Tài liệu Mô hình hoá và tính toán kết cấu cánh turbine gió kiểu trục đứng theo lý thuyết chuyển vị bậc nhất bằng phương pháp phần tử hữu hạn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ****** LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI: MÔ HÌNH HÓA VÀ TÍNH TOÁN KẾT CẤU CÁNH TURBINE GIÓ KIỂU TRỤC ĐỨNG THEO LÝ THUYẾT CHUYỂN VỊ BẬC NHẤT BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN. Học Viên: Trần Thị Nam Thu Lớp: CHK11 CTM Chuyên ngành: Công nghệ Chế tạo máy HDKH: PGS.TS. Ngô Như Khoa THÁI NGUYÊN – 2010 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ****** LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI: MÔ HÌNH HÓA VÀ TÍNH TOÁN KẾT CẤU CÁNH TURBINE GIÓ KIỂU TRỤC ĐỨNG THEO LÝ THUYẾT CHUYỂN VỊ BẬC NHẤT BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN. Học Viên: Trần Thị Nam Thu Lớp: CHK11 CTM Chuyên ngành: Công nghệ Chế tạo máy HDKH: PGS.TS. Ngô Như Khoa HƢỚNG DẪN KHOA HỌC HỌC VIÊN PGS.TS. Ngô Nhƣ Khoa Trần Thị Nam Thu THÁI NGUYÊN – 2010 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT -1 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM MỤC LỤC Lời cảm ơn.............................................................................................................. 1 Mục lục................................................................................................................... 1 Bảng các ký hiệu và chữ cái viết tắt....................................................................... 3 Mở đầu.................................................................................................................... 5 Chƣơng 1. Tổng quan về kết cấu cánh Turbine gió và vật liệu Composite....... 8 1.1. Giới thiệu....................................................................................................... 8 1.2. Cánh và kết cấu cánh: Hình dáng hình học và khí động học cánh turbine… 9 1.2.1. Các thông số hình học………………………………………………...9 1.2.2. Hình dáng biên dạng cánh…………………………………………… 9 1.2.3. Khí động lực học tác dụng trên cánh quay trong môi trường tĩnh….. 10 1.3. Lực, sự phân bố áp lực và một số yếu tố ảnh hưởng đến sự phân bố áp lực trên cánh turbine…………………………………………………………………. 12 1.3.1. Nguyên lý…………………………………………………………… 13 1.3.2. Khái niệm cơ bản của sự phân bố áp lực…………………………… 14 1.3.3. Ảnh hưởng hình học biên dạng cánh……………………………….. 16 1.3.3.1. Ảnh hưởng của kích thước ngăn……………………………. 16 1.3.3.2. Ảnh hưởng của chiều dày…………………………………... 17 1.3.4. Ảnh hưởng của số Reynol………………………………………….. 21 1.4. Vật liệu Composite...................................................................................... 21 1.4.1. Lý thuyết tấm nhiều lớp kinh điển………………………………….. 25 1.4.2. Lý thuyết biến dạng cắt bậc nhất…………………………………… 26 1.5. Kết luận........................................................................................................ 26 Chƣơng 2. Xây dựng các hệ thức cơ bản cho kết cấu dạng vỏ bằng vật liệu Composite lớp theo lý thuyết chuyển vị bậc nhất của Midlin Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa ……………. 28 http://www.lrc-tnu.edu.vn HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT -2 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM 2.1. Trường chuyển vị…………………………………………………… 28 2.2. Trường biến dạng…………………………………………………... 29 2.3. Trường ứng suất…………………………………………………….. 30 2.4. Trường nội lực………………………………………………............ 32 Chƣơng 3. Tính toán vỏ Composite nhiều lớp chịu uốn bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn…………………………………………………………………….… 37 3.1. Mô hình hóa bài toán……………………………………………………... 37 3.2. Mô hình hóa phần tử vỏ………………………………………………….. 38 3.2.1. Ma trận độ cứng của phần tử vỏ……………………………………. 44 3.2.2. Quy đổi về lực nút………………………………………………….. 49 3.2.3. Hệ phương trình phần tử hữu hạn…………………………………... 49 Chƣơng 4. Xây dựng hệ phƣơng trình phần tử hữu hạn cho kết cấu vỏ sử dụng phần tử tứ giác bậc hai…………………………………………………………. 52 4.1. Giới thiệu…………………………………………………………………. 52 4.2. Phần tử tứ giác bậc hai……………………………………………………. 52 4.3. Phần tử quy chiếu…………………………………………….................... 53 4.4. Ma trận Jacobien của các phần tử………………………………………… 58 4.5. Xây dựng ma trận độ cứng tổng thể K……………………………………. 60 4.6. Xây dựng véc tơ lực nút tổng thể F………………………………………. 81 Chƣơng 5. Kết quả số………………………………………………………… 86 Kết luận chung…………………………………………………………… 60 Tài liệu tham khảo………………………………………………………….. 81 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa http://www.lrc-tnu.edu.vn HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT -3 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM BẢNG CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ CÁI VIẾT TẮT Ký hiệu Tên các đại lượng a, b Các kích thước của kết cấu vỏ: chiều dài, chiều rộng. srz Hệ trục chung của vỏ. Hệ trục tọa độ địa phương của vỏ theo các phương khi đã xyz chuyển đổi về hệ trục chung. u, v, w Là các thành phần chuyển vị theo các phương s, r, z của vỏ. u0, v0, w0 Là các thành phần chuyển vị theo các phương s, r, z tại mặt trung bình của vỏ.  / ... Toán tử đạo hàm riêng theo… s ,r , z Các thành phần biến dạng dài theo các phương s, r, z của vỏ. R1 , R2 Bán kính tọa độ cong trực giao r, s  rs ,  sz ,  rz Các thành phần biến dạng góc của vỏ.  s0 ,  r0 ,  rs0 ,  sz0 ,  rz0 Là các biến dạng của mặt phẳng trung tâm tấm. ks , kr , krs Là các thành phần độ cong.  11 , 22 Là các thành phần ứng suất pháp của vỏ 12 ,13 , 23 Là các thành phần ứng suất tiếp của vỏ 11 ,  22 , 12 , 13 ,  23 Là các thành phần biến dạng của vỏ Qk Là các ma trận đàn hồi N Ma trận các thành phần lực màng của vỏ. Q Ma trận các thành phần lực cắt của vỏ. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa http://www.lrc-tnu.edu.vn HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT M d  d i  -4 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM Ma trận các thành phần mô men nội lực của vỏ. Véc tơ chuyển vị Véc tơ chuyển vị nút của phần tử vỏ d  Véc tơ chuyển vị điểm Mt của phần tử vỏ. Ni Hàm nội suy nút của vỏ. Li Ma trận các toán tử của vỏ. [Bi] Ma trận tính biến dạng của vỏ. a Chuyển vị nút của phần tử vỏ. [Ke] Ma trận độ cứng của phần tử vỏ. [K] Ma trận độ cứng tổng thể Pe Véc tơ tải trọng tác dụng lên phần tử. F  Véc tơ lực nút chung [B]P Ma trận tính lực  , Hệ tọa độ quy chiếu. [J], J Ma trận Jacobien và định thức của nó  i ,i Tọa độ các điểm Gauss Wi Hàm trọng số tại điểm Gauss s ,r Là các góc xoay quanh các truc r, s của vỏ.  