BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN - PHẠM THẾ ANH THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ ĐO GIÓ CHO MÁY PHONG ĐIỆN TRỤC ĐỨNG CÓ ĐIỀU KHIỂN Chuyên ngành : Công nghệ chế tạo máy Mã số : 60 52 01 03 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT THÁI NGUN - 2013 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Ngô Như Khoa Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn họp tại: Hội trường cao học số , ĐHKT Công nghiệp, ĐH Thái Nguyên Vào hồi……giờ…… ngày…….tháng…… năm 2013 Có thể tìm hiểu luận văn thư viện: Trường ĐHKT CN MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Điện gió đặc biệt quan tâm nghiên cứu, sản xuất ứng dụng nhiều quốc gia, có Việt Nam Thiết bị dùng để biến động gió thành điện gọi máy phong điện hay gọi máy phát điện sức gió Về máy phong điện chia làm hai loại, là: Máy phong điện trục đứng máy phong điện trục ngang Máy phong điện trục ngang loại turbine gió có hiệu suất cao nhất, thích hợp với nhiều vận tốc gió khác nhau, nhiên hình dạng kích thước lớn nên dẫn đến lắp đặt bảo dưỡng khó khăn Loại chủ yếu sử dụng cho hệ thống có cơng suất lớn, hịa vào lưới điện quốc gia Đối với máy phong điện trục đứng thông thường hoạt động bình đẳng với hướng gió, cấu tạo đơn giản, phận có kích thước khơng q lớn nên lắp đặt bảo dưỡng dễ dàng Hạn chế cơng suất thấp, cơng suất phụ thuộc vào đường kính hệ thống cánh, mơ men khởi động lớn, chiếm diện tích mặt lớn lắp đặt Với đặc điểm nên máy phong điện trục đứng thơng thường khơng có điều khiển Tuy nhiên, để nâng cao hiệu suất cho máy phong điện trục đứng phải điều khiển góc xoay cánh Do đó, cần lắp đặt thêm điều khiển, cấu chấp hành điều khơng thể thiếu thiết bị đo gió nhằm cung cấp số liệu tốc độ gió hướng gió cho điều khiển Máy phong điện trục đứng có điều khiển góc cánh thiết kế với đặc điểm bật kết cấu modul điều khiển modul dẫn động cho cánh nằm rotor quay hoạt động Do đó, dùng thiết bị đo gió có thị trường lắp cố định cột chân đế khó truyền tín hiệu cho điều khiển Khi việc thiết kế đường dẫn tín hiệu trở nên khó khăn hơn, độ trễ tín hiệu đến điều khiển tăng lên, điều khơng mong muốn việc giải tốn điều khiển Như vậy, để xác định tốc độ gió hướng gió nhằm cung cấp số liệu cho điều khiển máy phong điện trục đứng có điều khiển góc cánh cần thiết kế chế tạo thiết bị đo gió chuyên dụng gắn trực tiếp rotor Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu: Chế tạo thiết bị đo tốc độ gió phương gió dùng cho máy phong điện trục đứng có điều khiển góc cánh mà thiết bị đo gió có thị trường chưa phù hợp Đối tượng phạm vi nghiên cứu Thiết bị đo gió chuyên dụng, sử dụng cho máy phong điện trục đứng có điều khiển góc cánh Phương pháp nghiên cứu Lý thuyết kết hợp với thử nghiệm Ý nghĩa đề tài Đề tài ứng dụng tổng hợp kiến thức ngành khí chế tạo máy, học kỹ thuật khí động lực học nhằm thiết kế chế tạo thiết bị ứng dụng theo yêu cầu cụ thể đề tài nghiên cứu khoa học mà chưa có thực tiễn Vì đề tài có ý nghĩa mặt khoa học thực tiễn CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Các loại thiết bị đo gió Thiết bị đo gió thiết bị dùng để đo tốc độ gió, xác định hướng gió, thường sử dụng ngành khí tượng học khí động lực học Thiết bị đo gió chia làm nhóm chính, nhóm đo tốc độ gió nhóm đo áp lực gió sinh Ở ta quan tâm đến thiết bị đo tốc độ gió với tên tiếng Anh Anemometer Các thiết bị đo tốc độ gió có thị trường phong phú, số thiết bị đo tốc độ gió thường gặp 1.1.1 Cup Anemometer Cup Anemometers – Có nghĩa thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc Đây thiết bị đo tốc độ gió đơn giản, dựa vào việc xác định số vòng quay đơn vị thời gian ta tính tốn cho tốc độ gió tác động vào bán cầu 1.1.2 Windmill anemometer Windmill anemometers – Thiết bị đo tốc độ gió kiểu cánh quạt Thiết bị đo tốc độ gió kiểu có trục quay theo phương ngang Để hạn chế sai số hướng gió thay đổi kết cấu thiết bị đo có thêm phần lái gió 1.1.3 Hot-wire anemometer Hot-wire anemometers – Thiết bị đo tốc độ gió kiểu sợi đốt Thiết bị sử dụng sợi dây dẫn điện tốt, cho dòng điện qua sợi dây để đốt nóng Dịng khơng khí thổi qua dây có tác dụng tản nhiệt dây Xác định thay đổi nhiệt độ dây kim loại, qua xác định tốc độ dòng chảy 1.1.4 Sonic anemometer Sonic anemometers – Thiết bị đo tốc độ gió thơng qua sóng siêu âm Thiết bị xác định tốc độ gió dựa thời gian lan truyền sóng siêu âm cặp đầu dị Phép đo thơng qua cặp đầu dò kết hợp để xác định vận tốc gió 1, chiều dịng chảy Độ phân giải cho chiều dài đường dẫn đầu dò thường từ 10 – 20 cm Với ưu điểm bật kết cấu đơn giản, dễ chế tạo lắp đặt giá thành hợp lý Vì vậy, đối tượng nghiên cứu đề tài thiết bị đo tốc độ gió có dạng cốc – Cup Anemometers 1.2 Vị trí lắp thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc 1.2.1 Trên máy phong điện trục ngang trục đứng Thuận lợi lựa chọn thiết bị đo gió kiểu cốc có thị trường thơng số chúng tính tốn kiểm nghiệm nên ta lựa chọn thiết bị có thơng số phù hợp với yêu cầu cụ thể để lắp đặt Tuy nhiên, thiết bị gắn cố định thân, chân đế tháp đỡ 1.2.2 Trên máy phong điện trục đứng có điều khiển góc cánh Với kết cấu máy phong điện trục đứng có điều khiển góc cánh mơ tả hình 1.7 bên modul điều khiển modul dẫn động cho cánh nằm rotor quay hoạt động Do đó, dùng thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc có thị trường lắp cố định cột chân đế khó truyền tín hiệu cho điều khiển Khi việc thiết kế đường dẫn tín hiệu trở nên khó khăn hơn, độ trễ tín hiệu đến điều khiển tăng lên, điều không mong muốn việc giải tốn điều khiển Hình 1.1 Vị trí lắp mong muốn thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc máy phong điện trục đứng có điều khiển góc cánh Như vậy, để xác định tốc độ gió hướng gió nhằm cung cấp số liệu cho điều khiển máy phong điện trục đứng có điều khiển góc cánh cần thiết kế chế tạo thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc chuyên dụng gắn trực tiếp rotor 1.3 Kết cấu, nguyên lý làm việc thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc 1.3.1 Kết cấu chung thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc Một thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc nói chung bao gồm cốc quay quanh trục thẳng đứng tác dụng gió Hình dạng cốc dạng eliptic, bán cầu dạng nón, dạng bán cầu sử dụng phổ biến Hình 1.2 Bản vẽ phân rã - Cup Anemometer (Model 1210 R.M.Young Company) 1) Cốc; 2) Trục quay; 3) Khớp nối dạng đĩa; 4) Động cơ; 5) Cáp tín hiệu 1.3.2 Nguyên lý làm việc thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc Về bản, thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc hoạt động dựa vào nguyên lý sau: + Dựa điện áp sinh tốc độ gió Thiết bị đo kiểu gồm máy phát điện AC gắn trục quay rotor Khi gió tác động vào cốc làm cho rotor quay, điện áp sinh tỷ lệ với tốc độ gió tức thời, tín hiệu thu truyền đến phận hiển thị kết đo Một mạch tích hợp CR tính tốn giá trị trung bình gió + Dựa số xung sinh tốc độ gió Thiết bị đo dựa nguyên lý gồm máy phát tạo xung điện, số xung đếm cho phép xác định số vòng quay rotor tương ứng Xác định số vòng quay rotor đơn vị thời gian từ tính tốn tốc độ gió trung bình đạt khoảng thời gian Quan hệ tốc độ gió V điện áp uDC (mV) V = ( 0,01183 uDC ) + 0,2 (m/s) V = ( 0,02646 uDC ) + 0,4 (mph – miles/h) V = ( 0,03881 uDC ) + 0,7 (feet/s) (1.1) V = ( 0,02297 uDC ) + 0,4 (knots) V = ( 0,04258 uDC ) + 0,7 (km/h) Giá trị tốc độ gió tính tốn quy đổi thơng qua giá trị tốc độ vịng quay cốc theo quan hệ sau: • Quan hệ tốc độ gió V tốc độ vịng quay cốc ω (Vòng/phút) V = ( 0,01577 ω ) + 0,2 (m/s) V = ( 0,03528 ω ) + 0,4 (mph – miles/h) V = ( 0,05174 ω ) + 0,7 (feet/s) V = ( 0,03063 ω ) + 0,4 (knots) V = ( 0,05677 ω ) + 0,7 (km/h) 1.4 Cơ sở nghiên cứu khí động lực học 1.4.1 Các thơng số gió (1.2) • Chiều dài gió thổi L (m): Là chiều dài mà luồng gió thổi qua khoảng thời gian t • Tốc độ gió tức thời Vi (m/s): Do tốc độ gió thay đổi nhanh, sử dụng phương pháp số để mơ tả tốc độ gió tức thời V i thời điểm t theo biểu thức đây: Vi = lim ∆t →0 ∆L dL = ∆t dt (1.3) Trong đó: ΔL chiều dài mà gió thổi qua tính từ thời điểm t đến thời điểm t + Δt • Tốc độ gió trung bình V (m/s): Trong tính tốn ta thường sử dụng tốc độ gió trung bình hay nói chung tốc độ gió V, xác định theo biểu thức: V= × t t + t0 ∫ V ×dt = i t0 L t (1.4) Trong đó: L chiều dài mà gió thổi qua tính từ thời điểm khảo sát t đến thời điểm t0 + t, Vi tốc độ gió tức thời, t thời gian khảo sát tính s Cụ thể nghiên cứu ảnh hưởng gió đến chuyển động vật thể u ur ur r u u u r tốc độ gió thực xác định theo biểu thức sau: V = VU + VR Trong V ur u ur u véc tơ vận tốc thực gió, VU vận tốc chuyển động vật thể, VR vận tốc tương đối gió so với vật thể Hình 1.3 Các thành phần vận tốc gió tác động lên vật thể 10 1.4.2 Cơ sở lực nâng, lực cản khí động lực học Khi quan sát cánh máy bay đặt luồng gió, gió di chuyển vào hai bề mặt bề mặt cánh Vì phần cánh có khơng gian rộng lớn phần nên gió di chuyển phần cánh nhanh hơn, theo thuyết Bernoulli tạo vùng áp suất thấp cánh Vậy, vùng cánh có áp suất thấp vùng cánh, chênh ur u ur u lệch áp suất tạo nên lực FR tác động lên cánh, hình 1.12 Lực FR phân tích ur u thành hai thành phần lực bao gồm: FL thành phần lực có xu hướng nâng vật theo u ur r u hướng vng góc với phương véc tơ V , FD thành phần lực cản, có xu hướng u r đẩy vật thể chuyển động theo hướng véc tơ V Hình 1.4.Bản chất hình thành lực khí động học Các thành phần lực nâng lực cản xác định theo biểu thức sau: FL = 0,5 ×CL ×ρ ×A × V FD = 0,5 ×C D ×ρ ×A × V Trong đó: (1.5) (1.6) CL, CD tương ứng hệ số nâng hệ số cản ρ mật độ khơng khí (kg/m3) V tốc độ trung bình gió (m/s) A diện tích tiết diện 1.4.3 Hệ số cản CD cánh có dạng cốc Phần lõm cốc gió hứng gió có hệ số cản C Dv = 1,7 phần lồi tương ứng có hệ số cản C Dx = 0,4 Sự chênh lệch hệ số cản hai mặt 15 Hình 2.1 Kết cấu sơ thiết bị đo gió 2.2.3 Mơ hình chế tạo thiết bị đo tốc độ gió hướng gió Mơ hình thiết bị đo tốc độ gió hướng gió chế tạo nghiên cứu trình bày hình 2.2 Hình 2.2 Mơ hình chế tạo cho thiết bị đo gió 2.3 Mơ hình khí động lực học cho cốc 2.3.1 Một số giả định phân tích mơ hình cốc Nhằm xác định mơ men khí động lực học cốc tương ứng với vị trí so với phương gió, ta cần quan tâm đến số giả định sau phân tích mơ hình cốc: • Lực cản khí động lực học cốc mơ hình hóa, tính tốn dựa thành phần vận tốc gió tương đối vng góc với mặt cốc hệ số cản • Trong trình quay, hệ số cản cốc phụ thuộc vào góc θ vị trí cốc so với phương gió • Coi đặc tính khí động lực học cốc không chịu ảnh hưởng cốc khác rotor • Bỏ qua ảnh hưởng gió quẩn đến đặc tính khí động lực học cốc, giả định dịng chảy mơ hình dịng chảy đều, liên tục • Bỏ qua ảnh hưởng khí động lực học gắn cốc với trục quay rotor đến mơ hình Mặc dù với giả định tất nhiên có khác biệt đặc tính khí động lực học mơ hình so với đặc tính khí động lực học thiết bị 16 thực tế Tuy nhiên, với giả định đảm bảo cho việc xây dựng mơ hình dễ dàng Hình 2.3 Mơ hình hóa cho cốc 2.3.2 Mơ men khí động lực học mơ hình cốc Mơ men khí động lực học cốc vị trí góc θ xác định biểu thức: QC = Rrc FD = Rrc × ×CD ×Sc ×ρ × n2 V (2.1) Mặt khác ta có vận tốc tương đối gió xác định sau: • Khi ≤ θ < • Khi π 3π < θ ≤ 2π Vn = V ×cos ( θ ) − ω ×Rrc với CD = CDv = 1,7 2 π 3π ≤θ ≤ Vn = V ×cos ( θ ) + ω ×Rrc với CD = CDx = 0,4 2 Với CDv CDx tương ứng hệ số cản ứng với bề mặt lõm bề mặt lồi cốc Một cách tổng qt lực mơ men khí động lực học đổi chiều khi: • Góc θ = θ c ≈ π • Góc θ = 2π − θ c ≈ 3π Như vậy, dạng tổng qt biểu đồ mơ men khí động lực học có dạng hình 2.4 17 Hình 2.4: Dạng biểu đồ mơ men khí động lực học tổng qt cốc Mơ men khí động lực học trung bình cốc sau vòng quay xác định biểu thức sau: QC ( av ) = 2π 2π ∫ Tdθ (2.2) Do tính chất đối xứng đồ thị nên biểu thức 2.4 viết lại dạng sau: QC ( av ) 1π = ∫ Tdθ π0 (2.3) Thay giá trị vào biểu thức 2.5, ta có: QC ( av ) π  π 2  − 1 R C ρ S ( V cosθ + ω R ) dθ = RrcCDv ρ Sc ( V cos θ − ω Rrc ) dθ rc ∫  π π rc Dx c π ∫     QC ( av ) π  2 π ω Rrc  ω Rrc      = Rrc ρ ScV ∫ CDv  cos θ − ÷ dθ − ∫ CDx  cos θ + ÷ dθ  0 2π V  V    π     Biến đổi biểu thức tích phân ta có: 2 ω Rrc  ω Rrc ω Rrc 1  ∫  cosθ − V ÷ dθ = ( cosθ ) ( sin θ ) + θ − V sin θ + V θ   2 ω Rrc  ωR ω Rrc 1  cos θ + dθ = ( cos θ ) ( sin θ ) + θ + rc sin θ + θ ÷ ∫ V  2 V V2  Cuối ta có: QC ( av ) =   π 2ω Rrc ω Rrc π   Rrc Sc ρV ( CDv − CDx ) × − + ×  2π V V 2 ÷    (2.4) 18 2.3.3 Thực nghiệm mơ hình cốc Nhằm đánh giá tính khả thi mơ hình cốc, tác giả tiến hành thực nghiệm với số liệu cụ thể sau: + Tốc độ gió: V = 6,0 (m/s) + Tốc độ vòng quay rotor: n = 82 (vịng/phút) hay ω = 8,587 (rad/s) + Bán kính quay cốc: Rrc = 345 (mm) hay Rrc = 0,345 (m) + Diện tích hứng gió cốc: Sc = π R2 = π (0,075)2 = 0,01767 (m2) + Mật độ khơng khí: ρ=1,225 (kg/m3) + Hệ số cản mặt lõm cốc: CDv = 1,7 + Hệ số cản mặt lồi cốc: CDx = 0,4 Sơ đồ bố trí thực nghiệm đo lực cản FD mơ hình cốc thể hình 2.9 đây: Hình 2.5 Sơ đồ bố trí thực nghiệm đo lực cản FD mơ hình cốc Kết thực nghiệm đo mơ men khí động lực học mơ hình cốc cho ta giá trị trung bình QC(av) = 0,0141 (N.m) Như mơ hình tính tốn xây dựng có đặc tính gần với kết thu từ thực nghiệm 2.3.4 Mô men khí động lực học rotor cốc Ta thấy rằng, sau 1/4 vòng quay kể từ vị trí ban đầu θ = 0˚ đặc trưng khí động lực học rotor lặp lại 19 Hình 2.6.Sơ đồ khí động học rotor cốc Như vậy, có nghĩa mơ men khí động lực học trung bình rotor sau 1/4 vịng quay mơ men khí động lực học trung bình cốc sau vịng quay Vậy tính tốn giá trị mơ men khí động lực học trung bình rotor theo biểu thức 2.6 Ta có:   π 2ω Rrc ω Rrc π   QA = × Rrc Sc ρV ( CDv − CDx ) × − + ×  2π V V 2 ÷    (2.5) 2.4 Ma sát lăn ổ bi bên thiết bị đo 2.4.1 Cơ sở tính tốn mơ men ma sát lăn ổ bi Việc xác định mô men ma sát lăn ổ bi trở nên cần thiết nhằm nâng cao độ xác động học động lực học thiết bị đo Giá trị mô men ma sát lăn xác định dựa quan hệ: 20 (2.6) Pht = T f ω 2.4.2 Thực nghiệm xác định giá trị mô men ma sát lăn Qf ổ bi Để đảm bảo tính xác mơ hình, tiến hành thực nghiệm nhằm f xác định xác giá trị ma sát lăn Q ổ bi thiết bị đo gió f Sơ đồ thực nghiệm đo mô men ma sát lăn Q ổ bi thiết bị đo gió bố trí cụ thể hình 2.7 Ta sử dụng nguồn máy tính, cung cấp điện áp chiều: 3,3V 5,0V cho động DC Động DC truyền mô men xoắn công suất cho trục rotor thơng qua truyền đai có tỷ số truyền Khi xác định số vòng quay rotor hao tổn công suất động có tải so với khơng tải ta hồn tồn xác định giá trị mơ men ma sát lăn ổ bi thiết bị theo biểu thức 2.6 Hình 2.7 Sơ đồ bố trí thực nghiệm đo điện áp dòng điện 21 Hao tổn cơng suất động có tải so với chạy không tải xác định biết giá trị điện áp dòng điện động chạy có tải chạy khơng tải 2.4.3 Quan hệ mô men ma sát lăn Qf với vận tốc góc ω Các nghiên cứu trước xác nhận quan hệ Qf với vận tốc góc ω rotor thỏa mãn đẳng thức sau: Q f = B0 + B1ω + B2ω (2.7) Trong B0 (Nm), B1 (Nms) B2 (Nms2) hệ số ma sát phụ thuộc vào nhiệt độ ổ bi Như dựa vào mơ hình thực nghiệm xác định mô men ma sát lăn Qf tương ứng với vận tốc góc ω trên, dựa phương pháp hồi quy ta xác định giá trị trung bình mơ men ma sát lăn Qf tính theo biểu thức sau: Q f = 4,3 × −5 + 13,8 × −5 ω + 27 × −5 ω 10 10 10 (2.8) 2.5 Phương trình khí động lực thiết bị đo gió kiểu cốc Ta có phương trình khí động lực học thiết bị đo gió kiểu cốc sau:   π 2ω Rrc ω Rrc π   × Rrc Sc ρV ( CDv − CDx ) × + ì ữ = Q f V V 2  4  (2.9) 2.5.9 Nhận xét mơ hình tính tốn khí động lực học Từ kết tính tốn, phân tích dựa mơ hình hồi quy ta xác định mối liên hệ vận tốc góc ω thiết bị đo gió tốc độ gió V sau: • Bán kính quay Rrc = 360 – Ta có: ω = 1,554.V - 0,1789 • Bán kính quay Rrc = 330 – Ta có: ω = 1,695.V - 0,1715 • Bán kính quay Rrc = 300 – Ta có: ω = 1,702.V + 0,1565 • Bán kính quay Rrc = 270 – Ta có: ω = 1,807.V + 0,1046 • Bán kính quay Rrc = 240 – Ta có: ω = 1,921.V – 0,01443 • Bán kính quay Rrc = 210 – Ta có: ω = 2,003.V – 0,1144 • Bán kính quay Rrc = 180 – Ta có: ω = 2,047.V – 0,1369 • Bán kính quay Rrc = 150 – Ta có: ω = 2,085.V – 0,4866 22 Kết cho thấy rằng, với tốc độ gió tăng bán kính quay vận tốc góc rotor giảm Tốc độ gió tăng đồng nghĩa với vận tốc góc rotor tăng theo Ngồi bán kính quay cốc ảnh hưởng trực tiếp đến mức độ tuyến tính thiết bị đo Dựa vào kết tính tốn thấy giảm bán kính quay cốc từ Rrc = 360 (mm) xuống Rrc = 150 (mm) mức độ tuyến tính thiết bị đo tốt Mặt khác, rotor có xu quay nhanh Tuy nhiên, giảm bán kính quay cốc nhỏ nữa, R rc < 150 (mm) vận tốc góc rotor có xu giảm xuống 2.6 Kiểm nghiệm mơ hình khí động lực học thiết bị đo gió 2.6.1 Xây dựng mơ hình thực nghiệm Nhằm kiểm nghiệm tính xác mơ hình tính tốn khí động lực học cho thiết bị đo gió kiểu cốc Tác giả tiến hành thực nghiệm cho mơ hình tính tốn Thực nghiệm bố trí sơ đồ hình 2.18, hạn chế nguồn gió nên tác giả tập trung tiến hành thực nghiệm với dải tốc độ gió từ đến 6m/s Hình 2.8 Sơ đồ bố trí thực nghiệm đo vận tốc góc rotor 2.6.2 So sánh mơ hình tính tốn mơ hình thực nghiệm Mơ hình tính tốn có kết gần sát với mơ hình thực nghiệm Kết từ thực nghiệm có giá trị thấp đơi chút so với tính tốn, ngun nhân dẫn đến kết 23 ảnh hưởng độ trễ mặt động lực học hệ thống chưa xác định mơ hình tính tốn 2.7 Kết luận Với kết thu chương ta hoàn toàn có sơ sở tính tốn thiết kế cho thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc Thơng qua thực nghiệm cho phép ta rút số nhận xét chung sau: • Kết thực nghiệm phù hợp với mơ hình tính tốn từ lý thuyết • Bán kính quay cốc ảnh hưởng đến vận tốc góc rotor, nên chọn bán kính quay cốc có giá trị ngắn nhằm tăng tốc độ vòng quay rotor đáp ứng yêu cầu vị trí làm việc thiết bị đo gió đồng thời đảm bảo mức độ tuyến tính CHƯƠNG TÍNH TỐN, THIẾT KẾ ĐI HƯỚNG GIĨ 3.1 Cơ sở tính tốn, thiết kế cho hướng gió 3.1.1 Một số đặc điểm lái gió Đi lái gió phận xác định hướng gió đa dạng phong phú chủng loại kiểu dáng, nhiên đặc điểm chung chúng thường có dạng phẳng thiết kế theo dạng khí động lực học giống máy bay Hình dạng lái gió thiết kế hình 3.1 Hình 3.1 Mơ hình thiết kế hướng gió 3.1.2 Kết cấu nguyên lý hoạt động đuôi hướng gió 24 Hình 3.2 Bản vẽ phân rã hướng gió (Model 12302/12305 R.M.Young Company) 1) Cánh lái gió; 2) Trục xoay; 3) Khớp nối dạng đĩa; 4) Khớp nối chiết áp 5) Chiết áp; 6) Cáp tín hiệu 25 Đi hướng gió chủ yếu làm việc dựa quan hệ thay đổi góc đến tín hiệu điện Các thiết bị xác định hướng gió hoạt động dựa số nguyên lý sau: + Dựa thay đổi điện áp thay đổi góc xoay Trục xoay hướng gió gắn chiết áp nhằm tạo dòng điện tỷ lệ thuận với thay đổi góc xoay hướng gió + Dựa mã hóa xung quang học Bộ mã hóa xung thiết kế với số bit cụ thể nhằm đáp ứng độ phân giải cần đo góc xoay Nếu số bit cụ thể bít độ phân giải đo sau: 360° ÷ 25 = 360° ÷ 32 = 11,25° 360° ÷ 28 = 360° ÷ 256 = 1,4° Cho chùm ánh sáng đến đĩa tròn xẻ rãnh, ánh sáng qua rãnh đến đầu thu tín hiệu đầu nhân “1” Khi ánh sáng phản xạ lại từ bề mặt đĩa khơng đến đầu thu tín hiệu đầu nhận “0” Tại vị trí đĩa, tín hiệu đầu nhận là: 01010 Phân đoạn thứ 11 tương ứng góc: 11 x 11,25° 12 x 11,25°, cụ thể nằm 123,75° 135° 3.1.3 Mơ hình khí động lực học cho hướng gió Đặc trưng khí động lực học lái gió phụ thuộc chủ yếu vào hướng gió Phương trình chuyển động lái gió mơ tả biểu thức đây: d 2β I × v = FD ×r dt (3.1) Trong đó, d β v / dt đạo hàm bậc hai theo thời gian góc xoay lái gió gia tốc góc FD lực cản tác động lên lái gió với điểm đặt cách trục xoay khoảng cách r 26 Hình 3.3 Sơ đồ mơ tả đặc tính khí động lực học hướng gió Lực cản tác động lên lái gió xác định theo biểu thức sau: FD = 0,5 ACD ρV (3.2) Với A diện tích lái gió, ρ mật độ khơng khí, CL hệ số nâng V tốc độ gió Giả thiết mơ men cản trở chuyển động xoay lái gió xung quanh trục Mf có giá trị giá trị lớn mô men ma sát lăn ổ bi Dựa vào kết tính tốn chương 2, ta có giá trị lớn mô men ma sát lăn Qfmax = 0,262 N.m Vậy theo giả thiết ta có Mf = 0,262 N.m Theo thiết kế, sai số góc lái gió 5˚ ứng với vận tốc gió nhỏ theo thiết kế V = 3,0 m/s, để thỏa mãn yêu cầu lực cản tác động vào lái gió cần phải thỏa mãn điều kiện sau: FD ×r × 5o ≥ M f sin (3.3) Như vậy, để đảm bảo yêu cầu sai số góc, diện tích lái gió A phải thỏa mãn điều kiện sau: A≥ Mf 0,5.CD ρ.V r.sin 5o (3.4) Đi lái gió thiết kế cho trọng tâm cách trục quay khoảng r = 237 (mm) Thay giá trị tương ứng thông số vào biểu thức 3.4 ta thu diện tích cần thiết lái gió là: A ≥ 0,064 (m2) Như vậy, với thiết kế cho ban đầu diện tích lái gió A = 0,082 (m2) hoàn toàn thỏa mãn yêu cầu 27 3.2 Kiểm nghiệm mơ hình thiết kế cho lái gió 3.2.1 Thơng số kết cấu phận xác định hướng gió Theo kết tính tốn, thiết kế hướng gió hồn tồn phù hợp Hình 3.6 mơ tả mơ hình chế tạo lắp máy phong điện trục đứng Vật liệu sử dụng để chế tạo nhôm nhựa Hình 3.4 Thiết bị đo gió lắp đặt máy phong điện trục đứng 3.2.2 Sơ đồ thực nghiệm cho lái gió thiết kế Nhằm kiểm nghiệm kết tính tốn, thiết kế sản phẩm chế tạo được, tác giả tiến hành thực nghiệm theo sơ đồ hình 3.7 đây: Hình 3.5 Sơ đồ bố trí thực nghiệm đo lực cản tác động lên cánh Thực nghiệm tiến hành sau Cho quạt quay với tốc độ gió đến cánh 3,0 m/s, đặt lực kế vng góc với lái gió vị trí trọng tâm nó, cho lái gió tạo góc 5˚ so với hướng gió Kết lực kế cho thấy giá trị lực đo 0,5 N Như vậy, lái gió tính tốn, thiết kế chế tạo hồn tồn đảm bảo u cầu tốn 3.3.Kết luận Như ta hồn tồn có sở để xác định thông số đuôi lái gió thỏa mãn yêu cầu đặt cho phận xác định hướng gió 28 Tuy nhiên, trình bày chương hạn chế thiết bị thử nghiệm ảnh hưởng không nhỏ đến kết thử nghiệm mơ hình CHƯƠNG KẾT LUẬN CHUNG 4.1 Kết luận văn đạt - Tìm hiểu quan hệ động học thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc - Xác định yếu tố ảnh hưởng đến vận tốc góc rotor - Xác định kết cấu, kích thước hợp lý thiết bị đo gió kiểu cốc - Xác định kết cấu kích thước tiết diện hợp lý lái gió 4.2 Những kiến nghị nghiên cứu - Nghiên cứu xác định yếu tố ảnh hưởng đến độ trễ mặt học - Nghiên cứu quy luật ảnh hưởng vận tốc cánh tuarbine đến vận tốc thiết bị đo gió kiểu cốc gắn tuarbine - Nghiên cứu, tính tốn bù sai số lập trình cho điều khiển thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc ... g? ?c c? ?nh Như vậy, để x? ?c định t? ?c độ gió hướng gió nhằm cung c? ??p số liệu cho điều khiển máy phong điện tr? ?c đứng c? ? điều khiển g? ?c c? ?nh c? ??n thiết kế chế tạo thiết bị đo t? ?c độ gió kiểu c? ? ?c chuyên... thiết bị đo t? ?c độ gió phương gió dùng cho máy phong điện tr? ?c đứng c? ? điều khiển g? ?c c? ?nh mà thiết bị đo gió c? ? thị trường chưa phù hợp Đối tượng phạm vi nghiên c? ??u Thiết bị đo gió chuyên dụng,... Do đó, c? ??n lắp đặt thêm điều khiển, c? ??u chấp hành điều thiếu thiết bị đo gió nhằm cung c? ??p số liệu t? ?c độ gió hướng gió cho điều khiển Máy phong điện tr? ?c đứng c? ? điều khiển g? ?c c? ?nh thiết kế