Đề tài Thiết kế kỹ thuật tuabine gió trục ngang công suất 500 W

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG KHOA CƠ KHÍ ----------------------------- BÙI VĂN HIỀN CK51 – CTM ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ KỸ THUẬT TUABIN GIÓ CÔNG SUẤT 500W ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHUYÊN NGÀNH: CHẾ TẠO MÁY NHA TRANG s– 07/2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG KHOA CƠ KHÍ ----------------------------- ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ KỸ THUẬT TUABIN GIÓ CÔNG SUẤT 500W ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHUYÊN NGÀNH: CHẾ TẠO MÁY GVHD: Đặng Xuân Phương NHA TRANG – 07/2013 i PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN Họ, tên sinh viên: Bùi Văn Hiền Lớp: 51CT Chuyên ngành: Chế tạo máy MSSV: 51130312 Tên đề tài:“Thiết kế tuabin gió công suất 500W”. Số trang: Số chương: 4 số tài kiệu tham khảo: Hiện vật: NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. Kết luận: .................................................................................................................. .................................................................................................................................. Nha Trang, ngàytháng năm 2013 CÁN Bộ HƯớNG DẫN TS : ĐIỂM CHUNG Bằng số Bằng chữ ii PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Họ, tên sinh viên: Lớp: 51CT Chuyên ngành: MSSV: 51131914 Tên đề tài:“ Thiết kế tuabin gió công suất 500W”. Số trang: 89 Số chương: 4 Số tài kiệu tham khảo: 16 Hiện vật: NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. Điểm phản biện: ...................................................................................................... Nha Trang, ngày…tháng 7 năm 2013 CÁN Bộ PHảN BIệN ___________________________________________________________________ Nha Trang, ngày…tháng 7 năm 2013 CHỦ TỊCH HỘI ĐỒN ĐIỂM CHUNG Bằng số Bằng chữ iii MỤC LỤC PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP ......................................... i PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP ........................................ ii MỤC LỤC ........................................................................................................................ iii DANH MỤC CÁC BẢNG .................................................................................................. vi DANH MỤC CÁC HÌNH .................................................................................................. vii LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................................... ix CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU ......................................................................................................... 3 1.1 Tổng quan ..................................................................................................... 3 1.1.1 Sơ lược lịch sử phát triển của tuabine gió ........................................... 3 1.1.2 Giới thiệu về tuabine gió .................................................................... 5 1.1.3 Đặc điểm chung của máy phát điện chạy bằng sức gió ...................... 7 1.1.4 Những lợi ích khi sử dụng gió để sản xuất điện (điện gió) .................. 8 1.1.5 Gió và năng lượng gió. ..................................................................... 10 1.2 Đối tượng, phạm vi và mục tiêu nghiên cứu của đề tài ................................. 12 1.2.1 Đối tượng nghiên cứu: Tuabine sử dụng năng lượng gió .................. 12 1.2.2 Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu thiết kế tuabine gió trục sử dụng để phát điện. .................................................................................................. 12 1.2.3 Mục tiêu nghiên cứu: ....................................................................... 13 1.2.4 Phương hướng tiếp cận: ................................................................... 13 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA TUABINE GIÓ TRỤC NGANG .................................................................................................................. 14 2.1 Khái niệm hoạt động thực của roto .............................................................. 14 2.2 Thuyết động lượng và hệ số công suất của rotor. ......................................... 15 2.3 Số Betz giới hạn .......................................................................................... 16 2.4 Lý thuyết phân tố cánh. ............................................................................... 16 2.5 Thuyết động lượng phân tố cánh (BEM) ...................................................... 18 CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ CÁNH TUABINE 500W ......................................................... 20 3.1 Yêu cầu: ...................................................................................................... 20 iv 3.2 Tính bán kính cánh quạt rotor. ..................................................................... 20 3.3 Profile cánh. ................................................................................................ 21 3.4 Chiểu dài dây cung cánh .............................................................................. 23 3.5 Góc đặt cánh ................................................................................................ 25 3.6 Tính hiệu suất tuabine ................................................................................. 27 3.7 Xây dựng cánh tuabine bằng phần mềm Pro/Engineer 5.0 ........................... 28 3.7.1 Kích thước của cánh: ........................................................................ 28 3.7.2 Dựng cánh Tuabine: ......................................................................... 28 3.7.3 Các bước cụ thể ta làm như sau ........................................................ 28 CHƯƠNG 4 PHÂN TÍCH TÍNH TOÁN THIẾT KẾ KẾT CÁC BỘ PHẬN CƠ BẢN CỦA TUABINE .................................................................................................................. 39 4.1 Hộp số ......................................................................................................... 39 4.2 Tháp ............................................................................................................ 40 4.2.1 Cột tháp dạng khung giàn ................................................................. 40 4.2.2 Cột thép hình ống ............................................................................. 41 4.2.3 Cột tháp dạng dây nối đất ................................................................. 41 4.2.4 Gió, bản thân Trọng lượng và tải trọng cơ cấu bên trong .................. 43 4.3 Tính toán và lựa chọn máy phát điện. .......................................................... 44 4.4 Tính toán số lượng bình acquy lưu trữ điện ................................................. 46 4.5 Lựa chọn bộ điều khiển nạp sạc ................................................................... 47 CHƯƠNG 5 TÍNH GIÁ THÀNH CỦA SẢN PHẨM ..................................................... 48 5.1 Tổng giá thành sản phẩm. ............................................................................ 48 5.1.1 Tháp tuabine .................................................................................... 48 5.1.2 Trục chính ........................................................................................ 48 5.1.3 Máy phát điện .................................................................................. 48 5.1.4 Roto tubine ...................................................................................... 49 5.1.5 Long đền đai ốc: .............................................................................. 49 5.1.6 Bulông các loại: ............................................................................... 49 5.1.7 Bình ắc quy ...................................................................................... 49 v 5.1.8 Vòng bi NSK-6205ZZ ...................................................................... 49 5.1.9 Đế đỡ máy phát điện ....................................................................... 49 5.1.10 Đuôi tuabine ................................................................................... 49 5.1.11 Khớp nối: ....................................................................................... 50 5.1.12 Bộ điều khiển nạp sạc .................................................................... 50 5.2 Lắp ráp: ....................................................................................................... 50 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................................... 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 52 vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1 Hệ số λ ........................................................................................... 21 Bảng 3.2 Kết quả tính toán dây cung cánh ..................................................... 24 Bảng 3.3 Kết quả tính góc tấn ....................................................................... 26 Bảng 3.4 kết quả tính toán ............................................................................. 27 vii DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Mô hình cánh gió tại Trung Mỹ, cuối TK 19 .................................... 3 Hình 1.2 Mô hình cối xay gió xuất hiện sau TK 13 ......................................... 4 Hình 1.3 Chiếc máy bơm nước chạy bằng sức gió, phía Tây nước Mỹ những năm 1800 ................................................................................................................. 4 Hình 1.4 Máy phát điện sức gió do Charles F.Brush chế tạo ........................... 5 Hình 1.5 cấu tạo tuabine gió trục ngang .......................................................... 6 Hình 1.6 tuabine gió trục ngang ...................................................................... 6 Hình 1.7 Turbine gió trục đứng ....................................................................... 7 Hình 1.8 Đường cong biểu diễn quan hệ giữa Cp và ..................................... 11 Hình 1.9 Đương cong công suất của tuabine gió 50kW ................................. 12 Hình 2.1 Sự thay đổi áp suất và vận tốc gió qua turbine ................................ 14 Hình 2.2 cánh tuabine gió ............................................................................. 17 Hình 3.1 Số cánh và tốc độ đầu cánh ............................................................. 21 Hình 3.2 Các thông số cơ bản của profile cánh .............................................. 22 Hình 3.3 Cánh tuabine gió ............................................................................. 24 Hình 3.4 Profile cánh .................................................................................... 24 Hình 3.5 Góc đặt cánh ................................................................................... 25 Hình 3.6 Kết quả hình 3D ............................................................................. 27 Hình 3.7 profile Naca 4412 ........................................................................... 29 Hình 3.8 Profile Naca 4412 khi xuất sang phần mềm Pro/Engineer ............... 29 Hình 3.9 Tạo file tuabine ............................................................................... 30 Hình 3.10 Chọn kích thước ........................................................................... 30 viii Hình 3.11 Tạo các mặp phẳng ....................................................................... 31 Hình 3.12 ...................................................................................................... 31 Hình 3.13 Chọn mặt phẳng ............................................................................ 32 Hình 3.14 Chọn file naca ............................................................................... 32 Hình 3.15 Chọn naca ..................................................................................... 33 Hình 3.16 Nhập kích thước ........................................................................... 34 Hình 3.17 Kết quả sau khi nhập kích thước ................................................... 34 Hình 3.18 Kết quả sau khi nhập hoàn thành .................................................. 35 Hình 3.19 Tạo đương dẩn .............................................................................. 36 Hình 3.20 Chọn Smooth ................................................................................ 36 Hình 3.21 Tạo đường dẩn .............................................................................. 37 Hình 3.22 Chọn ok ........................................................................................ 38 Hình 3.23 Kết quả sau khi vẽ ........................................................................ 38 Hình 4.1 Sắp xếp thiết bị của một tuabine gió ............................................... 39 Hình 4.2 Đường cong công suất của một tuabine gió điển hình ..................... 40 Hình 4.3 Các loại tháp tuabine gió ................................................................ 40 Hình 4.4 Ảnh hưởng của chiều cao tháp vào vận tốc ..................................... 42 Hình 4.5 bảng phân chia tốc độ gió ở việt nam Error! Bookmark not defined. Hình 4.6 Tháp nối dây ................................................................................... 43 Hình 4.7 Cách dựng tháp nối dây .................................................................. 43 Hình 4.8 Tính toán tải của tháp ..................................................................... 44 Hình 4.9 Ăc quy quy khô 100 Ah ................................................................. 