Thiết kế quy trình công nghệ và chế tạo cánh turbine trục đứng công suất 5KW bằng vật liệu composite

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP



LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí


ĐỀ TÀI:
THIẾT KẾ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ VÀ CHẾ TẠO CÁNH TURBINE
TRỤC ĐỨNG CÔNG SUẤT 5KW BẰNG VẬT LIỆU COMPOSITE.

Học viên : Lê Thu Huyền
Lớp : Cao học k14-KTCK
Chuyên ngành : Kỹ thuật cơ khí
Giáo viên hƣớng dẫn : PGS.TS Ngô Nhƣ Khoa


BAN ĐÀO TẠO
SAU ĐẠI HỌC
HƢỚNG DẪN KHOA HỌC



PGS.TS NGÔ NHƢ KHOA
HỌC VIÊN

LÊ THU HUYỀN

`Thái Nguyên, 2014
i
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Lê Thu Huyền
Học viên lớp cao học khóa 14- Kỹ thuật cơ khí- Trƣờng ĐHKTCN Thái Nguyên.
Sau hai năm học tập, rèn luyện và nghiên cứu tại trƣờng, tôi lựa chọn thực
hiện đề tài: “ Thiết kế quy trình công nghệ và chế tạo cánh turbine trục đứng
công suất 5KW bằng vật liệu composite”.
Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung luận văn này là do chính bản thân tôi thực
hiện dƣới sự hƣớng dẫn của PGS.TS Ngô Nhƣ Khoa, cùng với các tài liệu đã đƣợc
trích dẫn trong phần tài liệu tham khảo ở phần cuối luận văn.
Thái Nguyên, ngày……. tháng…….năm 2014
Học viên



Lê Thu Huyền

ii
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

LỜI CẢM ƠN
Học viên bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo hƣớng dẫn PGS.TS Ngô
Nhƣ Khoa đã tận tình chỉ bảo, hƣớng dẫn , giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi và động
viên trong suốt quá trình hoàn thành luận văn.
Học viên trân trọng cảm ơn tập thể các thầy cô giáo trƣờng Đại học Kỹ thuật
công nghiệp Thái Nguyên đã nhiệt tình dạy dỗ trong cả khóa học.
Cảm ơn các thầy cô giáo trong Trung tâm thí nghiệm và phòng đào tạo sau đại
học vì sự giúp đỡ tận tình.
Cảm ơn gia đình và bạn bè đã động viên, giúp đỡ về mọi mặt trong thời gian
qua để luận văn đƣợc hoàn thành đúng tiến độ.
Mặc dù đã cố gắng, song do điều kiện về thời gian và kinh nghiệm thực tế còn
nhiều hạn chế nên không tránh khỏi thiếu sót. Vì vậy, tôi rất mong nhận đƣợc sự
đóng góp ý kiến của các thầy cô cũng nhƣ của bạn bè đồng nghiệp.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày…….tháng…….năm 2014
Học viên

Lê Thu Huyền










iii
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
iv
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i
LỜI CẢM ƠN ii
MỤC LỤC iii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vi
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ix
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT x
MỞ ĐẦU 1
1. Tính cấp thiết của đề tài 1

2. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu. 5
3. Dự kiến kết quả đạt đƣợc. 5
4. Phƣơng pháp nghiên cứu 6
5. Ý nghĩa 6
CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 7
1.1. Tổng quan về vật liệu composite 7
1.1.1. Khái niệm composite 7
1.1.2. Cấu tạo của vật liệu composite. 7
1.2. Công nghệ chế tạo các kết cấu dạng tấm, vỏ bằng vật liệu composite 14
1.3. Ứng dụng vật liệu composite lớp trong sản xuất cánh turbine. 21
1.4. Phân tích kết cấu cánh, điều kiện làm việc, quy mô sản xuất và vật liệu cánh
turbine gió công suất 5kW. 24
CHƢƠNG II: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VÀ CÁC ĐẶC TÍNH CƠ HỌC CỦA
VẬT LIỆU COPOSITE LỚP 27
2.1. Cơ sở để xác định các môđun kỹ thuật 27
2.1.1. Xác định bằng thí nghiệm. 27
2.1.2. Xác định bằng lý thuyết. 31
2.2. Chế tạo mẫu vật liệu composite bằng phƣơng pháp lăn ép. 34
2.2.1. Chế tạo khuôn. 34
2.2.2. Chế tạo mẫu. 35
2.3. Thí nghiệm thử kéo và uốn trên các mẫu vật liệu. 37
2.3.1. Thí nghiệm kéo. 37
v
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

2.3.2. Thí nghiệm uốn. 41
CHƢƠNG 3: CHẾ TẠO CÁNH TURBINE GIÓ TRỤC ĐỨNG CÔNG SUẤT
5KW 45
3.1. Phân tích chi tiết và chọn phƣơng án gia công. 45
3.2. Chế tạo khuôn. 46

3.3. Chế tạo cánh turbine. 47
3.3.1 Chế tạo các đoạn cánh turbine 48
3.3.2. Nối các đoạn cánh và ghép các nửa cánh. 53
CHƢƠNG IV: THỬ NGHIỆM ĐẶC TÍNH CÔNG NGHỆ CỦA CÁNH TURBINE
GIÓ ĐÃ HOÀN THÀNH 56
4.1. Kiểm tra độ chính xác về kích thƣớc và hình dáng hình học của cánh chế tạo. 56
4.2. Kiểm tra độ cứng tế vi 57
4.3. Kiểm tra khuyết tật và tỷ lệ sợi/ nhựa. 59
4.4. Thí nghiệm uốn đánh giá cơ tính của cánh chế tạo. 59
4.4.1. Cơ sở xác định thí nghiệm. 59
4.4.2. Tiến hành thí nghiệm. 61
KẾT LUẬN CHUNG 64
TÀI LIỆU THAM KHẢO 66







vi
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1. Cánh đồng điện gió Helpershainvà Ulrichstein-Helpershain-Germany 2
Hình 2. Các turbine gió đƣợc lắp ở ngoài biển 2
Hình 3. Cánh turbine trục đứng 3
Hình 4. Cánh turbine trục ngang 3
Hình 5. Bản vẽ cánh turbine gió NACA 0015 5

Hình 6. Cánh turbine gió NACA 0015 6
Hình 1.1 Nhựa Polyester 8
Hình 1.2. Nhựa Epoxy 9
Hình 1.3. Bột đá 10
Hình 1.4. Vải sợi thủy tinh dạng vải dệt và sợi bện đã cắt đoạn 11
Hình 1.5. Vải sợi cacbon 12
Hình 1.6. Chế tạo vật liệu composite bằng phƣơng pháp lăn ép. 15
Hình 1.7. Phƣơng pháp phun hỗn hợp composite 16
Hình 1.8. Phƣơng pháp đùn ép. 18
Hình 1.9. Phƣơng pháp đúc chuyển nhựa 19
Hình 1.10. Phƣơng pháp đúc chân không 20
Hình 1.11. Cánh turbine gió B75 của hãng Siemens 21
Hình 1.12. Cánh turbine gió công suất 10W 22
Hình 1.13. Cánh turbine gió trục đứng công suất 300W của công ty Quingdao
Hongkun Wind 23
Hình 1.14. Cánh turbine gió NACA 0015 24
Hình 2.1. Lớp vật liệu composite trực hƣớng 27
Hình 2.2. Mẫu thí nghệm kéo 28
Hình 2.3. Sơ đồ thí nghiệm kéo 28
Hình 2.4. Mô phỏng quá trình biến dạng kéo mẫu theo phƣơng cơ bản 29
Hình 2.5. Mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng 29
Hình 2.6. Xác định môđun đàn hồi kéo. 29
Hình 2.7. Xác định hệ số Poisson 30
Hình 2.8. Sơ đồ thí nghiệm cắt 30
Hình 2.9. Biến dạng cắt của nhựa 31
vii
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Hình 2.10. Sơ đồ mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng. 31
Hình 2.11 Sơ đồ phân bố sợi trong nhựa 32

Hình 2.12. Định luật hỗn hợp với môđun Young 32
Hình 2.13. Biến đổi của mô đun E
2
theo V
s
33
Hình 2.14. Biến đổi của các mô đun đàn hồi của các composite đồng phƣơng theo tỷ
lệ sợi 34
Hình 2.15. Phủ chất chống dính Wax 8 lên khuôn 35
Hình 2.16. Trải lớp vải sợi thủy tinh và lăn phẳng lớp vải sợi. 36
Hình 2.17. Mẫu kéo sợi thẳng và sợi chéo 37
Hình 2.18. Mẫu uốn sợi thẳng 37
Hình 2.19. Máy thử độ bền kéo 38
Hình 2.20. Thử kéo mẫu vật liệu composite. 38
Hình 2.21. Biểu đồ biểu diễn mối quan hệ giữa lực và biến dạng. 39
Hình 2.22. Sơ đồ thí nghiệm uốn 41
Hình 2.23. Thí nghiệm thử uốn mẫu vật liệu composite. 41
Hình 3.1. Bản vẽ cánh turbine biên dạng NACA 0015 45
Hình 3.2. Biên dạng cánh NACA 0015 46
Hình 3.3. Dƣỡng chế tạo khuôn. 46
Hình 3.4. Khung ống kẽm để làm khuôn. 46
Hình 3.5. Quá trình làm khuôn bêtông. 47
Hình 3.6. Khuôn cánh turbine. 47
Hình 3.7. Phủ chất chống dính Wax 8 lên khuôn 48
Hình 3.8. Gel trắng 48
Hình 3.9. Butanox 48
Hình 3.10. Xác định khối lƣợng gel trắng 49
Hình 3.11. Xác định khối lƣợng butanox 49
Hình 3.12. Trộn hỗn hợp Gel – Butanox và phủ đều lên bề mặt khuôn 49
Hình 3.13. Lớp phủ bề mặt gel trắng 50

