BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN DUY PHƯƠNG

NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO
MÔ HÌNH BỘ ĐIỀU TỐC TURBINE GIÓ
BẰNG CÁCH SỬ DỤNG HỆ BÁNH RĂNG NÓN
S

K

C

0

0

3

9

5

9

NGÀNH: CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY - 605204

S KC 0 0 3 9 6 4


NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204
Hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN NGỌC PHƯƠNG

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4/2013


Luận văn Thạc sỹ

LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:
Họ & tên: Nguyễn Duy Phương
Giới tính:Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 09/01/1987
Nơi sinh:Tây Ninh
Quê quán: Tây Ninh
Dân tộc:Kinh
Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 45/đường 34/ Bời Lời/Tây Ninh.
Điện thoại cơ quan:
Điện thoại nhà riêng:
Fax:
E-mail:
II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Trung học chuyên nghiệp:
Hệ đào tạo:
Nơi học (trường, thành phố):
Ngành học:

Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/


tốc turbine gió bằng cách sử dụng hệ bánh răng nón” do thầy PGS.TS. Nguyễn Ngọc
Phương hướng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu
trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào
khác. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 01 tháng 04 năm 2013
Tác giả luận văn

Nguyễn Duy Phương

2


Luận văn Thạc sỹ

LỜI CẢM ƠN
Sau hơn 7 tháng nghiên cứu, với sự hướng dẫn của thầy PGS.TS. Nguyễn Ngọc
Phương, luận văn với đề tài “Nghiên cứu, tính toán thiết kế và chế tạo mô hình bộ điều
tốc turbine gió bằng cách sử dụng hệ bánh răng nón” đã hoàn thành. Để hoàn thành
tốt nhiệm vụ đồ án theo đúng yêu cầu, đúng tiến độ thì tác giả đã nhận được sự hỗ trợ
nhiệt tình từ phía nhà trường, quý thầy cô, gia đình và bạn bè đồng nghiệp.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:
Thầy hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Ngọc Phương đã tận tình chỉ dẫn đóng góp.
Thạc sỹ Hoàng Trí đã tư vấn, hướng dẫn những kiến thức ban đầu để có thể thực
hiện tốt luận văn.
Thầy Dương Bình Nam và xưởng cơ khí Hoàng Nam đã hỗ trợ, góp ý trong quá
trình thiết kế, thi công và chế tạo mô hình.
Toàn thể quý thầy cô giáo trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật, các đồng nghiệp, bạn
bè, gia đình đã góp ý, giúp đỡ, động viên tác giả trong suốt quá trình học tập và hoàn
thành luận văn.

ABSTRACT
Today, the researches about the wind turbine is how to effectively control the speed
of the turbine when the wind speed changes, ensure that the turbines are highest
effective performance. This is the biggest weakness of the current wind turbine system.

4


Luận văn Thạc sỹ

Thesis content "Research, calculate, design and manufacture the model control of
wind turbine speed by bevel-gear system " by teacher Dr. Nguyen Ngoc Phuong guide,
was completed in the near 8 months. Thesis content consturcted a system control of
wind turbine speed by using the bevel-gear system to revolve the turbine blade with
manufacturing and control process is straightforward.
After the calculation and design, experimental models is completed and
experimented at the mechanical Department of Engineering University of Technical
Education Ho Chi Minh. Experimental results showed that the turbine operated
effectively, flexible, turbine speed is controlled by bevel-gear and stepper motor. The
fist results showed that the research brought success in control the wind turbine speed,
ensure safeness and balance for the turbine system during operation.

5


Luận văn Thạc sỹ

MỤC LỤC
TRANG TỰA



Danh mục ký hiệu

xii

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN

13

1.1 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu:

13

1.1.1 Lý do chọn đề tài

13

1.1.2 Mục đích của đề tài nghiên cứu

14

1.1.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

15

1.2 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

16

1.3 Ý nghĩa thực tiễn và ý nghĩa khoa học của đề tài

Luận văn Thạc sỹ

2.2.1 Turbine gió trụ đứng

24

2.2.2 Turbine gió trụ ngang

26

2.3 Động lực học cánh turbine gió

28

2.3.1 Thuyết động học của turbine

28

2.3.2 Động lực học cánh turbine gió

30

2.4 Phân tích lực và các yếu tố hảnh hƣởng đến turbine

32

2.4.1 Phân tích lực tác dụng lên cánh turbine

32


44

3.2 Tính toán, thiết kế trục turbine

45

3.2.1 Tính toán số vòng quay của turbine

45

3.2.2 Tính toán thiết kế hộp tốc độ

46

3.2.3 Tính toán đường kính trục

50

3.2.4 Lựa chọn ổ lăn

52

3.2.5 Chọn động cơ

53

3.2.5.1 Các loại động cơ bước và so sánh với các loại động cơ khác

53



63

4.1.2 Tính toán số vòng quay trục chính khi góc cánh thay đổi

63

4.2 Mối quan giữa tốc độ trục chính, hệ bánh răng nón, trục vít bánh vít và động cơ 71
CHƢƠNG 5: GIỚI THIỆU MÔ HÌNH VÀ THỰC NGHIỆM

