Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

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 PGS.TS. Ngô Nhƣ Khoa Trần Thị Nam Thu

THÁI NGUYÊN – 2010
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT - 1 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM
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

Chƣơng 5. Kết quả số………………………………………………………… 86
Kết luận chung…………………………………………………………… 60
Tài liệu tham khảo………………………………………………………… 81
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT - 3 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM
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.
s r z
Hệ trục chung của vỏ.

x y z
Hệ trục tọa độ địa phương của vỏ theo các phương khi đã
chuyển đổi về hệ trục chung.
u, v, w
Là các thành phần chuyển vị theo các phương s, r, z của
vỏ.
u
0
, v

s r rs
k k k

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
k
Q

Là các ma trận đàn hồi
 
N

Ma trận các thành phần lực màng của vỏ.
 
Q


[B
i
]
Ma trận tính biến dạng của vỏ.
 
a

Chuyển vị nút của phần tử vỏ.
[K
e
]
Ma trận độ cứng của phần tử vỏ.
[K]
Ma trận độ cứng tổng thể
 
e
P

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.

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
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT - 6 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM
của nhóm nghiên cứu do PGS-TSKH Nguyễn Phùng Quang [4] là nghiên cứu, thiết kế

- 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 .

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT - 8 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM
CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU CÁNH TURBINE GIÓ
VÀ VẬT LIỆU COMPOSITE.
1.1. Giới thiệu

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.
0
0
i
i






2
0
2
1
V
pp
K
P




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
Z
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT - 11 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM
2
2
1
SVCF
r



2
1
SVCF
dd



2
2
1
SVCF
ll

Hình 1.4. Thành phần lực tác dụng lên cánh turbine
Trong đó
d
C
và
l
C
là hệ số cản và hệ số nâng. Vì
d
F
và
l
F
vuông góc với nhau

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:
l
ml
C
C
l
X
AB
AC
CP 

Thông thường
%30%25 CP

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
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT - 13 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM
Hệ thống gồm các cánh được liên kết bởi các mối nối cứng, thông thường biên

U
là vận tốc vòng, ta có:
WUV 
hoặc có thể được viết là:
UVW 
. 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.
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT - 14 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM
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
)/(sin
1
max
UVi


. Góc này nhọn nếu vận tốc vòng



q
V
CCC
puplp


Áp lực khác nhau giữa nửa trên và nửa dưới của cánh
p
C
được xác định bởi:
đặc điểm của phần biên dạng cánh, số Reynol (Re) và góc tới, số Reynol được chọn
trong khoảng
5
10
đến
7
10
. 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.

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT - 15 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM
Clp
.


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.


LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT - 16 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM
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
p
C
. 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 =
6
1e
. Nó có thể được quan sát từ sự phân bố
p
C
. 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

50 ,Re 1e

  

0 0 6
80 , 90 ,Re 1e

    
như sau:
Sự phân bố
p
C
với phần biên dạng khác nhau tại
06
5 ,Re 1e

  
(Hình 1.9)
Giá trị đỉnh của
p
C
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.
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT - 17 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM

Hình 1.9. Đường cong
p

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT - 18 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM
Sự phân bố
p
C
với biên dạng khác nhau tại
06
20 ,Re 1e

  
(Hình 1.11). Có
sự khác nhau của giá trị đỉnh của sự thay đổi
p
C
giữa hình 1.9 và hình 1.10, xuất hiện
sự thay đổi góc tính toán.

Hình 1.11. Đường cong
p
C
tại
.1Re,20
60
e

(NACA 0012, 0015, 0018, 0024)
Sự phân bố
p

80 , 90 ,Re 1e

    
(Hình
1.13 và hình 1.14) Nói chung chiều dày của phần biên dạng không ảnh hưởng tới sự
phân bố
p
C
ở góc tới lớn.
Ở đây ảnh hưởng của chiều dày biên dạng chỉ được xem xét ở góc tới thấp, nó
làm đơn giản hóa công thức của sự phân bố áp lực rất nhiều.
1.3.4. Ảnh hƣởng của số Reynol
Robert M.pineeton đã hoàn thành một số thí nghiệm cho biên dạng của bộ
NACA, ông đã chỉ thị rằng sự phân bố áp lực thực tế không bị ảnh hưởng bởi sự thay
đổi số Reynol trừ khi khoảng cách là phức tạp. Đây là giải thích về vấn đề tấm mỏng
và biên chảy rối, phần lớn turbine gió làm việc dưới số Reynol là
6
10
. Vì vậy, nghiên
cứu của tác giả tập trung trên dải số Reynol
765
1,1,1 eee
.
Như vậy sự thay đổi kích thước ngăn và chiều dày cánh sẽ tác động mạnh đến sự
phân bố áp lực. Tuy nhiên sự phân bố áp lực thực sự không thay đổi khi thay đổi số
Reynol.
Hình 1.13. Đường cong

Vật liệu composite là loại vậy liệu được tổ hợp từ 2 hay nhiều loại vật liệu có
bản chất khác nhau, vật liệu được tạo thành có đặc tính trội hơn đặc tính của từng vật
liệu thành phần khi xét riêng rẽ.
Vật liệu Composite cốt sợi/nhựa hữu cơ thường có rất nhiều ứng dụng trong các
nghành công nghiệp hiện đại và đời sống. Tùy thuộc vào sự phân bố của sợi trong
nhựa, người ta phân vật liệu Composite thành các loại như: Composite đồng phương,
Composite “Mat” và Composite vải, băng (Hình 1.15)

Hình 1.15. Hình Vật liệu Composite
Dưới góc độ cơ học thì vật liệu Composite được phân thành 3 nhóm chính:
Composite đẳng hướng, Composite đẳng hướng ngang và Composite trực hướng (Hình
1.16)

Hình 1.16. Hình Vật liệu Composite lớp
Trong thực tế, chúng ta thường gặp các vật liệu Composite dưới dạng tấm hoặc
vỏ, chẳng hạn như tấm có thể có nhiều lớp đồng phương, nhiều lớp “Mat”. Vật liệu
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT - 21 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM
trong mỗi lớp cũng có thể khác nhau và phương của cốt trong các lớp cũng không nhất
thiết phải giống nhau. Để thấy rõ cấu trúc của tấm Composite nhiều lớp, hình 1.17 thể
hiện mô hình của vật liệu Composite nhiều lớp.
Ngoài ra tùy theo sự phân bố của các lớp mà vật liệu Composite còn được phân

Hình 1.17. Hình Mô hình cấu trúc của Composite nhiều lớp
Do vậy mà để tính toán được cơ học cho vật liệu kết cấu Composite thì ta cần
phải chọn một hệ quy chiếu chung cho cả vật liệu và biến đổi ứng xử của mỗi lớp vật
0
0
0


0


90
0
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT - 22 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM
liệu theo hệ trục chung đó, chính vì thế mà ta cần phải hiểu rõ được khái niệm về hệ
trục tọa độ, đó là hệ trục chính của lớp vật liệu (1,2,3) và hệ quy chiếu chung của tấm
(x,y,z).

Hình 1.18. Hệ trục chính vật liệu và hệ trục quy chiếu chung
Vật liệu Composite có rất nhiều ứng dụng trong thực tế mà điển hình là nó được
sử dụng để làm cánh turbine gió từ giữa những năm 1980 đến cuối những năm 1990.

toán trong lĩnh vực cơ học vật liệu và kết cấu Composite có thể được chia thành 2
nhóm, đó là nhóm giải tích và nhóm số:
- Nhóm giải tích: Các thông số của vật liệu và kết cấu có thể được xác định trực
tiếp. Các chương trình trên máy tính được xây dựng trên cơ sở giải tích không quá
phức tạp như các chương trình tính bằng phương pháp số, nhưng phương pháp này nói
chung chỉ giới hạn ở các kết cấu đơn giản và chịu lực đơn giản.
- Nhóm các phương pháp số: Phương pháp này tỏ ra rất hiệu quả, đặc biệt là
phương pháp phần tử hữu hạn, nó rất phù hợp cho các kết cấu có hình dạng, tải trọng
tác dụng và kiểu liên kết phức tạp.
Tuy nhiên độ chính xác của kết quả tính toán phụ thuộc rất nhiều vào lý thuyết
(mô hình) mà ta sử dụng. Một số lý thuyết tấm áp dụng cho vật liệu này như lý thuyết
tấm nhiều lớp kinh điển, lý thuyết biến dạng cắt bậc nhất của Mindilin, lý thuyết tấm
bậc cao,…Do đó vấn đề quan trọng mang tính quyết định đến độ chính xác của kết quả
tính toán chính là lý thuyết mà ta sử dụng.
1.4.1. Lý thuyết tấm nhiều lớp kinh điển.
Lý thuyết tấm nhiều lớp kinh điển được xây dựng trên cơ sở chuyển vị trong mặt
phẳng tấm (x, y) biến thiên tuyến tính theo chiều dày của tấm và chuyển vị theo
phương z là hằng số: