tóm tắt luận văn thạc schế tạo được thiết bị đo tốc độ gió và phương gió dùng cho máy phong điện trục đứng có điều khiển góc cánh mà các thiết bị đo gió hiện có trên thị trường c

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

PHẠM THẾ ANH
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM
THIẾT BỊ ĐO GIÓ CHO MÁY PHONG ĐIỆN
TRỤC ĐỨNG CÓ ĐIỀU KHIỂN
Chuyên ngành : Công nghệ chế tạo máy
Mã số : 60 52 01 03
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
THÁI NGUYÊN - 2013
2
Công trình được hoàn thành tại:
Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên
Người hướng dẫn khoa học:
PGS.TS. Ngô Như Khoa
Phản biện 1:
Phản biện 2:
Phản biện 3:
Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn họp tại:
Hội trường cao học số , ĐHKT Công nghiệp, ĐH Thái Nguyên
Vào hồi……giờ…… ngày…….tháng…… năm 2013
Có thể tìm hiểu luận văn tại thư viện: Trường ĐHKT CN
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Điện gió hiện đã và đang được đặc biệt quan tâm trong nghiên cứu, sản xuất
và ứng dụng tại nhiều quốc gia, trong đó có Việt Nam. Thiết bị dùng để biến động
năng của gió thành điện năng được gọi là máy phong điện hay còn gọi là máy phát
điện bằng sức gió.
Về cơ bản máy phong điện được chia làm hai loại, đó là: Máy phong điện
trục đứng và máy phong điện trục ngang. Máy phong điện trục ngang là loại turbine

gió có hiệu suất cao nhất, thích hợp với nhiều vận tốc gió khác nhau, tuy nhiên hình
dạng và kích thước lớn nên dẫn đến lắp đặt và bảo dưỡng khó khăn. Loại này chủ
yếu được sử dụng cho hệ thống có công suất lớn, hòa vào lưới điện quốc gia.
Đối với máy phong điện trục đứng thông thường có thể hoạt động bình đẳng
với mọi hướng gió, cấu tạo đơn giản, các bộ phận đều có kích thước không quá lớn
nên lắp đặt và bảo dưỡng dễ dàng. Hạn chế của nó là công suất thấp, công suất phụ
thuộc vào đường kính hệ thống cánh, mô men khởi động lớn, chiếm diện tích mặt
bằng lớn khi lắp đặt. Với đặc điểm như trên nên máy phong điện trục đứng thông
thường không có bộ điều khiển.
Tuy nhiên, để nâng cao hiệu suất cho máy phong điện trục đứng thì phải điều
khiển được góc xoay của cánh. Do đó, cần lắp đặt thêm bộ điều khiển, cơ cấu chấp
hành và một điều không thể thiếu đó là thiết bị đo gió nhằm cung cấp số liệu về
tốc độ gió và hướng gió cho bộ điều khiển.
Máy phong điện trục đứng có điều khiển góc cánh được thiết kế với đặc
điểm nổi bật về kết cấu đó là modul điều khiển cũng như modul dẫn động cho cánh
đều nằm trên rotor và quay cùng nó khi hoạt động. Do đó, nếu dùng thiết bị đo gió
hiện có trên thị trường được lắp cố định trên cột hoặc chân đế thì rất khó truyền
tín hiệu cho bộ điều khiển. Khi đó việc thiết kế đường dẫn tín hiệu trở nên khó
khăn hơn, độ trễ của tín hiệu đến bộ điều khiển sẽ tăng lên, đây là điều không hề
mong muốn trong việc giải bài toán điều khiển.
3
Như vậy, để xác định được tốc độ gió và hướng gió nhằm cung cấp số liệu
cho bộ điều khiển của máy phong điện trục đứng có điều khiển góc cánh thì cần
thiết kế và chế tạo thiết bị đo gió chuyên dụng gắn trực tiếp trên rotor.
2. Mục tiêu nghiên cứu.
Mục tiêu: Chế tạo được thiết bị đo tốc độ gió và phương gió dùng cho máy phong
điện trục đứng có điều khiển góc cánh mà các thiết bị đo gió hiện có trên thị trường
chưa phù hợp.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Thiết bị đo gió chuyên dụng, sử dụng cho máy phong điện trục đứng có điều

khiển góc cánh.
4. Phương pháp nghiên cứu
Lý thuyết kết hợp với thử nghiệm.
5. Ý nghĩa của đề tài.
Đề tài ứng dụng tổng hợp các kiến thức của ngành cơ khí chế tạo máy, cơ
học kỹ thuật và khí động lực học nhằm thiết kế và chế tạo một thiết bị ứng dụng
theo yêu cầu cụ thể của một đề tài nghiên cứu khoa học mà chưa có trong thực tiễn.
Vì vậy đề tài có ý nghĩa về mặt khoa học cũng như thực tiễn.
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1. Các loại thiết bị đo gió.
Thiết bị đo gió là một thiết bị dùng để đo tốc độ gió, xác định hướng gió,
thường được sử dụng trong ngành khí tượng học hoặc khí động lực học. Thiết bị đo
gió chia làm 2 nhóm chính, đó là nhóm đo tốc độ gió và nhóm đo áp lực do gió sinh
ra. Ở đây ta chỉ quan tâm đến thiết bị đo tốc độ gió với tên tiếng Anh là
Anemometer. Các thiết bị đo tốc độ gió hiện có trên thị trường khá phong phú, dưới
đây là một số thiết bị đo tốc độ gió thường gặp.
1.1.1. Cup Anemometer.
Cup Anemometers – Có nghĩa là thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc. Đây là thiết
bị đo tốc độ gió đơn giản, dựa vào việc xác định số vòng quay trong một đơn vị thời
gian ta có thể tính toán cho ra tốc độ của gió tác động vào các bán cầu.
4
1.1.2. Windmill anemometer.
Windmill anemometers – Thiết bị đo tốc độ gió kiểu cánh quạt. Thiết bị đo
tốc độ gió kiểu này có trục quay theo phương ngang. Để hạn chế sai số khi hướng
gió thay đổi thì kết cấu của thiết bị đo có thêm phần đuôi lái gió.
1.1.3. Hot-wire anemometer.
Hot-wire anemometers – Thiết bị đo tốc độ gió kiểu sợi đốt. Thiết bị này sử
dụng một sợi dây dẫn điện tốt, cho một dòng điện đi qua sợi dây để đốt nóng. Dòng
không khí thổi qua dây có tác dụng tản nhiệt trên dây. Xác định được sự thay đổi

nhiệt độ trên dây kim loại, qua đó xác định được tốc độ của dòng chảy.
1.1.4. Sonic anemometer.
Sonic anemometers – Thiết bị đo tốc độ gió thông qua sóng siêu âm. Thiết bị
xác định tốc độ gió dựa trên thời gian lan truyền của sóng siêu âm giữa các cặp của
đầu dò. Phép đo thông qua các cặp đầu dò được kết hợp để xác định vận tốc gió
trong 1, 2 hoặc 3 chiều dòng chảy. Độ phân giải được cho bởi chiều dài đường dẫn
giữa các đầu dò thường từ 10 – 20 cm.
Với ưu điểm nổi bật là kết cấu đơn giản, dễ chế tạo và lắp đặt và giá thành
hợp lý. Vì vậy, đối tượng nghiên cứu trong đề tài này là thiết bị đo tốc độ gió có
dạng cốc – Cup Anemometers.
1.2. Vị trí lắp của thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc.
1.2.1. Trên máy phong điện trục ngang và trục đứng.
Thuận lợi cơ bản khi lựa chọn các thiết bị đo gió kiểu cốc hiện có trên thị
trường là các thông số của chúng đã được tính toán và kiểm nghiệm nên ta có thể
lựa chọn thiết bị có thông số phù hợp với yêu cầu cụ thể để lắp đặt. Tuy nhiên, các
thiết bị này chỉ có thể gắn cố định trên thân, chân đế hoặc tháp đỡ.
1.2.2. Trên máy phong điện trục đứng có điều khiển góc cánh.
Với kết cấu của máy phong điện trục đứng có điều khiển góc cánh được mô
tả trong hình 1.7 bên dưới thì modul điều khiển cũng như modul dẫn động cho cánh
đều nằm trên rotor và quay cùng nó khi hoạt động. Do đó, nếu dùng thiết bị đo tốc
độ gió kiểu cốc hiện có trên thị trường được lắp cố định trên cột hoặc chân đế
thì rất khó truyền tín hiệu cho bộ điều khiển. Khi đó việc thiết kế đường dẫn tín
5
hiệu trở nên khó khăn hơn, độ trễ của tín hiệu đến bộ điều khiển sẽ tăng lên, đây là
điều không hề mong muốn trong việc giải bài toán điều khiển.
Hình 1.1. Vị trí lắp mong muốn của thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc
trên máy phong điện trục đứng có điều khiển góc cánh.
Như vậy, để xác định được tốc độ gió và hướng gió nhằm cung cấp số
liệu cho bộ điều khiển của máy phong điện trục đứng có điều khiển góc cánh
thì cần thiết kế và chế tạo thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc chuyên dụng gắn trực

tiếp trên rotor.
1.3. Kết cấu, nguyên lý làm việc của thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc.
1.3.1. Kết cấu chung của thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc.
Một thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc nói chung bao gồm 3 hoặc 4 cốc có thể
quay quanh một trục thẳng đứng dưới tác dụng của gió. Hình dạng của cốc có thể là
dạng eliptic, bán cầu hoặc dạng nón, trong đó dạng bán cầu được sử dụng phổ biến
hơn cả.
6
Hình 1.2. Bản vẽ phân rã của 3 - Cup Anemometer
(Model 1210 của R.M.Young Company)
1) Cốc; 2) Trục quay; 3) Khớp nối dạng đĩa; 4) Động cơ; 5) Cáp tín hiệu.
7
2
1
1
2
3
3
4
6
5
1.3.2. Nguyên lý làm việc của thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc.
Về cơ bản, thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc hoạt động dựa vào một trong các
nguyên lý sau:
+ Dựa trên điện áp sinh ra bởi tốc độ gió. Thiết bị đo kiểu này gồm một
máy phát điện AC gắn cùng trục quay của rotor. Khi gió tác động vào các cốc làm
cho rotor quay, một điện áp sinh ra tỷ lệ với tốc độ gió tức thời, tín hiệu thu được sẽ
truyền đến bộ phận hiển thị kết quả đo. Một mạch tích hợp CR sẽ tính toán ra giá trị
trung bình của gió.
+ Dựa trên số xung sinh ra bởi tốc độ gió. Thiết bị đo dựa trên nguyên lý

này gồm một máy phát tạo ra xung điện, số xung đếm được cho phép xác định số
vòng quay của rotor tương ứng. Xác định số vòng quay của rotor trong một đơn vị
thời gian từ đó tính toán được tốc độ gió trung bình đạt được trong khoảng thời gian
đó.
Quan hệ giữa tốc độ gió V và điện áp u
DC
(mV).
V = ( 0,01183 . u
DC
) + 0,2 (m/s)
V = ( 0,02646 . u
DC
) + 0,4 (mph – miles/h)
V = ( 0,03881 . u
DC
) + 0,7 (feet/s) (1.1)
V = ( 0,02297 . u
DC
) + 0,4 (knots)
V = ( 0,04258 . u
DC
) + 0,7 (km/h)
Giá trị của tốc độ gió cũng có thể được tính toán quy đổi thông qua giá trị về
tốc độ vòng quay của cốc theo quan hệ sau:
• Quan hệ giữa tốc độ gió V và tốc độ vòng quay của cốc ω (Vòng/phút).
V = ( 0,01577 . ω ) + 0,2 (m/s)
V = ( 0,03528 . ω ) + 0,4 (mph – miles/h)
V = ( 0,05174 . ω ) + 0,7 (feet/s) (1.2)
V = ( 0,03063 . ω ) + 0,4 (knots)
V = ( 0,05677 . ω ) + 0,7 (km/h)

1.4. Cơ sở nghiên cứu về khí động lực học.
1.4.1. Các thông số cơ bản về gió.
8
• Chiều dài gió thổi L (m): Là chiều dài mà luồng gió thổi qua trong một khoảng
thời gian t.
• Tốc độ gió tức thời V
i
(m/s): Do tốc độ gió thay đổi rất nhanh, có thể sử dụng
phương pháp số để mô tả tốc độ gió tức thời V
i
tại thời điểm t theo biểu thức dưới
đây:
(1.3)
Trong đó: ΔL là chiều dài mà gió thổi qua tính từ thời điểm t đến thời điểm
t + Δt.
• Tốc độ gió trung bình V (m/s): Trong tính toán ta thường sử dụng tốc độ gió
trung bình hay nói chung là tốc độ gió V, được xác định theo biểu thức:
(1.4)
Trong đó: L là chiều dài mà gió thổi qua tính từ thời điểm khảo sát t
0
đến
thời điểm t
0
+ t, V
i
là tốc độ gió tức thời, t là thời gian khảo sát tính bằng s.
Cụ thể khi nghiên cứu ảnh hưởng của gió đến chuyển động của một vật thể
thì tốc độ gió thực được xác định theo biểu thức sau:

U R

V V V= +
ur uur uur
.
Trong đó
V
ur
là
véc tơ vận tốc thực của gió,
U
V
uur
là vận tốc chuyển động của vật thể,

R
V
uur
là vận tốc
tương đối của gió so với vật thể.
Hình 1.3. Các thành phần của vận tốc gió tác động lên vật thể.
9
0
lim
i
t
L dL
V
t dt
∆ →
∆
= =

∆
0
0
1
t t
i
t
L
V V dt
t t
+
= × × =
∫
1.4.2. Cơ sở về lực nâng, lực cản trong khí động lực học.
Khi quan sát cánh máy bay đặt trong một luồng gió, gió di chuyển vào cả
hai bề mặt trên và bề mặt dưới cánh. Vì phần trên cánh có không gian rộng lớn hơn
phần dưới nên gió di chuyển trên phần trên cánh nhanh hơn, theo thuyết Bernoulli
sẽ tạo ra vùng áp suất thấp trên cánh.
Vậy, vùng trên cánh có áp suất thấp hơn vùng dưới cánh, chính sự chênh
lệch áp suất này tạo nên lực
R
F
uur
tác động lên cánh, hình 1.12. Lực
R
F
uur
được phân tích
thành hai thành phần lực bao gồm:
L

F
uur
là thành phần lực có xu hướng nâng vật theo
hướng vuông góc với phương của véc tơ
V
ur
,
D
F
uur
là thành phần lực cản, có xu hướng
đẩy vật thể chuyển động theo hướng của véc tơ
V
ur
.
Hình 1.4.Bản chất sự hình thành lực khí động học.
Các thành phần lực nâng và lực cản được xác định theo các biểu thức sau:
2
0,5
L L
F C A V
ρ
= × × × ×
(1.5)
2
0,5
D D
F C A V
ρ
= × × × ×

(1.6)
Trong đó: C
L
, C
D
tương ứng là các hệ số nâng và hệ số cản.

ρ
là mật độ không khí (kg/m
3
)
V là tốc độ trung bình của gió (m/s)
A là diện tích tiết diện.
1.4.3. Hệ số cản C
D
đối với cánh có dạng cốc.
Phần lõm của cốc gió khi hứng gió sẽ có hệ số cản là C
Dv
= 1,7 và phần lồi
tương ứng sẽ có hệ số cản là C
Dx
= 0,4. Sự chênh lệch về hệ số cản giữa hai mặt của
10
cốc chính là nguyên nhân dẫn đến sự chênh lệch về lực cản tác động lên hai cốc trên
cùng 1 cánh.
1.5. Các mô hình tính toán khí động lực học cho thiết bị đo gió kiểu cốc.
Một cách tổng quát có thể mô tả tổng các mô men tác dụng lên rotor của thiết
bị đo tốc độ gió dưới dạng biểu thức sau:

( , ) ( , )

A f
Q Q V Q T
ω ω
= +
(1.7)
Trong đó mô men do ma sát lăn của các ổ bi được mô tả là hàm của vận tốc góc ω
của rotor và nhiệt độ của ổ bi T, có dạng như sau:

2
0 1 2
( ) ( ). ( ).
f
Q f T f T f T
ω ω
= + +
(1.8)
Hình 1.5. Các mô men tác dụng lên rotor của thiết bị đo gió.
Thông thường, vận tốc gió được xác định thông qua thiết bị đo tốc độ gió
kiểu cốc được cho bởi biểu thức sau:
V = A·f + B (1.9)
Trong đó V là tốc độ gió, f là tần số góc ở đầu ra của thiết bị đo gió, A và B
là các hệ số hiệu chỉnh. Biểu thức này là một hàm tuyến tính, mà tương quan giữa
tốc độ gió và tần số góc của rotor được xác định bởi các bước trong một quá trình
hiệu chỉnh.
1.5.1. Mô hình 2 cốc.
Đây là mô hình đơn giản, đã được sử dụng nhiều trong nghiên cứu về khí
động lực học của rotor, mô hình này dựa trên trạng thái cân bằng giả định của rotor
có nghĩa là mô men xoắn khí động lực học là không đáng kể.
11
Mô men ma sát lăn Q

f
gần như không đáng kể so với tốc độ gió V > 1 m/s, vì
nó rất nhỏ so với mô men khí động lực học, Q
A
. Mô hình 2 cốc thỏa mãn điều kiện:

( ) ( )
2 2
1 2
1 1
2 2
rc D c rc D c
V R C S V R C S
ρ ω ρ ω
− = +

(1.10)
Trong đó V là tốc độ gió , ω là vận tốc góc của cốc, R
rc

là bán kính quay của cốc,
S
c
diện tích mặt trước của cốc, C
D1
và C
D2
là hệ số cản của cốc tương ứng với mặt
lõm và mặt lồi của cốc.
1.5.2. Mô hình của Ramachandran.

Mô hình của Ramachandran áp dụng với rotor 3 cốc:
( ) ( )
( )
( ) ( )
( )
( ) ( )
( )
2 2 0 0
2 0 0
1 1
120 120
2 2
1
240 240
2
c rc r N c rc r N
c rc r N
d
I S R V C S R V C
dt
S R V C
ω
ρ θ α θ ρ θ α θ
ρ θ α θ
= + + +
+ + +
(1.11)
Ramachandran đã đề xuất hai giả thiết quan trọng trong tính toán của mình:

( )

( ) cos
r rc
V V R
θ ω θ
≈ −
(1.12)
α θ
≈
(1.13)
1.5.3. Đề xuất của Kondo và các cộng sự.
Kondo và các cộng sự [17] đã đề xuất một giải pháp cho vấn đề xem xét vị
trí của rotor với góc θ không đồng nhất với góc tới α. Hình 1.19 cho thấy, hệ số khí
động học lực C
N
của của kiểu cốc Brevoort - Joyner II như là một hàm của cả hai
góc α và θ với cùng một giá trị cụ thể của V, ω, R
rc
. Như vậy để thỏa mãn giá trị
trung bình mô men khí động lực học của rotor là vế trái của biểu thức 1.11 gần bằng
0, Kondo đề xuất giả thiết sau:

( )
( )
( )
( )
( )
( )
( )
2 2
2

2
0 0
2 cos 0
rc N rc N
V R C d V R C d
π π
ω α θ θ ω α θ θ θ
+ − =
∫ ∫
(1.14)
1.5.4. Đề xuất mô hình kết hợp 1 cốc và 4 cốc.
Trong đề tài này khi nghiên cứu thiết kế thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc với 4
cốc, tác giả đề xuất sử dụng kết hợp mô hình 1 cốc trong mô hình 4 cốc khi xác
định mô men khí động lực học của rotor. Mô hình này dựa trên đánh giá lực, mô
12
men khí động lực học tác dụng lên một cốc ứng với vị trí của góc θ. Từ đó, đánh giá
mô men khí động lực học tác động lên toàn bộ rotor. Mô hình cũng xem xét đến ảnh
hưởng ma sát lăn của các ổ bi đến đặc tính động lực học của rotor.
1.6. Kết luận.
Các thiết bị đo gió là đối tượng được các nhà khoa học trên thế giới hết sức
quan tâm nghiên cứu đặc biệt là các thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc. Tuy nhiên, vẫn
cần một nghiên cứu cụ thể về một thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc được gắn trực tiếp
cho máy phong điện trục đứng có điều khiển góc cánh.
Ưu và nhược điểm của các mô hình khí động lực học đã được phân tích cụ
thể. Với đặc điểm cụ thể và yêu cầu kỹ thuật của thiết bị đo tốc độ gió được thực
hiện trong đề tài này, tác giả đề xuất sử dụng mô hình 1 cốc trong tính toán khí
động lực của rotor 4 cốc.
CHƯƠNG 2
TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ KHÍ ĐỘNG HỌC TRÊN THIẾT BỊ
ĐO GIÓ KIỂU CỐC

2.1. Các thông số thiết kế chính cho thiết bị đo gió kiểu cốc.
2.1.1. Ảnh hưởng của các thông số thiết kế chính.
Các thông số thiết kế chính cũng như ảnh hưởng của chúng như sau:
• Kích thước rotor (Đường kính cốc – D
c
, bán kính quay của cốc - R
rc
): Kích
thước rotor lớn hơn thì mức độ tuyến tính cũng tốt hơn. Tuy nhiên quán tính sẽ lớn
hơn và độ nhạy về mặt động lực học sẽ thấp hơn.
• Số cánh hay số cốc: Thông thường số cốc được chọn bằng 3 hoặc 4 cốc. Rotor
có 3 cốc đảm bảo độ nhạy tốt hơn, mức độ tuyến tính cũng tốt hớn so với rotor có 4
cốc. Tuy nhiên, rotor có 4 cốc có ưu điểm dễ dàng cho tính toán, thiết kế và chế tạo.
• Chiều cao h của trục quay: Không ảnh hưởng nhiều đến mức độ tuyến tính và
độ nhạy về mặt động lực học. Tuy nhiên, kích thước ngắn quá sẽ giảm độ chính xác
của thiết bị đo. Do gió bị quẩn khi thổi qua chân đế của thiết bị đo.
13
• Kích thước và hình dạng chân đế: Nên chọn chân đế có kích thước nhỏ, đối
xứng, không nhấp nhô nhằm hạn chế mức độ quẩn của gió.
• Kiểu vòng bi: Không ảnh hưởng nhiều đến mức độ tuyến tính của thiết bị đo.
Tuy nhiên lại có ảnh hưởng đến độ nhạy về mặt động lực học của thiết bị.
2.1.2. Yêu cầu thiết kế cho thiết bị đo gió kiểu cốc.
Thiết bị đo gió được thực hiện trong nghiên cứu này phải thảo mãn các yêu
cầu kỹ thuật cơ bản như sau:
+ Khoảng đo: 3÷20 m/s
+ Ngưỡng đo từ: 3 m/s
+ Kết quả phản hồi sau: 1,2s
+ Độ chính xác: 5%
+ Nhiệt độ: 0÷60°
2.2. Mô hình thiết kế và chế tạo cho thiết bị đo gió kiểu cốc.

2.2.1. Thiết kế sơ bộ của mô hình thiết bị đo gió kiểu cốc.
Một số thông số của thiết bị đo gió được lựa chọn trước trong quá trình tính
toán thiết kế bao gồm:
+ Số cánh của rotor hay số cốc: 04.
+ Đường kính cốc: D
c
= 120 mm.
+ Bán kính quay của cốc: R
rc
thay đổi trong phạm vi từ 120 ÷ 360 mm.
+ Kích thước của trục quay: h = 371 mm.
14
Hình 2.1. Kết cấu sơ bộ của thiết bị đo gió.
2.2.3. Mô hình chế tạo của thiết bị đo tốc độ gió và hướng gió.
Mô hình của thiết bị đo tốc độ gió và hướng gió đã chế tạo trong nghiên cứu
này được trình bày như trong hình 2.2.
Hình 2.2. Mô hình chế tạo cho thiết bị đo gió.
2.3. Mô hình khí động lực học cho 1 cốc.
2.3.1. Một số giả định trong phân tích mô hình 1 cốc.
Nhằm xác định mô men khí động lực học của 1 cốc tương ứng với vị trí của
nó so với phương gió, ta cần quan tâm đến một số giả định sau khi phân tích mô
hình 1 cốc:
• Lực cản khí động lực học trên mỗi cốc được mô hình hóa, tính toán dựa trên
thành phần vận tốc gió tương đối vuông góc với mặt cốc và hệ số cản.
• Trong quá trình quay, hệ số cản của cốc phụ thuộc vào góc θ là vị trí của cốc so
với phương gió.
• Coi đặc tính về khí động lực học của từng cốc không chịu ảnh hưởng của các
cốc khác trên cùng rotor.
• Bỏ qua ảnh hưởng của gió quẩn đến đặc tính khí động lực học của cốc, giả định
dòng chảy trong mô hình là dòng chảy đều, liên tục.

• Bỏ qua ảnh hưởng khí động lực học của các thanh gắn cốc với trục quay của
rotor đến mô hình.
Mặc dù với các giả định trên tất nhiên sẽ có một sự khác biệt giữa đặc tính về
khí động lực học trên mô hình so với đặc tính về khí động lực học của thiết bị trong
15
thực tế. Tuy nhiên, với những giả định như trên đảm bảo cho việc xây dựng mô
hình dễ dàng hơn.
Hình 2.3. Mô hình hóa cho 1 cốc.
2.3.2. Mô men khí động lực học trong mô hình 1 cốc.
Mô men khí động lực học của 1 cốc tại vị trí góc θ được xác định bởi biểu
thức:

2
1
.
2
C rc D rc D c n
Q R F R C S V
ρ
= = × × × × ×
(2.1)
Mặt khác ta có vận tốc tương đối của gió được xác định như sau:
• Khi
0
2
π
θ
≤ <
và
3

2
2
π
θ π
< ≤
thì
( )
cos
n rc
V V R
θ ω
= × − ×
với C
D
= C
Dv
= 1,7.
• Khi
3
2 2
π π
θ
≤ ≤
thì
( )
cos
n rc
V V R
θ ω
= × + ×

với C
D
= C
Dx
= 0,4.
Với C
Dv
và C
Dx
tương ứng lần lượt là hệ số cản ứng với bề mặt lõm và bề mặt lồi của
cốc. Một cách tổng quát thì lực và mô men khí động lực học đổi chiều khi:
• Góc
2
c
π
θ θ
= ≈
.
• Góc
3
2
2
c
π
θ π θ
= − ≈
.
Như vậy, dạng tổng quát của biểu đồ mô men khí động lực học có dạng như hình
2.4 dưới đây.
16

Hình 2.4: Dạng biểu đồ mô men khí động lực học tổng quát của 1 cốc.
Mô men khí động lực học trung bình của 1 cốc sau một vòng quay được xác
định bởi biểu thức sau:

2
( )
0
1
2
C av
Q Td
π
θ
π
=
∫
(2.2)

Do tính chất đối xứng của đồ thị nên biểu thức 2.4 có thể viết lại dưới dạng sau:

( )
0
1
C av
Q Td
π
θ
π
=
∫

(2.3)
Thay các giá trị vào biểu thức 2.5, ta có:
( ) ( )
2
2 2
( )
0
2
1 1 1 1
cos cos
2 2
C av rc Dv c rc rc Dx c rc
Q R C S V R d R C S V R d
π
π
π
ρ θ ω θ ρ θ ω θ
π π
 
 
= − − +
 
 
 
∫ ∫
2 2
2
2
( )
0

2
1
cos cos
2
rc rc
C av rc c Dv Dx
R R
Q R S V C d C d
V V
π
π
π
ω ω
ρ θ θ θ θ
π
 
   
 
= − − +
 ÷  ÷
 
   
 
 
∫ ∫
Biến đổi các biểu thức tích phân ta có:
( ) ( )
2
2 2
2

1 1
cos cos sin 2 sin
2 2
rc rc rc
R R R
d
V V V
ω ω ω
θ θ θ θ θ θ θ
 
− = + − +
 ÷
 
∫
( ) ( )
2
2 2
2
1 1
cos cos sin 2 sin
2 2
rc rc rc
R R R
d
V V V
ω ω ω
θ θ θ θ θ θ θ
 
+ = + + +
 ÷

 
∫
Cuối cùng ta có:

( )
2 2
2
( )
2
21
2 4 2
rc rc
C av rc c Dv Dx
R R
Q R S V C C
V V
ω ωπ π
ρ
π
 
 
= − × − + ×
 
 ÷
 
 
(2.4)
17
2.3.3. Thực nghiệm trên mô hình 1 cốc.
Nhằm đánh giá về tính khả thi của mô hình 1 cốc, tác giả tiến hành thực

nghiệm với số liệu cụ thể như sau:
+ Tốc độ gió: V = 6,0 (m/s)
+ Tốc độ vòng quay của rotor: n = 82 (vòng/phút) hay ω = 8,587 (rad/s)
+ Bán kính quay của cốc: R
rc
= 345 (mm) hay R
rc
= 0,345 (m)
+ Diện tích hứng gió của cốc: S
c
= π . R
2
= π . (0,075)
2
= 0,01767 (m
2
)
+ Mật độ không khí: ρ=1,225 (kg/m
3
)
+ Hệ số cản mặt lõm của cốc: C
Dv
= 1,7
+ Hệ số cản mặt lồi của cốc: C
Dx
= 0,4
Sơ đồ bố trí thực nghiệm đo lực cản F
D
trên mô hình 1 cốc được thể hiện
trong hình 2.9 dưới đây:

Hình 2.5. Sơ đồ bố trí thực nghiệm đo lực cản F
D
trên mô hình 1 cốc.
Kết quả thực nghiệm khi đo mô men khí động lực học trên mô hình 1 cốc
cho ta giá trị trung bình Q
C(av)
= 0,0141 (N.m). Như vậy mô hình tính toán được xây
dựng có đặc tính gần với kết quả thu được từ thực nghiệm.
2.3.4. Mô men khí động lực học đối với rotor 4 cốc.
Ta thấy rằng, sau 1/4 vòng quay kể từ vị trí ban đầu θ = 0˚ thì đặc trưng về
khí động lực học của rotor được lặp lại.
18
Hình 2.6.Sơ đồ khí động học của rotor 4 cốc.
Như vậy, có nghĩa là mô men khí động lực học trung bình của rotor sau 1/4
vòng quay bằng mô men khí động lực học trung bình của 1 cốc sau một vòng quay.
Vậy có thể tính toán giá trị mô men khí động lực học trung bình của rotor theo biểu
thức 2.6. Ta có:

( )
2 2
2
2
21
4
2 4 2
rc rc
A rc c Dv Dx
R R
Q R S V C C
V V

ω ωπ π
ρ
π
 
 
= × − × − + ×
 
 ÷
 
 
(2.5)
2.4. Ma sát lăn của các ổ bi bên trong thiết bị đo.
2.4.1. Cơ sở tính toán mô men ma sát lăn của ổ bi.
Việc xác định mô men ma sát lăn trong ổ bi trở nên hết sức cần thiết nhằm
nâng cao độ chính xác về động học và động lực học của thiết bị đo.
Giá trị của mô men ma sát lăn được xác định dựa trên quan hệ:
19

.
ht f
P T
ω
=
(2.6)
2.4.2. Thực nghiệm xác định giá trị mô men ma sát lăn Q
f
của các ổ bi.
Để đảm bảo tính chính xác của mô hình, có thể tiến hành thực nghiệm nhằm
xác định chính xác giá trị của ma sát lăn Q
f

của các ổ bi trong thiết bị đo gió.
Sơ đồ thực nghiệm đo mô men ma sát lăn Q
f
của các ổ bi trong thiết bị đo
gió được bố trí cụ thể như hình 2.7. Ta sử dụng bộ nguồn máy tính, cung cấp các
điện áp 1 chiều: 3,3V và 5,0V cho động cơ DC. Động cơ DC sẽ truyền mô men
xoắn và công suất cho trục của rotor thông qua bộ truyền đai có tỷ số truyền là 1.
Khi xác định được số vòng quay của rotor và hao tổn công suất của động cơ khi có
tải so với khi không tải ta hoàn toàn có thể xác định được giá trị mô men ma sát lăn
của các ổ bi trong thiết bị theo biểu thức 2.6.
Hình 2.7. Sơ đồ bố trí thực nghiệm đo điện áp và dòng điện.
20
Hao tổn công suất của động cơ khi có tải so với khi chạy không tải được xác
định khi biết giá trị của điện áp và dòng điện của động cơ khi chạy có tải và chạy
không tải.
2.4.3. Quan hệ giữa mô men ma sát lăn Q
f
với vận tốc góc ω.
Các nghiên cứu trước đây đã xác nhận quan hệ giữa Q
f
với vận tốc góc ω
của rotor thỏa mãn đẳng thức sau:

2
0 1 2f
Q B B B
ω ω
= + +
(2.7)
Trong đó B

0
(Nm), B
1
(Nms) và B
2
(Nms
2
) là các hệ số ma sát phụ thuộc vào nhiệt độ
của ổ bi. Như vậy dựa vào mô hình thực nghiệm xác định mô men ma sát lăn Q
f
tương ứng với vận tốc góc ω ở trên, dựa trên phương pháp hồi quy ta xác định được
giá trị trung bình của mô men ma sát lăn Q
f
được tính theo biểu thức sau:

5 5 5 2
4,3 10 13,8 10 27 10
f
Q
ω ω
− − −
= × + × + ×
(2.8)
2.5. Phương trình khí động lực của thiết bị đo gió kiểu cốc.
Ta có phương trình khí động lực học của thiết bị đo gió kiểu cốc như sau:

( )
2 2
2
2

21
4
2 4 2
rc rc
rc c Dv Dx f
R R
R S V C C Q
V V
ω ωπ π
ρ
π
 
 
× − × − + × =
 
 ÷
 
 
(2.9)
2.5.9. Nhận xét về mô hình tính toán khí động lực học.
Từ kết quả tính toán, phân tích dựa trên mô hình hồi quy ta xác định được
mối liên hệ giữa vận tốc góc ω của thiết bị đo gió và tốc độ gió V như sau:
• Bán kính quay R
rc
= 360 – Ta có: ω = 1,554.V - 0,1789
• Bán kính quay R
rc
= 330 – Ta có: ω = 1,695.V - 0,1715
• Bán kính quay R
rc

= 300 – Ta có: ω = 1,702.V + 0,1565
• Bán kính quay R
rc
= 270 – Ta có: ω = 1,807.V + 0,1046
• Bán kính quay R
rc
= 240 – Ta có: ω = 1,921.V – 0,01443
• Bán kính quay R
rc
= 210 – Ta có: ω = 2,003.V – 0,1144
• Bán kính quay R
rc
= 180 – Ta có: ω = 2,047.V – 0,1369
• Bán kính quay R
rc
= 150 – Ta có: ω = 2,085.V – 0,4866
21
Kết quả này cho thấy rằng, với cùng một tốc độ gió khi tăng bán kính quay
thì vận tốc góc của rotor sẽ giảm. Tốc độ gió tăng thì đồng nghĩa với vận tốc góc
của rotor tăng theo.
Ngoài ra bán kính quay của cốc ảnh hưởng trực tiếp đến mức độ tuyến tính
của thiết bị đo. Dựa vào kết quả tính toán ở trên có thể thấy rằng khi giảm bán kính
quay của cốc từ R
rc
= 360 (mm) xuống R
rc
= 150 (mm) thì mức độ tuyến tính của
thiết bị đo tốt hơn. Mặt khác, khi đó rotor có xu thế quay nhanh hơn.
Tuy nhiên, khi giảm bán kính quay của cốc nhỏ hơn nữa, R
rc

< 150 (mm) thì
vận tốc góc của rotor có xu thế giảm xuống.
2.6. Kiểm nghiệm mô hình khí động lực học của thiết bị đo gió.
2.6.1. Xây dựng mô hình thực nghiệm.
Nhằm kiểm nghiệm tính chính xác của mô hình tính toán khí động lực học
cho thiết bị đo gió kiểu cốc. Tác giả đã tiến hành thực nghiệm cho mô hình tính toán
ở trên. Thực nghiệm được bố trí như sơ đồ trong hình 2.18, do hạn chế về nguồn gió
nên tác giả chỉ tập trung tiến hành thực nghiệm với dải tốc độ gió từ 0 đến 6m/s.
Hình 2.8. Sơ đồ bố trí thực nghiệm đo vận tốc góc của rotor.
2.6.2. So sánh mô hình tính toán và mô hình thực nghiệm.
Mô hình tính toán có kết quả gần sát với mô hình thực nghiệm. Kết quả từ
thực nghiệm có giá trị thấp hơn đôi chút so với tính toán, nguyên nhân dẫn đến kết
22
quả này là do ảnh hưởng của độ trễ về mặt động lực học của hệ thống chưa được
xác định trong mô hình tính toán.
2.7. Kết luận.
Với kết quả thu được trong chương 2 ta hoàn toàn có sơ sở tính toán và thiết
kế cho thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc. Thông qua thực nghiệm cho phép ta rút ra
một số nhận xét chung như sau:
• Kết quả thực nghiệm phù hợp với mô hình tính toán từ lý thuyết.
• Bán kính quay của cốc ảnh hưởng đến vận tốc góc của rotor, do đó nên chọn bán
kính quay của cốc có giá trị ngắn nhất có thể nhằm tăng tốc độ vòng quay của rotor
đáp ứng yêu cầu về vị trí làm việc của thiết bị đo gió đồng thời đảm bảo mức độ
tuyến tính.
CHƯƠNG 3
TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ ĐUÔI HƯỚNG GIÓ
3.1. Cơ sở tính toán, thiết kế cho đuôi hướng gió.
3.1.1. Một số đặc điểm cơ bản về đuôi lái gió.
Đuôi lái gió của bộ phận xác định hướng gió khá đa dạng phong phú về
chủng loại và kiểu dáng, tuy nhiên đặc điểm chung của chúng thường có dạng tấm

phẳng được thiết kế theo dạng khí động lực học giống như đuôi máy bay.
Hình dạng của đuôi lái gió được thiết kế như trong hình 3.1.
Hình 3.1. Mô hình thiết kế của đuôi hướng gió.
3.1.2. Kết cấu và nguyên lý hoạt động của đuôi hướng gió.
23
Hình 3.2. Bản vẽ phân rã của đuôi hướng gió.
(Model 12302/12305 của R.M.Young Company)
1) Cánh lái gió; 2) Trục xoay; 3) Khớp nối dạng đĩa; 4) Khớp nối của chiết áp
5) Chiết áp; 6) Cáp tín hiệu.
24
1
2
3
4
5
6
Đuôi hướng gió chủ yếu làm việc dựa trên quan hệ về sự thay đổi góc đến tín
hiệu điện. Các thiết bị xác định hướng gió hoạt động dựa trên một số nguyên lý như
sau:
+ Dựa trên sự thay đổi điện áp khi thay đổi góc xoay. Trục xoay của đuôi
hướng gió được gắn một chiết áp nhằm tạo ra một dòng điện tỷ lệ thuận với sự thay
đổi góc xoay của đuôi hướng gió.
+ Dựa trên bộ mã hóa xung quang học.
Bộ mã hóa xung được thiết kế với số bit cụ thể nhằm đáp ứng độ phân giải
cần đo của góc xoay. Nếu số bit cụ thể là 5 hoặc 8 bít thì độ phân giải đo được như
sau:
360° ÷ 2
5
= 360° ÷ 32 = 11,25°
360° ÷ 2

8
= 360° ÷ 256 = 1,4°
Cho một chùm ánh sáng đến đĩa tròn được xẻ rãnh, khi ánh sáng đi qua rãnh
đến được đầu thu thì tín hiệu ở đầu ra nhân được là “1”. Khi ánh sáng phản xạ lại từ
bề mặt đĩa và không đến được đầu thu thì tín hiệu ở đầu ra nhận được là “0”. Tại
một vị trí nào đó trên đĩa, tín hiệu ở đầu ra nhận được là: 01010. Phân đoạn thứ 11
tương ứng giữa góc: 11 x 11,25° và 12 x 11,25°, cụ thể là nằm giữa 123,75° và
135°.
3.1.3. Mô hình khí động lực học cho đuôi hướng gió.
Đặc trưng về khí động lực học của đuôi lái gió phụ thuộc chủ yếu vào hướng
gió. Phương trình chuyển động của đuôi lái gió được mô tả trong biểu thức dưới
đây:

2
2
v
D
d
I F r
dt
β
× = ×

(3.1)
Trong đó,
2 2
/
v
d dt
β

là đạo hàm bậc hai theo thời gian góc xoay của đuôi lái
gió hay đó chính là gia tốc góc của nó. F
D
là lực cản tác động lên đuôi lái gió với
điểm đặt cách trục xoay một khoảng cách r.
25