Là góc phương sợi của lớp vật liệu vỏ PTHH (FEM) Phần tử hữu hạn t Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa http://www.lrc-tnu.edu.vn HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT -5 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM MỞ ĐẦU Bộ phận chính của máy phong điện kiểu trục ngang hay trục đứng là bộ phận cánh, đặc biệt là khả năng quay của cánh. Để nó hoạt động tốt cần chú ý tới việc lựa chọn hình dạng và kích thước cánh tối ưu. Biên dạng cánh turbine có thể ở dạng tấm phẳng đơn giản; dạng vỏ trụ; hay dạng khí động học phức tạp. Xét về mặt kết cấu, cánh turbine gió thường ở dạng kết cấu tấm/vỏ có hoặc không có gân gia cường và ở dạng hộp panel, vật liệu thường sử dụng là vật liệu composite lớp. Việc nghiên cứu xây dựng các mô hình tính toán cho kết cấu cánh turbine gió là không thể thiếu trong quá trình thiết kế nó góp phần nâng cao hiệu suất của các máy phong điện. Đây là nhóm kết cấu phức tạp. Trong lĩnh vực cơ học vật liệu và kết cấu Composite các phương pháp có thể được chia thành hai nhóm: nhóm phương pháp giải tích và nhóm phương pháp số. Ở đây, luận văn đã sử dụng nhóm phương pháp số mà cụ thể là phương pháp phần tử hữu hạn để xây dựng mô hình cơ học tính toán ứng xử cơ học kết cấu cánh. Phương pháp này đã được ứng dụng vào cơ học từ rất lâu, nó thường được sử dụng để khảo sát các mô hình có những đặc điểm cơ học phức tạp. Do đặc điểm quản lý thông tin về nút (lực nút, chuyển vị nút) nên khối lượng tính toán sơ cấp rất lớn. Phương pháp phần tử hữu hạn chỉ thực sự có ý nghĩa khi được ứng dụng máy tính. Vì vậy mà luận văn đã xây dựng chương trình tính bằng MATLAB. Dựa trên cơ sở mô hình cơ học, nghiên cứu xây dựng mô hình PTHH để có thể giải quyết các bài toán bền, cứng cho cánh turbine khi chịu tác dụng của tải trọng gió. Gần đây đã có một số nghiên cứu liên quan đến đề tài như: Nghiên cứu động lực học cánh turbine nhằm nâng cao hiệu quả và độ an toàn của hệ thống cánh turbine gió [1], [5]; hay nghiên cứu động lực học cánh turbine kiểu trục đứng nhằm nâng cao hiệu quả mặt hứng gió và giảm thiểu ảnh hưởng của mặt cản gió cho cánh turbine [2]; Một số nghiên cứu về hiệu quả sử dụng vật liệu compossite lớp cho cánh turbine [6]. Các nghiên cứu trong nước về hệ thống turbine gió nói riêng và phong điện nói chung còn đặc biệt ít. Nghiên cứu có quy mô và gần đây nhất có thể kể đến là kết quả Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa http://www.lrc-tnu.edu.vn HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT -6 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM của nhóm nghiên cứu do PGS-TSKH Nguyễn Phùng Quang [4] là nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống phát điện chạy bằng năng lượng gió có công suất danh định từ 10KW đến 30KW. Nội dung nghiên cứu tập trung chủ yếu vào việc xây dựng các bộ điều khiển: bộ điều khiển nạp bank accu, bộ điều khiển công suất phát, bộ nghịch lưu và tích hợp với hệ thống turbine gió và máy phát nhập ngoại. Luận văn của Chu Đức Quyết [8], đã tính toán thiết kế các vị trí, số cánh, kích thước hệ thống cánh phẳng cho máy phong điện kiểu trục đứng. Và một số nghiên cứu về kết cấu tấm có gân gia cường bằng vật liệu compossite lớp, như: Nguyễn Tiến Dũng [7], trong đó, đề tài đã thiết lập được phần tử lai tấm gân để xây dựng mô hình PTHH cho bài toán kết cấu tấm có gân tăng cứng chịu tải trọng phân bố đều và áp dụng mô hình chuyển vị bậc nhất Mindlin với việc sử dụng phần tử tam giác bậc cao (6 nút tại mỗi phần tử và mỗi nút có 5 bậc tự do), để xây dựng ma trận độ cứng phần tử của tấm – gân; Trần Hữu Quốc [9], đã xây dựng mô hình phần tử tấm – gân với phần tử tứ giác 9 nút cho tấm và phần tử dầm 3 nút cho gân, dựa trên lý thuyết chuyển vị cắt bậc cao của Reddy. Mặc dù ngành công nghiệp chế tạo turbine gió nói chung trên thế giới đã và đang được phát triển mạnh mẽ, tuy nhiên các công trình công bố cũng như các tài liệu về vấn đề này còn rất hạn chế, đặc biệt là vấn đề tính toán cơ học kết cấu cánh, nội dung đề cập đến trong đề tài luận văn này. Trong luận văn này, bằng phương pháp phần tử hữu hạn, sử dụng phần tử tứ giác 4 nút và sử dụng hàm nội suy hình học tại các nút của phần tử vỏ để tính ma trận độ cứng của vỏ. Khảo sát bài toán tĩnh để phân tích biến dạng của kết cấu vỏ kín làm bằng vật liệu composite. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa http://www.lrc-tnu.edu.vn HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT -7 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN - Tên đề tài: Mô hình hoá và tính toán kết cấu cánh turbine gió kiểu trục đứng theo lý thuyết chuyển vị bậc nhất bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn. - Mục tiêu: Xây dựng mô hình cơ học tính toán ứng xử cơ học kết cấu cánh turbine gió kiểu trục đứng bằng vật liệu composite lớp. - Đối tượng nghiên cứu: Tính toán số đối với bài toán vỏ kín bằng vật liệu Composite lớp, liên kết ngàm 2 đầu chịu tác dụng của tải trọng phân bố đều. - Nhiệm vụ: + Nghiên cứu tổng quan về các công trình đã được thực hiện trong và ngoài nước đối với kết cấu vỏ bằng vật liệu Composite lớp. + Xây dựng mô hình hoá kết cấu cánh turbine gió, xây dựng được mô hình cơ học tính toán ứng xử cơ học kết cấu + Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn tính toán ứng xử cơ học kết cấu cánh turbine. + Xây dựng chương trình tính bằng MATLAB, áp dụng tính toán cơ học kết cấu cánh turbine của trạm phong điện kiểu trục đứng công suất 10KW, vật liệu cánh là Composite lớp, nền nhựa cốt sợi thuỷ tinh . Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa http://www.lrc-tnu.edu.vn HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT -8 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU CÁNH TURBINE GIÓ VÀ VẬT LIỆU COMPOSITE. 1.1. Giới thiệu 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 có các loại máy phát phong điện với công suất rất khác nhau, từ 1 kW 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. Như vậy năng lượng gió là nguồn năng lượng tái tạo phát triển hơn cả. Trong tương lai nguồn năng lượng tái tạo thu được từ các turbine gió đóng vai trò quan trọng trong sự phát điện của nguồn điện. Turbine được phân ra làm hai loại: Turbine gió trục ngang (HAWT) và turbine gió trục đứng (VAWT), các turbine này chúng khác nhau về vị trí trục. Mặc dù HAWT hiệu quả hơn và với sự chế tạo phong phú chúng được sử dụng phổ biến. VAWT được nghiên cứu bởi nhiều nhà nghiên cứu sử dụng công nghệ phân tích hiện đại. Có thể thấy rằng, phạm vi cũng như quy mô sử dụng các trạm phong điện trục đứng còn rất khiêm tốn so với các hệ thống HAWT, các hệ thống VAWT có thể hoạt động bình đẳng với mọi hướng gió nên có cấu tạo đơn giản, các bộ phận đều có kích thước không quá lớn nên vận chuyển và lắp ráp dễ dàng, độ bền cao, duy tu bảo dưỡng đơn giản. Với đăc điểm như vậy, nên thị trường mà các công ty R&D (nghiên cứu chế tạo và thương mại hóa) hệ thống này (chủ yếu của Trung Quốc) hiện đang hướng tới là Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa http://www.lrc-tnu.edu.vn HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT -9 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM các trạm phát điện độc lập, công suất vừa và nhỏ, phù hợp với các trang trại, hộ gia đình hay những nơi độc lập xa trung tâm. 1.2. Cánh và kết cấu cánh: Hình dáng hình học và khí động học cánh turbine. 1.2.1. Các thông số hình học Hình 1.1. Hình dáng hình học cánh turbine. Đầu nhọn của biên dạng cánh (điểm B) được gọi là “đuôi cánh”. Đầu cánh là vị trí của điểm A ở đầu biên dạng cánh, cách xa điểm B nhất. AB = l là dây cung của biên dạng cánh. ABM là bề mặt trên ; ANB là bề mặt dưới. Góc tới i là góc hợp bởi dây cung và phương véc tơ vận tốc V của gió. Góc nâng  o bằng 0 là góc hợp bởi dây cung với đường trung hòa. Góc nâng  là góc hợp bởi đường trung hòa và véc tơ vận tốc V của gió. i    0   i  0 Trong đó:  o là âm,  và i là dương 1.2.2. Hình dáng biên dạng cánh - Theo hình dáng biên dạng cánh: Biên dạng NACA đối xứng (NACA 0009, NACA 0012, NACA 0015, NACA 0018, NACA 0024 …) và không đối xứng (NACA (05, 07, 08, 11, 15, 22, 27, 33, 37, 44)15…). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa http://www.lrc-tnu.edu.vn HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT - 10 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM - Theo kí hiệu số: Biên dạng NACA 4 số (00xx) với “xx” là phần trăm theo chiều dày t của dây cung, NACA 5 số, NACA 6 số. Hình 1.1 là biên dạng NACA không đối xứng Z Hình 1.2. Hình dạng profin NACA đối xứng 1.2.3. Khí động lực học tác dụng trên cánh quay trong môi trƣờng tĩnh Giả sử cánh được lắp trên giá đỡ và gió di chuyển tới với vận tốc V , nhưng chiều ngược lại, khí động học tác dụng lên cánh có giá trị không đổi. Lực tác dụng chỉ phụ thuộc vào vận tốc tương đối và góc đụng. Áp lực của gió lên mặt của cánh không đều: Trên mặt trước áp lực giảm và trên mặt sau áp lực tăng. Mô tả đồ thị biến thiên của áp lực, ta vẽ trên đường vuông góc với mặt biên dạng cánh là các đoạn có chiều dài bằng Kp: KP  p  p0 1 V 2 2 Trong đó p là áp lực tĩnh, vuông góc trên bề mặt cánh, và dương ở mặt dưới của cánh. (Hình 1.3) Hình 1.3. Áp lực ở mặt trên và mặt dưới của cánh Tổng hợp của các lực tác dụng lên cánh là F Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa http://www.lrc-tnu.edu.vn HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT F - 11 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM 1 Cr SV 2 2 Trong đó:  là trọng lượng riêng của không khí. S là diện tích được tính bằng: S = (dây cung)  (chiều dài của cánh) Cr là hệ số khí động học. Lực này có thể chia thành 2 thành phần: - Thành phần song song với véc tơ V : lực cản Fd - Thành phần vuông góc với véc tơ V : lực nâng Fl Fd và Fl được tính: Fd  1 Cd SV 2 2 Fl  1 Cl SV 2 2 Hình 1.4. Thành phần lực tác dụng lên cánh turbine Trong đó C d và C l là hệ số cản và hệ số nâng. Vì Fd và Fl vuông góc với nhau nên ta có: Fd2  Fl 2  F 2 Tương tự có: Cd2  Cl2  Cr2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa http://www.lrc-tnu.edu.vn HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT - 12 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM Gọi M là mô men dọc của lực F, ta có hệ số mô men dọc C m . M 1 Cm SlV 2 2 Trong đó l là chiều dài của dây cung. Do đó khí động lực học trên mặt cắt hình học có thể biểu diễn bằng lực cản, lực nâng, mô men dọc. Lúc này với mỗi giá trị của góc tới, sẽ có một điểm đặc biệt C mà tại đó mô men của lực F bằng 0. Điểm đặc biệt này là trung tâm áp lực. Khí động học ảnh hưởng lên mặt cắt hình học của cánh có thể biểu diễn bằng lực nâng và lực cản tác động vào điểm đó. Trung tâm của áp lực tương đối tới cánh trước được xác định bằng hệ số: CP  AC X l Cm   AB l Cl Thông thường CP  25%  30% 1.3. Lực, sự phân bố áp lực và một số yếu tố ảnh hƣởng đến sự phân bố áp lực trên cánh turbine. Hệ thống máy phong điện có cánh turbine gắn cứng được phát minh đầu tiên vào năm 1931 ở nước pháp. Hình 1.5. Hệ thống máy phong điện đầu tiên Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa http://www.lrc-tnu.edu.vn HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT - 13 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM Hệ thống gồm các cánh được liên kết bởi các mối nối cứng, thông thường biên dạng của chúng là 2 mặt lồi, chúng có nhiều kiểu như hệ thống cánh kiểu hình trụ, hình nón, hình cầu hay kiểu parabol. Song bất cứ kiểu biên dạng nào chúng cũng đều hoạt động theo một nguyên lý chung. 1.3.1. Nguyên lý. Nhờ lực của gió tác động vào cánh turbine làm roto chuyển động. Khi nghiên H¦íng giã cứu khí động lực học của cánh turbine có mô men thay đổi ta có kết quả như hình 1.6 W W V U F F . W V W V U F U F Hình 1.6. Thành phần lực và vận tốc trên cánh turbine. Gió chuyển động với vận tốc tương đối là W khi tác động vào cánh turbine, V là vận tốc thực của gió và U là vận tốc vòng, ta có: V  U  W hoặc có thể được viết là: W  V  U . Nếu biết được véc tơ vận tốc V và U , ta có thể xác định được véc tơ W và từ đó có thể lắm bắt được nguyên lý động học của cánh turbine. Nếu vận tốc gió là hằng số và phương chuyển động của roto là giả định thì việc tính toán không gặp nhiều khó khăn. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa http://www.lrc-tnu.edu.vn HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT - 14 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM Nghiên cứu tam giác véc tơ vận tốc của cánh turbine ở các vị trí khác nhau thấy rằng các lực tạo ra mô men quay ở tất cả các vị trí, trừ khi biên dạng của cánh (cánh đối xứng) có phương song song với hướng gió. Góc tạo bởi hướng gió với profile cánh không vượt quá giá trị giới hạn imax  sin 1 (V / U ) . Góc này nhọn nếu vận tốc vòng U của roto lớn hơn so với vận tốc gió V . 1.3.2. Khái niệm cơ bản của sự phân bố áp lực. Trong cơ học chất lỏng, lực và mô men chủ yếu là do áp lực gây ra bởi chất lỏng với bề mặt vật thể. Bằng cách thực hiện tính toán khí động học, sự phân bố áp lực trên bề mặt vật thể có thể tìm thấy và do đó các thông tin về lực và mô men đã được tìm. Chúng ta biết rằng lực nâng trên một đơn vị diện tích được cho bởi: p  V Trong đó:  - là khối lượng riêng V - là vận tốc  - giới hạn bền của tấm C pl , C pu - hệ số áp lực của bề mặt phía trên và bề mặt phía dưới s. Áp lực khác nhau giữa áp lực cao và áp lực thấp cho bởi hệ số áp lực tổng quát C p : C p  C pl  C pu  V q Áp lực khác nhau giữa nửa trên và nửa dưới của cánh C p được xác định bởi: đặc điểm của phần biên dạng cánh, số Reynol (Re) và góc tới, số Reynol được chọn trong khoảng 105 đến 107 . Với biên dạng cánh đối xứng thì áp lực ở nửa trên và nửa dưới là như nhau. Hình 1.7 biểu diễn véc tơ áp lực trên biên dạng cánh có thể chia thành 2 thành phần là lực pháp tuyến và lực tiếp tuyến. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa http://www.lrc-tnu.edu.vn HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT - 15 CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM - Y . . Cp Cdp Clp X Hình 1.7. Các thành phần của hệ số áp lực Clp và Cdp - hệ số lực nâng và lực cản tương ứng. giá trị của Clp và Cdp phụ thuộc vào góc  . Clp  C p * cos Trong đó  là góc mái của bộ phận cánh. Hình 1.8. Sự phân bố áp lực trên bề mặt cánh trên VAWT Theo phương vuông góc với dây cung (theo chiều dài cánh) lực phân bố có thể coi là hằng số. Còn theo hướng dây cung lực phân bố theo quy luật như hình 1.8. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa http://www.lrc-tnu.edu.vn HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT - 16 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM 1.3.3. Ảnh hƣởng hình học biên dạng cánh Một phần biên dạng thu được bằng cách tổ hợp đường độ võng và phân bố chiều dày. Dưới điều kiện dòng khí như nhau, độ võng và chiều dày của phần biên dạng có thể ảnh hưởng đến sự phân bố C p . Một lượng lớn của dữ liệu trong phần biên dạng NACA của loạt 4 chữ số đã được thu thập. Những dữ liệu này đã chỉ ra sự phân bố của hệ số áp lực ở góc tới khác nhau và số Re = 1e 6 . Nó có thể được quan sát từ sự phân bố C p . Sự thay đổi của ngăn và chiều dày của biên dạng sẽ cho ảnh hưởng trên sự phân bố áp lực. 1.3.3.1. Ảnh hƣởng của kích thƣớc ngăn. Ảnh hưởng của ngăn là không xét đến đối với góc tới cao. Để xác định hệ số ảnh hưởng của ngăn, trong phần này ảnh hưởng được tìm thấy là rất phức tạp. Trong nghiên cứu này, tác giả chỉ chú ý đến thay đổi đơn giản của kích thước ngăn. So sánh một vài dữ liệu trong ngăn khác nhau với biên dạng NACA 0015, hệ số hiệu chỉnh của ngăn được xác định theo phương trình sau: Eqn 2 Ychamber  a  b * xchamber *ln xchamber Các hệ số được xác định trong phụ lục G. 1.3.3.2. Ảnh hƣởng của chiều dày. Sự phân bố C p cũng chỉ ảnh hưởng bởi sự thay đổi chiều dày của biên dạng. Dữ liệu của biên dạng NACA0012, NACA0015, NACA0018 và NACA0024 đã được so sánh tại   50 , Re  1e6 ,   100 , Re  1e6 ,   200 , Re  1e6 ,   500 , Re  1e6   800 ,  900 , Re  1e 6 như sau: Sự phân bố C p với phần biên dạng khác nhau tại   50 , Re  1e6 (Hình 1.9) Giá trị đỉnh của C p giảm với sự tăng kích thước chiều dày của biên dạng. Bằng sự thay đổi chiều dày biên dạng, sự thay đổi áp lực xuất hiện chủ yếu ở đầu cánh. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa http://www.lrc-tnu.edu.vn HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT - 17 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM Hình 1.9. Đường cong C p tại   5 0 , Re  1e 6 . ( NACA0012, 0015, 0018, 0024) Sự phân bố C p với hình dáng biên dạng khác nhau tại   100 , Re  1e6 (Hình 1.10) Giá trị đỉnh của C p là giống nhau như phân tích ở hình 1.9 Hình 1.10. Đường cong C p tại   200 , Re  1e 6 . (NACA0012, 0015, 0018, 0024) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa http://www.lrc-tnu.edu.vn HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT - 18 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM Sự phân bố C p với biên dạng khác nhau tại   200 , Re  1e6 (Hình 1.11). Có sự khác nhau của giá trị đỉnh của sự thay đổi C p giữa hình 1.9 và hình 1.10, xuất hiện sự thay đổi góc tính toán. Hình 1.11. Đường cong C p tại   200 , Re  1e 6 . (NACA 0012, 0015, 0018, 0024) Sự phân bố C p với biên dạng khác nhau tại   500 , Re  1e6 (Hình 1.12). Sự phân bố C p lớn nhất khít hơn. Dạng của đường cong tốt. Hình 1.12. Đường cong C p tại   500 , Re  1e 6 . (NACA 0012, 0015, 0018, 0024) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa http://www.lrc-tnu.edu.vn HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM