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

BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG 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 hướng dẫn : PGS.TS Ngô Như Khoa

BAN ĐÀO TẠO

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

HỌC VIÊN

SAU ĐẠI HỌC

PGS.TS NGÔ NHƯ KHOA
LÊ THU HUYỀN

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

tnu.edu.vn/

-


i

LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Lê Thu Huyền
Học viên lớp cao học khóa 14- Kỹ thuật cơ khí- Trường ĐHKTCN Thái Nguyên.
Sau hai năm học tập, rèn luyện và nghiên cứu tại trường, 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 dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Ngô Như Khoa, cùng với các tài liệu đã được
trích dẫn trong phần tài liệu tham khảo ở phần cuối luận văn.
Thái Nguyên, ngày……. tháng…….năm 2014
Học viên

Lê Thu Huyền

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

ii

LỜI CẢM ƠN
Học viên bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Ngô
Như Khoa đã tận tình chỉ bảo, hướng 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 trường 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 được hoàn thành đúng tến 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 được
sự đóng góp ý kiến của các thầy cô cũng như của bạn bè đồng nghiệp.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày…….tháng…….năm 2014
Học viên

Lê Thu Huyền

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

3

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………

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

/>

4

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
..........................................................................................1

đề

2.
Mục
têu
và

nội
cứu............................................................................5

tài

dung

3.
Dự
kiến
kết
quả
.......................................................................................5

nghiên

đạt

được.

4.
Phương
pháp
cứu.........................................................................................6

nghiên

5.
Ý
....................................................................................................................6

nghĩa

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI ............... 7
1.1.
Tổng
quan
về
.........................................................................7

vật

liệu

composite

1.1.1.
Khái
composite........................................................................................7
1.1.2.
Cấu
tạo
của
........................................................................7

vật

liệu

niệm

composite.

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
.......................................................................................24

suất

5kW.

CHƯƠNG II: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VÀ CÁC ĐẶC TÍNH CƠ HỌC CỦA VẬT LIỆU
COPOSITE LỚP .................................................................................... 27
2.1.
Cơ
sở
để
xác
định
..............................................................27

các

môđun

kỹ

thuật


5

2.1.1.
Xác
định
bằng
..............................................................................27

thí

nghiệm.

2.1.2. Xác định bằng lý thuyết. ....................................................................... 31
2.2. Chế tạo mẫu
ép................................34

vật

liệu

composite

bằng

phương

pháp

2.2.1.
Chế
tạo
................................................................................................34

khuôn.

2.2.2.
Chế
mẫu.....................................................................................................35
2.3. Thí nghiệm thử kéo
.............................................37

và

uốn

trên

các

lăn

mẫu

tạo
vật

liệu.

2.3.1. Thí nghiệm kéo. ..............................................................................................37
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

6

2.3.2. Thí nghiệm uốn. ..............................................................................................41
CHƯƠNG 3: CHẾ TẠO CÁNH TURBINE GIÓ TRỤC ĐỨNG CÔNG SUẤT
5KW .......................................................................................................................... 45
3.1. Phân tích chi tiết và chọn phương 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
CHƯƠNG IV: THỬ NGHIỆM ĐẶC TÍNH CÔNG NGHỆ CỦA CÁNH TURBINE GIÓ ĐÃ
HOÀN THÀNH ......................................................................................... 56
4.1. Kiểm tra độ chính xác về kích thước 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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1. Cánh đồng điện gió Helpershainvà Ulrichstein-Helpershain-Germany ........2
Hình 2. Các turbine gió được 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 phương pháp lăn ép. .............................15
Hình 1.7. Phương pháp phun hỗn hợp composite .....................................................16
Hình 1.8. Phương pháp đùn ép..................................................................................18
Hình 1.9. Phương pháp đúc chuyển nhựa .................................................................19
Hình 1.10. Phương 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 hướng ...........................................................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 phương 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
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

vii
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 E2 theo Vs .............................................................33
Hình 2.14. Biến đổi của các mô đun đàn hồi của các composite đồng phương 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. Dưỡng 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 lượng gel trắng.................................................................49
Hình 3.11. Xác định khối lượng 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 lượng 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
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

8

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 thước 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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

9

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 E2/En tương ứng với các giá trị của tỉ số Es/En và Vs ............33
Bảng 4.1. Kết quả thí nghiệm uốn.............................................................................62

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

10

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT
E1

Mô đun Young theo phương cơ bản

E2

Mô đun Young theo phương ngang

E3

Mô đun Young ngang

υ12

Hệ số Poisson theo phương cơ bản

υ13

Hệ số Poisson theo phương ngang

υ23

Hệ số Poisson ngang

G12

Mô đun cắt trong mặt phẳng của lớp

G13

Mô đun cắt theo phương cơ bản

G23

Mô đun cắt theo phương ngang

σu

Ứng suất uốn

σ1

Ứng suất uốn theo phương cơ bản

σ2

Ứng suất uốn theo phương ngang

σ3

Ứng suất uốn ngang

εu

Biến dạng uốn phá hủy

∆l

Biến dạng tuyệt đối

l

Chiều dài mẫu

τ12

Ứng suất cắt trong mặt phẳng của lớp

γ12

Biến dạng góc trong mặt phẳng của lớp

σs

Ứng suất trong sợi

σn

Ứng suất trong nhựa

Ss

Diện tích tiết diện ngang của sợi

Sn

Diện tích tiết diện ngang của nhựa

En

Môđun đàn hồi của nhựa

Es

Môđun đàn hồi của sợi

Vs

Thể tích của sợi

Vn

Thể tích của nhựa

Gs

Môđun cắt dọc của sợi

Gn

Môđun cắt dọc của nhựa

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

11

P

Lực tác dụng

h

Chiều dày mẫu

b

Chiều rộng mẫu

NACA

Ủy ban cố vấn ngành hàng không quốc gia

Fc

Lực cản của gió tác động lên cánh

Cd

Hệ số cản

ρ

Mật độ không khí

S

Diện tích hình chiếu bề mặt cánh cản gió

V

Vận tốc gió

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

1


2

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong công cuộc "công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước", Việt Nam cần
đảm bảo nguồn năng lượng phát triển công nghiệp, trong đó điện năng giữ vai
tròng cực kỳ quan trọng. Từ trước đến nay, nguồn điện năng Việt Nam sử dụng
chủ yếu được 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 lượng, trong khi năng lượng truyền
thống dần ngày càng cạn kiệt và ô nhiễm môi trường đang trở thành vấn đề toàn
cầu. Yêu cầu cấp thiết cần tìm ra nguồn năng lượng mới để khắc phục các vấn đề
trên. Năng lượng gió là một trong những nguồn năng lượng đáp ứng được yêu cầu
cấp thiết đó.
Theo định nghĩa, năng lượng tái tạo (renewable energy) là năng lượng phát
sinh từ các nguồn tài nguyên thiên nhiên như: ta nắng mặt trời, gió, mưa, thuỷ

triều, nhiệt từ lòng đất và vì thế các loại năng lượng này được tái tạo một cách
tự nhiên. Như vậy năng lượng gió là một trong các nguồn năng lượng tái tạo.
Năng lượng gió ban tặng cho hành tnh chúng ta cơ hội giảm khí thải carbon, bầu
không khí trong lành và nền văn minh bền vững. Năng lượng gió cũng tạo cơ hội
cho các nước trên thế giới cải thiện an ninh năng lượng, bảo vệ môi trường và thúc
đẩy tăng trưởng kinh tế của mỗi nước.
Điện năng được tạo ra từ năng lượng gió thông qua các máy phong điện
(turbine gió). Nó có ưu điểm: tận dụng được nguồn năng lượng gió vô tận, ổn định,
dễ áp dụng và không gây ô nhiễm môi trường. 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 nước đã sử dụng năng lượng gió để sản xuất ra
điện năng như 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 lượng gió rất dồi
dào. Ngoài ra, nước ta còn có các hải đảo, vùng núi cao cũng là vùng có tềm năng


về gió rất lớn.Với ưu thế về vị trí địa lý này, Việt Nam hoàn toàn có thể sử dụng
nguồn năng lượng gió để sản xuất điện năng.
Theo kết quả khảo sát của Ngân hàng Thế giới trong chương trình đánh giá
về “Năng lượng gió Châu Á” thì Việt Nam là một quốc gia có tềm năng về năng
lượng 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

Như 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 thường 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 nước ta hiện nay. Tuy nhiên việc
sử dụng năng lượng gió ở Việt Nam cũng đang được quan tâm nhưng ở mức
thấp. Đầu năm 2013, nhà máy phong điện tại tỉnh Bình Thuận đã khánh thành và
chính thức hoà mạng lưới điện quốc gia.
Bộ phận chính đặc biệt quan trọng của turbine gió là cánh turbine. Việc lựa
chọn hình dạng, kích thước và vật liệu cánh turbine ảnh hưởng rất lớn tới hiệu suất
và độ bền của turbine gió. Vật liệu chế tạo cánh turbine đòi hỏi phải nhẹ, chịu
được 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 thường được sử dụng để chế tạo cánh turbine là nhôm,
ttan, 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 tết khắc nghiệt cao hơn, dễ

chế
tạo và kinh tế hơn.
Thông số

Khối
lượng

Vật liệu

riêng
3

(g/cm )

Giới hạn
độ bền
2

(N/mm )

Độ bền

Modun

Modun

cắt trên

đàn hồi

Giới hạn

đàn hồi E

khối

trên khối

mỏi (10

lượng

lượng

N/mm )

)

riêng

riêng
(10 km)
2.7

60

(kN/mm

2

2

3

Thép Ts 52

7.85

520

210

(km)
6.6

Thép hợp kim

7.85

680

210

8.7

2.7

70

2.7

480

70

18

2.6

40

Nhôm AlMg5

2.7

236

70

8.7

2.6

20

Hợp kim Ti

4.5

900

110

20

2.4

1.7

420

15

24.7

0.9

35

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

hoá 1.7735.4

Nhôm
AlZnMgCu

3.7164.1
Coposite sợi thuỷ
tnh/ nhựa
Coposite sợi
cacbon/ nhựa

Bảng 1: Các thông số kỹ thuật của một số vật liệu cánh turbine
Sau khi đã lựa chọn được vật liệu chế tạo thì công việc quan trọng nhất là
thiết kế được 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 đưa 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 tếp cận được. Với đề tài
“

7


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 nước ta hiện
nay.

2. Mục têu và nội dung nghiên cứu.
*Mục têu:

- Xây dựng được quy trình công nghệ để chế tạo cánh turbine trục đứng
công suất 5KW bằng vật liệu composite nền nhựa epoxy cốt sợi thủy tnh.
- Chế tạo thử nghiệm được cánh turbine trục đứng công suất 5KW.
* Nội dung:
Chương I: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu của đề tài.
Chương II: Công nghệ chế tạo và xác định các đặc tính của vật liệu
composite lớp .
Chương III: Quy trình chế tạo cánh turbine gió trục đứng công suất 5kW.
Chương IV: Thử nghiệm đặc tính công nghệ của cánh turbine gió công suất
5KW.

3. Dự kiến kết quả đạt được.
- 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 tnh.

Hình 5. Bản vẽ cánh turbine gió NACA 0015


6

Hình 6. Cánh turbine gió NACA 0015

4. Phương 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 được phương pháp chế tạo cánh
turbine gió kiểu trục đứng công xuất 5KW bằng vật liệu composite.


7

CHƯƠNG 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 ưu 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 thước cũng như sự phân
bố của nền và cốt tuân theo các qui định thiết kế trước.
- Tính chất của các pha thành phần được 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 được 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 được yêu cầu khai thác và công nghệ.
- Vật liệu nền có thể được tạo thành từ một chất hoặc hỗn hợp nhiều chất
được trộn lẫn một cách đồng nhất.
* Một số loại vật liệu nền thường gặp:
Trong thực tế, người 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 được gia công
dưới áp suất và nhiệt độ cao, riêng với epoxy và polyme không no có thể tến hành
ở nhiệt độ thường 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 thường:

a. Polyester không no (Nhựa Polyester)
Nhựa polyester được sử dụng rộng rãi trong công nghệ composite.
Polyester thường 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 thường dùng trong công nghệ composite là orthophthalic và
isophthalic, Nhựa orthophthalic cho tính kinh tế cao, được sử dụng rộng rãi. Còn
nhựa isophthalic có khả năng kháng nược 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 tến để đạt tốc độ trùng hợp của nhựa trong một khoảng thời gian nào đó.Quá

trình đóng rắn được 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 tương tự như polyester. Tuy nhiên, vinylester có ít
nhóm este hơn polyester, nhóm ester rất dễ bị thuỷ phân, tức là vinyester kháng
nước tốt hơn các loại polyester khác do vậy thường dùng vật liệu này làm lớp phủ
bên ngoài cho sản phẩm ngập trong nước như 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 trường hơn hẳn các loại nhựa khác, là loại nhựa được sử
dụng nhiều nhất trong các chi tết máy bay. Nhựa epoxy không có nhóm ester, do
đó khả năng kháng nước của epoxy rất tốt. Với tích chất kết dính và khả năng kháng
nước tuyệt vời của mình, epoxy rất lý tưởng để sử dụng trong ngành đóng tàu.
0

Epoxy đóng rắn dễ dàng ở nhiệt độ từ 5 - 150 C. Ưu điểm nổi bật của epoxy là co
ngót thấp khi đóng rắn. Lực liên kết, tính chất cơ lý của epoxy được tăng cường bởi
tính cách điện và khả năng kháng hoá chất.
Ứng dụng của epoxy rất đa dạng, nó được 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 thường có tính
chất cơ lý cao hơn nhựa. Người ta đánh giá độn dựa trên các đặc điểm sau:


10

- Tính gia cường cơ học
- Tính kháng hóa chất, môi trường, 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 người ta có thể chọn loại
vật liệu độn thích hợp. Có hai dạng độn:

a. Độn dạng hạt.
Chất độn thường được sử dụng là: silica, CaCO3, vẩy mica, vẩy kim loại, độn
khoáng, cao lanh, đất sét, hay graphite, cácbon, bột đá... Khả năng gia cường cơ
tính của chất độn dạng hạt được sử dụng với mục đích sau:


11

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 cường sợi, giảm toả nhiệt khi đóng rắn.

b. Độn dạng sợi