73

5.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bộ điều tốc

73

5.1.1 Giới thiệu

73

5.1.2 Nguyên lý hoạt động

75

5.2 Khảo sát hoạt động của bộ điều tốc ứng với sự thay đổi tốc độ trục chính

78

5.3 Kết quả thực nghiệm



DANH MỤC HÌNH
HÌNH

TRANG

Hình 1.1.3 Một dạng kết cấu của hệ thống xoay cánh turbine.

15

Hình 2.1.1 Các dạng turbine gió

18

Hình 2.1.2.1 Mô hình cánh gió tại Tung Mỹ, cuối thế kỷ 19

19

Hình 2.1.2.2 Sử dụng cối xay gió để bơm nước trên đảo Crete

20

Hình 2.1.2.3 Mô hình cối xay gió xuất hiện sau thế kỷ 13

20

Hình 2.1.2.4 Quạt gió cánh thép bơm nước ở vùng Trung Tây nước Mỹ (cuối 1800) 21
Hình 2.1.2.5 Máy phát điện sức gió do Charles F.Brush chế tạo

22


37

Hình 2.3.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến cánh turbine

38

Hình 2.4.2.1 Ảnh hưởng vận tốc đến góc tới

40



41

Hình 2.4.2.2 Góc tới

tăng làm ảnh hưởng đến hiệu suất làm việc turbine

Hình 2.4.2.3 Hình biểu diễn mặt phẳng lực

42

Hình 2.4.3: Mối quan hệ giữa góc tới α và Cl, Cd.

43

Hình 2.4.3 Đường kính turbine thiết kế

45

Hình 3.2.5.4 Động cơ bước nam châm vĩnh cửu

61

Hình 3.2.6 Cảm biến từ dùng nhân biết kim loại

65

Hình 4.1 Biểu đồ biểu diễn sự thay đổi tốc độ trục chính ứng với vận tốc gió khác
nhau khi góc tới thay đổi

72

Hình 4.2 Biểu đồ biểu diễn tốc độ trục chính và góc xoay động cơ bước theo tính toán
lý thuyết

73

Hình 5.1.2.1 Cấu tạo bộ điều tốc

78

Hình 5.1.2.2 Bộ cấp điện cho động cơ bước

80

Hình 5.2.1 Mô hình thí nghiệm

81



59

Bảng 4.2.1 Số vòng quay trục chính ứng với   2

66

0

0
Bảng 4.2.2 Số vòng quay trục chính ứng với   4

68

Bảng 4.2.3 Số vòng quay trục chính ứng với   50

68

Bảng 4.2.4 Số vòng quay trục chính ứng với   70

69

Bảng 4.2.5 Số vòng quay trục chính ứng với   100

70

Bảng 4.2.6 Số vòng quay trục chính ứng với   160

70



c chiều dài dây cung cánh [m]

φ góc dòng chảy [độ]

Cp hệ số công suất turbine [ ]

λ tốc độ dỉnh (vận tốc tip)

Cl hệ số cản [ ]

η hiệu suất turbine [ ]

Cd hệ số nâng [ ]

Ω vận tốc góc [rad/s]

D lực cản [N]

ρ khối lượng riêng không khí [kg/m3]

L lực nâng [N]
F lực tác dụng lên turbine [N]
m khối lượng dòng chảy [kg]
n số lượng cánh quạt [ ]
P công suất turbine [W]
q lưu lượng dòng chảy [m3/s]
r bán kính cánh turbine [m]
t thời gian [s]
T moment sinh ra [Nm]

tế - xã hội của đất nước.
Với những ưu điểm từ năng lượng gió giải quyết được vấn đề cấp bách hiện nay là
môi trường,Việt Nam đang dần xây dựng và mở rộng, phát triển nguồn năng lượng