Hình 3.14. Xác định khối lƣợng nhựa 50
Hình 3.15. Hỗn hợp nhựa – Butanox 50
Hình 3.16. Trải lớp vải sợi thủy tinh và lăn phẳng lớp vải sợi. 50
Hình 3.17. Bề mặt trong của cánh sau khi gia công 51
Hình 3.18. Quá trình tạo gờ cho cánh 51
viii
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Hình 3.19. Đoạn cánh turbine sau khi gia công gờ. 52
Hình 3.20. Lắp giấy giáp vào máy mài 52
Hình 3.21. Vệ sinh làm sạch đoạn cánh turbine. 52
Hình 3.22. Đoạn cánh 2000mm 53
Hình 3.23. Gia công đoạn cánh turbine 1000mm 53
Hình 3.24. Khoan lỗ và phủ nhựa lên hai mặt đầu của hai đoạn cánh 54
Hình 3.25. Lắp bulông nối hai đoạn cánh. 54
Hình 3.26. Bề mặt ngoài cánh turbine sau khi nối các đoạn cánh 54
Hình 3.27. Quá trình ghép các nửa cánh lại với nhau 55
Hình 3.28. Cánh turbine gió sau khi ghép và cánh 4000mm đã hoàn thành. 55
Hình 4.1. Kiểm tra kích thƣớc cánh turbine gió đã chế tạo 56
Hình 4.2. Đo biên dạng cánh turbine trên máy đo tọa độ ba chiều CMM 56
Hình 4.3. Kết quả đo biên dạng cánh trên màn hình máy tính 57
Hình 4.4. Cánh turbine đã chế tạo và cánh NACA 0015 57
Hình 4.5. Thí nghiệm đo độ cứng tế vi tại ba vị trí trên mẫu 58
Hình 4.6. Kiểm tra khuyết tật của mẫu trên kính hiển vi điện tử. 59
Hình 4.8. Kết quả tính mômen quán tính J trên phần mềm Auto Cad. 61
Hình 4.9. Thí nghiệm uốn cánh turbine gió đã chế tạo. 62



ix

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1: Các thông số kỹ thuật của một số vật liệu cánh turbine 4
Bảng1.1. Thông số kỹ thuật cánh turbiine gió trục ngang của công ty Shanghai
Good Serve Industrial 22
Bảng 1.2. Thông số kỹ thuật cánh turbine gió trục đứng của một số công ty 23
Bảng 2.1. Các giá trị E
2
/E
n
tƣơng ứng với các giá trị của tỉ số E
s
/E
n
và V
s
33
Bảng 4.1. Kết quả thí nghiệm uốn 62

x
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT
E
1

Mô đun Young theo phƣơng cơ bản
E
2

Mô đun Young theo phƣơng ngang
E
3

Mô đun Young ngang
υ
12
Hệ số Poisson theo phƣơng cơ bản
υ
13

Hệ số Poisson theo phƣơng ngang

υ
23

Hệ số Poisson ngang
G
12
Mô đun cắt trong mặt phẳng của lớp
G
13
Mô đun cắt theo phƣơng cơ bản
G
23
Mô đun cắt theo phƣơng ngang
σ
u
Ứng suất uốn
σ
1
Ứng suất uốn theo phƣơng cơ bản
σ
2
Ứng suất uốn theo phƣơng ngang
σ
3
Ứng suất uốn ngang
ε
u
Biến dạng uốn phá hủy
∆l
Biến dạng tuyệt đối

l
Chiều dài mẫu
τ
12
Ứng suất cắt trong mặt phẳng của lớp

γ
12
Biến dạng góc trong mặt phẳng của lớp
σ
s
Ứng suất trong sợi
σ
n
Ứng suất trong nhựa
S
s
Diện tích tiết diện ngang của sợi
S
n
Diện tích tiết diện ngang của nhựa
E
n
Môđun đàn hồi của nhựa
E
s

Môđun đàn hồi của sợi
V
s

Thể tích của sợi
V
n

Thể tích của nhựa
G
s
Môđun cắt dọc của sợi
G
n
Môđun cắt dọc của nhựa
xi
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

P
Lực tác dụng
h
Chiều dày mẫu
b
Chiều rộng mẫu
NACA
Ủy ban cố vấn ngành hàng không quốc gia
F
c

Lực cản của gió tác động lên cánh
C
d
Hệ số cản

ρ
Mật độ không khí
S
Diện tích hình chiếu bề mặt cánh cản gió
V
Vận tốc gió

1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong công cuộc "công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nƣớc", Việt Nam cần
đảm bảo nguồn năng lƣợng phát triển công nghiệp, trong đó điện năng giữ vai tròng
cực kỳ quan trọng. Từ trƣớc đến nay, nguồn điện năng Việt Nam sử dụng chủ yếu
đƣợc tạo ra từ các nhà máy nhiệt điện, thủy điện Tuy nhiên, cùng với việc mở cửa
hội nhập của nền kinh tế, Việt Nam cũng gặp phải những khó khăn và trở ngại
chung khi thiếu hụt về năng lƣợng, trong khi năng lƣợng truyền thống dần ngày
càng cạn kiệt và ô nhiễm môi trƣờng đang trở thành vấn đề toàn cầu. Yêu cầu cấp
thiết cần tìm ra nguồn năng lƣợng mới để khắc phục các vấn đề trên. Năng lƣợng
gió là một trong những nguồn năng lƣợng đáp ứng đƣợc yêu cầu cấp thiết đó.
Theo định nghĩa, năng lƣợng tái tạo (renewable energy) là năng lƣợng phát
sinh từ các nguồn tài nguyên thiên nhiên nhƣ: tia nắng mặt trời, gió, mƣa, thuỷ
triều, nhiệt từ lòng đất và vì thế các loại năng lƣợng này đƣợc tái tạo một cách tự
nhiên. Nhƣ vậy năng lƣợng gió là một trong các nguồn năng lƣợng tái tạo. Năng
lƣợng gió ban tặng cho hành tinh chúng ta cơ hội giảm khí thải carbon, bầu không
khí trong lành và nền văn minh bền vững. Năng lƣợng gió cũng tạo cơ hội cho các
nƣớc trên thế giới cải thiện an ninh năng lƣợng, bảo vệ môi trƣờng và thúc đẩy tăng
trƣởng kinh tế của mỗi nƣớc.
Điện năng đƣợc tạo ra từ năng lƣợng gió thông qua các máy phong điện
(turbine gió). Nó có ƣu điểm: tận dụng đƣợc nguồn năng lƣợng gió vô tận, ổn định,
dễ áp dụng và không gây ô nhiễm môi trƣờng. Xét về lâu dài, máy phong điện mang
tính kinh tế cao hơn các nhà máy thuỷ điện và nhiệt điện. Turbine có 2 loại: trục
ngang và trục đứng.
Trên thế giới, có rất nhiều nƣớc đã sử dụng năng lƣợng gió để sản xuất ra
điện năng nhƣ Đan Mạch, Đức, Hà Lan, Mỹ, và gần đây có Australia, Trung Quốc,
Nhật Bản
Việt Nam có lợi thế là hơn 3000km bờ biển nên nguồn năng lƣợng gió rất dồi
dào. Ngoài ra, nƣớc ta còn có các hải đảo, vùng núi cao cũng là vùng có tiềm năng

2
về gió rất lớn.Với ƣu thế về vị trí địa lý này, Việt Nam hoàn toàn có thể sử dụng
nguồn năng lƣợng gió để sản xuất điện năng.
Theo kết quả khảo sát của Ngân hàng Thế giới trong chƣơng trình đánh giá
về “Năng lƣợng gió Châu Á” thì Việt Nam là một quốc gia có tiềm năng về năng
lƣợng gió cao nhất Đông Nam Á, với 513.360 MW, tức là gấp hơn 200 lần công
suất của nhà máy thuỷ điện Sơn La, và hơn 10 lần tổng công suất dự báo của ngành
điện Việt Nam năm 2020 [1].

Hình 1. Cánh đồng điện gió Helpershainvà Ulrichstein-Helpershain-Germany

Hình 2. Các turbine gió được lắp ở ngoài biển
Nhƣ vậy, cứ ở đâu có gió phù hợp là cho phép ta phát triển máy phong điện
để cung cấp điện năng. Tại Việt Nam nơi đó thƣờng là các hải đảo,bờ biển, vùng núi


3
cao biên giới…Điều này rất phù hợp cho việc giải quyết bài toán cung cấp điện sinh
hoạt, đặc biệt là các gia đình ở vùng sâu, vùng xa, biên giới hải đảo để thay thế các
nhà máy thuỷ điện, nhiệt điện đang hoạt động ở nƣớc ta hiện nay. Tuy nhiên việc sử
dụng năng lƣợng gió ở Việt Nam cũng đang đƣợc quan tâm nhƣng ở mức thấp.
Đầu năm 2013, nhà máy phong điện tại tỉnh Bình Thuận đã khánh thành và chính
thức hoà mạng lƣới điện quốc gia.
Bộ phận chính đặc biệt quan trọng của turbine gió là cánh turbine. Việc lựa
chọn hình dạng, kích thƣớc và vật liệu cánh turbine ảnh hƣởng rất lớn tới hiệu suất
và độ bền của turbine gió. Vật liệu chế tạo cánh turbine đòi hỏi phải nhẹ, chịu đƣợc
mài mòn, có tính oxy hóa tốt, đặc biệt đối với turbine gió đặt ở ngoài biển.

Hình 3. Cánh turbine trục đứng

Hình 4. Cánh turbine trục ngang
Một số loại vật liệu thƣờng đƣợc sử dụng để chế tạo cánh turbine là nhôm,
titan, thép, gỗ và vật liệu composite lớp (nền nhựa, cốt sợi). So với các loại vật liệu


4
khác, vật liệu composite lớp có độ cứng, độ bền cơ học cao, có khả năng chịu nhiệt
và chịu sự ăn mòn của vật liệu trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt cao hơn, dễ chế
tạo và kinh tế hơn.

Thông số

Vật liệu
Khối
lƣợng
riêng
(g/cm
3
)
Giới hạn
độ bền
(N/mm
2
)
Modun
đàn hồi E
(kN/mm
2

)
Độ bền
cắt trên
khối
lƣợng
riêng
(km)
Modun
đàn hồi
trên khối
lƣợng
riêng
(10
3
km)
Giới hạn
mỏi
(10
7

N/mm
2
)
Thép Ts 52
7.85
520
210
6.6
2.7
60

Thép hợp kim
hoá 1.7735.4
7.85
680
210
8.7
2.7
70
Nhôm
AlZnMgCu
2.7
480
70
18
2.6
40
Nhôm AlMg5
2.7
236
70
8.7
2.6
20
Hợp kim Ti
3.7164.1
4.5
900
110
20
2.4

Coposite sợi thuỷ
tinh/ nhựa
1.7
420
15
24.7
0.9
35
Coposite sợi
cacbon/ nhựa
1.4
550
44
39
3.1
100
Gỗ
0.38
65
8
17
2.1
20
Gỗ/nhựa
0.58
75
11
13
1.9

35

Bảng 1: Các thông số kỹ thuật của một số vật liệu cánh turbine
Sau khi đã lựa chọn đƣợc vật liệu chế tạo thì công việc quan trọng nhất là
thiết kế đƣợc quy trình công nghệ chế tạo cánh turbine. Trên thế giới, có rất nhiều
tập đoàn công nghiệp đã sản xuất cánh turbine gió và đƣa vào sử dụng với nhiều
kiểu dáng khác nhau. Tuy nhiên, công nghệ chế tạo cánh turbine gió vẫn chỉ là
những bí quyết riêng của các công ty mà ta không thể tiếp cận đƣợc. Với đề tài “


5
Thiết kế quy trình công nghệ và chế tạo cánh turbine trục đứng công suất 5KW
bằng vật liệu composite” sẽ rất cần thiết cho việc ứng dụng vật liệu mới, vật liệu
composite lớp để chế tạo cánh turbine trục đứng áp dụng cho máy công suất 5KW, góp
phần cho việc phát triển máy phong điện cung cấp điện năng ở nƣớc ta hiện nay.
2. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu.
*Mục tiêu:
- Xây dựng đƣợc quy trình công nghệ để chế tạo cánh turbine trục đứng công
suất 5KW bằng vật liệu composite nền nhựa epoxy cốt sợi thủy tinh.
- Chế tạo thử nghiệm đƣợc cánh turbine trục đứng công suất 5KW.
* Nội dung:
Chƣơng I: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu của đề tài.
Chƣơng II: Công nghệ chế tạo và xác định các đặc tính của vật liệu
composite lớp .
Chƣơng III: Quy trình chế tạo cánh turbine gió trục đứng công suất 5kW.
Chƣơng IV: Thử nghiệm đặc tính công nghệ của cánh turbine gió công suất 5KW.
3. Dự kiến kết quả đạt đƣợc.
- Quy trình công nghệ chế tạo cánh turbine gió trục đứng.
- Bộ cánh turbine gió NACA 0015(5 cánh) công suất 5KW bằng vật liệu
composite nền nhựa cốt sợi thủy tinh.

Hình 5. Bản vẽ cánh turbine gió NACA 0015


6


Hình 6. Cánh turbine gió NACA 0015
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm.
5. Ý nghĩa
- Ý nghĩa khoa học:
Nghiên cứu tổng quan về quy trình công nghệ chế tạo các kết cấu dạng tấm,
vỏ bằng vật liệu composite. Từ đó xây dựng lên quy trình công nghệ chế tạo cánh
turbine gió bằng vật liệu composite lớp .
- Ý nghĩa thực tiễn:
Kết quả của đề tài cho phép xác định đƣợc phƣơng pháp chế tạo cánh
turbine gió kiểu trục đứng công xuất 5KW bằng vật liệu composite.

7
CHƢƠNG I
TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

1.1. Tổng quan về vật liệu composite
1.1.1. Khái niệm composite
Vật liệu composite là vật liệu tổ hợp (mức độ vĩ mô) của hai hay nhiều vật liệu
khác nhau nhằm tạo ra vật liệu mới có tính năng ƣu việt hơn hẳn vật liệu thành phần [2].
Những đặc điểm chính của vật liệu composite gồm:
- Là vật liệu nhiều pha.
- Trong vật liệu composite có tỉ lệ, hình dạng, kích thƣớc cũng nhƣ sự phân
bố của nền và cốt tuân theo các qui định thiết kế trƣớc.
- Tính chất của các pha thành phần đƣợc kết hợp để tạo nên tính chất chung
của composite. Tuy nhiên tính chất của composite không bao gồm tất cả tính chất
của pha thành phần khi chúng đứng riêng lẻ mà chỉ lựa chọn những tính chất tốt và
phát huy thêm.
1.1.2. Cấu tạo của vật liệu composite.
1. Thành phần nền
Vật liệu nền cần có độ cứng cần thiết để cho composite chịu đƣợc tải và cấu
trúc đồng nhất của composite.
- Vật liệu nền giữ vai trò cực kỳ quan trọng trong việc chế tạo vật liệu
composite.
- Vật liệu nền cần đáp ứng đƣợc yêu cầu khai thác và công nghệ.
- Vật liệu nền có thể đƣợc tạo thành từ một chất hoặc hỗn hợp nhiều chất đƣợc
trộn lẫn một cách đồng nhất.
* Một số loại vật liệu nền thƣờng gặp:

Trong thực tế, ngƣời ta có thể sử dụng nhựa nhiệt rắn hoặc nhựa nhiệt dẻo
làm nền.
- Nhựa nhiệt dẻo: PE, PS, ABS, PVC gia công trên máy ép phun ở trạng
thái nóng chảy.


8
- Nhựa nhiệt rắn: PU, PP, UF, Epoxy, Polyester không no đƣợc gia công
dƣới áp suất và nhiệt độ cao, riêng với epoxy và polyme không no có thể tiến hành
ở nhiệt độ thƣờng và gia công bằng tay.
Nhìn chung, nhựa nhiệt rắn cho vật liệu và cơ tính cao hơn nhựa nhiệt dẻo.
- Một số loại nhựa nhiệt rắn thông thƣờng:
a. Polyester không no (Nhựa Polyester)
Nhựa polyester đƣợc sử dụng rộng rãi trong công nghệ composite. Polyester
thƣờng là loại không no, có khả năng đóng rắn ở dạng lỏng hoặc ở dạng rắn nếu có
điều kiện thích hợp.
Hai loại polyester thƣờng dùng trong công nghệ composite là orthophthalic và
isophthalic, Nhựa orthophthalic cho tính kinh tế cao, đƣợc sử dụng rộng rãi. Còn
nhựa isophthalic có khả năng kháng nƣợc tuyệt vời nên là vật liệu quan trọng trong
công nghiệp, đặc biệt là hàng hải.
Thời gian đề polyester tự đóng rắn chậm, vì vậy cần dùng chất xúc tác và chất
xúc tiến để đạt tốc độ trùng hợp của nhựa trong một khoảng thời gian nào đó.Quá
trình đóng rắn đƣợc gọi là quá trình polymer hoá. Đây là phản ứng hoá học một
chiều cho phép nhựa chịu tải tốt mà không bị giòn.

Hình 1.1 Nhựa Polyester



9

b. Vinylester
Vinylester có cấu trúc tƣơng tự nhƣ polyester. Tuy nhiên, vinylester có ít
nhóm este hơn polyester, nhóm ester rất dễ bị thuỷ phân, tức là vinyester kháng
nƣớc tốt hơn các loại polyester khác do vậy thƣờng dùng vật liệu này làm lớp phủ
bên ngoài cho sản phẩm ngập trong nƣớc nhƣ là vỏ ngoài của tàu, thuyền, ống dẫn,
bồn chứa hoá chất
c. Epoxy
Epoxy đại diện cho nhựa có tính năng tốt nhất hiện nay. Nói chung, epoxy có
tính năng cơ lý, kháng môi trƣờng hơn hẳn các loại nhựa khác, là loại nhựa đƣợc sử
dụng nhiều nhất trong các chi tiết máy bay. Nhựa epoxy không có nhóm ester, do
đó khả năng kháng nƣớc của epoxy rất tốt. Với tích chất kết dính và khả năng kháng
nƣớc tuyệt vời của mình, epoxy rất lý tƣởng để sử dụng trong ngành đóng tàu.
Epoxy đóng rắn dễ dàng ở nhiệt độ từ 5 - 150
0
C. Ƣu điểm nổi bật của epoxy là co
ngót thấp khi đóng rắn. Lực liên kết, tính chất cơ lý của epoxy đƣợc tăng cƣờng bởi
tính cách điện và khả năng kháng hoá chất.
Ứng dụng của epoxy rất đa dạng, nó đƣợc dùng làm keo dán, hỗn hợp xử lý bề
mặt, hỗn hợp đổ, bột trét, sơn

Hình 1.2. Nhựa Epoxy
2. Thành phần cốt (chất độn).
Chất độn đóng vai trò là chất chịu ứng suất tập trung vì độn thƣờng có tính
chất cơ lý cao hơn nhựa. Ngƣời ta đánh giá độn dựa trên các đặc điểm sau:


10
- Tính gia cƣờng cơ học
- Tính kháng hóa chất, môi trƣờng, nhiệt độ.
- Phân tán vào nhựa tốt.

- Truyền nhiệt, giải nhiệt tốt.
- Thuận lợi cho quá trình gia công.
- Giá thành hạ, nhẹ.
Tuỳ thuộc vào yêu cầu của từng loại sản phẩm mà ngƣời ta có thể chọn loại
vật liệu độn thích hợp. Có hai dạng độn:
a. Độn dạng hạt.
Chất độn thƣờng đƣợc sử dụng là: silica, CaCO
3
, vẩy mica, vẩy kim loại, độn
khoáng, cao lanh, đất sét, hay graphite, cácbon, bột đá Khả năng gia cƣờng cơ tính
của chất độn dạng hạt đƣợc sử dụng với mục đích sau:

Hình 1.3. Bột đá
- Giảm giá thành.
- Tăng thể tích cần thiết đối với độn trơ, tăng độ bền cơ lý, hoá, nhiệt, điện.
- Dễ đúc khuôn, giảm sự tạo bọt khí trong nhựa có độ nhớt cao.
- Cải thiện tính chất bề mặt vật liệu, chống co rút khi đông rắn, che khuất sợi
trong cấu tạo tăng cƣờng sợi, giảm toả nhiệt khi đóng rắn.
b. Độn dạng sợi


11
Sợi có tính năng cơ lý hoá cao hơn độn dạng hạt, tuy nhiên, sợi có giá thành
cao hơn nên thƣờng dùng để chế tạo các loại vật liệu cao cấp. Cốt sợi cũng có thể là
sợi tự nhiên nhƣ sợi gai, sợi đay, sợi lanh, xơ dừa, xơ tre, bông có thể là sợi nhân
tạo nhƣ: sợi thuỷ tinh, sợi cacbon, sợi Bo, sợi cacbua silic, sợi amide
Việc độn thêm các loại sợi này vào hỗn hợp có tác dụng làm tăng độ bền cơ
học cũng nhƣ độ bền hoá học của vật liệu composite nhƣ: khả năng chịu đƣợc va
đập, độ giãn nở cao,khả năng cách âm tốt, tính chịu ma sát, mài mòn, độ nén, độ
uốn dẻo và độ kéo đứt cao, khả năng chịu đƣợc trong môi trƣờng ăn mòn nhƣ:

muối, kiềm, axit
* Sợi thuỷ tinh: Là chất vô cơ dẻo hơn sợi thực vật hoặc động vật, không thể
thắt nút, đàn hồi hay giãn rộng ra, không cháy, không dẫn điện, không mục nát,
không thấm nƣớc và bền với hầu hết các axit (bền vững hơn bất kỳ sợi dệt nào).
Sợi thuỷ tinh thƣờng có dạng thô, sợi chỉ và sợi bện đã cắt đoạn; dạng tấm
mỏng, chiếu đệm và các sản phẩm không dệt; dạng vải dệt từ các sợi thô. Sợi thuỷ
tinh thƣờng đƣợc ứng dụng trong sản xuất composite polymer, chế tạo vỏ tàu
thuyền, ôtô, vỏ xe máy,cánh quạt trong tua bin nƣớc

Hình 1.4. Vải sợi thủy tinh dạng vải dệt và sợi bện đã cắt đoạn
* Sợi hữu cơ: Có môdun đàn hồi cao, độ bền cao khi kéo, ổn định cao về
nhiệt độ, bền va đạp, không chảy, tính cách điện cao. Sợi hữu cơ có 2 loại phỏ biến:
Sợi hữu cơ aramid và sợi polyetylen, nhiệt độ làm việc của composite sử dụng sợi
hữu cơ thƣờng dƣới 200
0
C. Sợi hữu cơ đƣợc sử dụng rộng rãi để chế tạo thân, vỏ
tên lửa, động cơ nhiên liệu rắn, bình, ống chịu lực gang tay cách nhiệt, mũ, áo giáp,
thiết bị thể thao


12

Hình 1.5. Vải sợi cacbon
3. Chất pha loãng.
Các chất pha loãng phải thoả mãn các điều kiện sau đây:
- Chất pha loãng phải đồng trùng hợp tốt với polyester, không trùng hợp riêng
rẽ tạo sản phẩm không đồng nhất làm ảnh hƣởng đến tính chất của sản phẩm, hoặc
còn sót lại monomer làm sản phẩm mềm dẻo, kém bền.
- Chất pha loãng phải tạo hỗn hợp đồng chất với polyester, tốt nhất là dung
môi cho polyester. Lúc đó nó hoà tan hoàn toàn vào giữa các mạch phân tử

polyester, tạo thuận lợi cho phản ứng đóng rắn và tạo độ nhớt thuận lợi cho quá
trình gia công.
- Nhiệt độ sôi cao, khó bay hơi trong quá trình gia công và bảo quản.
- Nhiệt phản ứng đồng trùng hợp thấp, sản phẩm đồng trùng hợp ít co rút.
- Ít độc.
Để đóng rắn polyester, ngƣời ta thƣờng dùng các chất pha loãng: styrene,
metyl meta acrylat (MMA), vinyl, triallil xianuarat trong đó styrene đƣợc sử dụng
nhiều nhất do có những tính chất ƣu việt:
- Có độ nhớt thấp.
- Tƣơng hợp tốt với polyester, khả năng đồng trùng hợp cao, tự trùng hợp thấp.
- Đóng rắn nhựa nhanh.
- Sản phẩm chịu thời tiết tốt, cơ lý tính cao, cách điện tốt.
- Khả năng tự bốc cháy thấp.


13
4. Chất tách khuôn, chất làm kín và các phụ gia khác.
a. Chất tách khuôn.
Chất tách khuôn có tác dụng ngăn nhựa bám dính vào bề mặt khuôn. Một số
chất tách khuôn: Wax, silicon, dầu mỏ, mỡ heo
b. Chất làm kín.
Với khuôn làm từ các vật liệu xốp nhƣ gỗ, thạch cao thì cần phải bôi chất làm
kín trƣớc khi dùng chất tách khuôn. Các chất làm kín xâm nhập vào các lỗ xốp,
ngăn chặn nhựa bám vào. Một số chất làm kín: Cellulose acetate, wax, silicon,
stearic acid, nhựa furane, véc ni, sơn mài
c. Chất tẩy bọt khí.
Bọt khí làm sản phẩm composite bị giảm độ chịu lực, độ chịu thời tiết và thẩm
mỹ bề mặt. Lƣợng thƣờng sử dụng: 0.2 - 0.5% lƣợng nhựa. Tuy nhiên,lƣu ý nên
cho chất tẩy bọt khí vào nhựa trƣớc khi dùng các thành phần khác.
d. Chất thấm ướt sợi.

Chất thấm ƣớt sợi có tác dụng tăng khả năng thấm ƣớt sợi giúp sử dụng độn
nhiều hơn. Lƣợng thƣờng dùng: 0.5 - 1.5% so với độn cùng với chất tăng độ phân
tán và chất ngăn thoát hơi styrene.
5. Chất xúc tác, xúc tiến.
a. Chất xúc tác.
Các chất xúc tác chỉ đƣợc cho vào nhựa trƣớc khi gia công. Vai trò của chúng
là tạo gốc tự do kích thích cho quá trình xúc tác phản ứng đồng trùng hợp. Tác nhân
kích thích cho sự tạo thành gốc tự do có thể là chất xúc tiến, bức xạ ánh sáng, tia tử
ngoại hay nhiệt độ. Chất xúc tác gồm các loại: Xúc tác Peroxide, xúc tác azo và diazo.
b. Chất xúc tiến.
Chất xúc tiến đóng vai trò quan trọng cho phản ứng gốc tự do của chất xúc
tác. Dùng chất xúc tiến sẽ làm giảm đƣợc nhiệt độ và thời gian đóng rắn một cách
đáng kể và có thể đóng rắn nguội. Chất xúc tiến gồm các loại:
- Xúc tiến kim loại: Là muối của kim loại chuyển tiếp nhƣ: cobalt, chì,
mangan, ceri và các acid nhƣ: naphthenic, linoleic, octonic hoà tan tốt trong