47 Hình 4.10 Bộ điều khiển nạp sạc ắc quy ........................................................ 47 ix DANH MỤC CHỮ VIẾT TĂT  A-d: Diện tích roto  a: Hệ số thu hẹp dòng chảy  P: Công suất roto  : hệ số công suất  Ω: Vận tốc góc  : Vận tốc dòng  Cl: Lực nâng  Cd: Lực đẩy  N: Số cánh  C: Chiều dài dây cung  : Góc đặt cánh  V: Tiền vật liệu  P: Tiền lương cho công nhân  K: Khấu hao tài sản cố định  H: Chi phí cho quản lý  T: Thời gian gia công  T0: Thời gian gia công cơ bản  Tp: Thời gian phụ  Tpv: Thời gian phục vụ kỹ thuật  Tnn: Thời gian nghỉ ngơi theo nhu cầu cần thiết của công nhân x LỜI CẢM ƠN Sau sáu tháng 4 nghiên cứu, làm việc khẩn trương, được sự động viên, giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của thầy giáohướng dẫnTS.Đặng Xuân Phương, với đề tài “Thiết kế kỹ thuật tuabine gió trục ngang công suất 500 W” đã hoàn thành. Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến: Thầy giáo hướng dẫn TS.Đặng Xuân Phươngđã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này. Các thày giáo cô giáo thuộc bộ môn chế tạo máy– Khoa cơ khí - Trường ĐạiHọc Nha Trangđã giúp đỡem trong suốt quá trình học tập cũng như quá trình nghiên cứu thực hiện đồ án. Toàn thể các bạn bè, gia đình và người thân đã quan tâm, độngviên, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập và hoàn thành bản luận văn. 1 LỜI NÓI ĐẦU Nguồn năng lượng đang là một vấn đề toàn cầu.Cũng với sự phát triển của các ngành công nghiệp,năng lượng hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt.Nhu cầu tìm ra loại năng lượng mới,sạch,có thể tái tạo được,…thây thế nguồn năng lượng hóa thạch truyền thống là bào toán đặt ra từ lâu đối với các quốc gia phát triển như Anh,Mỹ,Pháp,… 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 các nguồn năng lượng truyền thống dần không đủ đáp ứng.Mặt khác,Việt Nam còn có lợi thế là hơn 3000km bờ biển nên nguồn năng lượng gió là rất dồi dào.Với ưu thế về vị trí địa lý này,Việt Nam hoàn toàn có thể sử dụng nguồn năng lượng gió.Và những năm gần đây,khai thác năng lượng gió đang được nhà nước quan tâm. Đề tài “Thiết kế turbin gió trục ngang loại 500W”, đây cũng là một đề tài mới vì vậy trong quá trinh làm đồ án em không tránh khỏi những sai sót và hạn chế về kiến thức. Em rất mong nhận được sự góp ý và đánh giá của các thầy cô giáo trong bộ môn. Đề tài “Nghiên cứu thiết kế tuabine gió trục ngang công suất 500w” Nội dung đề tài của em gồm có 5 chương: - Chương 1: Mở đầu. - Chương 2: Tính toán khí động học tuabine gió trục ngang - Chương 3: Thiết kế kế cánh tuabine gió công suất 500W và xây dựng cánh tuabine bằng phần mềm Pro/Engineer 5.0 - Chương 4: Tính toán các bộ phận khác của tuabine - Chương 5: Hạch toán giá thành sản phẩm Làm đề tài TN đã giúp em củng cố thêm kiến thức đã được học và học hỏi được nhiều kiến thức mới. Với sự hướng dẫn tận tình của T.S.Đặng Xuân Phương nay em đã hoàn thành đề tài của mình. Em xin chân thành cảm ơn T.S Đặng Xuân Phương, các quý Thầy trong bộ môn chế tạo máy và các bạn đã giúp em hoàn thành đề tài này. 2 Nha Trang, tháng 06 năm 2013 Sinh viên thực hiện 3 CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU 1.1 Tổng quan 1.1.1 Sơ lược lịch sử phát triển của tuabine gió Vào cuối những năm 1970, cuộc khủng hoảng về dầu mỏ đã buộc con người phải tìm các nguồn năng lượng mới thay thế, một trong số đó là năng lượng gió. Những năm về sau, rất nhiều các chương trình nghiên cứu và phát triển năng lượng gió được thực hiện với nguồn tài trợ từ các Chính phủ, bên cạnh các dự án nghiên cứu do các cá nhân, tổ chức tự đứng ra thực hiện. Lịch sử phát triển của thế giới loài người đã chứng kiến những ứng dụng của năng lượng gió vào cuộc sống từ rất sớm.Gió giúp quay các cối xay bột, gió giúp các thiết bị bơm nước hoạt động, và gió thổi vào cánh buồm giúp đưa các con thuyền đi xa.Theo những tài liệu cổ còn giữ lại được thì bản thiết kế đầu tiên của chiếc cối xay hoạt động nhờ vào sức gió là vào khoảng thời gian những năm 500 - 900 sau CN tại Ba Tư (Irac ngày nay). Đặc điểm nổi bật của thiết bị này đó là các cánh đón gió được bố trí xung quanh một trục đứng, minh hoạ một mô hình cánh gió đựợc lắp tại Trung Mỹ vào cuối thế kỷ 19, mô hình này cũng có cấu tạo cánh đón gió quay theo trục đứng. Hình 1.1Mô hình cánh gió tại Trung Mỹ, cuối TK 19 Muộn hơn nữa, kể từ sau thế kỷ 13, các cối xay gió xuất hiện tại châu Âu (Tây Âu) với cấu trúc có các cánh đón gió quay theo phương ngang, chúng phức tạp hơn 4 mô hình thiết kế tại Ba Tư. Cải tiến cơ bản của thiết kế này là đã tận dụng đựợc lực nâng khí động học tác dụng vào cánh gió do đó sẽ làm hiệu suất biến đổi năng