Thiết kế quy trình công nghệ và chế tạo thực nghiệm cánh turbine trục đứng công suất 300W

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

i
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
–––––––––––––––––



NGUYỄN THỊ LUẬN



THIẾT KẾ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ VÀ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM
CÁNH TURBINE TRỤC ĐỨNG CÔNG SUẤT 300W

Chuyên ngành: Cơ khí kỹ thuật





LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Thái Nguyên, năm 2015

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

ii
LỜI CAM ĐOAN

Tôi là Nguyễn Thị Luận – Học viên cao học lớp K14 chuyên ngành Kỹ thuật
Cơ khí, khóa 2011- 2013 trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái
Nguyên.
Sau hai năm học tập, rèn luyện và nghiên cứu tại trƣờng. Tôi lựa chọn thực
hiện đề tài tốt nghiệp “Thiết kế quy trình công nghệ và chế tạo thử nghiệm cánh
turbine trục đứng công suất 300W bằng vật liệu composite”
Đƣợc sự giúp đỡ và hƣớng dẫn tận tình của PGS. TS Ngô Nhƣ Khoa và sự
nỗ lực của bản thân, đề tài đã đƣợc hoàn thành.
Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận văn này là của bản thân
thực hiện, chƣa đƣợc sử dụng cho bất kỳ một khóa luận tốt nghiệp nào khác. Theo
hiểu biết cá nhân, chƣa có tài liệu khoa học nào tƣơng tự đƣợc công bố, trừ những
thông tin tham khảo đƣợc trích dẫn.



Thái Nguyên, ngày 06 tháng 10 năm 2014
Học viên



NGUYỄN THỊ LUẬN

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

iii
LỜI CẢM ƠN

Trƣớc hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến giáo viên hƣớng dẫn khoa
học của tôi, thầy giáo - PGS.TS. Ngô Như Khoa, ngƣời đã tận tình chỉ bảo, động
viên và giúp đỡ cho tôi rất nhiều trong suốt thời gian làm luận văn tốt nghiệp.
Tôi xin cảm ơn các thầy cô giáo trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái
Nguyên đã tận tình giảng dạy trong hai năm học vừa qua
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, các phòng ban chức năng trƣờng
Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên đã tạo điều kiện để tôi đƣợc
tham gia và hoàn thành khóa học này.
Tôi xin cảm ơn các cán bộ, nhân viên của Trung tâm thí nghiệm - Trƣờng
ĐHKT Công nghiệp, phòng thí nghiệm kỹ thuật và công nghệ vật liệu đã giúp tôi
hoàn thành luận văn này.
Lòng biết ơn chân thành tôi xin bày tỏ với gia đình tôi, vì tất cả những gì mà
mọi ngƣời đã dành cho tôi. Mọi ngƣời đã chăm sóc, động viên tôi trong suốt thời
gian tôi sống, học tập và làm luận văn.
Cuối cùng, tôi xin cảm ơn Ban giám hiệu, các thầy cô giáo, các bạn bè, đồng
nghiệp trong trƣờng Trung cấp nghề Nam Thái Nguyên đã tạo điều kiện, hỗ trợ và
giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập và làm đề tài này.
Thái Nguyên, ngày 06 tháng 10 năm 2014

Học Viên


NGUYỄN THỊ LUẬN



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

iv
MỤC LỤC
TRANG PHỤ BÌA………………………………………………………………….
LỜI CAM ĐOAN………………………………………………………………….i
LỜI CẢM ƠN…………………………………………………………………… ii
MỤC LỤC………………………………………………………………….iii
DANH MỤC HÌNH VẼ……………………………………………………….….v
DANH MỤC BẢNG BIỂU………………………………………………viii
CÁC KÝ HIỆU CHỮ VIẾT TẮT…………… ix
GIỚI THIỆU 1
1. Vấn đề nghiên cứu. 1
2. Mục tiêu và nội dung. 5
3. Phƣơng pháp và phƣơng pháp luận. 6
4. Cấu trúc luận văn. 6
CHƢƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU VÀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠOVẬT
LIỆU COMPOSITE 7
1.1.Giới thiệu vật liệu composite và ứng dụng 7
1.1.1.Giới thiệu vật liệu composite 7
1.1.2. Ứng dụng 8
1.2. Cấu tạo và phân loại vật liệu composite 13
1.2.1. Cấu tạo 13

1.2.2. Phân loại vật liệu composite 13
1.3. Công nghệ chế tạo các kết cấu dạng tấm, vỏ bằng vật liệu composite 14
1.3.1. Chế tạo thủ công 15
1.3.2. Chế tạo công nghiệp 19
1.4. Kết luận chƣơng 24
CHƢƠNG 2:PHÂN TÍCH KẾT CẤU CÁNH TURBINE VÀ VẬT LIỆUCHẾ TẠO
25
2.1. Khảo sát cánh turbine gió có biên dạng NACA 6621 25
2.2. Lựa chọn vật liệu 27
2.2.1.Vật liệu nền 27

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

v
2.2.2. Cốt. 34
2.2.3. Vấn đề đóng rắn 38
2.3. Kết luận chƣơng 41
CHƢƠNG 3:CHẾ TẠO MẪU VẬT LIỆU COMPOSITE LỚP VÀ XÁC ĐỊNH CƠ
TÍNH 42
3.1. Mục đích thí nghiệm 42
3.2. Sơ đồ thí nghiệm 43
3.3. Mẫu thí nghiệm 43
3.4. Thiết bị thí nghiệm 47
3.4.1. Thí nghiệm kéo 48
3.4.2. Thí nghiệm uốn: 49
3.5. Trình tự thực hiện thí nghiệm 49
3.5.1. Thí nghiệm kéo. 49
3.5.2. Thí nghiệm uốn. 50
3.6. Cách thu thập số liệu 51
3.7. Kết quả thí nghiệm 51

3.7.1. Kết quả thí nghiệm (TN1) 51
3.7.2. Kết quả thí nghiệm (TN2) 53
3.8. Kết luận chƣơng: 56
CHƢƠNG 4:CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM CÁNH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 57
4.1. Thiết kế khuôn 57
4.2. Chế tạo cánh 60
4.3. Đánh giá kết quả 65
4.3.1. Độ chính xác kích thước và hình dáng 65
4.3.2. Xác định độ võng 66
4.4. Kết luận chƣơng 68
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 70
TÀI LIỆU THAM KHẢO 73



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

vi
DANH MỤC HÌNH VẼ

TT
Nội dung
Trang
Hình 1
G Hệ THốNG QUạT NĂNG LƢợNG GIÓ ở PALM SPRIN,
CALIFORNIA, Mỹ
1
Hình 2
NHữNG TURBINE ĐIệN GIÓ ĐầU TIÊN TạI BÌNH THUậN
4

Hình 1.1
ỨNG DụNG VậT LIệU COMPOSITE Để CHế TạO
CÁC Đồ DÙNG, DụNG Cụ THể THAO
9
Hình 1.2
ỨNG DụNG VậT LIệU COMPOSITE TRONG NGÀNH ÔTÔ
9
Hình 1.3
ỨNG DụNG VậT LIệU COMPOSITE CHế TạO CÁC Bộ PHậN TRÊN MÁY
BAY
10
Hình 1.4
PHÁT TRIểN VậT LIệU COMPOSITE TRONG CHế TạO MÁY BAY DÂN
DụNG
10
Hình 1.5
PHÁT TRIểN VậT LIệU COMPOSITE TRONG CHế TạO
MÁY BAY QUÂN Sự
11
Hình 1.6
CÁNH QUạT GIÓ B75 CHế TạO BằNG VậT LIệU
COMPOSITE
11
Hình 1.7
THUYềN LÀM BằNG VậT LIệU COMPOSITE
12
Hình 1.8
THUYềN, BồN CHứA DUNG DịCH HÓA CHấT VÀ THÙNG
CHứA RÁC LÀM BằNG 12 VậT LIệU COMPOSITE
12

Hình 1.9
CấU TạO VậT LIệU COMPOSITE
13
Hình 1.10
CHế TạO VậT LIệU COMPOSITE BằNG PHƢƠNG PHÁP
LĂN ÉP
15
Hình 1.11
PHƢƠNG PHÁP PHUN HỗN HợP
17
Hình 1.12
SƠ Đồ CÔNG NGHệ PHUN HỗN HợP
18
Hình 1.13
PHƢƠNG PHÁP ĐÙN ÉP
19
Hình 1.14
PHƢƠNG PHÁP ĐÚC CHUYểN NHựA
20
Hình 1.15
SƠ Đồ CÔNG NGHệ ĐÚC CHUYểN NHựA
21
Hình 1.16
CÁC THIếT Bị VÀ VậT LIệU TRONG CÔNG NGHệ ĐÚC
CHÂN KHÔNG
22
Hình 1.17
SƠ Đồ CÔNG NGHệ ĐÚC CHÂN KHÔNG
22
Hình 1.18

QUÁ TRÌNH ĐIềN NHựA POLYMER VÀO KHUÔN TRONG
23

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

vii
CHế TạO Vỏ ÔTÔ
Hình 2.1
CÁNH TURBINE CÔNG SUấT 300W CÓ BIÊN DạNG NACA
6621
25
Hình 2.2
MẫU THÍ NGHIệM KHảO SÁT CƠ TÍNH CÁNH TURBINE
26
Hình 2.3
CÁNH TURBINE GIÓ CHế TạO
27
Hình 2.4
NHựA POLYESTER
29
Hình 2.5
NHựA EPOXY VÀ CHấT ĐÓNG RắN TETA
33
Hình 2.6
MộT Số COMPOSITE CốT SợI
34
Hình 2.7
SợI THủY TINH
35
Hình 2.8

SợI Kevlar
36
Hình 2.9
SợI CACBON
36
Hình 2.10
VảI THủY TINH
37
Hình 2.11
CHấT ĐÓNG RắN TETA
40
Hình 3.1
SƠ Đồ KÉO MẫU
43
Hình 3.2
SƠ Đồ UốN MẫU
43
Hình 3.3
TấM MẫU 1
45
Hình 3.4
MẫU KÉO SợI THẳNG VÀ SợI CHÉO
46
Hình 3.5
MẫU UốN SợI THẳNG VÀ SợI CHÉO
46
Hình 3.6
MÁY ĐO KÉO, NÉN SM-50
48
Hình 3.7

THIếT Bị ĐO Độ BềN UốN
49
Hình 3.8
THÍ NGHIệM THử KÉO
50
Hình 3.9
THÍ NGHIệM THử UốN
50
Hình 3.10
KếT QUả Số LIệU THÍ NGHIệM KÉO
51
Hình 4.1
CắT DƢỡNG CÁNH TURBINE GIÓ TRÊN MÁY CNC
58
Hình 4.2
GÁ DƯỡNG TRÊN KHUNG Gỗ
59
Hình 4.3
HÌNH DạNG 2 NửA KHUÔN SAU KHI Sử DụNG DƢỡNG
GạT Để CHế TạO
59
Hình 4.4
KHUÔN BÊ TÔNG
60

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

viii
Hình 4.5
KHUÔN ĐƢợC LÀM KÍN BằNG NƢớC XI MĂNG

60
Hình 4.6
KHUÔN ĐÃ ĐƢợC CHốNG DÍNH
61
Hình 4.7
NHữNG HÌNH ảNH ở CÔNG ĐOạN PHủ GELCOAT TRắNG
TRÊN KHUÔN
62
Hình 4.8
HÌNH ảNH SAU KHI RảI LớP SợI THủY TINH
62
Hình 4.9
TRảI LớP VậT LIệU NềN
63
Hình 4.10
GIA CONG XONG 5 LớP VậT LIệU COMPOSITE
63
Hình 4.11
HAI NửA CÁNH TURBINE SAU KHI Dỡ KHUÔN
64
Hình 4.12
CÁNH TURBINE GIÓ CHế TạO
65
Hình 4.13
ĐO BIÊN DạNG CÁNH SAU CHế TạO
65
Hình 4.14
BIÊN DạNG CÁNH KHảO SÁT A) VÀ CÁNH CHế TạO B)
66
Hình 4.15

VậN TốC GIÓ TÁC DụNG LÊN CÁNH TURBINE
66
Hình 4.16
Kết quả tính mOMEN QUAN TINH J trên autocad
67
Hình 4.17
ĐO Dộ VÕNG CANH
68
Hình 4.18
Kiểm tra khuyết tật và sự phân bố sợi, nhựa
69















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

ix

DANH MỤC BẢNG BIỂU

TT
Nội dung
Trang
Bảng 2.1
Tính chất một số vật liệu nền nhiệt rắn
27
Bảng 2.2
Cơ tính riêng của một số vật liệu dạng sợi
38
Bảng 3.1
Mẫu chịu kéo
47
Bảng 3.2
Mẫu chịu uốn
47
Bảng 3.3
Thử nghiệm kéo M1k
51
Bảng 3.4
Thử nghiệm kéo mẫu M2k
52
Bảng 3.5
Tổng hợp kết quả thử nghiệm kéo
52
Bảng 3.6
Thử nghiệm uốn M1k
52

Bảng 3.7
Thử nghiệm uốn mẫu M2k
52
Bảng 3.8
Tổng hợp kết quả thử nghiệm uốn
53
Bảng 3.9
Thử nghiệm kéo mẫu M1k-x
53
Bảng 3.10
Thử nghiệm kéo mẫu M3k
53
Bảng 3.11
Thử nghiệm kéo mẫu M3k-x
54
Bảng 3.12
Tổng hợp kết quả thử nghiệm kéo
54
Bảng 3.13
Thử nghiệm uốn mẫu M1u-x
54
Bảng 3.14
Thử nghiệm uốn mẫu M3u
55
Bảng 3.15
Thử nghiệm uốn mẫu M3u-x
55
Bảng 3.16
Tổng hợp kết quả thử nghiệm uốn
55

Bảng 4
Bảng so sánh gía trị độ võng của cánh khi tính toán và thí
nghiệm
68

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

x


CÁC KÝ HIỆU CHỮ VIẾT TẮT

E Modul đàn hồi (MPa)
σ Ứng suất phá hủy (MPa)
ρ Khối lƣợng riêng (kg/m
3
)
N Công suất động cơ (W)
P Lực kéo, nén tối đa (N)
NACA Ủy ban cố vấn ngành hàng không quốc gia
S Diện tích cánh (m
2
)
F Lực tác động lên cánh (N)
V Vận tốc thực của gió (m/s)
C
d
Hệ số cản
n Tốc độ làm việc (mm/min)
J Momen quán tính (mm

4
)
CNC Máy cắt điều khiển bằng máy tính(Computer Numerical Control)
CMM Máy đo tọa độ 3 chiều (Coordinates Measuring Machine)
SM Máy thử kéo, nén (Servo Control Universal Testing Machine )


1
GIỚI THIỆU
1. Vấn đề nghiên cứu.
Hiện nay, ở Việt Nam nói riêng và thế giới nói chung, nhu cầu về năng lƣợng
điện ngày một tăng cao, trong khi đó các nhà máy điện sử dụng các nguồn năng
lƣợng truyền thống nhƣ thủy điện, nhiệt điện,… đang ngày càng cạn kiệt và mất cân
bằng sinh thái, ô nhiễm môi trƣờng. Bởi vậy, việc sử dụng nguồn năng lƣợng sạch,
có khả năng tái tạo nhƣ năng lƣợng gió, năng lƣợng mặt trời,… là một xu hƣớng
đang phát triển mạnh trên thế giới.
Trên thế giới:
* Tình hình phát triển năng lượng gió
Hiện nay trong số các nguồn năng lƣợng mới, năng lƣợng 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 trƣờng. Do vậy việc sử dụng nguồn năng lƣợng tái tạo từ gió
ngày càng đƣợc quan tâm ở nhiều quốc gia trên thế giới nhƣ Đức, Mỹ, Pháp, Tây
Ban Nha, Bồ Đào Nha, Trung Quốc, Đan Mạch,…là những nƣớc có lịch sử phát
triển hệ thống máy phong điện từ lâu đời và vẫn phát triển mạnh mẽ cho đến ngày nay.
Theo [5], thống kê đến năm 2007 thế giới đã xây dựng đƣợc khoảng
20073MW điện, trong đó, Mỹ có 5244 MW, Tây Ban Nha có 3522 MW, Trung
Quốc có 3449MW, Ấn Độ có 1730 MW và Đức có 1667 MW.

Hình 1: Hệ thống quạt năng lượng gió ở Palm Sprin, California, Mỹ
Ở khu vực Châu Á, Trung Quốc là một trong những nƣớc dẫn đầu nghiên

cứu phát triển và sử dụng nguồn năng lƣợng gió, đặc biệt chú trọng các loại máy


2
phong điện cỡ nhỏ. Chủ yếu là các máy phong điện trục đứng có công suất từ (100-
1000)W phục vụ sinh hoạt cho hộ gia đình, phục vụ chiếu sáng cho các cột đèn
công cộng. Đƣợc chế tạo từ vật liệu composite với biên dạng và chiều cao cánh
khác nhau. Tham khảo một số hãng sản xuất nổi tiếng ở Trung Quốc
[10,11,12,13,14,15]
Hãng sản xuất
Công suất
(W)
Cánh
Số cánh
Chiều cao (m)
Shandong Yaneng New Energy
Equipment Co., Ltd.
100
3
0,8
Nanjing Xinda Green Energy Co.,
Limited
300
5
1,4
500
5
1,6
1000
5

2,4
Hubei Bluelight Science &
Technology Development Co., Ltd.
400
3
1,4
Jilin Powerful Renewable Energy
Technology Co., Ltd.
500
3
1,8
Qingdao Hengfeng Wind Power
Generator Co., Ltd
600
5
1,6
300
3
1,3

* Một số nghiên cứu gần đây
Bộ phận chính và quan trọng nhất của turbine gió là bộ phận cánh. đặc biệt là
khả năng quay của cánh. Để nó hoạt động tốt cần chú ý tới việc thiết kế lựa chọn
hình dạng, kích thƣớc cánh và vật liệu chế tạo cánh tối ƣu. 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 thƣờng ở dạng kết cấu tấm/vỏ có hoặc không
có gân gia cƣờng và ở dạng hộp panel.
Từ thời xa xƣa khi thiết kế cánh turbine thì việc đầu tiên các nhà khoa học
quan tâm xem xét vật liệu chế tạo cánh là gì? Thuộc tính vật liệu sử dụng cánh
quyết định phần lớn phƣơng pháp thiết kế và chế tạo cánh. Cánh quạt càng nặng thì

sẽ cần có nhiều gió hơn để quay roto, nghĩa là thu đƣợc ít năng lƣợng. Do đó, các


3
cánh quạt nhẹ, trọng lƣợng nhẹ, chắc chắn cho phép tăng tối đa sản lƣợng năng
lƣợng. Nhôm, titan, thép, gỗ và composite là những loại vật liệu mà đã đƣợc các
nhà nghiên cứu thử nghiệm để chế tạo cánh turbine. So sánh thấy vật liệu composite
có tính ƣu việt vƣợt trội hơn hẳn là: khả năng chế tạo từ vật liệu này thành các kết
cấu sản phẩm theo những yêu cầu kỹ thuật khác nhau mà ta mong muốn, các thành
phần cốt của Composite có độ cứng, độ bền cơ học cao, vật liệu nền luôn đảm bảo
cho các thành phần liên kết hài hoà tạo nên các kết cấu có khả năng chịu nhiệt và
chịu sự ăn mòn của vật liệu trong điều kiện khắc nghiệt của môi trƣờng. Một trong
các ứng dụng có hiệu quả nhất khi chế tạo cánh turbine là Composite lớp (nền nhựa,
cốt sợi). Đây là vật liệu có nhiều tính ƣu việt và có khả năng áp dụng rộng rãi, tính
chất nổi bật là nhẹ, độ bền cơ học cao, rẻ tiền, dễ kiếm, dễ lắp đặt, có độ bền riêng
và các đặc trƣng đàn hồi cao, bền vững với môi trƣờng ăn mòn hoá học, độ dẫn
nhiệt, dẫn điện thấp. Khi chế tạo ở một nhiệt độ và áp suất nhất định dễ triển khai
đƣợc các thủ pháp công nghệ, thuận lợi cho quá trình sản xuất. Do vậy composite là
loại vật liệu đƣợc sử dụng rộng rãi khi chế tạo cánh turbine.
Mặc dù đã có rất nhiều chủng loại sản phẩm, turbine gió đã và đang đƣợc sản
xuất bởi các tập đoàn công nghiệp lớn trên thế giới và đƣa vào sử dụng với các kiểu
dáng khác nhau [2]: Kiểu dáng chén, kiểu savonius, cánh dạng tấm phẳng , kiểu
Darrieus- Rotor và H- Rotor. Thể hiện qua sản phẩm mang tính thƣơng mại hóa
của một số hãng nổi tiếng trên thế giới nhƣ Vestas (Denmark) với các sản phẩm
V52-850 KW, V80-1.8 MW, V80-2.0 MW, V90-3,0. Suzlon (India) với các turbine
950KW to 2MW; công ty GE Energy (USA) có sản phẩm 1.500-3.6000KW;
Siemens (Germany) đƣa ra thị trƣờng các turbine lớn 1.3 MW, 2.3 MW, 3.6MW và
Enercon nổi tiếng với sản phẩm E – 126 lập kỷ lục thế giới về công suất
7MW,…thì các nghiên cứu về lĩnh vực turbine gió vẫn đƣợc nhiều nhà khoa học
trên thế giới đặc biệt quan tâm trong những năm gần đây là những nghiên cứu về

chế tạo cánh turbine gió trên các tạp chí khoa học hay trên các bài báo: “Sử dụng
sợi carbon trong thiết kế chế tạo cánh turbine gió” đƣợc đăng trên tạp chí SAND
2000- 0478 phát hành in tháng 3 năm 2000, quy trình sản xuất cánh [16], kỹ thuật
và sản xuất cánh turbine gió bằng vật liệu composite [17],…


4
Ở Việt Nam:
* Tình hình phát triển năng lượng gió
Việc sử dụng năng gió cũng đang đƣợc quan tâm nhƣng ở mức thấp.
- Nhà máy phát điện gió đầu tiên ở Việt Nam là nhà máy đặt tại huyện đảo
Bạch Long Vỹ, thành phố Hải Phòng. Công suất 800KW với vốn đầu tƣ 0,87 triệu
USD (14 tỷ đồng)
- Nhà máy điện gió thứ 2 của cả nƣớc đặt tại huyện đảo Lý Sơn vận hành bằng
sức gió, có kết hợp máy phát điện diesel với tổng công suất 7MW, tổng vốn đầu tƣ
gần 2 tỷ đồng
- Năm 2007, nhà máy phong điện Phƣơng Mai 3 đƣợc xây dựng trong khu
kinh tế Nhơn Hội, huyện Phù Cát, tỉnh Bình Định
- Đầu năm 2013, nhà máy phong điện tại Bình Thuận đã khánh thành và chính
thức hòa mạng lƣới điện quốc gia
Song tất cả các máy móc thiết bị của máy phong điện đều đƣợc nhập khẩu từ
nƣớc ngoài với giá thành tƣơng đối cao

Hình 2: Những turbine điện gió đầu tiên tại Bình Thuận
* Các nghiên cứu trong nƣớc
Đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ phát điện bằng sức gió có công
suất 10-30kw phù hợp với điều kiện Việt Nam”, 2004 của nhóm khoa học thuộc đại
học Bách Khoa Hà Nội do PGS.TSKH Nguyễn Phùng Quang làm chủ đề tài. Nội
dung đề tài đã nghiên cứu thiết kế, chế tạo trạm phong điện trục ngang với công

5
suất thiết kế 10-30kw phù hợp với điều kiện Việt Nam. Đề tài này chƣa áp dụng cho
máy phong điện trục đứng và loại công suất nhỏ.
- Đề tài “Tính toán thiết kế hệ thống cánh turbine gió kiểu trục đứng trong
máy phong điện công suất 10kw”,2009, luận văn thạc sỹ Chu Đức Quyết trƣờng
Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. Nội dung đề tài đã tính toán thiết kế
các vị trí, số cánh, kích thƣớc hệ thống cánh turbine, với biên dạng cánh phẳng.
- Gần đây đã có một số nghiên cứu nhƣ: Luận văn của Dƣơng Văn Đồng đã
tính toán, thiết kế các vị trí, số cánh, kích thƣớc hệ thống cánh phẳng cho máy
phong điện kiểu trục đứng công suất 3KW. Trần Thị Nam Thu với luận văn mô
hình hóa và tính toán kếu cấu cánh tuốc bin gió kiểu trục đứng theo lý thuyết
chuyển vị bậc nhất bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn… Các nghiên cứu trên vẫn
chỉ dừng lại ở việc mô hình hóa cánh tuốc bin.
Tuy nhiên, công nghệ chế tạo cánh turbine gió không đƣợc công bố hoặc nếu
có thì chỉ ở mức độ rất hạn chế kể cả trên các tạp chí khoa học hay sách chuyên
khảo. Để có thể nắm bắt đƣợc công nghệ chế tạo cánh turbine bằng vật liệu
composite lớp chúng ta bắt buộc phải tự nghiên cứu và thử nghiệm. Với đề tài
“Thiết kế quy trình công nghệ và chế tạo thử nghiệm cánh turbine trục đứng
công suất 300W bằng vật liệu composite” là rất cần thiết, thúc đẩy quá trình nghiên
cứu thực nghiệm và ứng dụng năng lƣợng gió phục vụ lợi ích con ngƣời.
2.Mục tiêu và nội dung.
*Mục tiêu:
- Xây dựng đƣợc quy trình công nghệ để chế tạo cánh turbine trục đứng công
suất 300W bằng vật liệu composite nền nhựa epoxy cốt sợi thủy tinh;
- Chế tạo thử nghiệm đƣợc cánh turbine.
* Nội dung:
- Nghiên cứu tổng quan về quy trình công nghệ chế tạo các kết cấu dạng tấm,
vỏ bằng vật liệu composite;
- Chế tạo thử nghiệm vật liệu composite lớp bằng phƣơng pháp lăn ép;

- Thử nghiệm với mẫu là vật liệu composite để đánh giá công nghệ:
+ Thời gian đóng rắn của vật liệu nền sau mỗi lớp để thực hiện lớp tiếp theo;


6
+ Sự phân bố sợi trong nhựa;
+ Ảnh hƣởng của phƣơng pháp lăn ép đến tình trạng rỗ, bọt khí
+Ảnh hƣởng của tỷ lệ sợi/nhựa đến modul đàn hồi, độ bền kéo, độ cứng chống uốn.
- Chế tạo khuôn (vật liệu bằng bê tông);
- Chế tạo thử nghiệm cánh turbine trục đứng công suất 300W bằng vật liệu
composite nền nhựa cốt sợi thủy tinh;
- Đánh giá khả năng công nghệ và khả năng ứng dụng của công nghệ này.
3. Phƣơng pháp và phƣơng pháp luận.
- Nghiên cứu thực nghiệm;
- Bằng các thử nghiệm chế tạo vật liệu composite lớp (thời gian đóng rắn,
thời gian tháo khuôn, độ giãn nở của vật liệu, kết cấu khi đóng rắn để chế tạo
khuôn), tiến tới thử nghiệm chế tạo cánh turbine gió bằng vật liệu composite lớp.
Trên cơ sở đó xây dựng quy trình công nghệ và chế tạo cánh turbine gió.
4. Cấu trúc luận văn.
Ngoài phần giới thiệu và phần kết luận chung, luận văn đƣợc chia thành 4
chƣơng với các nội dung cơ bản từng chƣơng nhƣ sau:
Chương 1: Tổng quan về vật liệu và công nghệ chế tạo vật liệu composite
Chương 2: Phân tích kết cấu cánh turbine và vật liệu chế tạo. Chƣơng này phân
tích kết cấu cánh turbine trục đứng công suất 300w, lựa chọn vật liệu chế tạo.
Chương 3: Chế tạo mẫu vật liệu composite lớp và xác định cơ tính. Chƣơng này
trình bày về việc chế tạo mẫu, chuẩn bị máy móc, trang thiết bị cần thiết để thí
nghiệm, kế hoạch, kết quả thí nghiệm và đánh giá.
Chương 4: Thử nghiệm chế tạo cánh và đánh giá kết quả.
Các kết luận và đề xuất nghiên cứu tiếp theo đƣợc trình bày trong phần cuối
cùng của luận văn.

7
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆUVÀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO
VẬT LIỆU COMPOSITE
Giới thiệu:
Chƣơng này giới thiệu về vật liệu composite, thành phần, tính chất và ứng
dụng vật liệu trong kỹ thuật và đời sống. Ngoài ra, chƣơng này còn giới thiệu các
loại vật liệu nền, cốt và công nghệ chế tạo các kết cấu tấm, vỏ bằng vật liệu
composite
1.1. Giới thiệu vật liệu composite và ứng dụng
1.1.1. Giới thiệu vật liệu composite
Vật liệu composite là vật liệu nhiều pha: trong đó các pha khác nhau về bản
chất, không hòa tan lẫn nhau và phân cách với nhau bằng ranh giới pha. Phổ biến
nhất là loại composite 2 pha:
- Pha liên tục trong toàn khối gọi là nền
- Pha phân bố gián đoạn đƣợc nền bao quanh gọi là cốt
Bản chất vật liệu của nền là chất kết dính, tạo môi trƣờng phân tán, đóng vai
trò truyền ứng suất sang cốt khi có ngoại lực tác dụng lên vật liệu, bảo vệ cốt khỏi
bị hƣ hỏng do tấn công của môi trƣờng, định hình kết cấu, cách điện, tăng độ dẻo dai.
Vật liệu cốt đóng vai trò là các điểm chịu ứng suất tập trung thƣờng có tính
chất cơ lý hóa cao hơn vật liệu nền
Đặc trƣng hình học của vật liệu cốt đƣợc xác định bởi: hình dạng, kích thƣớc,
độ tập trung và phƣơng phân bố.
Độ tập trung của vật liệu cốt thƣờng đƣợc xác định thông qua tỷ lệ thể tích
hoặc tỷ lệ khối lƣợng. Đây là một thông số quan trọng quyết định tính chất cơ học
của vật liệu composite.
Với một tỷ lệ khối lƣợng cho trƣớc, luật phân bố của vật liệu cốt trong lòng

vật liệu composite cũng rất quan trọng. Khi vật liệu cốt đƣợc phân bố đều theo thể
tích, ta đƣợc vật liệu đồng nhất. Khi vật liệu cốt phân bố không đều, vật liệu
composite bị phá huỷ ở nơi ít vật liệu cốt trƣớc và kết cục là độ bền của vật liệu (kết
cấu) bị giảm đi.


8
Trong trƣờng hợp composite cốt sợi, phƣơng của sợi quyết định tính dị hƣớng
của vật liệu. Đây là một đặc trƣng trội nhất của vật liệu composite. Có nghĩa là ta có
thể điều khiển đƣợc tính dị hƣớng của vật liệu và chọn những phƣơng án công nghệ
phù hợp với những tính chất mong muốn.
Vật liệu composite rất phong phú, đa dạng, đƣợc sử dụng hầu hết trong các
lĩnh vực kỹ thuật và đời sống do các đặc điểm ƣu việt của nó:
- Gía thành rẻ hơn thép không rỉ
- Tỷ số tính chất cơ lý/giá cả và tỷ số tính chất cơ lý/khối lƣợng thì cao hơn
sắt thép rất nhiều
- Nhẹ hơn nhôm
- Phƣơng pháp gia công và chế tạo đa dạng
- Dễ tạo hình, thay đổi và sửa chữa
- Tính chất nổi bật là nhẹ, độ bền cao, cứng vững, chịu va đập uốn, kéo tốt
- Chịu hóa chất. không sét rỉ, chống ăn mòn. Đặc tính này đặc biệt thích hợp
cho chi tiết làm việc ngoài trời.
- Chịu thời tiết, chống tia UV, chống lão hóa nên rất bền
- Dễ lắp đặt, có độ bền riêng và các đặc trƣng đàn hồi cao
- Chịu nhiệt, chịu lạnh chống cháy
- Chi phí bảo quản thấp, màu sắc đa dạng, thiết kế tạo dáng dễ dàng, đầu tƣ
thiết bị và tổ chức sản suất không phức tạp, chi phí vận chuyển và sản xuất không cao…
- Không thấm nƣớc, ít độc hại
Nhƣ phân tích đã nói, vật liệu này đƣợc ứng dụng phổ biến cho đối tƣợng
nghiên cứu là cánh turbine gió.

1.1.2. Ứng dụng
Ngày nay với sự phát triển công nghiệp trên thế giới, những áp dụng khoa
học kỹ thuật vào công nghiệp không còn là ít, nổi bật là ứng dụng vật liệu
composite vào trong công nghiệp[1]
Trên thế giới
Vật liệu composite đã đƣợc sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp đóng
tàu, xuồng, cano; công nghiệp điện tử, ô tô; ngành dân dụng, ngành thể thao,…


9
- Trong ngành thể thao: Vật liệu composite đƣợc sử dụng để chế tạo các đồ
dùng thể thao nhƣ vợt cầu lông, vợt tennit, gậy gôn, ván trƣợt,…

Hình 1.1. Ứng dụng vật liệu composite để chế tạo các đồ dùng, dụng cụ thể thao
- Trong ngành công nghiệp ô tô: vật liệu composite đƣợc sử dụng để chế tạo,
vỏ ô tô, các hệ thống tay cầm,… trong buồng lái,…







Hình 1.2. Ứng dụng vật liệu composite trong ngành ôtô
- Trong ngành hàng không vũ trụ: Vật liệu composite đƣợc ứng dụng vào
việc chế tạo các bộ phận trên máy bay nhƣ kết cấu khung xƣơng, thân máy bay,
cánh, bộ phận dẫn hƣớng,

10











Hình 1.3. Ứng dụng vật liệu composite chế tạo các bộ phận trên máy bay
Theo thống kê của hãng máy bay Boeing chiếc Boeing Dreamliner 787 sử
dụng đến 50% composite trên toàn bộ trọng lƣợng

Hình 1.4. Phát triển vật liệu composite trong chế tạo máy bay dân dụng

0.0%
5.0%
10.0%
15.0%
20.0%
25.0%
30.0%
35.0%
40.0%
45.0%
50.0%

Boeing707
Boeing737
Boeing777
Airbus380
Boeing737
Airbus350


11

Hình 1.5. Phát triển vật liệu composite trong chế tạo máy bay quân sự
- Vật liệu composite còn đƣợc ứng dụng rộng rãi trong ngành chế tạo cánh
turbine gió. Hãng Siemens đã sản xuất cánh quạt dài nhất thế giới cho những
turbine gió tạo ra điện [7]. Siemens cho biết riêng chiếc cánh quạt gió B75 có chiều
dài 75 mét, tƣơng đƣơng với sải cánh máy bay Airbus A380, trong khi đó, toàn bộ
rotor có đƣờng kính lên tới 154 mét khi hoạt động. Những cánh quạt siêu dài này
bao phủ một diện tích 18.600 mét vuông khi quay, nó bằng diện tích của 2,5 sân
bóng gộp lại, cánh dài 75m. Cánh quạt gió B75 hiện đƣợc lắp trên tuabin gió tại
vùng bờ biển Osterild, Đan Mạch. Các tuabin gió tại đây khi đi vào hoạt động chính
thức sẽ đủ cung cấp điện cho 1,8 triệu ngôi nhà tới năm 2017. Sau khi thử nghiệm
thành công, Đan Mạch sẽ lắp đặt 300 tuabin này tại bờ biển Anh trong vài năm tới.

Hình 1.6. Cánh quạt gió B75 chế tạo bằng vật liệu composite

0.0%
5.0%
10.0%
15.0%
20.0%
25.0%

30.0%
35.0%
F15
F16
F11CD
F11CF
F22
F35


12
* Ở Việt Nam:
Ở các nƣớc phát triển trên thế giới thì vật liệu composite đã đƣợc phát triển
từ lâu, nhƣng với Việt Nam, thì composite đƣợc coi là vật liệu mới, bởi lẽ thời gian
đƣa vào ứng dụng và phạm vi ứng dụng ở nƣớc ta vẫn còn chƣa lâu và chƣa nhiều.
Vật liệu composite sợi thủy tinh (FRP) đƣợc bắt đầu nghiên cứu và áp dụng
thử ở nƣớc ta từ 1988, khởi đầu là cano, xuồng nhỏ với tƣ cách là một vật liệu mới
Ở đầu thập kỷ 90 của thế kỷ 20, chỉ có một vài công ty sản xuất composite
với các sản phẩm ghe, thuyền, bồn chứa có kích thƣớc không lớn, chủ yếu là ở đồng
bằng sống Cửu Long.

Hình 1.7. Thuyền làm bằng vật liệu composite
Đến nay vật liệu composite đã và đang phát triển ở Việt Nam, đƣợc áp dụng
để sản xuất các mặt hàng nhƣ: ghe, thuyền, cano, xuồng, tàu cảng vụ, tàu nghiên
cứu Hải Dƣơng, tàu đánh cá xa bờ, cầu trƣợt, máng trƣợt (cho công viên nƣớc), bể
bơi, bồn tắm, kiot, trang trí nội thất, ngoại thất, các công trình cho công viên, thùng
đựng hóa chất, thùng chứa rác,… Các loại bồn chứa đặt dƣới đất hoặc trên tháp cao
với dung tích hàng trăm mét khối. Chống thấm, dột, bọc vỏ tàu gỗ, v v.

Hình 1.8. Thuyền, bồn chứa dung dịch hóa chất và thùng chứa rác làm bằng
vật liệu composite



13
1.2. Cấu tạo và phân loại vật liệu composite
1.2.1. Cấu tạo
Về mặt cấu tạo, vật liệu composite bao gồm một hay nhiều pha gián đoạn
phân bố đều trên một pha nền liên tục. Nếu vật liệu có nhiều pha gián đoạn ta gọi là
composite hỗn tạp. Pha gián đoạn thƣờng có tính chất trội hơn pha liên tục. Pha liên
tục gọi là nền (matrice). Pha gián đoạn gọi là cốt hay vật liệu gia cƣờng
(REENFORCE).

Hình 1.9. Cấu tạo vật liệu composite
1.2.2. Phân loại vật liệu composite
Vật liệu composite đƣợc phân loại dựa theo hình dạng cốt và theo bản chất
của nền các vật liệu thành phần.
a. Phân loại theo hình dạng
Theo hình dạng của vật liệu thành phần, vật liệu composite đƣợc phân làm
hai họ lớn: Vật liệu composite cốt sợi và vật liệu composite cốt hạt.
Vật liệu composite cốt sợi.
Khi vật liệu cốt là các sợi ta gọi đó là composite cốt sợi. Sợi đƣợc sử dụng có
thể dƣới dạng liên tục, có thể dƣới dạng gián đoạn nhƣ sợi ngắn, sợi vụn… Ta có
thể điều khiển sự phân bố, phƣơng của sợi để có vật liệu dị hƣớng theo ý muốn. Và
cũng có thể tạo ra vật liệu có cơ – lý khác nhau, khi chú ý tới:
- Bản chất của vật liệu thành phần ;
- Tỷ lệ của các vật liệu tham gia ;
- Phƣơng của sợi.

14
Vật liệu composite cốt hạt.
Khi vật liệu cốt có dạng hạt, ta gọi đó là vật liệu composite hạt. Hạt khác sợi ở
chỗ, nó không có kích thƣớc ƣu tiên. Hạt thƣờng dụng để cải thiện một số cơ tính
của vật liệu hoặc của vật liệu nền, chẳng hạn tăng độ cứng, tăng khả năng chịu
nhiệt, chịu mòn, giảm độ co ngót,….Trong nhiều trƣờng hợp, hạt đƣợc sử dụng với
mục đích làm giảm giá thành sản phẩm mà vẫn không làm thay đổi cơ tính của vật liệu.
Việc lựa chọn phƣơng án kết hợp hạt - nền (nhựa) phụ thuộc vào cơ - lý tính
mà ta muốn có. Chẳng hạn, ngƣời ta thêm chì vào trong hợp kim đồng để loại bớt
những khó khăn khi gia công.
b. Phân loại theo bản chất vật liệu thành phần
Tuỳ thuộc vào bản chất của vật liệu nền, vật liệu composite đƣợc chia ra làm
ba nhóm: composite nền hữu cơ, composite nền kim loại và composite nền gốm.
Composite nền hữa cơ. (nhựa, hạt) cùng với vật liệu cốt dạng:
- Sợi hữu cơ: Polyamit, Kevlar…
- Sợi khoáng : thuỷ tinh, cabon…
- Sợi kim loại: Bo, nhôm…
Composite nền kim loại (hợp kim titan, hợp kim nhôm…) với vật liệu cốt
dạng:
- Sợi kim loại: Bo
- Sợi khoáng: Cacbon, SiC.
Composite nền gốm (khoáng) với vật liệu cốt dạng:
- Sợi kim loại: Bo
- Hạt kim loại: Chất gốm kim
- Hạt gốm: Cacbua, Nitơ…
Vật liệu composite nền hữu cơ chỉ chịu đƣợc nhiệt độ từ 200 đến 300
o

C, trong
khi đó composite nền kim loại có thể chịu đƣợc nhiệt độ đến 600
o
C (nền kim loại)
hoặc trên 1000
o
C (nền gốm).
1.3. Công nghệ chế tạo các kết cấu dạng tấm, vỏ bằng vật liệu composite
Hiện nay có nhiều phƣơng pháp chế tạo sản phẩm bằng vật liệu composite.
Các công nghệ chế tạo đƣợc lựa chọn tùy theo yêu cầu của sản phẩm và yêu cầu của


15
sản xuất. Theo [4], các công nghệ đƣợc sử dụng trong chế tạo sản phẩm bằng vật
liệu composite bao gồm: phƣơng pháp chế tạo thủ công và chế tạo công nghiệp
Chế tạo thủ công bao gồm:
- Phƣơng pháp lăn ép
- Phƣơng pháp phun hỗn hợp composite
- Phƣơng pháp thấm nhựa trƣớc.
Chế tạo công nghiệp bao gồm:
- Phƣơng pháp đùn ép
- Phƣơng pháp đúc chuyển nhựa
- Phƣơng pháp đúc chân không
- Phƣơng pháp quấn sợi.
1.3.1.Chế tạo thủ công
a. Phương pháp lăn ép
Một trong những phƣơng pháp đƣợc sử dụng rộng rãi nhất trong chế tạo sản
phẩm bằng vật liệu composite là phƣơng pháp chế tạo thủ công. Phƣơng pháp thủ
công sử dụng khuôn hở, có thể sử dụng khuôn dƣơng hoặc khuôn âm.

Hình 1.10. Chế tạo vật liệu composite bằng phương pháp lăn ép
Quy trình chế tạo gồm các bƣớc chính nhƣ sau:
- Quét phủ lớp hỗ trợ tháo khuôn lên bề mặt khuôn;
- Phủ lớp tạo bề mặt sản phẩm (gel-coat) có tác dụng bảo vệ lớp vật liệu
composite tránh tác hại của điều kiện ngoài trời khắc nghiệt nhƣ: nhiệt độ, ánh sáng,
thời tiết, khí hậu,…(tƣơng tự nhƣ phủ lớp sơn bảo vệ gỗ, kim loại)