần lực tác dụng lên cánh turbine
Trong đó
d
C
và
l
C
là hệ số cản và hệ số nâng. Vì
d
F
và
l
F
vuông góc với nhau

nên ta có:
222
FFF
ld


Tương tự có:
222
rld
CCC 

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT - 12 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM
Gọi M là mô men dọc của lực F, ta có hệ số mô men dọc
m
C
.
2
2
1
SlVCM
m



Trong đó
l
là chiều dài của dây cung.

Do đó khí động lực học trên mặt cắt hình học có thể biểu diễn bằng lực cản, lực
nâng, mô men dọc. Lúc này với mỗi giá trị của góc tới, sẽ có một điểm đặc biệt C mà
tại đó mô men của lực F bằng 0. Điểm đặc biệt này là trung tâm áp lực. Khí động học
ảnh hưởng lên mặt cắt hình học của cánh có thể biểu diễn bằng lực nâng và lực cản tác
động vào điểm đó. Trung tâm của áp lực tương đối tới cánh trước được xác định bằng
hệ số:
l
ml
C
C
l
X
AB
AC
CP 

Thông thường
%30%25 CP

1.3. Lực, sự phân bố áp lực và một số yếu tố ảnh hƣởng đến sự phân bố áp
lực trên cánh turbine.
Hệ thống máy phong điện có cánh turbine gắn cứng được phát minh đầu tiên
vào năm 1931 ở nước pháp.

Hình 1.5. Hệ thống máy phong điện đầu tiên
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT - 13 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM
Hệ thống gồm các cánh được liên kết bởi các mối nối cứng, thông thường biên

dạng của chúng là 2 mặt lồi, chúng có nhiều kiểu như hệ thống cánh kiểu hình trụ, hình
nón, hình cầu hay kiểu parabol. Song bất cứ kiểu biên dạng nào chúng cũng đều hoạt
động theo một nguyên lý chung.
1.3.1. Nguyên lý.
Nhờ lực của gió tác động vào cánh turbine làm roto chuyển động. Khi nghiên
cứu khí động lực học của cánh turbine có mô men thay đổi ta có kết quả như hình 1.6
H¦íng giã
W
W
V
U
F
F
F
F
W
V
U
W
V
U
.

Hình 1.6. Thành phần lực và vận tốc trên cánh turbine.
Gió chuyển động với vận tốc tương đối là
W
khi tác động vào cánh turbine,
V

là vận tốc thực của gió và

U
là vận tốc vòng, ta có:
WUV 
hoặc có thể được viết là:
UVW 
. Nếu biết được véc tơ vận tốc
V
và
U
, ta có thể xác định được véc tơ
W

và từ đó có thể lắm bắt được nguyên lý động học của cánh turbine. Nếu vận tốc gió là
hằng số và phương chuyển động của roto là giả định thì việc tính toán không gặp nhiều
khó khăn.
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT - 14 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM
Nghiên cứu tam giác véc tơ vận tốc của cánh turbine ở các vị trí khác nhau thấy
rằng các lực tạo ra mô men quay ở tất cả các vị trí, trừ khi biên dạng của cánh (cánh
đối xứng) có phương song song với hướng gió.
Góc tạo bởi hướng gió với profile cánh không vượt quá giá trị giới hạn
)/(sin
1
max
UVi


. Góc này nhọn nếu vận tốc vòng

U
của roto lớn hơn so với vận tốc
gió
V
.
1.3.2. Khái niệm cơ bản của sự phân bố áp lực.
Trong cơ học chất lỏng, lực và mô men chủ yếu là do áp lực gây ra bởi chất lỏng
với bề mặt vật thể. Bằng cách thực hiện tính toán khí động học, sự phân bố áp lực trên
bề mặt vật thể có thể tìm thấy và do đó các thông tin về lực và mô men đã được tìm.
Chúng ta biết rằng lực nâng trên một đơn vị diện tích được cho bởi:


 Vp

Trong đó:

- là khối lượng riêng

V
- là vận tốc

- giới hạn bền của tấm
pupl
CC ,
- hệ số áp lực của bề mặt phía trên và bề mặt phía dưới s.
Áp lực khác nhau giữa áp lực cao và áp lực thấp cho bởi hệ số áp lực tổng quát
p
C
:




q
V
CCC
puplp


Áp lực khác nhau giữa nửa trên và nửa dưới của cánh
p
C
được xác định bởi:
đặc điểm của phần biên dạng cánh, số Reynol (Re) và góc tới, số Reynol được chọn
trong khoảng
5
10
đến
7
10
. Với biên dạng cánh đối xứng thì áp lực ở nửa trên và nửa
dưới là như nhau.
Hình 1.7 biểu diễn véc tơ áp lực trên biên dạng cánh có thể chia thành 2 thành
phần là lực pháp tuyến và lực tiếp tuyến.

