Thiết kế chế tạo động cơ gió

cực để quấn các cuộn dây phần ứng. Hình 5-14. Hệ thống từ của máy phát với nam châm hình sao. 1. Stato; 2. Roto-nam châm. b. Máy phát điện xoay chiều kích thích kiểu điện từ (nam châm điện) Máy phát điện xoay chiều kích thích kiểu điện từ ngày nay được sử dụng rất nhiều. Ưu điểm của loại này là công suất cao, dễ điều chỉnh thế hiệu, trọng lượng nhỏ và tuổi thọ cao. Hình 5-15. Máy phát xoay chiều kích thích kiểu điện từ. 1. Bộ chỉnh lưu; 2. Vòng tiếp điện; 3. Ổ bi đỡ.; 4. Chổi điện; 5. Nắp; 6. Stato và cuộn dây ; 8. Cuộn kích thích. Cấu tạo của máy phát điện điện xoay chiều kích thích kiểu điện từ cũng bao gồm hai phần chính là rôto, stato. + Rôto: gồm hai chùm cực hình móng lắp then trên trục. Giữa các chùm cực có cuộn dây kích thích 8 đặt trên trục qua ống lót bằng thép. Các đầu của cuộn dây kích thích được nối với các vòng tiếp điện 2 gắn trên trục máy phát. Trục của rôto được đặt trên các ổ bi lắp trong các nắp 5 bằng hợp kim nhôm. Hình 5-16. Các chi tiết chính của rô to. 1, 2. Các nửa rô to trái và phải; 3. Cuộn kích thích; 4. Các má cực; 5. Đầu ra cuộn kích thích; 6. Then; 7. Đai ốc và vòng đệm; 8. Trục lắp vòng tiếp điện; 9. Các vòng tiếp điện; 10- Các đầu dây dẫn. + Stato là khối thép từ ghép từ các lá thép điện kỹ thuật, phía trong có xe rãnh phân bố đều để đặt cuộn dây phần ứng. Hình 5-17. Stato và sơ đồ cuộn dây của máy phát điện xoay chiều. 1. Khối thép từ; 2. Cuộn dây 3 pha. Động cơ gió trục ngang công suất 300W sử dụng máy phát điện loại xoay chiều kích thích kiểu điện từ. 5.3.5. Cơ cấu định hướng gió Khi động cơ gió hoạt động hướng gió luôn luôn thay đổi vì vậy để đảm bảo cho bánh xe gió luôn vuông góc với hướng gió thì cần có cơ cấu định hướng gió (đối với động cơ gió trục đứng thì không cần). Cơ cấu định hướng gió có rất nhiều kiểu, loại khác nhau. Động cơ gió cở nhỏ thường dùng loại đuôi lái. Loại này có kết cấu đơn giản, dễ sử dụng ít tốn kém hơn. Tuy nhiên nhược điểm của loại này là độ an toàn thấp, khi động cơ gió hoạt động thường bị rung mạnh. Khi lắp vào đuôi động cơ gió làm tăng chiều dài động cơ gió lên rất lớn điều này gây khó khăn cho việc lắp động cơ gió lên giá đỡ. Đuôi lái như hình (5-18) là hai loại đuôi lái liền không có lỗ thông gió và loại có lỗ thông gió. Ưu điểm của loại không có lỗ thông gió là đơn giản, dễ chế tạo, thay đổi hướng động cơ nhanh và được sử dụng rất rộng rãi hiện nay. Nhược diểm của loại này chịu áp suất gió tập trung lớn so với loại đuôi lái có lỗ thông gió vì loại này có thêm một lỗ thông gió ở giữa để giảm bớt áp suất gió tác dụng lên đuôi lái. Tuy nhiên, loại này khó chế tạo hơn loại trên. Một cách định hướng gió khác là dùng thiết bị đo gió (hình 5-19), để định hướng cho động cơ gió người ta dùng một thiết bị đo hướng gió (10) sau đó truyền tín hiệu về bộ điều khiển (8). Bộ điều khiển xử lý tín hiệu và truyền tìn hiệu đến cơ cấu điều hành là động cơ (14) và động cơ này sẽ làm xoay động cơ gió theo hướng gió chuẩn thông qua bánh răng (13). Cách đinh hướng gió này có ưu điểm là nhanh, độ nhạy cao kể cả khi hướng gió thay đổi liên tục trong thời gian ngắn. Bố trí này làm giảm chiều dài động cơ nên động cơ gon nhẹ hơn, thẩm mỹ hơn so với cách dùng đuôi như trên. Tuy nhiên, kết cấu phức tạp hơn, yêu cầu chính xác cao về thiết kế, chế tạo các bộ phận thiết bị đo gió, bánh răng, hộp điều khiển do đó giá thành cao hơn. Cơ cấu này thường áp dụng cho những động cơ gió công suất lớn. Hình 5-18. Các loại đuôi lái Hình 5-19. Động cơ gió không cần dùng đuôi lái 1. Cánh; 2. Bánh xe gió; 3. Bước cánh; 4. Phanh; 5. trục tốc độ thấp; 6. Bánh răng trục tốc độ thấp; 7. Máy phát; 8. Hộp điều khiển; 9. Thiết bị đo gió; 10. Chong chóng gió; 11. Trục tốc độ cao; 12. Bánh răng trục tốc độ cao; 13. Bánh răng lái; 14. Động cơ điều khiển; 15. Trụ. 5.3.6. Trụ đỡ động cơ Động cơ gió được đặt trên một trụ có độ cao nhất định tránh những vật cản gió để đạt được hiệu suất phát điện cao nhất. Khi lắp đặt động cơ gió cần tính toán độ cao, đường kính trụ và gia cố móng sao cho đảm bảo an toàn cho động cơ gió. Việc lắp đặt trụ động cơ phải được tiến hành trước khi đưa động cơ lên trụ một thời gian. Gia cố móng cho trụ động cơ gió mà không dùng thêm sẽ tốn kém hơn rất nhiều so với dùng thêm dây cáp neo quanh trụ động cơ gió mặc dù như vậy sẽ làm tăng diện tích chiếm chỗ của động cơ gió nhưng phương án này vẫn được sử dụng nhiều nhất. Hình 5-20. Trụ đỡ động cơ gió 1. Trụ; 2. dây cáp; 3. Móng; 4. Cọc cáp. * Ngoài ra động cơ gió còn có các bộ phận sau: - Cơ cấu phanh: Dùng để dừng động cơ trong những trường hợp đặc biệt như khi có tốc độ gió quá lớn vượt quá tốc độ cho phép (giông, bão) hay khi cần sữa chữa động cơ. Phanh có thể được bố trí trên trục tốc độ thấp, trục tốc độ cao hoặc trên cả hai trục nhưng thường được bố trí trên trục tốc độ cao. Dẫn động phanh có thể là cơ khí, thủy lực, khí nén hoặc bằng điện tuy nhiên động cơ gió thường được đặt trên cao nên việc dẫn động bằng cơ khí, thủy lực… là rất khó điều khiển vì vậy phanh điện từ là cơ cấu được sử dụng nhiều nhất. - Vỏ: Dùng để ngăn bụi bẩn và tác nhân bên ngoài xâm nhập vào động cơ gió. - Bộ điều khiển (controller): Điều khiển các chế độ làm việc của động cơ gió. - Ácquy: Là bộ phận tích trữ năng lượng điện. Khi không có tải tiêu thụ thì ácquy sẽ tích trữ năng lượng điện và khi không có gió tức là động cơ gió không sinh ra điện thì điện tiêu thụ được lấy từ ácquy. Thường sử dụng ácquy 12V hoặc 24V. - Bộ chuyển đổi điện (inverter): Dùng để chuyển đổi điện một chiều từ ácquy thành điện xoay chiều để sử dụng trong sinh hoạt. Thường sử dụng inverter sóng sine. 6. Thiết kế bánh xe gió động cơ gió trục ngang công suất 300 W 6.1. Cơ sở lý thuyết động lực học không khí của động cơ gió 6.1.1. Cơ sở động học của cánh a. Lực khí động tác dụng lên cánh Xét trong trường hợp không gian hai chiều, dòng không khí có tốc độ tương đối thấp và ảnh hưởng lực trọng trường thì áp lực khí thể và vận tốc của nó tuân theo phương trình Becnuli: P0 = P + .V2 (6-1) Trong đó: P0 – áp suất tổng. P – áp suất tĩnh (thế năng). .V2 – áp suất động. - khối lượng riêng không khí. V- vận tốc của không khí. Phương trình Becnuli chỉ ra rằng, tổng áp nâng của không khí là P0 được bảo toàn một giá trị nhất định và nó là tổng của động năng .V2 và thế năng P. Hình 6-1. Biểu thị dòng chảy của chất khí Hình (6-1) biểu thị một dòng chảy của chất khí, trong các đường của dòng chảy thì lưu lượng của khí thể vẫn giữ không đổi (định luật liên tục), dòng chảy ở mặt trên phần lồi của cánh có tiết diện bị thu hẹp lại cho nên tốc độ dòng chảy tăng lên, tức là V > V∞ do vậy P < P∞. Còn phía dưới cánh có sự thay đổi vận tốc nhỏ hơn. Do vậy áp suất tĩnh phía trên cánh nhỏ hơn phía dưới cánh do sự chênh lệch áp suất phía dưới và phía trên cánh tạo ra hợp lực tác dụng lên cánh và tạo các khí động lực nâng, lực cản và mômen. * Hệ số cường độ áp lực lên mặt cánh và phân bố áp lực lên mặt trên của cánh khi có chuyển động tương đối giữa các mặt cắt của cánh với chuyển động không khí thì áp lực lên mặt trên của cánh bị thay đổi và ta có thể biểu thị hệ số phân bố áp lực lên mặt cánh, định nghĩa như sau: . (6-2) Hình 6-2. Sự phân bố hệ số áp lực Hình 6-3. Biểu diễn áp lực và mômen tác dụng lên cánh Hình (6-2) là sự phân bố hệ số áp lực điển hình của sự phân bố áp lực mặt trên và mặt dưới cánh. P là áp suất tĩnh tác dụng lên các điểm của cánh, P∞ là áp suất tĩnh của dòng khí lưu động tại nơi dòng khí không bị nhiểu loạn (áp suất tĩnh bằng áp suất khí trời), V∞ là vận tốc tương đối của dòng khí ở vô cùng (với dòng khí không bị nhiễu loạn). Hình (6-3) vẽ hai tọa độ vuông góc. Trong đó, hệ tọa độ x’oy’ gọi là hệ tọa độ của cánh, còn hệ tọa độ xoy gọi là hệ tọa độ hướng gió. Góc lệch hai hệ tọa độ này là góc . Góc giữa hướng gió với dây cung của cánh gọi là góc tới. Dòng không khí chuyển động tác dụng lên một lực R. Lực R được phân tích thành lực nâng (L) và lực cản (D). Ngoài hai lực nâng và lực cản tại mỗi điểm trên cánh còn chịu mômen (M) với các điểm khác gọi là mômen khí động. * Hệ số không thứ nguyên của các lực khí động lên tiết diện cánh. - Hệ số lực nâng: . (6-3) - Hệ số lực cản: . (6-4) - Hệ số mômen: . (6-5) Trong đó: L, D, M lần lượt là lực nâng, lực cản và mômen tác dụng lên cánh tại một đơn vị chiều dài cánh. Khi lực nâng và lực cản biểu thị như hình (6-3) mang giá trị dương. b. Đặc tính lực nâng lên tiết diện cánh Hệ số lực nâng lên tiết diện cánh CL biến đổi phụ thuộc góc tới và quan hệ này biểu thị trên hình (6-4). Góc tới là góc kẹp giữa phương của dòng khí đến từ vô cùng với dây cung hình học của cánh. Từ hình (6-4) ta thấy khi góc = - thì hệ số lực nâng bằng không và gọi là góc lực nâng bằng không. Cũng có nghĩa là = - thì CL = 0. Góc tới ứng với CLmax gọi là góc tới giới hạn hoặc gọi là góc tới không có vận tốc . Độ dốc đường cong được tính bằng: . (6-6) Hình 6-4. Quan hệ giữa hệ số lực nâng và góc tới a Nhìn vào đồ thị đường cong hệ số lực nâng CL và góc , khi góc tới không lớn lắm thì CL tỉ lệ tuyến tính với trong từng hướng đó có thể biểu thị bằng: CL = .( - ) = . (6-6) c. Đặc tính lực cản lên tiết diện cánh Có thể biểu thị quan hệ hệ số CD theo , quan hệ này gọi là đặc tính trở lực cánh hình (6-5). Đặc tính trở lực cánh có hai thông số đặc trưng hệ số trở lực tối thiểu CDmin và góc tới tương ứng với trở lực là thông thường. CD = CDmin + CL. (6-7) Như vậy, hệ số lực cản CD là hàm số yỉ lệ bậc hai với góc tới , CDmin là tổng của lực cản ma sát (CDF) và lực cản chênh áp (CDP), tức là: CDmin = CDF + CD. (6-8) Hình 6-5. Quan hệ giữa hệ số lực cản và góc tới a Trong trường hợp góc tới nhỏ thì CDmin chủ yếu do CDF, như vậy khi nghiên cứu đặc tính lực cản thì không thể bỏ qua độ nhớt của chất khí (không được coi chất khí là không có độ nhớt). d. Đường cong cực Nếu dùng hệ toạ độ với CL là trục tung, CD là trục hoành để biểu thị góc tới thì ta được đường cong cực tĩnh. Mỗi điểm trên đường cong cực tương ứng với một góc tới. Từ điểm gốc O ta vẽ một đường thẳng đến điểm bất kỳ trên đường cong cực ta được vec tơ : Nó đại diện cho lực khí động CR, tương ứng góc tới . CR = . (6-9) Phương trình này biểu thị góc:. (6-10) Hình 6-6. Đường cong cực Như vậy đường cong cực là đường cong nối các điểm mút vec tơ hợp lực R. Các tham số của đường cong cực bao gồm , , , CLmax, CDmin, hệ số trở lực CDO (tức là hệ số trở lực khi lực nâng bằng không), tỉ số lực nâng lớn nhất kí hiệu hmax (hmax = ). Tức là tương ứng với góc tới có lợi ( có lợi), từ gốc O của đồ thị ta vẽ một đường tiếp tuyến với đồ thị ta xác định được điểm tương ứng có lợi nhất. Giữa hệ số lực nâng CD, lực cản CL có tồn tại quan hệ. CD = CDO + A. (6-10) Trong đó: A - hệ số thông qua trở lực, hệ số này liên quan đến đặc tính hình dạng hình học của cánh. CDO - hệ số trở lực tại đó lực nâng bằng không. e. Đặc tính mômen tác dụng lên tiết diện cánh Nó là mối quan hệ giữa hệ số mômen theo góc tới và quan hệ giữa mômen theo lực nâng. Hệ số mômen có quan hệ với điểm chúng ta lấy mômen, những điểm tham khảo lấy mômen khác nhau thì các hệ số mômen chuyển hoá cho nhau. Khi người ta cho hệ số mômen đồng thời cho biết vị trí điểm tham khảo để lấy mômen, thông thường điểm tham khảo lấy vòng tròn tiếp tuyến mũi cánh. Tham số đặc trưng cho đường cong mômen là hệ số mômen ứng với lực nâng bằng không (kí hiệu CMO) và độ nghiêng của đường cong mômen. Hệ số mômen ứng với lực nâng bằng không cho ta biết giá trị mômen khi lực nâng bằng không. Còn độ nghiêng của đường cong mômen biểu thị theo phương trình: và . (6-11) Như vậy trong trường hợp góc tới nhỏ hệ số mônmen còn có thể biểu thị theo hai phương trình: và (6-12) f. Tiêu điểm và trung tâm áp lực Trung tâm áp lực là chỉ điểm tác dụng hợp lực, nó là hợp lực của các lực khí động tác dụng lên cánh tại điểm giao của hợp lực với dây cung, lực tác dụng tại trung tâm áp lực chỉ gồm có lực nâng và lực cản, điểm này cách mũi cánh là xp. Tiêu điểm là điểm trên đường dây cung mà tại đó các giá trị mômen lực khí động không phụ thuộc sự thay đổi góc tới. Người ta còn gọi là trung tâm khí động lực học. Nó cách mũi cánh một đoạn là xf, do vậy hệ số mômen biểu thị bằng phương trình. (6-13) Trong phương trình này điểm tham khảo lấy mômen là mũi cánh. Hình 6-7. Biểu diễn lực tác dụng tại trung tâm áp lực Hình 6-8. Biểu diễn mômen tác dụng tại trung tâm khí động lực học g. Lực nâng, lực cản và mômen trong trường hợp góc tới lớn Ở phàn trước đã trình bày đặc tính khí động của cánh trong trường hợp góc tới nhỏ. Còn trong trường hợp góc tới lớn thì các góc này thay đổi phức tạp, nhưng do tình trạng làm việc của cánh động cơ gió trong phạm vi rất rộng, nên không những tính đến trường hợp góc tới nhỏ mà phải xét đến trường hợp góc tới lớn. Như vậy các công thức trình bày phần trên là chưa đủ, do lý thuyết đặc tính khí động trong trường hợp góc tới lớn rất phức tạp rất khó giải quyết bằng phương pháp lý thuyết mà phần lớn bổ sung thêm kết quả thực nghiệm, ra các công thức gần đúng bậc 1, bậc 2. Hình (6-9) là các đường cong của các hệ số lực nâng, lực cản và mômen của cánh NASA0012 (theo 4), đặc tính khí động thường gặp khi góc tới nhỏ cho đến khi góc tới lớn hơn góc tới mất tốc khoảng 100. Hình 6-9. Đồ thị biểu diễn hệ số lực nâng, lực cản, mômen tác dụng lên cánh trong trường hợp góc tới lớn. h. Ảnh hưởng của hệ số Ray-non và độ thô nhám bề mặt Hệ số Ray-non RC = (tức là nó phụ thuộc vào vận tốc dòng khí V, độ nhớt động lực và độ dài dây cung C), hệ số có ảnh hưởng rất lớn đến đặc tính của cánh. - Khi hệ số Ray-non tăng thì độ nghiêng đường cong lực nâng tăng, và giá trị lớn nhất hệ số Ray-non tăng, góc tới mất tốc cũng tăng. - Khi hệ số Ray-non tăng thì hệ số lực nâng, lực cản tăng. Vật liệu làm bề mặt cánh, phương pháp gia công và môi trường ảnh hưởng đến độ thô nhám bề mặt cánh làm cho bề mặt cánh có chỗ lồi lõm. Biểu thị nó bằng độ thô nhám bề mặt (kí hiệu K0), bảng (6-1) đưa ra các số liệu độ thô nhám K0 sau khi gia công các bề mặt. Bảng 6-1. Các số liệu độ thô nhám K0 Điều kiện bề mặt Độ thô nhám mm Điều kiện bề mặt Độ thô nhám mm Gia công cơ Ñ9 1,6 mm Gia công cơ Ñ4 40 mm Gia công cơ Ñ8 3,2 mm Phun nhôm lên bề mặt 6 - 10 mm Gia công cơ Ñ7 6,3 mm Sơn bề mặt 20 mm Gia công cơ Ñ6 10 mm Phun sơn lên bề mặt nhôm cứng 20 - 30 mm Gia công cơ Ñ5 20 mm Sơn quét bề mặt 40 mm 6.1.2. Lý thuyết động lượng hướng trục Lý thuyết động lượng hướng trục cho ta quan hệ vận tốc dòng lưu thể với lực tác động lên bánh xe gió, và tìm được hiệu suất lý tưởng của bánh xe gió. Hình 6-10. Biểu thị định luật bảo toàn khối lượng của dòng khí trước và sau cánh Trong đó: V∞, A∞, P∞ là vận tốc, diện tích quét và áp suất dòng khí trước cánh. Vd, Ad, Pd là vận tốc, diện tích quét và áp suất dòng khí tại cánh. Vw, Aw, P∞ là vận tốc, diện tích quét và áp suất dòng khí sau cánh. Dựa vào hình (6-10) chúng ta sẽ phân tích vấn đề này như sau: Các điều kiện giả định của lý thuyết động lượng hướng trục. - Môi chất (lỏng hoặc khí) không bị nén. - Không có trở lực ma sát. - Số cánh của bánh xe gió vô hạn. - Trường dòng chảy là đều nhau. - Lực đẩy tác dụng lên bánh xe gió là đều nhau. - Không có chảy rối. - Áp suất tĩnh của không khí trước và sau cánh là bằng nhau. Theo hình (6-10) biểu thị định luật bảo toàn khối lượng của dòng chất lỏng theo phương trình sau: r.A∞.V∞ = r.Ad.Vd = r.Aw.Vw. (6-14) Ta có quan hệ giữa Vd và V∞ theo hệ số xuyên qua a như sau: Vd = V∞.(1- a ). (6-15) Sự thay đổi tương đối dòng khí đi đến và đi ra khỏi cánh sẽ quyết định lực đẩy lên bánh xe gió là T theo: T = r.A∞. - r.Aw.. (6-16) Ta thay phương trình (6-14) vào (6-16) ta được: T = r.Ad.Vd.(V∞ - Vw). (6-17) Đồng thời có thể biểu thị lực T theo hiệu áp suất trước và sau cánh: T = (P+ - P–).Ad. (6-18) Kết hợp hai phương trình (6-18), (6-17) và (6-15) ta có: (P+ - P–) = r.V∞.(1 – a).(V∞ - Vw). (6-19) Theo phương trình Becnuli ta có: .r.V2 + P + r.g.h = constant. (6-20) Áp dụng (6-20) cho dòng chảy phía trước cánh ta có: .. + P∞ + r∞.g.h∞ = .. + + rd.g.hd. (6-21) Ở đây ta coi = và h∞ = hd ta được: .r. + P∞ = .r. + . (6-21a) Tương tự đối với dòng chảy phía sau cánh: .r. + P∞ = .r. + . (6-21b) Lấy (6-21a) – (6-21b) ta được: ( - ) = .r.( - ). (6-22) Từ (6-22) và (6-19) ta có: r.V∞.(1 – a).(V∞ - Vw) = .r.( - ). (6-23) Và: Vw = V∞.(1 – 2.a). (6-24) Công suất thu được của bánh xe gió: P = .r.Ad.Vd.( - ). (6-25) Thay các giá trị của Vd, Vw vào (6-25) ta được: P = 4.a.(1 - a)2. .r.Ad. . (6-26) Đặt CP = 4.a.(1 - a)2 là hệ số công suất của bánh xe gió. Công suất đạt cực đại khi Û 4.(1 - a).(1 - 3.a) = 0 Û a = . Vậy công suất đạt cực đại khi CP = 4. .(1 - )2 = = 0,593. Hình 6-11. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc CP theo a Ở mục 2.2 chúng ta đã trình bày hệ số công suất động cơ gió của Betz là , hệ số này là hệ số biểu thị ở trạng thái lý tưởng, lúc đó động cơ gió đạt hệ số công suất cao nhất. Trên thực tế thì hệ số này thường nhỏ hơn nhiều và phụ thuộc vào hệ số xuyên qua a có thể tham khảo qua đồ thị hình (6-11). Chúng ta biết rằng khi cánh quạt của bánh xe gió quay sẽ có một mômen quay tác động ngược lại làm cho dòng không khí chuyển động ngược lại hướng quay. Như vậy, khi quay bánh xe gió chịu một tổn thất năng lượng ngoài, mômen quay quay càng lớn tổn thất càng cao. Đối với bánh xe gió tốc độ thấp có mômen quay lớn, tỉ tốc nhỏ thì tổn thất dòng chảy xoáy càng nhiều, nhiều hơn bánh xe gió có tỉ tốc lớn mômen quay nhỏ. Để tổng hợp sự biến đổi các thông số dọc theo cánh chúng ta sẽ đưa ra mô hình phân tích, một ống dòng có bán kính r và chiều dày dr diện tích mặt cắt của nó là r.2.p.dr. Nếu chúng ta di chuyển cùng với sự di chuyển cánh ta áp dụng phương trình Becnuli để tìm ra sự chênh áp suất trên toàn cánh. Lúc này tốc độ tương đối tăng lên một lượng (W + w), khi thành phần tốc độ theo chiều trục được giữ không đổi thì chúng ta có: P+ - P- = .r.(W + w)2.r2 - .r.W.r2. (6-27) Hình 6-12. Ống dòng dùng phân tích sự chênh áp suất Kết quả lực đẩy của gió có tác dụng lên phân tử của cánh là đồ thị theo công thức: dT = r.(W - .w).w.r2.2.p.r.dr. (6-28) Đưa thêm vào công thức hệ số a’ là hệ số xuyên qua theo chiều tiếp tuyến: a’ = .. (6-29) Thì công thức lực đẩy biểu thị sửa đổi theo công thức: dT = 4.a’.(1 + a’).r.W2.r2.2.p.r.dr (6-30) Bây giờ ta đưa thêm vào công thức (6-30) hệ số xuyên qua a thì xét diện tích (A ® 2.p.r.dr, V∞ ® V) thì: dT = 4.a.(1 – a). .r.V2.2.p.r.dr (6-31) Từ (6-30) và (6-31) ta có: . (6-32) Sau này dùng các công thức quan hệ này, ngoài việc biểu thị quan hệ lực tác dụng lên bánh xe gió mà còn tìm ra quan hệ của mômen quay tác dung lên bánh xe gió. Điều này có thể sử dụng phương trình bảo toàn động lượng quay, tức là mômen tác dụng lên bánh xe gió sẽ bằng với động lượng của dòng chảy rối có công thức: dQ = r.Vd.2.p.r.dr.w.r2 (6-33) Trong đó: r.Vd. 2.p.r.dr là lưu lượng khối. Áp dụng các hệ số a và a’ vào công thức (6-33) với chú ý V∞ ® V, thì trên mỗi đơn vị phân tố hình vành khăn của cánh chịu một mômen được tính theo công thức: dQ = 4.a’.(1 + a’).r.W.r2.2.p.r.dr (6-34) Phân tố này sinh ra một công suất dP = W.dQ và công suất tác dụng lên toàn bộ bánh xe gió theo công thức: P = . (6-35) Ta đưa vào thong số tỉ tốc cục bộ . (6-36) Vậy công thức tính công suất bánh xe gió là: P = .A.V3. (6-37) Lúc này hệ số CP là: CP = . (6-38) Theo công thức (6-32) biểu thị a’ theo a ta có thể tìm được: a’ = - + .. (6-39) Thay giá trị của a’ vào công thức (6-38) lấy đạo hàm bằng không và biến đổi toán học ta có: . (6-40) Lúc này ta có quan hệ a’ và a theo công thức: . (6-41) Bảng 6-2. Quan hệ giữa tỉ tốc cục bộ lr với các hệ số xuyên qua a và a’ a a’ lr 0,25 - 0 0,26 5,5 0,073 0,27 2,375 0,157 0,28 1,333 0,255 0,29 0,812 0,374 0,30 0,500 0,529 0,31 0,192 0,754 0,32 0,143 1,154 0,33 0,031 2,619 0,333 0,003 8,574 0,3333 0,0003 27,206 1/3 0 ∞ 6.1.3. Những tham số hình học của cánh * Dây cung: đường thẳng nối từ điểm O mũi cánh cho đến điểm B mút cánh gọi là dây cung của cánh, kí hiệu là C (độ dài cơ bản của cánh) và gọi là dây cung hình học. Ngoài dây cung hình học còn có dây cung khí động. Khi hướng lưu động dòng khí trùng phương dây cung khí động thì lực nâng tác dụng lên cánh bằng không. Với loại cánh đối xứng thì dây cung hình học và dây cung khí động trùng nhau. Dây cung khí động còn có tên là đường lực nâng bằng không. Hình 6-13. Các loại dây cung của cánh * Độ dày và phân bố độ dày Khi thiết kế cánh người ta thường dùng hệ tọa độ vuông góc. Như trên hình (6-14) trục Ox trùng dây cung cánh còn trục Oy vuông góc trục xa mũi cánh. Đường cong phía mép trên của cánh người ta gọi là mặt trên của cánh biểu thị bằng yu(x). Đường cong phía dưới của cánh gọi là mặt dưới của cánh biểu thị là yL(x). Độ dày của cánh tương ứng tọa độ x là nối điểm ở mặt dưới và một điểm ở mặt trên gọi là (t). Xem hình (6-14) ta thấy độ dày cánh thay đổi phụ thuộc tọa độ x, và sự thay đổi gọi là phân bố độ dày cánh. Biểu thị bằng thông số của t(x): t(x) = yu(x) – yL(x) Khi x = xc thì t = tmax, gọi là chiều dày lớn nhất. gọi là chiều dày tương đối, xc là tọa độ x mà cánh có độ dày lớn nhất. Thông thường được biểu thị bằng đại lượng không thứ nguyên và người ta dùng biểu thị độ dày tương đối lớn nhất. Hình 6-14. Phân bố độ dày * Đường dây cung trung bình của cánh Đường nối tâm các vòng tròn nội tiếp cánh được gọi là đường dây cung trung bình của cánh. * Độ cong và phân bố độ cong Chiều cao của đoạn nối một điểm trên đường cong trung bình với dây cung là độ cong của cánh, sự thay đổi của độ cong theo chiều dài dây cung gọi là phân bố độ cong. Hình (6-15) người ta biểu thị sự phân bố độ cong bởi yf(x). Khi x = xf thì yf (x1) = yf (max) gọi là độ cong lớn nhất, gọi là độ cong tương đối tối đa, xf là vị trí có độ cong tối đa và có đại lượng không thứ nguyên . Hình 6-15. Phân bố độ cong 6.2. Tính toán thiết kế bánh xe gió 6.2.1. Xác định đường kính bánh xe gió Theo công thức (2-4) ta có: = (w). Suy ra: (m). (6-42) Trong đó: P = 300 W. CP = 0,593. r = 1,2 kg/m3. V = 6,5 (m/s). htd = hmf = 0,97. Thay vào (6-42) ta có: = (m). Chọn D = 2 m. 6.2.2. Xác định đường kính bầu Đường kính bầu của bánh xe gió về cấu tạo có thể xác định theo đường kính trục và phụ thuộc vào hệ số lắp ghép. Có thể chọn: Db = 0,1. D (m). (6-43) Trong đó: D : đường kính bánh xe gió (m). Db = 0,1 .2 = 0,2 (m). Chiều dài bích gắn cánh lb = 0,3 (m). Trong trường hợp này cánh không gắn trực tiếp và bầu mà gắn thông qua một tấm bích (để giảm đường kính bầu). 6.2.3. Xác định vận tốc vòng Vận tốc vòng u được xác định theo [5] ta có : u = (m/s). (6-44) u = (m/s). 6.2.4. Xác định vận tốc vòng tuyệt đối cu Theo [5] ta có: K1 = = const. K1 - hệ số hút. Vậy: Cu = 0,35.6,28 = 2,12 (m/s). 6.2.5. Xác định vận tốc hướng trục cm Theo [5] vận tốc hướng trục cm có thể lấy như sau: cm = (0,25 ÷ 0,40).u. Chọn cm = 0,3.u cm = 0,3.6,28 = 1,89 (m/s). 6.2.6. Xác định hướng của vận tốc ở vô cực b¥ Dựng tam giác vận tốc tại cửa vào và cửa ra. Do thành phần hướng trục vận tốc tuyệt đối bằng nhau tại các mặt dòng cm = const có phương theo trục của quạt nên gọi là vận tốc hướng trục. Cm1 = cm2 = cm Tam giác vận tốc được vẽ ở hình 6-16. Hình 6-16. Tam giác vận tốc Trong đó: c : vận tốc tuyệt đối. cu : thành phần vòng của vận tốc tuyệt đối. ca : vận tốc hướng trục. w : vận tốc tương đối. u : vận tốc vòng Từ hình vẽ ta thấy: tgb¥ = = . Vậy: b¥ = 190. 6.2.7. Xác định góc vào b1, góc ra b2 Theo hình (6-16) ta có: tgb1 = = . Vậy: b1 = 16,70. Tương tự: tgb2 = = . Vậy: b2 = 24,270. 6.2.8. Xác định vận tốc tương đối Theo hình (6-16) ta có: w¥ = = (m/s). w1 = = (m/s). w2 = = (m/s). 6.2.9. Xác định tỉ tốc của cánh Là tỉ số giữa vận tốc vòng của máy phát điện trên vận tốc gió, kí hiệu là l0. Tỉ số rất quan trọng trong thiết kế động cơ gió, khi thiết kế phải tính hoặc chọn tỉ tốc. Tỉ tốc có quan hệ mật thiết với hệ số bánh xe gió, chỉ cần thiết kế cơ cấu tránh vượt tốc ta sẽ có được tỉ tốc cao khi vận hành động cơ gió và thu được hệ số công suất lớn. Lựa chọn tỉ tốc cần căn cứ vào loại động cơ gió (xem bảng 6-3), kích thước của cánh và hệ thống truyền động từ động cơ đến máy phát điện để lựa chọn tỉ tốc khác nhau. Bảng 6-3. Chọn tỉ tốc theo loại hình động cơ gió Động cơ gió Tỉ tốc Loại cánh Tỉ số L/D Động cơ gió kéo bơm nước 1 1 1 Tấm phẳng Tấm cong Cánh buồm 10 20 ÷ 40 10 ÷ 25 Động cơ gió phát điện cở nhỏ (<200W) 2 ÷ 4 4 ÷ 6 3 ÷5 Cánh đối xứng Cánh uốn cong Cánh buồm 10 ÷ 50 20 ÷ 100 20 ÷ 30 Động cơ gió phát điện vừa và lớn 5 ÷ 15 Cánh xoắn 20 ÷ 100 Hoặc có thể xác định tỉ tốc dựa vào vận tốc gió thiết kế và tốc độ vòng quay của trục máy phát điện theo công thức sau: l0 = . (6-45) Trong đó: R - bán kính đỉnh cánh (m). W - tốc độ vòng quay máy phát điện. V - vận tốc gió định mức. Dựa vào số vòng quay định mức máy phát điện n = 530 vòng/phút ứng với tốc độ gió định mức v = 6,5 m/s ta có: l0 = . 6.2.10. Xác định số lượng cánh Số lượng cánh thường được xác định dựa vào tỉ tốc l0 xem bảng (6-4). Loại động cơ gió với tỉ tốc nhỏ thường có nhiều cánh để có hệ số lợi dụng công suất lớn tức là có mômen quay lớn và dễ khởi động ở vận tốc gió thấp cho nên thích hợp dùng để kéo máy bơm nước, còn động cơ tỉ tốc cao, ít cánh thì khi khởi động cần có vận tốc gió cao hơn nên thường dùng để phát điện. Căn cứ vào bảng (6-4) ta chọn số cánh cho động cơ gió thiết kế là 3 cánh. Bảng 6-4. Quan hệ giữa tỉ tốc và số lượng cánh Tỉ tốc Số lượng cánh Loại động cơ 1 2 5 – 8 4 – 12 Động cơ gió kéo bơm nước 3 4 3 – 8 3 – 5 Động cơ gió kéo máy phát điện tốc độ thấp 5 – 8 8 – 15 2 – 4 1 – 2 Động cơ gió kéo máy phát điện tốc độ trung bình và cao 6.2.11. Xác định bước lưới Bước lưới t được xác định theo công thức sau: (m). (6-46) Trong đó: t - bước lưới. D - đường kính bánh xe gió. Z - số lượng cánh. Vậy: t = (m). 6.2.12. Xác định chiều dài cánh Chiều dài cánh được xác định dựa vào đường kính bánh xe gió và đường kính bầu gắn cánh. (m) = 750 (mm). 6.2.13. Hình dạng frôfin cánh Người ta dùng dạng prôfin cánh quạt tương tự cánh máy bay. Các điểm thuộc biên dạng xác định theo toạ độ (Hình vẽ 6-17) theo [6]. Hình 6-17. Dạng prôfin cánh Tại Xi chiều dài, ta có: y1i, y2i,...Nối các điểm tại X1, X2, X3,...,Xn = L ta nhận được dạng prôfin cần có. Hình dạng frôfin cánh có bốn dạng: frôfin lồi, frôfin lõm, frôfin đối xứng và frôfin dạng rỗng. Ta nhận thấy việc chọn profin cánh là một vấn đề quan trọng nhằm mục đích đảm bảo các nhiệm vụ và yêu cầu nâng cao hiệu suất của động cơ khi có cùng độ mở a0 như nhau, các tiết diện cánh khác nhau sẽ có góc tới a0 khác nhau. Do vậy khả năng hướng dòng không khí của chúng cũng khác nhau. Góc tới a0 lớn nhất sẽ có khả năng hướng dòng tốt nhất. Ứng với trường hợp góc a0 lớn nhất là cánh lồi so với trục động cơ gọi là độ cong dương, còn góc a0 bé nhất ứng với trường hợp cánh lõm gọi là cánh có độ cong âm. Dòng khí đi qua bánh xe gió bao giờ cũng tồn tại một lượng xoáy dù nhiều hay ít, làm giảm hiệu suất của động cơ. Để giảm tổn thất này, ta sẽ thiết kế profin cánh sao cho có khả năng thoát khí là lớn nhất, do vậy ta chọn loại cánh hướng dòng cho tuốc bin thiết kế là loại cánh có prôfin lồi. Chúng ta chọn biên dạng cánh mẫu (prôfin 622) theo [7] để thiết kế biên dạng cho cánh cần thiết kế. Bảng 6-5. Tọa độ xác định biên dạng cánh mẫu (prôfin 622) X 0 3 6 12 18 24 36 48 72 Y1 5,76 9 10,8 13,08 14,76 15,52 17,52 18,48 19,2 Y2 5,76 3,48 2,52 1,44 0,84 0,6 0,36 0,12 0 X 96 120 144 168 192 216 228 240 250 Y1 18,72 17,04 14,76 12 8,52 4,68 2,76 0,48 0 Y2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Chiều dài cánh mẫu là 250 mm mà chiều dài của cánh cần thiết kế là 750 mm nên ta lấy đồng dạng cánh mẫu lên để được cánh thiết kế với hệ số đồng dạng là Bảng 6-6. Tọa độ xác định biên dạng cánh thiết kế X 0 9 18 36 54 72 108 144 216 Y1 17,28 27 32,4 39,24 44,28 46,56 52,56 55,44 57,6 Y2 17,28 10,44 7,56 39,24 2,52 1,8 1,08 0,36 0 X 288 360 432 504 576 648 684 720 750 Y1 56,16 51,12 44,28 36 25,56 14,04 8,28 1,44 0 Y2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 6.3. Công suất động cơ gió Xây dựng quan hệ công suất động cơ gió phụ thuộc vào tốc độ gió. Theo công thức (2-4) ta có: = (W) ( v ≤ 6,5 m/s). Vận tốc gió khởi động:V = 2,5 m/s. Vận tốc gió định mức: V = 6,5 m/s. Vận tốc gió an toàn: V = 12 m/s. Khi vận tốc gió đạt 6,5 m/s thì động cơ gió đạt công suất định mức, lúc này dù vận tốc gió vẫn tăng lên nhưng do cơ cấu điều tốc hoạt động nên công suất động cơ gió không tăng lên nữa. Khi vận tốc gió đạt 12 m/s là giới hạn an toàn mà cơ cấu điều tốc có thể đảm bảo an toàn cho động cơ gió, vượt quá vận tốc này thì cần phải phanh động cơ gió lại để đảm bảo an toàn. Hình (6-18) biểu thị quan hệ công suất động cơ gió phụ thuộc vào tốc độ gió. Bảng 6-7. Công suất động cơ gió theo vận tốc gió Vận tốc gió (m/s) Công suất động cơ gió (W) 0 0 2,5 17,07 3,0 29,49 3,5 46,84 4,0 69,91 4,5 99,54 5,0 136,55 5,5 181,75 6,0 235,96 6,5 300 6,5 < V ≤ 12 300 12 < V 0 Hình 6-18. Quan hệ giữa công suất và vận tốc gió 7. Tính toán, thiết kế hộp truyền tốc độ 7.1. Phân phối tỷ số truyền 7.1.1. Tỷ số truyền Hộp truyền tốc độ có nhiệm vụ làm tăng số vòng quay của trục roto để đạt được số vòng quay cần thiết làm quay máy phát điện. Ở đây chúng ta thiết kế hộp truyền bánh răng trụ răng nghiêng hai cấp đồng trục. Bộ truyền bánh răng có ưu điểm nổi bật là: kích thước nhỏ, khả năng chịu tải lớn, tỷ số truyền không thay đổi, hiệu suất cao (có thể đạt 0,97 - 0,98), tuổi thọ cao, làm việc tin cậy. Số vòng quay định mức của máy phát điện là 530 vòng/phút ứng với tốc độ gió 6,5 m/s. Ở tốc độ gió này bánh xe gió quay với tốc độ 60 vòng/phút, vậy ta có thể tính được tỷ số truyền it của hộp truyền tốc độ là: it = . Ta có: it = in.ic Trong đó: in – tỷ số truyền cấp nhanh. Ic – tỷ số truyền cấp chậm. Tỷ số truyền là đặc trưng, là chỉ tiêu kỹ thuật có ảnh hưởng đến kích thước, chất lượng của bộ truyền cơ khí. Việc phân phối it cho các bộ truyền trong hộp truyền tốc độ (quan hệ giữa in và ic ) theo nguyên tắc: - Kích thước và trọng lượng của hộp giảm tốc là nhỏ nhất. - Điều kiện bôi trơn tốt nhất. Trong bộ truyền này ta chọn in = ic = 2,96. 7.1.2. Số vòng quay của các trục Số vòng quay trên trục roto (trục tốc độ thấp): nI = 60 (vòng/phút). Số vòng quay trên trục trung gian. nII = nI.in = 60.2,96 = 178 (vòng/phút). Số vòng quay trên trục máy phát (trục tốc độ cao): nIII = nII.ic = 178.2,96 = 530 (vòng/phút). 7.1.3. Công suất trên các trục Ta chọn: là hiệu suất bộ truyền bánh răng trụ. là hiệu suất một cặp ổ lăn. hmf = 0,97 là hiệu suất máy phát điện. NIII = (N). NII = (N). NI = (N). 7.1.4. Mô men xoắn trên các trục (Nmm). (Nmm). (Nmm). 7.2. Thiết kế bộ truyền bánh răng 7.2.1. Thiết kế bộ truyền cấp nhanh a. Chọn vật liệu làm bánh răng. Bánh răng nhỏ: chọn thép 45 tôi cải thiện có: sb= 800 N/mm2 ; sch= 450 N/mm2 ; HB = 210. Phôi rèn, giả thiết đường kính phôi (60¸90) mm. Bánh răng lớn: chọn thép 35 thường hóa có: sb=500 N/mm2 ; sch= 260 N/mm2 ; HB = 170. Phôi rèn, giả thiết đường kính phôi (100¸300) mm. b. Định ứng suất tiếp xúc và ứng suất uốn cho phép * Ứng xuất tiếp xúc cho phép Số chu kỳ tương đương của bánh nhỏ: Ntđ2 = 60 u S(Mi/Mmax)3ni.Ti. (7-1) Mi,ni,Ti là moment xoắn, số vòng quay trong 1 phút và tổng số giờ bánh răng làm việc ở chế độ i. Mmax là moment xoắn lớn nhất tác dụng lên bánh răng. u là số lần ăn khớp của một răng khi bánh răng quay 1 vòng. Ntđ1 = 60.1,5.320.20.60.[13.0,5 + (0,6)3.0,5]= 2,1.107 > No. Như vậy số chu kỳ làm việc tương đương của bánh nhỏ: Ntđ2= Ntđ1.in > No. Do đó hệ số chu kỳ ứng suất k’N của cả hai bánh răng đều bằng 1. Theo [8] [s]Notx= 2,6.HB [s]tx = [s]Notx. k’N. (7-2) Ứng xuất tiếp xúc cho phép của bánh lớn: [s]tx1 = 2,6.170 = 442 N/mm2. Ứng xuất tiếp xúc cho phép của bánh nhỏ: [s]tx2 = 2,6.210 = 546 N/mm2. Để tính sức bền ta dùng trị số nhỏ : [s]tx1 = 442 N/mm2. * Ứng suất uốn cho phép Số chu kỳ tương đương của bánh nhỏ: Ntđ2 = 60.1,5.320.20.60.[16.0,5 + (0,6)6.0,5]= 18.106. Þ Ntđ1 = 2,96.18.106 = 53,28.106. Cả Ntđ1 và Ntđ2 > No do đó k’’N = 1. [s]u= do răng chịu ứng suất thay đổi mạch động. Giới hạn mỏi uốn của thép 45: s-1= 0,43.800 = 344 N/mm2. Giới hạn mỏi uốn của thép 35: s-1= 0,43.500 = 215 N/mm2. Hệ số an toàn: n = 1,5. Hệ số tập trung ứng suất ở chân răng: ks = 1,8. Bánh nhỏ: [s]u1= = 191,1 N/mm2. Bánh lớn: [s]u2= = 119,4 N/mm2. c. Sơ bộ chọn hệ số tải trọng k Có thể chọn sơ bộ k = 1,3. d. Chọn hệ số chiều rộng bánh răng yA= b/A = 0,4. e. Xác định khoảng cách trục (mm). (7-3) q’ - hệ số phản ánh sự tăng khả năng tải tính theo sức bền tiếp xúc của bánh răng nghiêng so với bánh răng thẳng. Chọn q’= 1,25. (mm). Lấy A = 70 mm. f. Tính vận tốc vòng v của bánh răng và chọn cấp chính xác chế tạo bánh răng Vận tốc vòng của bánh răng trụ: (m/s). Với vận tốc này theo [8] ta chọn cấp chính xác 9. g. Định chính xác hệ số tải trọng k Hệ số tải trọng k được tính theo công thức : k = ktt.kđ. ktt- hệ số tập trung tải trọng. kđ- hệ số tải trọng động. Chiều rộng bánh răng: b = yA.A = 0,4.70 = 28(mm). Đường kính vòng lăn bánh răng nhỏ: (mm). Do đó: yd= b/d1 = 0,79. Tra theo [8] ta tìm được kttbảng = 1,13. Hệ số tập trung tải trọng thực tế: ktt= (1,13+ 1)/2 = 1,065. Giả sử: theo [7] ta tìm được kđ = 1,2. Hệ số tải trọng k = ktt.kđ = 1,278. Ta thấy, k ít khác với trị số chọn sơ bộ nên không cần tính lại khoảng cách trục A. Như vậy lấy chính xác A = 70 mm. h. Xác định modun, số răng và góc nghiêng của răng Modun pháp: mn = 2. Sơ bộ chọn góc nghiêng b = 10o Tổng số răng của hai bánh: . Lấy Zt = 69. Số răng bánh nhỏ: lấy Z1 = 17. Số răng bánh lớn: Z1= Zt – Z2 = 52. Tính chính xác góc nghiêng b: cosb = . Vậy b = 100. i. Kiểm nghiệm sức bền uốn của răng Tính số răng tương đương: Ztđ = Z/cos3b. Bánh nhỏ: Ztđ2 = 17/(0,9857)3 = 16,75. Bánh lớn: Ztđ1 = 52/(0,9857)3 = 54,2. Hệ số dạng răng theo [8]: y1 = 0,338 y2 = 0,458 Lấy q’’=1,5. Đối với bánh răng lớn: < [s]u1=191,1 N/mm2. Đối với bánh răng nhỏ: su2 = su1.y1/y2 = 105,6 < [s]u2 = 119,4 N/mm2. k. Các thông số hình học chủ yếu của bộ truyền Môdun pháp: mn= 2 mm. Số răng: Z1 = 52 ; Z2 = 17. Góc ăn khớp: an = 20o Góc nghiêng: b = 10o Đường kính vòng chia: d1= 2.17/cosb = 34,5 mm ; d2= 2.52/cosb = 105,5mm. Khoảng cách trục: A = 70 mm. Bề rộng bánh răng: b1 = 28 mm, b2 = 32 mm. Đường kính vòng đỉnh: de1 = 34,5 + 2.2 = 39,5 mm. de2 = 105,5 + 2.2 = 109,5 mm. Đường kính vòng chân: di1 = 34,5 - 2,5.2 = 29,5 mm. di2 = 105,5- 2,5.2 = 100,5 mm. l. Tính lực tác dụng lên bánh răng Lực tác dụng lên bánh răng được chia làm 3 thành phần: lực vòng P, lực hướng tâm và lực dọc trục Pa. Lực vòng: (N). Lực hướng tâm: (N). Lực dọc trục: Pa1 = P.tgb = 3081,8.tgb = 543 (N). Hình 7-1. Sơ đồ lực tác dụng lên bánh răng 7.2.2. Thiết kế bộ truyền cấp chậm a. Chọn vật liệu làm bánh răng. Bánh răng nhỏ: chọn thép 45 tôi cải thiện có: sb= 800 N/mm2 ; sch= 450 N/mm2 ; HB = 210. Phôi rèn, giả thiết đường kính phôi (60¸90) mm. Bánh răng lớn: chọn thép 35 thường hóa có: sb=500 N/mm2 ; sch= 260 N/mm2 ; HB = 170. Phôi rèn, giả thiết đường kính phôi (100¸300) mm. b. Định ứng suất tiếp xúc và ứng suất uốn cho phép * Ứng xuất tiếp xúc cho phép Số chu kỳ tương đương của bánh lớn: Ntđ4 = 60 u S(Mi/Mmax)3ni.Ti Mi,ni,Ti là moment xoắn, số vòng quay trong 1 phút và tổng số giờ bánh răng làm việc ở chế độ i. Mmax là moment xoắn lớn nhất tác dụng lên bánh răng. u là số lần ăn khớp của một răng khi bánh răng quay 1 vòng. Ntđ3 = 60.1,5.320.20.178.[13.0,5 + (0,6)3.0,5]= 6,2107 > No. Như vậy số chu kỳ làm việc tương đương của bánh nhỏ: Ntđ4= Ntd3.in > No. Do đó hệ số chu kỳ ứng suất k’N của cả hai bánh răng đều bằng 1. Theo [8] [s]Notx= 2,6.HB [s]tx = [s]Notx. k’N. Ứng xuất tiếp xúc cho phép của bánh lớn: [s]tx3 = 2,6.170 = 442 N/mm2. Ứng xuất tiếp xúc cho phép của bánh nhỏ: [s]tx4 = 2,6.210 = 546 N/mm2. Để tính sức bền ta dùng trị số nhỏ : [s]tx3 = 442 N/mm2. * Ứng suất uốn cho phép Số chu kỳ tương đương của bánh nhỏ: Ntđ4 = 60.1,5.320.20.178.[16.0,5 + (0,6)6.0,5]= 5,3.106. Þ Ntđ3 = 2,96.18.106 = 53,28.106. Cả Ntđ1 và Ntđ2 > No do đó k’’N = 1. [s]u= do răng chịu ứng suất thay đổi mạch động. Giới hạn mỏi uốn của thép 45: s-1= 0,43.800 = 344 N/mm2. Giới hạn mỏi uốn của thép 35: s-1= 0,43.500 = 215 N/mm2. Hệ số an toàn: n = 1,5. Hệ số tập trung ứng suất ở chân răng: ks = 1,8. Bánh nhỏ: [s]u1= = 191,1 N/mm2. Bánh lớn: [s]u2= = 119,4 N/mm2. c. Sơ bộ chọn hệ số tải trọng k Có thể chọn sơ bộ k = 1,3. d. Chọn hệ số chiều rộng bánh răng yA= b/A = 0,4. e. Xác định khoảng cách trục theo (7-3): (mm). q’ - hệ số phản ánh sự tăng khả năng tải tính theo sức bền tiếp xúc của bánh răng nghiêng so với bánh răng thẳng. Chọn q’= 1,25. (mm). Lấy A = 70 mm. f. Tính vận tốc vòng v của bánh răng và chọn cấp chính xác chế tạo bánh răng Vận tốc vòng của bánh răng trụ: (m/s). Với vận tốc này theo [8] ta chọn cấp chính xác 9. g. Định chính xác hệ số tải trọng k Hệ số tải trọng k được tính theo công thức : k = ktt.kđ. ktt- hệ số tập trung tải trọng. kđ- hệ số tải trọng động. Chiều rộng bánh răng: b = yA.A = 0,4.70 = 28(mm). Đường kính vòng lăn bánh răng nhỏ: (mm). Do đó: yd= b/d1 = 0,79. Tra theo [8] ta tìm được kttbảng = 1,13. Hệ số tập trung tải trọng thực tế: ktt= (1,13+ 1)/2 = 1,065. Giả sử: theo [7] ta tìm được kđ = 1,2. Hệ số tải trọng k = ktt.kđ = 1,278. Ta thấy, k ít khác với trị số chọn sơ bộ nên không cần tính lại khoảng cách trục A. Như vậy lấy chính xác A = 70 mm. h. Xác định modun, số răng và góc nghiêng của răng Modun pháp: mn = 2. Sơ bộ chọn góc nghiêng b = 10o. Tổng số răng của hai bánh: . Lấy Zt = 69. Số răng bánh nhỏ: lấy Z4 = 17. Số răng bánh lớn: Z3 = Zt – Z4 = 52. Tính chính xác góc nghiêng b: cosb = . Vậy b = 100. i. Kiểm nghiệm sức bền uốn của răng Tính số răng tương đương: Ztđ = Z/cos3b. Bánh nhỏ: Ztđ4 = 17/(0,9857)3 = 16,75. Bánh lớn: Ztđ3 = 52/(0,9857)3 = 54,2. Hệ số dạng răng theo [8]: y3 = 0,338 y4 = 0,458 Lấy q’’=1,5. Đối với bánh răng lớn: < [s]u1=191,1 N/mm2. Đối với bánh răng lớn: su2 = su1.y3/y4 = 34,3 < [s]u2 = 119,4 N/mm2. k. Các thông số hình học chủ yếu của bộ truyền Môdun pháp: mn= 2 mm Số răng: Z1 = 52 ; Z2 = 17. Góc ăn khớp: an = 20o. Góc nghiêng: b = 10o. Đường kính vòng chia: d1= 2.17/cosb = 34,5 mm ; d2= 2.52/cosb = 105,5mm. Khoảng cách trục: A = 70 mm. Bề rộng bánh răng: b3 = 28 mm, b4 = 32 mm. Đường kính vòng đỉnh: de1 = 34,5 + 2.2 = 39,5 mm. de2 = 105,5 + 2.2 = 109,5 mm. Đường kính vòng chân: di1 = 34,5 - 2,5.2 = 29,5 mm. di2 = 105,5- 2,5.2 = 100,5 mm. l. Tính lực tác dụng lên bánh răng Lực tác dụng lên bánh răng được chia làm 3 thành phần: lực vòng P, lực hướng tâm và lực dọc trục Pa. Lực vòng: (N). Lực hướng tâm: (N). Lực dọc trục: Pa3 = P3.tgb = 998,3.tgb = 363,4 (N). 7.3. Tính toán thiết kế trục 7.3.1. Tính đường kính sơ bộ của các trục (mm). (7-4) Trong đó C là hệ số tính toán phụ thuộc ứng suất xoắn cho phép đối với đầu trục vào và trục truyền chung. Lấy C = 120 Đối với trục I: NI = 0,334 Kw. nI = 60 vòng/phút. Þ (mm). Đối với trục II: NII = 0,321 Kw. nII = 178 vòng/phút. Þ (mm). Đối với trục III: NIII = 0,3 Kw. nIII = 530 vòng/phút. Þ (mm). 7.3.2. Chọn vật liệu chế tạo trục Vì trục chịu tải trọng khá lớn và moment xoắn cho nên chọn vật liệu là thép 45 tôi cải thiện có: sb = 800 N/mm2; sch = 450 N/mm2. Để chuẩn bị cho bước tính gần đúng các trục trong 3 trị số dI, dII, dII ta có thể lấy trị số dII = 15 mm để chọn loại ổ bi. Vì các cặp bánh răng đều là cặp bánh răng trụ răng nghiêng do đó ta chọn ổ đũa côn đỡ chặn để chống lại lực dọc trục. Theo [8] ta chọn chiều rộng B = 15mm. 7.3.3. Tính gần đúng trục Hình 7-2. Sơ đồ hộp truyền động * Tính gần đúng Để tính gần đúng ta xét tác dụng đồng thời của các mô men uốn lẫn mô men xoắn đến sức bền của trục. Trị số mô men xoắn đã biết, chỉ cần tính trị só mô men uốn. Để tính kích thước chiều dài của trục chọn các kích thước sau: + Khoảng cách từ mặt bên của chi tiết quay đến thành trong của hộp truyền tốc độ a = 5 (mm). + Khoảng cách giữa hai đầu trục I và III: C = 5 (mm). + Chiều dày nắp: l1 = 15 (mm). + Khoảng cách từ mặt bên của chi tiết quay đến thành trong của hộp truyền tốc độ l2 = 5 (mm). + Khoảng cách từ mặt bên của chi tiết quay ngoài hộp đến ổ:l3 = 5(mm). + Đường kính bu lông cạnh ổ để lắp nắp và thân hộp: d = 8 mm. - Tính các giá trị khác (mm). (mm). lII1 = lI1 = 34,5 (mm). (mm). lII2 = lI2 + lIII1 + C + B = 31,5 + 36,5 + 5 + 15 = 88 (mm). (mm). lII3 (mm). lIII2 = lII3 = 31,5 (mm). * Trục I Biểu đồ nội lực như hình (7-3). Hình 7-3. Biểu đồ nội lực trục I Thông số ban đầu: P1 = 3081,8 (N); lI1= 34,5 (mm). Pr1 = 1139 (N); lI2= 31,5 (mm). Pa1 = 543 (N). Tính phản lực ở các gối trục: RAy = Pr1 - RBy = 1139 – 878 = 261 (N). Tính momen uốn ở những tiết diện nguy hiểm: Ở tiết diện n-n: Mux = RAx.lI2 = 1610,9.34,5 = 55576,4 (Nmm). Muy = Pa1.lI1 - RAy.( lI1 + lI2) = -27426,9 (Nmm). Tính mô men uốn ở tiết diện chịu tải lớn n-n: (Nmm). Tính đường kính trục ở tiết diện chịu tải lớn n-n: Mô men tương đương (Nmm). Lấy [d] = 48 (N/mm2) theo [8]. (mm). Lấy dI = 30 (mm). Vì trục có rãnh then nên đường kính trục lấy lớn hơn so với tính toán. * Trục II Thông số ban đầu: P2 = 3081,8 (N); P3 = 998,3 (N); lII1= 34,5 (mm). Pr2 = 1139 (N); Pr3 = 367 (N); lII2= 88 (mm). Pa2 = 543 (N); Pa3 = 363,4 (N); lII3= 31,5 (mm). Biểu đồ nội lực như hình (7-4). Hình 7-4. Biểu đồ nội lực trục II Tính phản lực ở các gối trục: (N). RCy = Pr3 + Pr2 - RDy = 367 + 1139 – 758,3 = 747,7 (N). RCx = -P2 + P3 + RDx = -1139 + 998,3 + 2247,2 = 2106,3 (N). Tính mô men uốn ở tiết diện nguy hiểm. Ở tiết diện e-e: Mux = -RCx.lII1 + RCy.(lII2 + lII3) = 16675,9 (Nmm). Muy = -Pa2.lII1 + RDy.( lII2 + lII3) – RCy.lII1 = 22401 (Nmm). Ở tiết diện i-i: Mux = -RDx.lII3 + RCx.(lII2 + lII1) = 18723,5 (Nmm). Muy = Pa3.lII2 - RCy.( lII2 + lII1) + RDy.lII3 = 11131,3 (Nmm). Mô men uốn tổng cộng: Ở tiết diện e-e: (Nmm). Ở tiết diện i-i: (Nmm). Tính đường kính trục ở các tiết diện nguy hiểm tính theo công thức: (mm). Lấy [d] = 48 (N/mm2) theo [8]. Mô men tương đương Mtđ: . Ở tiết diện e-e: (Nmm). (mm). Ở tiết diện i-i: (Nmm). (mm). Lấy dII = 25 (mm). Vì trục có rãnh then để cố định bánh răng theo phương tiếp tuyến nên đường kính trục lấy lớn hơn so với tính toán. * Trục III Biểu đồ nội lực như hình (7-5). Hình 7-5. Biểu đồ nội lực trục III Thông số ban đầu: P4 = 998,3 (N); lIII1= 34,5 (mm). Pr4 = 367 (N); lIII2= 31,5 (mm). Pa4 = 363,4 (N). Tính phản ở các gối trục REy = Pr4 – RFy = 998,3 – 711,8 = 286,5 (N). Tính momen uốn ở những tiết diện nguy hiểm: Ở tiết diện m-m: Mux = RFx.lIII2 = 191,8.31,5 = 6042,9 (Nmm). Muy = Pa4.lIII1 + RFy.( lIII1 + lIII2) = 20544,3 (Nmm). Tính mô men uốn ở tiết diện chịu tải lớn m-m: (Nmm). Tính đường kính trục ở tiết diện chịu tải lớn m-m: Mô men tương đương (Nmm). Lấy [d] = 48 (N/mm2) theo [8]. (mm). Lấy dI = 20 (mm). Vì trục có rãnh then nên đường kính trục lấy lớn hơn so với tính toán. Dung sai và lắp ghép trục được chọn theo tài liệu [9]. 7.4. Tính chọn then Để cố định bánh răng theo phương tiếp tuyến hoặc truyền mô men xoắn từ bánh răng đến trục hoặc ngược lại ta cần dùng then. Tra theo [8] ta được: l = 23 mm - chiều dài then. b = 6 mm - chiều rộng then. h = 8 mm - chiều cao then. Hình 7-6. Sơ đồ tính then 7.5. Tính chọn ổ Cả ba trục đều có lực dọc trục nên ta chọn ổ đũa côn đỡ chặn làm gối đỡ trục. Ta chọn ổ theo tiêu chuẩn ở tài liệu [8]. Hình 7-7. Sơ đồ tính ổ đũa côn đỡ chặn Bảng 7-1. Kích thước ổ đỡ theo tiêu chuẩn (cỡ nhẹ) Trục Kí hiệu quy ước d D Tlớn nhất B c r r1 d2 D1 b I 7204 20 47 15,5 14 12 1,5 0,5 32,5 37 13030’ II 7205 25 52 16,5 15 13 1,5 0,5 38 41,5 13030’ III 7206 30 62 17,5 16 14 1,5 0,5 45,6 50,6 13040’ 8. Sử dụng và bảo dưỡng động cơ gió 8.1. Những điều cần chú ý khi sủ dụng Thường xuyên quan sát tình hình hoạt động của động cơ gió. Nếu nghe phát sinh ra các âm thanh lạ hoặc động cơ rung cần phải kiểm tra điều chỉnh. Thường xuyên kiểm tra dây cáp neo. Nếu một trong các dây neo chùng cần điều chỉnh (bằng cách chỉnh tăng đơ trên dây cáp neo). Thường xuyên quan sát tốc độ gió, trong trường hợp cần thiết (có gió lớn hoặc bão) phải dừng động cơ lại để đảm bảo an toàn cho động cơ. Các bộ phận như: bộ điều khiển; ăc quy; bộ chuyển đổi điện phải được đặt trong nhà ở nơi khô ráo, thoáng gió. Thường xuyên kiểm tra ắc quy, thêm dung dịch a xít (ắc quy ướt) hoặc thay ắc quy mới khi ắc quy không còn đảm bảo. Đối với động cơ gió lắp gần biển cần có biện pháp làm giảm sự ăn mòn các bộ phận làm từ vật liệu là kim loại như dây cáp, bu lông… 8.2. Bảo trì động cơ gió Nhờ thay đổi trong thiết kế, năng lực phát điện của động cơ gió đã tăng lên đáng kể trong vài năm qua. Những thay đổi trong thiết kế này bao gồm việc tăng chiều dài cánh quạt, tăng chiều cao cột tháp và cải thiện chất lượng hộp bánh răng. Những cải tiến trong thiết kế cơ khí và công nghệ, bôi trơn và bảo trì cũng tạo điều kiện cho sự tăng trưởng. Các chuyên gia bảo trì động cơ gió phải đối mặt với hai vấn đề chủ yếu: ứng suất rất cao và khó tiếp cận tới các bộ phận hợp thành chính. Do cánh quạt được nối trực tiếp với hộp bánh răng nên khối lắp ráp cánh quạt-rôto dưới tác động của gió sẽ gây ra những ứng suất rất cao trong các bộ phận hợp thành bên trong động cơ như bánh răng, ổ đỡ và trục. Các ứng suất này đã được tính đến trong quá trình thiết kế động cơ và các bộ phận hợp thành. Đáng tiếc là các ứng suất trên thực tế tại hiện trường nhiều khi lại lớn hơn các ứng suất tính đến trong quá trình thiết kế, kết quả là tuổi thọ hộp bánh răng ngắn hơn so với dự kiến. Để thiết kế động cơ gió được tốt hơn, các nhà nghiên cứu luôn cố gắng tìm hiểu rõ hơn các phụ tải tác động lên động cơ. Hộp bánh răng là bộ phận đắt tiền và cũng rất nặng của động cơ, do vậy việc thay thế hoặc sửa chữa là cả một vấn đề. Giá của hộp bánh răng, công việc lắp đặt và thời gian ngừng máy liên quan có thể sẽ rất tốn kém, ảnh hưởng trực tiếp đến tỉ suất lợi nhuận đầu tư cho động cơ. Nói chung, việc tiếp cận hộp bánh răng không hề dễ dàng, vì nó được bố trí bên trong vỏ động cơ, cùng với tất cả các bộ phận cơ khí khác. Với những máy lớn nhất, vỏ động cơ nằm ở độ cao hàng mấy chục mét, trên đỉnh cột tháp động cơ. Thậm chí có cả những động cơ đặt ở các vùng xa xôi hẻo lánh, kể cả ở ngoài khơi nên việc tiếp cận rất khó khăn và tốn kém. Tất nhiên, việc sửa chữa và bảo trì các động cơ ngoài khơi lại còn khó khăn và tốn kém hơn so với các động cơ đặt trên đất liền. Điểm cốt yếu là người vận hành phải làm sao để động cơ gió luôn hoạt động. Áp dụng các phương pháp bảo trì phòng ngừa và bảo trì tiên đoán, trong đó có việc phân tích bôi trơn, có thể là yếu tố chính giúp đạt được mục tiêu này. 9. Kết luận Sau 15 tuần nghiên cứu thực tế và tham khảo tài liệu cùng với sự hướng dẫn giúp đỡ tận tình của thầy giáo Tiến sĩ Trần Thanh Hải Tùng em đã hoàn thành đề tài được giao. Phần lý thuyết, em đã khái quát được tiềm năng gió, các phương án sử dụng năng lượng gió và cơ sở lý thuyết động lực học không khí về động cơ gió. Phần thu thập số liệu, em đã giới thiệu qua về dụng cụ đo gió, phương pháp đo gió và đã thu được kết quả đo gió tại khu vực Sơn Trà - Đà Nẵng tháng 01 năm 2009. Ở phần này, em cũng đã tiến hành xử lý số liệu qua đó đưa ra nhận xét về tình hình gió tại khu vực đang khảo sát. Phần khảo sát, em đã tìm hiểu và giới thiệu các phương án khác nhau về các bộ phận chính của động cơ gió, qua đó đưa ra phương án thích hợp đối với động cơ gió cần thiết kế, chế tạo. Phần thiết kế, chế tạo do thời gian có hạn nên em không thể đưa ra các phương án thiết kế chế tạo cho từng bộ phận mà em chỉ tính toán thiết kế bánh xe gió và bộ truyền động của động cơ gió; chế tạo trục trung gian trong bộ truyền động. Động cơ gió do em thiết kế chế tạo là loại động cơ gió cỡ trung, nó có nhiều ưu điểm như: kết cấu đơn giản, gọn nhẹ, dễ chế tạo, dễ lắp đặt, giá thành thấp; tốc độ gió khởi động (2,5 m/s) và tốc độ gió đạt công suất tối đa (6,5 m/s) là khá nhỏ phù hợp không chỉ tại địa điểm khảo sát mà còn phù hợp với nhiều vùng, miền khác nên động cơ gió này rất phổ biến, có thể chế tạo hàng loạt với số lượng lớn để đem ra phục vụ nhu cầu của thị trường hiện nay. Nhược điểm của động cơ gió này là tốc độ gió giới hạn đảm bảo an toàn thấp (12 m/s), vượt qua giới hạn này cần phải dừng động cơ gió lại để đảm bảo an toàn cho động cơ. Tuy nhiên, với thời gian 15 tuần không phải là thời gian đủ để nghiên cứu tường tận mọi vấn đề của đề tài này và kiến thức có hạn nên chắc chắn sẽ không tráng khỏi những sai sót. Vì vậy rất mong sự góp ý của thầy cô và các bạn để em có thể hoàn thiện đề tài tốt hơn. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] (Nguồn: INFOTERRA VN (XL theo Văn phòng TKNL - Bộ Công Thương, 23/1/2008). [4] John Wiley & Sons «Wind Energy Handbook ». [5] Nguyễn Văn May – “Bơm, Quạt, Máy nén” – NXB Khoa học kỹ thuật. Hà Nội 2001. [6] “Hướng dẫn thiết kế quạt” . Mascova 1971. [7] ЛOПАСТНЬIE HACOЬI . ТEOPИЯ, PACЧEТ И ΚOHCТPYИPOBAHИE Mockba " MAШИHOCТPOEHИ" 1977 . [8] Nguyễn Trọng Hiệp, Nguyễn Văn Lẫm – “Thiết kế chi tiết máy” – NXB Giáo Dục 2001. [9] Ninh Đức Tốn – “Dung sai và lắp ghép” – NXB Giáo dục 2000.