1
LỜI CAM ĐOAN
Tôi là Nguyễn Thị Luận – Học viên cao học lớp K14 chuyên ngành Kỹ thuật
Cơ khí, khóa 2011- 2013 trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái
Nguyên.
Sau hai năm học tập, rèn luyện và nghiên cứu tại trường. Tôi lựa chọn thực
hiện đề tài tốt nghiệp “Thiết kế quy trình công nghệ và chế tạo thử nghiệm cánh
turbine trục đứng công suất 300W bằng vật liệu composite”
Được sự giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của PGS. TS Ngô Như Khoa và sự
nỗ lực của bản thân, đề tài đã được hoàn thành.
Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận văn này là của bản thân
thực hiện, chưa được sử dụng cho bất kỳ một khóa luận tốt nghiệp nào khác. Theo
hiểu biết cá nhân, chưa có tài liệu khoa học nào tương tự được công bố, trừ những
thông tin tham khảo được trích dẫn.
Thái Nguyên, ngày 05 tháng 10 năm 2014
Học viên
NGUYỄN THỊ LUẬN
2
LỜI CẢM ƠN
Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến giáo viên hướng dẫn khoa
học của tôi, thầy giáo - PGS.TS. Ngô Như Khoa, người đã tận tình chỉ bảo, động
viên và giúp đỡ cho tôi rất nhiều trong suốt thời gian làm luận văn tốt nghiệp.
Tôi xin cảm ơn các thầy cô giáo trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái
Nguyên đã tận tình giảng dạy trong hai năm học vừa qua
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, các phòng ban chức năng trường
Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên đã tạo điều kiện để tôi được
tham gia và hoàn thành khóa học này.
Tôi xin cảm ơn các cán bộ, nhân viên của Trung tâm thí nghiệm - Trường
ĐHKT Công nghiệp, phòng thí nghiệm kỹ thuật và công nghệ vật liệu đã giúp tôi
hoàn thành luận văn này.
SM Máy thử kéo, nén (Servo Control Universal Testing Machine )
5
6
GIỚI THIỆU
1. Vấn đề nghiên cứu.
Hiện nay, ở Việt Nam nói riêng và thế giới nói chung, nhu cầu về năng lượng
điện ngày một tăng cao, trong khi đó các nhà máy điện sử dụng các nguồn năng
lượng truyền thống như thủy điện, nhiệt điện,… đang ngày càng cạn kiệt và mất cân
bằng sinh thái, ô nhiễm môi trường. Bởi vậy,việc sử dụng nguồn năng lượng sạch,
có khả năng tái tạo như năng lượng gió, năng lượng mặt trời,… là một xu hướng
đang phát triển mạnh trên thế giới.
Trên thế giới:
* Tình hình phát triển năng lượng gió
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. Do vậy việc sử dụng nguồn năng lượng tái tạo từ gió
ngày càng được quan tâm ở nhiều quốc gia trên thế giới như Đức, Mỹ, Pháp, Tây
Ban Nha, Bồ Đào Nha, Trung Quốc, Đan Mạch,…là những nước có lịch sử phát
triển hệ thống máy phong điện từ lâu đời và vẫn phát triển mạnh mẽ cho đến ngày
nay.
Theo [5], thống kê đến năm 2007 thế giới đã xây dựng được khoảng
20073MW điện, trong đó, Mỹ có 5244 MW, Tây Ban Nha có 3522 MW, Trung
Quốc có 3449MW, Ấn Độ có 1730 MW và Đức có 1667 MW.
Hình 1: Hệ thống quạt năng lượng gió ở Palm Sprin, California, Mỹ
7
Ở khu vực Châu Á, Trung Quốc là một trong những nước dẫn đầu nghiên
cứu phát triển và sử dụng nguồn năng lượng gió, đặc biệt chú trọng các loại máy
phong điện cỡ nhỏ. Chủ yếu là các máy phong điện trục đứng có công suất từ (100-
1000)W phục vụ sinh hoạt cho hộ gia đình, phục vụ chiếu sáng cho các cột đèn
công cộng. Được chế tạo từ vật liệu composite với biên dạng và chiều cao cánh
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.
Từ thời xa xưa khi thiết kế cánh turbine thì việc đầu tiên các nhà khoa học
quan tâm xem xét vật liệu chế tạo cánh là gì? Thuộc tính vật liệu sử dụng cánh
quyết định phần lớn phương pháp thiết kế và chế tạo cánh. Cánh quạt càng nặng thì
8
sẽ cần có nhiều gió hơn để quay roto, nghĩa là thu được ít năng lượng. Do đó, các
cánh quạt nhẹ, trọng lượng nhẹ, chắc chắn cho phép tăng tối đa sản lượng năng
lượng. Nhôm, titan, thép, gỗ và composite là những loại vật liệu mà đã được các
nhà nghiên cứu thử nghiệm để chế tạo cánh turbine. So sánh thấy vật liệu composite
có tính ưu việt vượt trội hơn hẳn là: khả năng chế tạo từ vật liệu này thành các kết
cấu sản phẩm theo những yêu cầu kỹ thuật khác nhau mà ta mong muốn, các thành
phần cốt của Composite có độ cứng, độ bền cơ học cao, vật liệu nền luôn đảm bảo
cho các thành phần liên kết hài hoà tạo nên các kết cấu có khả năng chịu nhiệt và
chịu sự ăn mòn của vật liệu trong điều kiện khắc nghiệt của môi trường. Một trong
các ứng dụng có hiệu quả nhất khi chế tạo cánh turbine là Composite lớp (nền nhựa,
cốt sợi). Đây là vật liệu có nhiều tính ưu việt và có khả năng áp dụng rộng rãi, tính
chất nổi bật là nhẹ, độ bền cơ học cao, rẻ tiền, dễ kiếm, dễ lắp đặt, có độ bền riêng
và các đặc trưng đàn hồi cao, bền vững với môi trường ăn mòn hoá học, độ dẫn
nhiệt, dẫn điện thấp. Khi chế tạo ở một nhiệt độ và áp suất nhất định dễ triển khai
được các thủ pháp công nghệ, thuận lợi cho quá trình sản xuất. Do vậy composite là
loại vật liệu được sử dụng rộng rãi khi chế tạo cánh turbine.
Mặc dù đã có rất nhiều chủng loại sản phẩm, turbine gió đã và đang được sản
xuất bởi các tập đoàn công nghiệp lớn trên thế giới và đưa vào sử dụng với các kiểu
dáng khác nhau [2]: Kiểu dáng chén, kiểu savonius, cánh dạng tấm phẳng , kiểu
Darrieus- Rotor và H- Rotor. Thể hiện qua sản phẩm mang tính thương mại hóa
của một số hãng nổi tiếng trên thế giới như Vestas (Denmark) với các sản phẩm
V52-850 KW, V80-1.8 MW, V80-2.0 MW, V90-3,0. Suzlon (India) với các turbine
950KW to 2MW; công ty GE Energy (USA) có sản phẩm 1.500-3.6000KW;
Siemens (Germany) đưa ra thị trường các turbine lớn 1.3 MW, 2.3 MW, 3.6MW và
suất thiết kế 10-30kw phù hợp với điều kiện Việt Nam. Đề tài này chưa áp dụng
cho máy phong điện trục đứng và loại công suất nhỏ.
- Đề tài “Tính toán thiết kế hệ thống cánh turbine gió kiểu trục đứng trong máy
phong điện công suất 10kw”,2009, luận văn thạc sỹ Chu Đức Quyết trường Đại
học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. Nội dung đề tài đã tính toán thiết kế các
vị trí, số cánh, kích thước hệ thống cánh turbine, với biên dạng cánh phẳng.
- Gần đây đã có một số nghiên cứu như: Luận văn của Dương Văn Đồng đã tính
toán, thiết kế các vị trí, số cánh, kích thước hệ thống cánh phẳng cho máy phong
điện kiểu trục đứng công suất 3KW. Trần Thị Nam Thu với luận văn mô hình hóa
và tính toán kếu cấu cánh tuốc bin gió kiểu trục đứng theo lý thuyết chuyển vị bậc
nhất bằng phương pháp phần tử hữu hạn… Các nghiên cứu trên vẫn chỉ dừng lại
ở việc mô hình hóa cánh tuốc bin.
Tuy nhiên, công nghệ chế tạo cánh turbine gió không được công bố hoặc nếu
có thì chỉ ở mức độ rất hạn chế kể cả trên các tạp chí khoa học hay sách chuyên
11
khảo. Để có thể nắm bắt được công nghệ chế tạo cánh turbine bằng vật liệu
composite lớp chúng ta bắt buộc phải tự nghiên cứu và thử nghiệm. Với đề tài
“Thiết kế quy trình công nghệ và chế tạo thử nghiệm cánh turbine trục đứng
công suất 300W bằng vật liệu composite” là rất cần thiết, thúc đẩy quá trình nghiên
cứu thực nghiệm và ứng dụng năng lượng gió phục vụ lợi ích con người.
2. Mục tiêu và nội dung.
*Mục tiêu:
- Xây dựng được quy trình công nghệ để chế tạo cánh turbine trục đứng công
suất 300W bằng vật liệu composite nền nhựa epoxy cốt sợi thủy tinh;
- Chế tạo thử nghiệm được cánh turbine.
* Nội dung:
- Nghiên cứu tổng quan về quy trình công nghệ chế tạo các kết cấu dạng tấm,
vỏ bằng vật liệu composite;
- Chế tạo thử nghiệm vật liệu composite lớp bằng phương pháp lăn ép;
- Thử nghiệm với mẫu là vật liệu composite để đánh giá công nghệ:
Chương này giới thiệu về vật liệu composite, thành phần, tính chất và ứng
dụng vật liệu trong kỹ thuật và đời sống. Ngoài ra, chương này còn giới thiệu các
loại vật liệu nền, cốt và công nghệ chế tạo các kết cấu tấm, vỏ bằng vật liệu
composite
1.1. Giới thiệu vật liệu composite và ứng dụng
1.1.1. Giới thiệu vật liệu composite
Vật liệu composite là vật liệu nhiều pha: trong đó các pha khác nhau về bản
chất, không hòa tan lẫn nhau và phân cách với nhau bằng ranh giới pha. Phổ biến
nhất là loại composite 2 pha:
- Pha liên tục trong toàn khối gọi là nền
- Pha phân bố gián đoạn được nền bao quanh gọi là cốt
Bản chất vật liệu của nền là chất kết dính, tạo môi trường phân tán, đóng vai
trò truyền ứng suất sang cốt khi có ngoại lực tác dụng lên vật liệu, bảo vệ cốt khỏi
bị hư hỏng do tấn công của môi trường, định hình kết cấu, cách điện, tăng độ dẻo dai.
13
Vật liệu cốt đóng vai trò là các điểm chịu ứng suất tập trung thường có tính
chất cơ lý hóa cao hơn vật liệu nền
Đặc trưng hình học của vật liệu cốt được xác định bởi: hình dạng, kích thước,
độ tập trung và phương phân bố.
Độ tập trung của vật liệu cốt thường được xác định thông qua tỷ lệ thể tích
hoặc tỷ lệ khối lượng. Đây là một thông số quan trọng quyết định tính chất cơ học
của vật liệu composite.
Với một tỷ lệ khối lượng cho trước, luật phân bố của vật liệu cốt trong lòng
vật liệu composite cũng rất quan trọng. Khi vật liệu cốt được phân bố đều theo thể
tích, ta được vật liệu đồng nhất. Khi vật liệu cốt phân bố không đều, vật liệu
composite bị phá huỷ ở nơi ít vật liệu cốt trước và kết cục là độ bền của vật liệu (kết
cấu) bị giảm đi.
Trong trường hợp composite cốt sợi, phương của sợi quyết định tính dị hướng
của vật liệu. Đây là một đặc trưng trội nhất của vật liệu composite. Có nghĩa là ta có
thể điều khiển được tính dị hướng của vật liệu và chọn những phương án công nghệ
Hình 1.1. Ứng dụng vật liệu composite để chế tạo các đồ dùng, dụng cụ thể thao
15
- Trong ngành công nghiệp ô tô: vật liệu composite được sử dụng để chế tạo,
vỏ ô tô, các hệ thống tay cầm,… trong buồng lái,…
Hình 1.2. Ứng dụng vật liệu composite trong ngành ôtô
- Trong ngành hàng không vũ trụ: Vật liệu composite được ứng dụng vào
việc chế tạo các bộ phận trên máy bay như kết cấu khung xương, thân máy bay,
cánh, bộ phận dẫn hướng,
Hình 1.3. Ứng dụng vật liệu composite chế tạo các bộ phận trên máy bay
Theo thống kê của hãng máy bay Boeing chiếc Boeing Dreamliner 787 sử
dụng đến 50% composite trên toàn bộ trọng lượng
Hình 1.4. Phát triển vật liệu composite trong chế tạo máy bay dân dụng
16
Hình 1.5. Phát triển vật liệu composite trong chế tạo máy bay quân sự
- Vật liệu composite còn được ứng dụng rộng rãi trong ngành chế tạo cánh
turbine gió. Hãng Siemens đã sản xuất cánh quạt dài nhất thế giới cho những
turbine gió tạo ra điện [7]. Siemens cho biết riêng chiếc cánh quạt gió B75 có chiều
dài 75 mét, tương đương với sải cánh máy bay Airbus A380, trong khi đó, toàn bộ
rotor có đường kính lên tới 154 mét khi hoạt động. Những cánh quạt siêu dài này
bao phủ một diện tích 18.600 mét vuông khi quay, nó bằng diện tích của 2,5 sân
bóng gộp lại, cánh dài 75m. Cánh quạt gió B75 hiện được lắp trên tuabin gió tại
vùng bờ biển Osterild, Đan Mạch. Các tuabin gió tại đây khi đi vào hoạt động chính
thức sẽ đủ cung cấp điện cho 1,8 triệu ngôi nhà tới năm 2017. Sau khi thử nghiệm
thành công, Đan Mạch sẽ lắp đặt 300 tuabin này tại bờ biển Anh trong vài năm tới.
Hình 1.6. Cánh quạt gió B75 chế tạo bằng vật liệu composite
* Ở Việt Nam:
Ở các nước phát triển trên thế giới thì vật liệu composite đã được phát triển
từ lâu, nhưng với Việt Nam, thì composite được coi là vật liệu mới, bởi lẽ thời gian
đưa vào ứng dụng và phạm vi ứng dụng ở nước ta vẫn còn chưa lâu và chưa nhiều.
Vật liệu composite sợi thủy tinh (FRP) được bắt đầu nghiên cứu và áp dụng
Khi vật liệu cốt là các sợi ta gọi đó là composite cốt sợi. Sợi được sử dụng có
thể dưới dạng liên tục, có thể dưới dạng gián đoạn như sợi ngắn, sợi vụn… Ta có
thể điều khiển sự phân bố, phương của sợi để có vật liệu dị hướng theo ý muốn. Và
cũng có thể tạo ra vật liệu có cơ – lý khác nhau, khi chú ý tới:
- Bản chất của vật liệu thành phần ;
- Tỷ lệ của các vật liệu tham gia ;
- Phương của sợi.
• Vật liệu composite cốt hạt.
Khi vật liệu cốt có dạng hạt, ta gọi đó là vật liệu composite hạt. Hạt khác sợi ở
chỗ, nó không có kích thước ưu tiên. Hạt thường dụng để cải thiện một số cơ tính
của vật liệu hoặc của vật liệu nền, chẳng hạn tăng độ cứng, tăng khả năng chịu
19
nhiệt, chịu mòn, giảm độ co ngót,….Trong nhiều trường hợp, hạt được sử dụng với
mục đích làm giảm giá thành sản phẩm mà vẫn không làm thay đổi cơ tính của vật liệu.
Việc lựa chọn phương án kết hợp hạt - nền (nhựa) phụ thuộc vào cơ - lý tính
mà ta muốn có. Chẳng hạn, người ta thêm chì vào trong hợp kim đồng để loại bớt
những khó khăn khi gia công.
b. Phân loại theo bản chất vật liệu thành phần
Tuỳ thuộc vào bản chất của vật liệu nền, vật liệu composite được chia ra làm
ba nhóm: composite nền hữu cơ, composite nền kim loại và composite nền gốm.
• Composite nền hữa cơ. (nhựa, hạt) cùng với vật liệu cốt dạng:
- Sợi hữu cơ: Polyamit, Kevlar…
- Sợi khoáng : thuỷ tinh, cabon…
- Sợi kim loại: Bo, nhôm…
• Composite nền kim loại (hợp kim titan, hợp kim nhôm…) với vật liệu cốt
dạng:
- Sợi kim loại: Bo
- Sợi khoáng: Cacbon, SiC.
• Composite nền gốm (khoáng) với vật liệu cốt dạng:
- Sợi kim loại: Bo
công sử dụng khuôn hở, có thể sử dụng khuôn dương hoặc khuôn âm.
Hình 1.10. Chế tạo vật liệu composite bằng phương pháp lăn ép
Quy trình chế tạo gồm các bước chính như sau:
- Quét phủ lớp hỗ trợ tháo khuôn lên bề mặt khuôn;
- Phủ lớp tạo bề mặt sản phẩm (gel-coat) có tác dụng bảo vệ lớp vật liệu
composite tránh tác hại của điều kiện ngoài trời khắc nghiệt như: nhiệt độ, ánh sáng,
thời tiết, khí hậu,…(tương tự như phủ lớp sơn bảo vệ gỗ, kim loại)
- Phủ nhựa nền trên lớp tạo bề mặt có tác dụng bảo vệ cốt khỏi bị hư hỏng do
tấn công của môi trường, định hình kết cấu, cách điện, tăng độ dẻo dai,
- Rải lớp vật liệu cốt trên lớp nhựa nền có tác dụng chịu lực, chịu ứng suất
tập trung;
- Dùng con lăn để lăn ép vật liệu cốt với nhựa nền tạo môi trường liên kết
giữa nền và cốt, tránh hiện tượng rỗ khí;
- Qúa trình lặp đi lặp lại cho đến khi đủ số lớp theo thiết kế.
21
Sau khi quá trình rải vật liệu cốt và thấm nhựa nền đã hoàn thành, sản phẩm
được để đông kết tại nhiệt độ môi trường. Tốc độ đông kết của sản phẩm phụ thuộc
theo loại vật liệu nền, độ dày sản phẩm, nhiệt độ môi trường và độ dẫn nhiệt của vật
liệu khuôn. Để tăng tốc độ đông kết và giảm thời gian tháo khuôn, các sản phẩm có
kích thước nhỏ được đưa vào lò sấy; các sản phẩm có kích thước lớn hơn có thể
được sấy bằng khí nóng. Phản ứng tỏa nhiệt trong quá trình đông kết có thể làm
tăng nhiệt độ của sản phẩm. Tốc độ thay đổi nhiệt cũng là yếu tố quan trọng quyết
định tới cơ tính và chất lượng sản phẩm. Do hệ số giãn nở của vật liệu gia cường và
nhựa nền khác nhau, sự thay đổi nhiệt độ lớn trong quá trình đông kết có thể làm
biến dạng liên kết giữa hai loại vật liệu.
Vật liệu sử dụng trong phương pháp thủ công thường là epoxy hoặc
polyester không no và sợi thủy tinh. Phương pháp thủ công thường được áp dụng
cho các loạt sản phẩm có số lượng nhỏ hoặc sản phẩm đơn chiếc.
Phương pháp chế tạo thủ công có:
* Ưu điểm:
- Chỉ chế tạo được composite sợi ngắn
- Nhựa cần có độ nhớt thấp khi phun, ảnh hưởng tới tính chất cơ nhiệt của
sản phẩm, cùng với hàm lượng styren cao, dễ ảnh hưởng đến điều kiện làm việc của
công nhân
c. Phương pháp thấm nhựa trước
Trong phương pháp này, vật liệu gia cường được thấm nhựa polymer và
được bảo quản trong môi trường nhiệt độ thấp. Quy trình chế tạo sản phẩm
composite sử dụng vật liệu thấm nhựa trước được thực hiện như sau: vật liệu gia
cường đã thấm nhựa polymer được lấy ra khỏi thùng bảo quản lạnh, để trao đổi
nhiệt tự nhiên và đạt tới nhiệt độ môi trường trước khi tiến hành gia công. Trong
quá trình trao đổi nhiệt tự nhiên, vật liệu gia cường thấm nhựa polymer được để
trong bao bì bảo quản để tránh ngưng tụ hơi nước trên bề mặt. Vật liệu gia cường đã
thấm nhựa polymer được cắt thành hình dạng theo thiết kế. Quá trình cắt có thể tiến
hành thủ công hoặc tự động. Sau khi vật liệu được cắt theo thiết kế, tiến hành bóc
lớp bảo vệ, đặt vật liệu lên khuôn theo từng lớp. Quá trình được lặp lại tới khi đạt
được yêu cầu về độ dầy của sản phẩm.
Vật liệu thấm nhựa polymer trước được sử dụng trong những loạt sản phẩm
có số lượng không lớn. Do độ dầy của vật liệu thấm nhựa polymer trước thường
không lớn nên quá trình rải đặt các lớp yêu cầu độ chính xác cao. Thông thường quá
trình này được thực hiện tự động hoặc với sự hỗ trợ của máy tính. Tương tự như
phương pháp lăn tay thủ công, khuôn mẫu sử dụng trong phương pháp thấm nhựa
trước khá đơn giản, tuy nhiên với các sản phẩm yêu cầu độ chính xác cao như các
chi tiết trên máy bay, khuôn mẫu thường được chế tạo bằng kim loại hoặc vật liệu
composite để có thể chịu được tải trọng lớn trong quá trình chế tạo.
Trong phương pháp vật liệu thấm nhựa trước, sợi carbon và epoxy thường
được sử dụng là vật liệu gia cường và vật liệu nền. Phương pháp này được ứng
24
dụng chế tạo các sản phẩm trong ngành hàng không. Tuy nhiên phương pháp này
đang dần được áp dụng trong chế tạo các dụng cụ thể thao và giải trí như cần câu
cá, gậy chơi golf, ván trượt, v.v.
không cao.
b. Phương pháp đúc chuyển nhựa
Phương pháp đúc chuyển nhựa sử dụng khuôn kín, vật liệu gia cường được
đặt trước trong khuôn. Với loạt sản phẩm có số lượng không lớn vật liệu gia cường
được cắt thủ công và đặt trên nửa khuôn phía dưới. Nửa khuôn phía trên được đóng
lại, nhựa polymer được điền đầy vào khuôn dưới áp suất cao. Sau khi nhựa polymer
được điền đầy vào khuôn, hỗn hợp nhựa polymer và vật liệu gia cường được để
đông kết trong thời gian xác định. Sau đó sản phẩm được tháo khuôn để tiến hành
sản xuất chi tiết tiếp theo.
Hình 1.14. Phương pháp đúc chuyển nhựa
Copyright: Tài liệu đại học ©