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT - 15 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM
Clp
.

Cp
Cdp
Y
X
.

Hình 1.7. Các thành phần của hệ số áp lực
lp
C
và
dp
C
- hệ số lực nâng và lực cản tương ứng. giá trị của
lp
C
và
dp
C
phụ
thuộc vào góc

.

cos*
plp
CC 

Trong đó

là góc mái của bộ phận cánh.

Hình 1.8. Sự phân bố áp lực trên bề mặt cánh trên VAWT
Theo phương vuông góc với dây cung (theo chiều dài cánh) lực phân bố có thể
coi là hằng số. Còn theo hướng dây cung lực phân bố theo quy luật như hình 1.8.


LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT - 16 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM
1.3.3. Ảnh hƣởng hình học biên dạng cánh
Một phần biên dạng thu được bằng cách tổ hợp đường độ võng và phân bố chiều
dày. Dưới điều kiện dòng khí như nhau, độ võng và chiều dày của phần biên dạng có
thể ảnh hưởng đến sự phân bố
p
C
. Một lượng lớn của dữ liệu trong phần biên dạng
NACA của loạt 4 chữ số đã được thu thập. Những dữ liệu này đã chỉ ra sự phân bố của
hệ số áp lực ở góc tới khác nhau và số Re =
6
1e
. Nó có thể được quan sát từ sự phân bố
p
C
. Sự thay đổi của ngăn và chiều dày của biên dạng sẽ cho ảnh hưởng trên sự phân
bố áp lực.
1.3.3.1. Ảnh hƣởng của kích thƣớc ngăn.
Ảnh hưởng của ngăn là không xét đến đối với góc tới cao. Để xác định hệ số ảnh
hưởng của ngăn, trong phần này ảnh hưởng được tìm thấy là rất phức tạp. Trong
nghiên cứu này, tác giả chỉ chú ý đến thay đổi đơn giản của kích thước ngăn. So sánh

một vài dữ liệu trong ngăn khác nhau với biên dạng NACA 0015, hệ số hiệu chỉnh của
ngăn được xác định theo phương trình sau:
2 * *ln
chamber chamber chamber
Eqn Y a b x x

Các hệ số được xác định trong phụ lục G.
1.3.3.2. Ảnh hƣởng của chiều dày.
Sự phân bố
p
C
cũng chỉ ảnh hưởng bởi sự thay đổi chiều dày của biên dạng.
Dữ liệu của biên dạng NACA0012, NACA0015, NACA0018 và NACA0024 đã được
so sánh tại
06
5 ,Re 1e

  
,
06
10 ,Re 1e

  
,
06
20 ,Re 1e

  
,
06

50 ,Re 1e

  

0 0 6
80 , 90 ,Re 1e

    
như sau:
Sự phân bố
p
C
với phần biên dạng khác nhau tại
06
5 ,Re 1e

  
(Hình 1.9)
Giá trị đỉnh của
p
C
giảm với sự tăng kích thước chiều dày của biên dạng. Bằng sự
thay đổi chiều dày biên dạng, sự thay đổi áp lực xuất hiện chủ yếu ở đầu cánh.
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT - 17 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM

Hình 1.9. Đường cong
p

C
tại
.1Re,5
60
e

( NACA0012, 0015, 0018, 0024)
Sự phân bố
p
C
với hình dáng biên dạng khác nhau tại
06
10 ,Re 1e

  
(Hình
1.10) Giá trị đỉnh của
p
C
là giống nhau như phân tích ở hình 1.9

Hình 1.10. Đường cong
p
C
tại
.1Re,20
60
e

(NACA0012, 0015, 0018, 0024)

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT - 18 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM
Sự phân bố
p
C
với biên dạng khác nhau tại
06
20 ,Re 1e

  
(Hình 1.11). Có
sự khác nhau của giá trị đỉnh của sự thay đổi
p
C
giữa hình 1.9 và hình 1.10, xuất hiện
sự thay đổi góc tính toán.

Hình 1.11. Đường cong
p
C
tại
.1Re,20
60
e

(NACA 0012, 0015, 0018, 0024)
Sự phân bố
p

C
với biên dạng khác nhau tại
06
50 ,Re 1e

  
(Hình 1.12). Sự
phân bố
p
C
lớn nhất khít hơn. Dạng của đường cong tốt.

Hình 1.12. Đường cong
p
C
tại
.1Re,50
60
e

(NACA 0012, 0015, 0018, 0024)
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT - 19 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM
Sự phân bố
p
C
với biên dạng khác nhau tại
0 0 6

80 , 90 ,Re 1e

    
(Hình
1.13 và hình 1.14) Nói chung chiều dày của phần biên dạng không ảnh hưởng tới sự
phân bố
p
C
ở góc tới lớn.



Ở đây ảnh hưởng của chiều dày biên dạng chỉ được xem xét ở góc tới thấp, nó
làm đơn giản hóa công thức của sự phân bố áp lực rất nhiều.
1.3.4. Ảnh hƣởng của số Reynol
Robert M.pineeton đã hoàn thành một số thí nghiệm cho biên dạng của bộ
NACA, ông đã chỉ thị rằng sự phân bố áp lực thực tế không bị ảnh hưởng bởi sự thay
đổi số Reynol trừ khi khoảng cách là phức tạp. Đây là giải thích về vấn đề tấm mỏng
và biên chảy rối, phần lớn turbine gió làm việc dưới số Reynol là
6
10
. Vì vậy, nghiên
cứu của tác giả tập trung trên dải số Reynol
765
1,1,1 eee
.
Như vậy sự thay đổi kích thước ngăn và chiều dày cánh sẽ tác động mạnh đến sự
phân bố áp lực. Tuy nhiên sự phân bố áp lực thực sự không thay đổi khi thay đổi số
Reynol.
Hình 1.13. Đường cong

p
C
tại
.1Re,80
60
e

( NACA0012, 0015, 0018,
0024)

Hình 1.14. Đường cong
p
C
tại
.1Re,90
60
e

( NACA0012, 0015, 0018,
0024)

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT - 20 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM
Qua đây ta thấy rằng cánh turbine gió có hình dáng hình học khá phức tạp. Sự
phân bố áp lực trên cánh phụ thuộc cơ bản vào hình học biên dạng cánh (ảnh hưởng
của kích thước ngăn, ảnh hưởng của kích thước chiều dày cánh) và số Reynol. Hiện tại
chưa thấy có tài liệu nào phân tích về tính toán cơ học cánh turbine.
1.4. Vật liệu Composite

Vật liệu composite là loại vậy liệu được tổ hợp từ 2 hay nhiều loại vật liệu có
bản chất khác nhau, vật liệu được tạo thành có đặc tính trội hơn đặc tính của từng vật
liệu thành phần khi xét riêng rẽ.
Vật liệu Composite cốt sợi/nhựa hữu cơ thường có rất nhiều ứng dụng trong các
nghành công nghiệp hiện đại và đời sống. Tùy thuộc vào sự phân bố của sợi trong
nhựa, người ta phân vật liệu Composite thành các loại như: Composite đồng phương,
Composite “Mat” và Composite vải, băng (Hình 1.15)




Hình 1.15. Hình Vật liệu Composite
Dưới góc độ cơ học thì vật liệu Composite được phân thành 3 nhóm chính:
Composite đẳng hướng, Composite đẳng hướng ngang và Composite trực hướng (Hình
1.16)




Hình 1.16. Hình Vật liệu Composite lớp
Trong thực tế, chúng ta thường gặp các vật liệu Composite dưới dạng tấm hoặc
vỏ, chẳng hạn như tấm có thể có nhiều lớp đồng phương, nhiều lớp “Mat”. Vật liệu
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT - 21 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM
trong mỗi lớp cũng có thể khác nhau và phương của cốt trong các lớp cũng không nhất
thiết phải giống nhau. Để thấy rõ cấu trúc của tấm Composite nhiều lớp, hình 1.17 thể
hiện mô hình của vật liệu Composite nhiều lớp.
Ngoài ra tùy theo sự phân bố của các lớp mà vật liệu Composite còn được phân

ra làm các loại:
- Composite đối xứng đúng trục: [0/90]
s

0 0 0 0
(0 /90 /90 / 0 )
; lệch trục [
15
]
s

0 0 0 0
(15 / 15 / 15 /15 )  

- Composite xen lớp đúng trục: [0/90]
N

0 0 0 0
(0 /90 / 0 /90 )
; lệch trục [
15
]
N

0 0 0 0
(15 / 15 /15 / 15 )  

Do vật liệu Composite được tạo thành từ nhiều lớp liên tiếp, trong đó phương
của sợi hay phương cơ bản của mỗi lớp lại khác nhau.

