Nghiên cứu, tính toán và thiết kế biên dạng cánh Turbine gió trục đứng cho máy phát điện công suất 3 KW

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Ngành: Công nghệ Chế tạo máy

NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
BIÊN DẠNG CÁNH TURBINE GIÓ TRỤC ĐỨNG
CHO MÁY PHÁT ĐIỆN CÔNG SUẤT 3KW

DƢƠNG VĂN ĐỒNG

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

NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
BIÊN DẠNG CÁNH TURBINE GIÓ TRỤC ĐỨNG
CHO MÁY PHÁT ĐIỆN CÔNG SUẤT 3KW

Ngành

Mã số
Học viên
Lớp
HDKH

: Công nghệ Chế tạo máy
: 60.52.04
: Dƣơng Văn Đồng
: CHK11 CTM
: PGS. TS Ngô Nhƣ Khoa

THÁI NGUYÊN - 2010

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




1

LỜI CAM ĐOAN
Tôi là Dƣơng Văn Đồng - Học viên cao học lớp K11-Công nghệ chế tạo máy
Khóa học 2008 - 2010 trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.
Sau hai năm học tập, rèn luyện và nghiên cứu tại trƣờng tôi lựa chọn thực
hiện đề tài tốt nghiệp “Nghiên cứu, tính toán và thiết kế biên dạng cánh turbine gió
trục đứng cho máy phát điện công suất 3KW”.
Đƣợc sự hƣớng dẫn và giúp đỡ tận tình của PGS. TS Ngô Nhƣ Khoa và sự
nỗ lực của bản thân, đề tài đã đƣợc hoàn thành năm 2010.
Tôi cam đoan toàn bộ nội dung và kết quả của luận văn này là do tự bản thân
tôi thực hiện, không sao chép của ngƣời khác. Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách

nhiệm.
Thái Nguyên, ngày 10 tháng 10 năm 2010
Tác giả

Dương Văn Đồng

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




2

LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian học tập, rèn luyện và nghiên cứu tại trƣờng Đại học Kỹ
thuật Công nghiệp Thái Nguyên, tác giả xin đƣợc bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc nhất
tới PGS. TS Ngô Nhƣ Khoa và ban Công nghệ thông tin Đại học Thái Nguyên đã
tận tình chỉ bảo, giúp đỡ và tạo điều kiện để tôi thực hiện hoàn thành đề tài luận văn
tốt nghiệp.
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.
Cảm ơn Ban Giám hiệu và khoa Khoa học cơ bản - Trƣờng Cao đẳng Kỹ
thuật Công nghiệp (số 202 - Trần Nguyên Hãn - TP. Bắc Giang) đã tạo điều kiện về
thời gian để tôi thực hiện và hoàn thành khóa học.
Cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã động viên, giúp đỡ tôi trong thời
gian qua để luận văn đƣợc hoàn thành đúng tiến độ.
Thái Nguyên, ngày 10 tháng 10 năm 2010
Tác giả

Dương Văn Đồng

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




3

MỤC LỤC
Lời cam đoan…………………………………………………………..……... 1
Lời cảm ơn…………………………………………………………………....

2

Mục lục. ……………………………………………………………...……..... 3
Danh mục các hình vẽ…………………………………………….....……......

6

Danh mục các bảng biểu………………………………………….....………..

9

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt……………………………....………… 10

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài………………………………………….....……… 12
2. Mục tiêu và nhiện vụ của luận văn………………………………....…….... 13
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu……………………………….....…….... 14
4. Phƣơng pháp nghiên cứu……………………………………….......…….... 14

5. Ý nghĩa……………………………………………………………..……....

14

NỘI DUNG
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1. Năng lƣợng gió…………………………………………………...…….... 15
1.1.1. Tình hình sử dụng năng lƣợng gió trên thế giới………………...……... 15
1.1.2 Tình hình sử dụng năng lƣợng gió ở Việt Nam………………...……....

17

1.2. Các loại máy phong điện………………………………………...……...

19

1.3. Các kiểu dáng hình học cánh turbine gió………………………...……..

21

1.3.1. Kiểu dạng chén…………………………………………….........……..

22

1.3.2. Kiểu savonius………………………………………………...……......

23

1.3.3. Turbine kiểu plates……………………………………………...…......

24

1.3.4. Kiểu Darrieus – Rotor và H – Rotor…………………………....……...

24

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




4

1.4. Kết luận chƣơng 1…………………………………………….........…….

25

CHƢƠNG 2. CƠ SỞ KHOA HỌC TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ
BIÊN DẠNG CÁNH TURBINE GIÓ
2.1. Học thuyết Albert Betz ……………………….........……........................

26

2. 2. Đặc điểm cấu tạo và nguyên lý hoạt động máy phong điện……………

28

2.2.1. Máy phong điện trục ngang(HAWT).....................................................

28

2.2.2. Máy phong điện trục đứng(VAWTs) ....................................................

30

2.3. Cánh turbine gió.......................................................................................

32

2.3.1. Các thông số cơ bản trên cánh turbine..................................................

33

2.3.2. Lực tác động lên cánh turbine...............................................................

32

2.4. Lực tác dụng lên rotor...............................................................................

39

2.4.1. Lực tác dụng lên rotor trục đứng............................................................

39

2.4.2. Lực tác dụng lên rotor trục ngang..........................................................

41

2.4.2.1. Các khái niệm hình học.......................................................................

41

2.4.2.2. Năng suất vận hành của một phần tử cánh..........................................

42

2.4.2.3. Biểu thức tổng quát của áp lực, mômen và công suất.........................

43

2.5. Một số loại rotor điển hình......................................................................... 44
2.5.1. Rotor Darieus..........................................................................................

44

2.5.2. Rotor Savonius .......................................................................................

49

2.6. Kết luận chƣơng 2......................................................................................

50

CHƢƠNG 3. TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ
MÔ HÌNH CÁNH TURBINE GIÓ
3.1. Các biên dạng cánh thƣờng dùng..............................................................

51

3.1.1. Biên dạng cánh NACA...........................................................................

51

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




5

3.1.2. Một số biên dạng cánh khác...................................................................

57

3.2. Mô hình thực nghiệm................................................................................

59

3.2.1. Các thiết bị thực nghiệm ........................................................................

59

3.2.2 Thực hiện các thí nghiệm........................................................................

61

3.2.2.1. Thí nghiệm thứ nhất : Xác định hệ số cản lực gió qua bề mặt cánh
turbine...............................................................................................................

61

3.2.2.2. Thí nghiệm thứ hai : Xác định góc đặt cánh........................................

63

3.2.2.3. Thí nghiệm thứ ba: Xác định vận tốc góc và công suất rotor biên
dạng cánh cung tròn..........................................................................................

64

3.2.2.4. Thí nghiệm thứ tƣ: Xác định tốc độ vòng quay và công suất rotor
biên dạng cánh NACA0015..............................................................................

69

3.3. Kết luận chƣơng 3......................................................................................

73

CHƢƠNG 4. TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CÁNH TURBINE GIÓ
TRỤC ĐỨNG CHO MÁY PHÁT ĐIỆN CÔNG SUẤT 3KW
4.1. Thiết kế cánh turbine gió biên dạng cung tròn........................................... 74
4.2. Thiết kế cánh turbine gió biên dạng NACA0015....................................... 82
4.3. Vật liệu chế tạo cánh turbine gió ..............................................................

93

CHƢƠNG 5. KẾT LUẬN CHUNG
5.1. Kết quả luận văn đã đạt đựơc....................................................................

99

5.2. Những kiến nghị nghiên cứu tiếp theo......................................................

99
100

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




6

TÀI LIỆU THAM KHẢO

16

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Biểu đồ phát triển điện năng từ nguồn gió ở một số nƣớc trên thế
giới……………………………………………………………………………
Hình 1.2. Biểu đồ sử dụng điện của một số nƣớc trên thế giới………………

16

Hình 1.3. Máy phong điện trục đứng, trục ngang…………………………….

19

Hình 1.4. Máy phong điện có 2 cánh và 3 cánh cách đều……………………

19

Hình 1.5. Rotor dạng chén……………………………………………………

22

Hình 1.6. Rotor dạng savonius. ………………………………………….......

23

Hình 1.7. Rotor dạng plates. …………………………………………………

24

Hình 1.8. Rotor dạng Darrieus – Rotor và H – Rotor. ……………………….

24

Hình 2.1. Khí động học cánh rotor. …………………………………………

26

Hình 2.2. Máy phong điện ngang…………………………………………….

28

Hình 2.3. Các bộ phận của turbine gió trục ngang…………………………...

29

Hình 2.4. Sơ đồ nguyên lý hoạt động máy phong điện trục ngang…………..

30

Hình 2.5. Máy phong điện trục đứng…………………………………………

30

Hình 2.6. Cấu tạo của turbine gió trục đứng…………………………………

31

Hình 27. Sơ đồ nguyên lý hoạt động turbine gió trục đứng …………………

32

Hình 2.8. Các thông số cánh turbine……………………………………….....

32

Hình 2.9. Sự di chuyển của luồng gió khi vào cánh…………………….……

34

Hình 2.10. Phân bố áp lực gió ở mặt trên và mặt dƣới của cánh…………….

34

Hình 2.11. Các thành phần lực tác dụng lên cánh turbine……………….…...

35

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




7

Hình 2.12. Biểu đồ biến thiên của hệ số C và Cd …………………….…….

37

Hình 2.13. Biểu diễn hệ số Cl và Cd trên dây cung và tiếp tuyến với dây
cung…………………………………………………………………………...

37

Hình 2.14. Lực tác động lên một vị trí cánh………………………………….

39

Hình 2.15. Lực tác động lên các vị trí khi u/v>1……………………………..

40

Hình 2.16. Lực tác động lên các vị trí khi u/v<1……………………………..

40

Hình 2.17. Tam giác véc tơ lực ..................................………………………..

41

Hình 2.18. Các thông số rotor trục ngang…………………………………….

41

Hình 2.19. Biểu diễn các thành phần vận tốc tác dụng trên mặt cắt ngang
cánh…………………………………………………………………………… 42
Hình 2.20. Thành phần vận tốc trên rotor Darrieus…………………………... 44
Hình 2.21. Thành phần vận tốc trên H-rotor………………………………….

45

Hình 2.22. Rotor Savonius……………………………………………………

49

Hình 3.1. Kết cấu hình học cánh NACA……………………………………... 51
Hình 3.2. Biên dạng cánh cong đối xứng…………………………………….

57

Hình 3.3. Biên dạng cánh cong không đối xứng…………………………….

58

Hình 3.4. Biên dạng cánh cung tròn…………………………………………

58

Hình 3.5. Biên dạng cánh dạng nón …………………………………………

58

Hình 3.6. Biên dạng cánh tấm phẳng…………………………………………

59

Hình 3.7. Hình ảnh các thiết bị và mô hình thực nghiệm…………………….. 60
Hình 3.8. Thí nghiệm xác định hệ số cản lực khi gió đi qua cánh turbine….... 61
Hình 3.9. Giá trị hệ số cản trên các bề mặt cánh turbine biên dạng khác nhau. 62
Hình 3.10. Cánh và rotor biên dạng cung tròn………………………………..

64

Hình 3.11. Bố trí các thiết bị thí nghiệm………………………………….….. 65

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




θ

8

Hình 3.12. Biểu đồ so sánh tốc độ vòng quay rotor giữa tính toán và đo thực
nghiệm theo các giá trị vận tốc gió khác nhau. ………………………………

68

Hình 3.13. Rotor và các cánh NACA0015………………………………….... 69
Hình 3.14 . Biểu đồ tốc độ vòng quay thực nghiệm so với tính toán mô hình
rotor cánh NACA0015………………………………………………………..

72

Hình 4.1. Lực tác dụng lên cánh……………………………………………… 74
Hình 4.2. Vị trí tính M1……………………………………………………….

77

Hình 4.3. Vị trí tính M2……………………………………………………….

78

Hình 4.4. Vị trí tính M3……………………………………………………….

79

Hình 4.5. Vị trí tính M4……………………………………………………….

80

Hình 4.6. Gió tác động lên cánh…………………....………………………… 83
Hình 4.7. Các thành phần lực Fl và Fd tác động lên cánh………………….....

84

Hình 4.8. Các thành phần lực pháp tuyến và tiếp tuyến……………………… 85
Hình 4.9. Quan hệ các góc β, i, θ………………………………..……………

86

Hình 4.10. Vị trí tính M1……………………………………………………… 88
Hình 4.11. Vị trí tính M2……………………………………………………… 89
Hình 4.12. Vị trí tính M3……………………………………………………… 90
Hình 4.13. Vị trí tính M4……………………………………………………… 91
Hình 4.14. Sợi thủy tinh ……………………………………………………...

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

97




data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not

read....


data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....



data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....

data error !!! can't not
read....

data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....

data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....

data error !!! can't not
read....