13


Luận văn Thạc sỹ

dồi dào này, nhưng để tận dụng triệt để, ngoài yếu tố tự nhiên còn phụ thuộc nhiều
vảo vấn đề kỹ thuật, đặc biệt là hệ thống phát điện gió. Do gió là nguồn năng lượng
không ổn định nên trong quá trình khai thác thường xảy ra các sự cố về mặt kỹ thuật
làm hư hỏng các hệ thống máy phát. Nhược điểm của động cơ gió là khi tốc độ gió
thay đổi, tốc độ quay của turbine cũng thay đổi theo, khi tốc độ trục chính tăng cao
vượt qua tốc độ cho phép thì có thể gây cháy máy phát hoặc mất cân bằng toàn bộ hệ
thống turbine gây ra những thiệt hại nghiêm trọng.
Nhận biết được tầm quan trọng của động cơ phát điện gió, đề tài “Nghiên cứu, tính
toán, thiết kế và chế tạo mô hình bộ điều tốc turbine gió bằng cách sử dụng hệ bánh
răng nón” được thực hiện. Với bộ điều tốc này có thể giữ cho tốc độ quay của turbine
ổn định bằng cách xoay cánh để thay đổi diện tích bề mặt hứng gió, giúp cho turbine
luôn hoạt động với hiệu suất lớn nhất, linh hoạt vừa tạo sự ổn định, mặt khác phải giữ
được sự cân bằng cho toàn bộ hệ thống turbine gió.
Khi đề tài được khai thác một cách triệt để sẽ hứa hẹn mang đến nhiều thành công
mới trong việc xây dựng và chế tạo máy phát điện gió phù hợp với mọi sự thay đổi từ
gió, nâng cao sự hoạt động ổn định cho toàn bộ hệ turbine gió, đảm bảo độ cân bằng
của toàn bộ hệ thống được và giảm bớt những rủi ro đồng thời mang lại hiệu quả kinh
tế cao.
1.1.2 Mục đích của đề tài nghiên cứu
Một turbine gió cần phải hoạt động với một công suất tối ưu, phải khai thác được
tiềm năng vốn có của nó, đồng thời cần phải xét về chi phí, mức độ bảo trì... Chính vì

thống turbine hơn so với quá trình điều khiển đồng bộ.

15


Luận văn Thạc sỹ

a

b

c

d

Hình 1.1.3 Các dạng kết cấu của hệ thống xoay cánh turbine đã được nghiên cứu .
Với phương pháp thiết kế cũ là 3 cánh turbine đều cố định. Với kết cấu này, luôn
đảm bảo hệ thống an toàn về mặt kết cấu nhưng nếu vận tốc gió thay đổi đột ngột về
tốc độ, cũng như hướng di chuyển thì hiệu suất turbine sẽ không đạt hiệu quả như
mong muốn. Hiện nay, dạng thiết kế này ít sử dụng, thường sử dụng chủ yếu nơi gió
có công suất nhỏ như các hộ gia đình.
Kết hợp 2 kết cấu trên, việc thiết kế một hệ thống kết cấu có thể điều khiển xoay
cánh một cách đồng bộ có nhiều ưu điểm. Kết cấu này cũng đang được nghiên cứu
nhiều trên thế giới với những kết cấu đa dạng nhưng quá trình điều khiển cũng như
kết cấu vẫn chưa hoàn toàn tối ưu [hình 1.1.3 b, c, d], vẫn còn phức tạp về kết cấu.

16


Luận văn Thạc sỹ


CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Tổng quan về năng lƣợng gió
2.1.1 Định nghĩa turbine gió và máy phát điện gió
Turbine gió là máy dùng để biến đổi động năng của gió thành cơ năng. Máy năng
lượng này có thể được dùng trực tiếp như trong trường hợp của cối xay bằng sức gió,
hay biến đổi tiếp thành điện năng như trong trường hợp máy phát điện bằng sức gió.
Máy phát điện bằng sức gió bao gồm nhiều thành phần khác nhau. Nhưng thành phần
quan trọng nhất vẫn là motor điện một chiều; loại dùng nam châm bền và cánh đón lấy
gió. Còn lại là các bộ phận khác như: đuôi lái gió, trục và cột để dựng máy phát, bộ
phận đổi dòng điện để hợp với bình ắcqui và cuối cùng là một chiếc máy đổi điện
(inverter) để chuyển điện từ ắc quy thành điện xoay chiều thông dụng.
Máy phát điện turbine gió thường sử dụng máy phát là loại xoay chiều có nhiều
cặp cực do kết cấu đơn giản và phù hợp đặc điểm tốc độ thấp của turbine gió.
Các máy phát điện sử dụng năng lượng gió thường được xây dựng gần nhau và điện
năng sản xuất ra được hòa vào mạng điện chung sau đó biến đổi để có được nguồn điện
phù hợp. Việc sử dụng ăc quy để lưu giữ nguồn điện phát ra chỉ sử dụng cho máy phát
điện đơn lẻ và cung cấp cho hộ tiêu thụ nhỏ (gia đình). Việc lưu điện vào ắc quy và sau
đó chuyển đổi lại thường cho hiệu suất thấp hơn và chi phí cao cho bộ lưu điện tuy
nhiên có ưu điểm là ổn định đầu ra.
Ngoài ra còn có một cách lưu trữ năng lượng gió khác. Người ta dùng cánh quạt
gió truyền động trực tiếp vào máy nén khí. Năng lượng gió sẽ được tích trữ trong hệ
thống rất nhiều bình khí nén. Khí nén trong bình sau đó sẽ được lần lượt bung ra để

18