Hình 1.17. Hình Mô hình cấu trúc của Composite nhiều lớp
Do vậy mà để tính toán được cơ học cho vật liệu kết cấu Composite thì ta cần
phải chọn một hệ quy chiếu chung cho cả vật liệu và biến đổi ứng xử của mỗi lớp vật
0
0
0


0


90
0
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT - 22 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM
liệu theo hệ trục chung đó, chính vì thế mà ta cần phải hiểu rõ được khái niệm về hệ
trục tọa độ, đó là hệ trục chính của lớp vật liệu (1,2,3) và hệ quy chiếu chung của tấm
(x,y,z).







Hình 1.18. Hệ trục chính vật liệu và hệ trục quy chiếu chung
Vật liệu Composite có rất nhiều ứng dụng trong thực tế mà điển hình là nó được
sử dụng để làm cánh turbine gió từ giữa những năm 1980 đến cuối những năm 1990.

Ngày nay đại bộ phận sản xuất turbine gió đã và đang quan tâm nhiều đến vật liệu
Composite, loại vật liệu mà nhiều nghiên cứu của công nghệ gió xem như là vật liệu
của tương lai. Hơn nữa là giá thành thấp vì vậy Composite được sử dụng nhiều trong
sản xuất, chất lượng của loại vật liệu này cũng đã được chứng minh và ứng dụng của
nó trong chế tạo cánh turbine gió cũng đã được nghiên cứu dựa trên lý thuyết về khoa
học vật liệu và công nghệ gió.
Trong công nghiệp vật liệu Composite thường sử dụng là fibre-reinforced
plastics (GRP). GRP chiếm ưu thế trên thị trường bởi nó có những đặc tính cần thiết
với mức giá thấp. Đặc điểm quan trọng của GRP là tính chất của vật liệu tốt, chống ăn
mòn, nhiệt độ nóng chảy cho phép cao, dễ sản xuất và giá cả hợp lý. Quan trọng hơn,
cấu trúc vật liệu Composite có thể thiết kế, có những ưu điểm đáng kể như: nhẹ, là loại
vật liệu truyền thống, dễ bảo trì, chất lượng và độ bền cao.
x
1


y
3, z
2
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT - 23 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM
Thiết kế của GRP trong suốt cuối những năm 1940 đã mở rộng phạm vi sử dụng
và mô hình polyme ban đầu là dựa trên vật liệu Composite. Hiện tại khoảng 85% của
sản xuất Composite là GRP (Dorey, 1988).
Để tính toán cơ học vật liệu Composite nhiều lớp người ta coi vật liệu là đồng
nhất và dị hướng. Để nghiên cứu cơ học của loại vật liệu này ta có thể đi theo hai
hướng, đó là nghiên cứu ứng xử của cả vật liệu bao gồm nhiều lớp. Khi đó ta có thể
hoàn toàn biết được ứng xử cơ học của toàn kết cấu Composite. Các phương pháp tính

toán trong lĩnh vực cơ học vật liệu và kết cấu Composite có thể được chia thành 2
nhóm, đó là nhóm giải tích và nhóm số:
- Nhóm giải tích: Các thông số của vật liệu và kết cấu có thể được xác định trực
tiếp. Các chương trình trên máy tính được xây dựng trên cơ sở giải tích không quá
phức tạp như các chương trình tính bằng phương pháp số, nhưng phương pháp này nói
chung chỉ giới hạn ở các kết cấu đơn giản và chịu lực đơn giản.
- Nhóm các phương pháp số: Phương pháp này tỏ ra rất hiệu quả, đặc biệt là
phương pháp phần tử hữu hạn, nó rất phù hợp cho các kết cấu có hình dạng, tải trọng
tác dụng và kiểu liên kết phức tạp.
Tuy nhiên độ chính xác của kết quả tính toán phụ thuộc rất nhiều vào lý thuyết
(mô hình) mà ta sử dụng. Một số lý thuyết tấm áp dụng cho vật liệu này như lý thuyết
tấm nhiều lớp kinh điển, lý thuyết biến dạng cắt bậc nhất của Mindilin, lý thuyết tấm
bậc cao,…Do đó vấn đề quan trọng mang tính quyết định đến độ chính xác của kết quả
tính toán chính là lý thuyết mà ta sử dụng.
1.4.1. Lý thuyết tấm nhiều lớp kinh điển.
Lý thuyết tấm nhiều lớp kinh điển được xây dựng trên cơ sở chuyển vị trong mặt
phẳng tấm (x, y) biến thiên tuyến tính theo chiều dày của tấm và chuyển vị theo
phương z là hằng số: