Nghiên cứu, tính toán và thiết kế cơ cấu dẫn động điều khiển góc cánh Turbine gió kiểu trục đứng cho máy phát điện công suất 10kw

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
---------------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ CẤU
DẪN ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN GÓC CÁNH TURBINE
GIÓ KIỂU TRỤC ĐỨNG CHO MÁY PHÁT ĐIỆN
CÔNG SUẤT 10KW

GIANG NGỌC THANH

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




ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
---------------------------------------

GIANG NGỌC THANH

NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ CẤU
DẪN ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN GÓC CÁNH TURBINE
GIÓ KIỂU TRỤC ĐỨNG CHO MÁY PHÁT ĐIỆN
CÔNG SUẤT 10KW
CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

HỌC VIÊN

PGS.TS. Nguyễn Đăng Hòe

Giang Ngọc Thanh

KHOA ĐÀO TẠO SĐH

BGH TRƯỜNG ĐHKTCN

PGS.TS. Nguyễn Đăng Hòe

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




LỜI CAM ĐOAN
Tôi là Giang Ngọc Thanh - Học viên cao học lớp K11- Công nghệ chế tạo máy
(khóa học 2008 - 2010) tại trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái
Nguyên.
Sau hai năm học tập, rèn luyện và nghiên cứu tại trường tôi lựa chọn thực hiện
đề tài tốt nghiệp “Nghiên cứu, tính toán và thiết kế cơ cấu dẫn động điều khiển góc
cánh turbine gió kiểu trục đứng cho máy phát điện công suất 10KW”.
Được sự hướng dẫn và giúp đỡ tận tình của PGS. TS Nguyễn Đăng Hoè và sự

nỗ lực của bản thân, đề tài đã được hoàn thành năm 2010.
Tôi cam đoan các số liệu và kết quả nêu trong luận văn này là do tự bản thân
tôi thực hiện, không sao chép của người khác và chưa từng được ai công bố trong bất
kỳ một công trình nào khác. Trừ các phần tham khảo đã được nêu rõ trong Luận
văn. Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.
Thái Nguyên, ngày 03 tháng 11 năm 2010
Tác giả

Giang Ngọc Thanh

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




LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian học tập, rèn luyện và nghiên cứu tại trường Đại học Kỹ thuật
Công nghiệp Thái Nguyên, tác giả xin được bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc nhất tới thầy
giáo hướng dẫn khoa học PGS. TS Nguyễn Đăng Hoè - Phó hiệu trưởng trường Đại
học kỹ thuật công nghiêp - Đại học Thái Nguyên đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ và tạo
điều kiện để tôi thực hiện hoàn chỉnh luận văn tốt nghiệp.
Cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đai học
Sư phạm - Đại học Thái Nguyên và trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tận tình
giảng dạy trong hai năm học vừa qua.
Cảm ơn Lãnh đạo UBND tỉnh Thái Nguyên, Ban lãnh đạo Sở Công Thương
Thái Nguyên và các phòng ban chức năng của Sở Công Thương Thái Nguyên (số 4 đường Cách mạng tháng tám - thành phố Thái Nguyên - tỉnh Thái Nguyên) đã tạo mọi
điều kiện để tôi thực hiện và hoàn thành khóa học này.
Cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã động viên, giúp đỡ tôi trong thời
gian qua để luận văn được hoàn thành đúng tiến độ.
Do năng lực bản thân còn nhiều hạn chế nên Luận văn không tránh khỏi sai sót,

tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các Thầy, Cô giáo, các nhà khoa
học và các bạn đồng nghiệp.

Thái Nguyên, ngày 03 tháng 11 năm 2010
Tác giả

Giang Ngọc Thanh

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




MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT .................................... 1
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .................................................................................. 2
Chƣơng 1. GIỚI THIỆU .......................................................................................... 4
1.1. Đặt vấn đề ......................................................................................................... 4
1.2. Giới thiệu về việc sử dụng năng lượng gió - turbine gió .................................. 5
1.3. Tính cấp thiết của đề tài .................................................................................. 10
1.4. Mục tiêu và ý nghĩa nghiên cứu ...................................................................... 11
1.5. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .................................................................. 11
1.6. Các kết quả chính ............................................................................................ 12
1.7. Cấu trúc luận văn ............................................................................................ 12
Chƣơng 2.CÁC VẤN ĐỀ CƠ SỞ .......................................................................... 14
2.1. Cơ sở tính toán lực khí động ........................................................................... 14
2.1.1. Lý thuyết Albert Betz ............................................................................... 14
2.1.2. Mô hình toán lực khí động trên cánh turbine ........................................... 16
2.2. Một số dạng kết cấu VAWTs điển hình ......................................................... 19

2.2.1. Kiểu VAWT cánh cố định........................................................................ 19
2.3. Phân tích kết cấu Novel VAWT có khả năng điều chỉnh góc hứng gió ......... 26
2.3.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của kết cấu ............................................ 26
2.4. Đề xuất kết cấu VAWT mới khả điều chỉnh góc hứng gió của cánh ............. 29
CHƢƠNG 3. ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG HỌC MÔ HÌNH VAWT MỚI ............ 32
3.1. Nguyên lý hoạt động của turbine. ................................................................... 32
3.2. Phân tích lực khí động .................................................................................... 32
3.3. Kết luận chương 3. .......................................................................................... 41
Chƣơng 4. TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CƠ CẤU DẪN ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN
GÓC CÁNH TURBINE ......................................................................................... 43
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




4.1. Phân tích nguyên lý điều khiển-dẫn động cánh turbinee. ............................... 43
4.2. Phân tích động học cơ cấu .............................................................................. 45
4.3.1. Tính số bậc tự do. ..................................................................................... 46
4.3.2. Tính tỷ số truyền với các cánh ở nửa bên có răng của bánh răng 1. ........ 46
4.3. Thiết kế cơ cấu điều khiển - dẫn động cánh hệ thống VAWT 10KW. ........... 47
4.3.1. Thông số thiết kế các chi tiết trong cơ cấu điều khiển 05 cánh turbine. .. 48
4.4. Mô phỏng nguyên lý hoạt động của hệ thống VAWT mới. ........................... 59
4.5. Kết luận chương 4. .......................................................................................... 61
KẾT LUẬN ............................................................................................................. 62
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 64

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

-1-

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT
HAWTs

hệ turbine gió kiểu trục ngang.

VAWTs

hệ turbine gió kiểu trục đứng.

U

Vận tốc thực của gió (m).



Trọng lượng riêng của không khí (kg/m3).

b

Chiều rộng cánh turbine (m).

h

Chiều cao cánh turbine (m).

r

Bán kính Rotor (m).

P

Công suất (W).

M

Mômen (Nm).

C

Hệ số nâng.

Cd

Hệ số cản (drag coefficient).

S

Diện tích cánh (m2).

A

Diện tích quét của cánh turbine (m2).



Góc xoay cánh turbine (độ).

F

Áp lực (N).

i

Góc tới (độ).



Góc nâng (độ).

g

Gia tốc trọng trường (9.81m/s2).

W

Vận tốc tương đối (m).



Vận tốc góc (rad/s).

Cp

Hệ số công suất.

Cm

Hệ số mômen.

n

Số vòng quay (vòng/giây)

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




-2-

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1

Cấu tạo bộ dẫn động cơ khí của turbine gió trục ngang

Hình 1.2

Hình ảnh vận chuyển cánh turbine gió trục ngang ở nước Anh.

Hình 1.3

Hệ thống turbine gió trục đứng có biên dạng cánh phức tạp

Hình 2.1

Khí động học cánh Rotor

Hình 2.2

Lực khí động học cánh turbine

Hình 2.3

Turbine kiểu dạng chén

Hình 2.4

Turbine kiểu Darrieus và các dạng cải tiến của nó

Hình 2.5

Lực khí động học trên phần tử cánh Turbine Darrieus/H.rotor

Hình 2.6

Turbine kiểu Savonius

Hình 2.7

Rotor dạng tấm phẳng bán hành trình

Hình 2.8

Hệ thống cyclogyro

Hình 2.9

Hệ thống Lagarde

Hình 2.10

Hệ thống kiểu đĩa

Hình 2.11

Hệ thống Novel Vertical Axis Wind Turbine

Hình 2.12

Cấu tạo của Novel VAWT

Hình 2.13

Sơ đồ nguyên lý hoạt động

Hình 2.14

Vị trí cánh trong chu kỳ sinh công của turbine

Hình 2.15

Vị trí cánh trong chu kỳ không sinh công của turbine

Hình 3.1
Hình 3.2

Vị trí cánh trong chu kỳ sinh công (trái) và chu kỳ sinh công

(phải)
Gió tác động lên cánh

Hình 3.3

Các thành phần lưc Fl và Fd tác dụng lên cánh

Hình 3.4

Các thành phần lực tiếp tuyến và pháp tuyến ở nửa bên phải.





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




-3Hình 3.5

Lực tác dụng lên rotor tại vị trí 1.

Hình 3.6

Lực tác dụng lên rotor tại vị trí 2.

Hình 3.7

Lực tác dụng lên rotor tại vị trí 3.

Hình 3.8

Lực tác dụng lên rotor tại vị trí 4.

Hình 3.9

Quan hệ giữa Cm, Cl, và góc tới của cánh NACA 0010-65

Hình 4.1

Vị trí cánh trong chu kỳ sinh công của turbine

Hình 4.2

Vị trí cánh trong chu kỳ không sinh công của turbine

Hình 4.3

Sơ đồ cơ cấu điều khiển/ dẫn động góc xoay cánh turbine

Hình 4.4

Sơ đồ nguyên lý cơ cấu điều khiển/ dẫn động

Hình 4.5

Phân tích chiều chuyển động của các bánh răng

Hình 4.6

Kích thước tổng thể cơ cấu điều khiểngóc xoay cánh

Hình 4.7

Ổ lăn

Hình 4.8

Bánh răng Z9

Hình 4.9

Bánh răng Z10

Hình 4.10

Bánh răng Z1

Hình 4.11

Bánh răng Z2

Hình 4.12

Bánh răng Z16

Hình 4.13

Bánh răng Z17

Hình 4.14

Chi tiết trục

Hình 4.15

Giá đỡ ổ lăn số 5, 8

Hình 4.16

Giá đỡ ổ lăn số 11, 15

Hình 4.17

Chi tiết số 3

Hình 4.18

Chi tiết số 18

Hình 4.19

Cụm chi tiết số 19

Hình 4.20

Các chi tiết thuộc cụm chi tiết số 19

Hình 4.21

Hình ảnh mô phỏng cơ cấu điều khiển 5 cánh turbine.

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




-4-

Chƣơng 1
GIỚI THIỆU

1.1. Đặt vấn đề
Hiện nay, trong số các nguồn năng lượng mới, năng lượng bằng sức gió
phát triển nhanh nhất trên thế giới vì nguyên liệu dồi dào, rẻ tiền, dễ áp dụng,
sạch và không làm hại môi trường. Các máy phát điện lợi dụng sức gió (trạm
phong điện) đã được sử dụng nhiều ở các nước châu Âu, Mỹ và các nước công
nghiệp phát triển khác. Đức đang dẫn đầu thế giới về công nghệ phong điện.
Hiện tại, các trạm phong điện trục ngang (gồm một máy phát điện có trục
quay nằm ngang với turbine 3 cánh đón gió) đang được sản xuát và sử dụng phổ
biến hơn nhiều so với các trạm phong điện trục đứng (gồm một máy phát điện
có trục quay thẳng đứng với các cánh đón gió đặt thẳng đứng). Hiện có các loại
máy phát phong điện với công suất rất khác nhau, từ vài trăm W tới hàng MW.
Các trạm phong điện có thể hoạt động độc lập hoặc cũng có thể nối với mạng
điện quốc gia. Các trạm phong điện có thể phát điện khi tốc độ gió từ 3 m/s (11
km/h), và tự ngừng phát điện khi tốc độ gió vượt quá 25 m/s (90 km/h). Tốc độ
gió hiệu quả từ 10 m/s tới 17 m/s, tùy theo từng thiết bị phong điện.
Đối với hệ turbine gió kiểu trục ngang (HWAT). Đây là hướng đi chủ yếu

của các công ty lớn cũng như của nhiều nhà khoa học trên thế giới, với những
thành công vượt bậc về công nghệ, thể hiện qua sản phẩm mang tính thương mại
hóa của một số hãng chế tạo nổi tiếng thế giới như Vestas (Denmark) với các
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




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....