Nghiên cứu dự đoán tuổi thọ mỏi của cánh Tua-bin gió bằng composite

- VŨ ĐÌNH QUÝ HÀ NỘI – 2017 i CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên tác giả luận văn: Đỗ Anh Tuấn Đề tài luận văn: Nghiên cứu dự đoán tuổi thọ mỏi của cánh tua-bin gió bằng composite.
- Vũ Đình Quý iii TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU DỰ ĐOÁN TUỔI THỌ MỎI CÁNH TUA-BIN GIÓ BẰNG COMPOSITE Tóm tắt: Tuổi thọ mỏi là tiêu chí để thiết kế cần thiết cho hầu hết các bộ phận của tua-bin gió vì tua-bin gió phải vận hành liên tục trong một khoảng thời gian dài (từ 25 năm trở lên) để có hiệu quả về kinh tế.
- Luận văn trình bày phương pháp phân tích, dự đoán tuổi thọ mỏi của tua-bin gió cỡ nhỏ dựa vào các mô đun tính toán của phần mềm ANSYS.
- Phổ tải gió được xác định bằng code tính toán động lực học chất lỏng Ansys-Fluent rồi chuyển qua code tính toán kết cấu nhờ kĩ thuật FSI một chiều để xác định phổ ứng suất trên tua bin gió.
- Kết quả tính toán tuổi thọ mỏi cho tua bin gió cỡ nhỏ cho thấy thành phần ứng suất gây ra bởi lực ly tâm là rất lớn trong khi ứng suất gây ra bởi lực trọng trường là nhỏ.
- 1CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHÂN TÍCH MỎI TRÊN TUA-BIN GIÓ.
- 21.2.1 Bài toán mỏi với tua-bin gió.
- 21.2.2 Quá trình thiết kế mỏi cho tua-bin gió.
- 92.2 Tuổi thọ mỏi.
- 22CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH MỎI CHO TUA-BIN GIÓ WT 6000 6kW.
- 233.2 Tua-bin WT6000 6kW.
- 233.2.2 Cơ cấu thay đổi chúc ngóc cánh tua-bin gió.
- 25 v 3.2.3 Mô hình tua-bin gió.
- 263.3 Phân tích mỏi cánh tua bin gió WT6000 6kW.
- 7Hình 3: Đường cong S-N chỉ ra yêu cầu ứng suất mỏi của tua-bin gió so với những kết cấu khác.
- 21Hình 11: Đồ thị công suất phát theo vận tốc gió củ tua-bin Proven WT6000.
- 25Hình 12: Sự thay đổi tốc độ quay của cánh tua-bin theo vận tốc gió.
- 25Hình 13: Cơ cấu thay đổi góc chúc ngóc của tua-bin gió.
- 27Hình 15: Quy trình phân tích mỏi cánh tua bin gió.
- 28Hình 16: Quy trình xác định phổ ứng suất trên cánh tua-bin gió.
- 29Hình 17: Các lực tác dụng lên cánh tua bin gió.
- 41Hình 30: Thiết lập các lực vật lí tác dụng lên cánh tua-bin.
- 16Bảng 3: Thông số kĩ thuật của tua-bin Proven WT6000.
- 24Bảng 4: Góc đặt ban đầu của cánh tua-bin gió.
- 26Bảng 5: Dây cung và góc đặt cánh ở các vị trí khác nhau dọc theo cánh tua-bin.
- Qua quá trình tìm hiểu về các loại tua bin gió hiện nay tôi quyết định chọn đề tài: “Nghiên cứu dự đoán tuổi thọ mỏi của cánh tua-bin gió bằng composite”.
- Chương 1: Tổng quan về phân tích mỏi trên tua-bin gió 2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHÂN TÍCH MỎI TRÊN TUA-BIN GIÓ 1.1 Giới thiệu Mục đích của chương này là tìm hiểu tổng quan những nghiên cứu trước đây về phân tích tuổi thọ mỏi của tua-bin gió.
- Sau khi xem xét ngắn gọn bài toán mỏi trên tua-bin gió được, các phương pháp khác nhau được phát triển để đánh giá tuổi thọ mỏi của tua-bin gió đã được xác định.
- Qua phân tích, một phương pháp phân tích mỏi được lựa chọn để tính toán tuổi thọ mỏi của tua-bin gió cỡ nhỏ được trình bày.
- 1.2 Tổng quan về chương trình nghiên cứu mỏi 1.2.1 Bài toán mỏi với tua-bin gió Sự mỏi được xác định là nguyên nhân chính gây ra phá hủy trên các bộ phận của tua-bin gió.
- Một lỗi do mỏi được xét trên lá cánh từ tua-bin gió Smith-Putnam vào năm 1945.
- Tua-bin này được đặt cố định trong nhiều năm.
- Theo thử nghiệm của Rocky Flats gần một nửa các phá hủy xảy ra tại bề mặt lắp ghép rotor với lá cánh tua-bin.
- Do đó trung tâm nghiên cứu năng lượng gió Rocky Flats đã khởi động một dự án nghiên cứu về tuổi thọ mỏi cho tua-bin gió.
- Chương trình nghiên cứu tại phòng thí nghiệm Sandia bao gồm việc đo lường các đặc tính mỏi của vật liệu, định nghĩa về tải tác dụng lên tua-bin và sự phát triển của các công cụ dự đoán tuổi thọ mỏi.
- Nhờ những kết quả đó những tua-bin được lắp đạt gần đây đã có những cải thiện đáng kể về độ bền mỏi 1.2.2 Quá trình thiết kế mỏi cho tua-bin gió Có hai cách tiếp cận để phân tích mỏi trên tua-bin gió.
- Cả hai cách này đều được sử dụng thành công trong thiết kế mỏi tua-bin gió.
- Các tiếp cận S-N được áp dụng với số chu kì mỏi lớn như là trường hợp tua-bin gió, cách này sẽ được áp dụng trong luận văn này.
- Đây là Chương 1: Tổng quan về phân tích mỏi trên tua-bin gió 3 một phương pháp được sử dụng bởi hầu hết các nhà nghiên cứu, và hiện tại được chấp nhận để đánh giá tuổi thọ mỏi theo tiêu chuẩn châu Âu.
- Để có thể đánh giá tuổi thọ mỏi, đầu tiên tải trọng mà tua-bin gió phải chịu cần được phân tích.
- Khi đã đánh giá được tải trọng tác dụng lên tua-bin gió chúng ta cần có một phương pháp để dự đoán tuổi thọ mỏi.
- Phương pháp sức bền vật liệu là phương pháp đơn giản nhất, phương pháp này đã được sử dụng trong việc thiết kế tua-bin gió 8kW Grumman [1].
- Số chu kì tải được tính toán bằng cách sử dụng một phân bố Weibull và những đặc tính hoạt động của tua-bin gió (rpm).
- Trong phương pháp này sự vận hành của tua-bin chia làm các trường hợp khác nhau như: khởi động, hoạt động bình thường, điều khiển tốc độ quay rotor, lắc ngang, tắt Chương 1: Tổng quan về phân tích mỏi trên tua-bin gió 4 máy (trường hợp bình thường và khẩn cấp), và khi chịu gió với vận tốc rất lớn.
- Tải trọng mà tua-bin phải chịu trong mỗi trường hoạt động trên cần được tính toán.
- Có thể nói rằng khi số chu kì tải tăng thì độ chính xác của phương pháp dự đoán tuổi thọ mỏi cũng tăng theo, do đó phương pháp Palmgren-Milner là lựa chọn tốt nhất cho việc dự đoán tuổi thọ mỏi trên các bộ phận của tua-bin.
- Với tua-bin gió, số chu kì mỏi bao gồm các tải trọng trung bình thay đổi thì phương pháp đếm chu kì rainflow là phương pháp tối ưu hơn cả.
- Một cơ sở dữ liệu có thể thu được từ việc mô tả các đặc điểm của tải trọng mỏi thực nghiệm bằng một hệ thống Chương 1: Tổng quan về phân tích mỏi trên tua-bin gió 5 gió dưới các điều kiện gió khác nhau.
- Dựa trên các nghiên cứu của Waldon, Edderson và Stoddard đã trình bày một phương pháp dự đoán tuổi thọ mỏi cho tua-bin gió.
- Sau đó Mandsen xuất bản một bản phân tích chi tiết về ảnh hưởng của động lực học lên sự phá hủy mỏi của tua-bin gió.
- Chương 1: Tổng quan về phân tích mỏi trên tua-bin gió 6 Hình 1: Các chế độ tải [12] Phương pháp được phát triển bởi Finger được áp dụng cho việc thiết kế kết cấu của tua-bin 2.5 MW Mod-2 và 3.2MW Mod-5B Boeing.
- Để tính toán tuổi thọ mỏi của tua-bin gió thông qua các thông số đầu vào như: (1) Phân bố vận tốc gió hàng năm của khu vực, (2) Dữ liệu mỏi, (3) Những chu kì tải và tốc độ gió trung bình, (4) tham số hoạt động và hệ số tập trung ứng suất trên các bộ phận.
- Những ứng suất trung bình và biên độ ứng suất sẽ được nhập vào tùy Chương 1: Tổng quan về phân tích mỏi trên tua-bin gió 7 theo các trạng thái vận hành khác nhau của tua-bin, những giá trị này có thể thu được từ mô phỏng hoặc đo lường theo dữ liệu thời gian.
- Việc dự đoán tuổi thọ mỏi có thể thu được bằng cách tổng hợp các phá hủy gây ra bởi chu kì tải cho mỗi trạng thái hoạt động của tua-bin.
- IEC tập trung vào các tua-bin cỡ nhỏ.
- Tiêu chuẩn EUR 16898 EN [13] là tiêu chuẩn của châu Âu với mục đích đồng nhất các phương pháp để phân tích mỏi trên tua-bin gió.
- Trong tiêu chuẩn này phá hủy mỏi trên các bộ phận của tua-bin gió có thể thu được từ phổ ứng suất.
- Thông thường ta sẽ lấy dữ liệu gió trong 1 năm vận hành của tua-bin gió.
- Sự thay đổi hướng gió cũng nên được xem xét ảnh hưởng đến độ bền mỏi của tháp tua-bin.
- Hình 2 cho ta thấy sơ đồ cho việc đánh giá mỏi theo tiêu chuẩn: Hình 2: Sơ đồ đánh giá mỏi Chương 1: Tổng quan về phân tích mỏi trên tua-bin gió 8 1.3 Phương pháp được sử dụng.
- Mục tiêu chính của luận văn là đánh giá tuổi thọ mỏi của tua-bin gió WT6000.
- Việc phân tích mỏi sẽ được áp dụng trên cánh tua-bin vì đây là vị trí nhạy cảm nhất về mỏi của tua-bin gió do chịu số chu kì tải là lớn nhất.
- Ảnh hưởng của sự nhiễu loạn do gió thay đổi được bỏ qua với hệ thống tua-bin nhỏ.
- Phương pháp đếm chu kì rainflow được dùng để đếm số chu kì chịu tải của cánh tua-bin gió.
- Các bước tương tự được sử dụng với hầu hết các nhà nghiên cứu để đánh giá tuổi thọ mỏi của tua-bin gió là: (1) Xác định phổ tải, (2) Phổ ứng suất, (3) áp dụng quy luật về phá hủy mỏi.
- Chương 2: Phương pháp phân tích mỏi 9 CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MỎI 2.1 Giới thiệu Trong chương này, chúng ta sẽ phân tích tầm quan trọng của việc đánh giá độ bền mỏi của tua-bin gió.
- 2.2 Tuổi thọ mỏi Giống như tất cả các loại máy móc chuyển động quay khác, tua-bin gió chịu tác động của tải trọng mỏi.
- Những kết cấu của tua-bin gió rất khó để tính toán, dự đoán tuổi thọ mỏi vì chúng có các đặc điểm sau.
- Những yêu cầu về tuổi thọ mỏi là tiêu chí bắt buộc trong thiết kế phần lớn các kết cấu của tua-bin gió.
- Tuổi thọ mỏi là tiêu chí để thiết kế cần thiết cho hầu hết các bộ phận của tua-bin gió vì tua-bin gió phải vận hành liên tục trong một khoảng thời gian dài (từ 25 năm trở lên) để có hiệu quả về kinh tế.
- Các cánh tua-bin là các bộ phận nhạy cảm nhất vì kích thước và số chu kì tải chúng phải chịu.
- Trong một vòng đời của tua-bin gió, mỗi cánh tua-bin phải chịu ít nhất một tỷ chu kì mỏi.
- Tuổi thọ của tua-bin gió được thiết kế bao gồm nhiều chu kì tải hơn so với các kết cấu khác, do vậy giá trị ứng suất trên tua-bin gió phải thấp hơn so với các kết cấu khác như được chỉ ra trên Hình 3.
- Chương 2: Phương pháp phân tích mỏi 10 Số chu kì tảitrước khi phá hủyỨng suất cho phépMáy bay chở kháchCầuTrựcthăngCánh tuabin giótuổithọ 20-30 nămTàucánhngầm Hình 3: Đường cong S-N chỉ ra yêu cầu ứng suất mỏi của tua-bin gió so với những kết cấu khác.
- Việc đánh giá tuổi thọ mỏi của tua-bin gió yêu cầu dữ liệu về đặc tính mỏi của kết cấu và tải tác dụng lên các bộ phận.
- Tải trọng tác dụng lên tua-bin bao gồm: tải gió, trọng lực và lực quán tính, lực li tâm.
- Những tải này có thể được xác định bằng cách đo trực tiếp trên tua-bin đang hoạt động dựa vào các cảm biến biến dạng hoặc bằng phương pháp tính toán kết cấu bằng mô phỏng số.
- Những dữ liệu trên sẽ được dùng để đánh giá tuổi thọ của tua-bin gió.
- Chương 2: Phương pháp phân tích mỏi 11 Phương pháp của Spera [14] để dự đoán tuổi thọ mỏi của các bộ phận tua-bin gió sẽ được trình bày.
- Tua-bin gió được thiết kế để sản xuất điện, và do đó phải cạnh tranh về mặt kinh tế với các nguồn điện truyền thống.
- Tải và phổ ứng suất ở các bộ phận tới hạn của tua-bin gió 2.
- Trong một kết cấu chịu tải biến đổi lớn như tua-bin gió, hư hại mỏi được xác định bởi biên độ và tần số của các chu kì tải hoặc phổ ứng suất ở các vị trí tới hạn.
- Trong trường hợp đó số vòng tải mỏi trên vòng sẽ ngang với số cánh tua-bin.
- Chương 2: Phương pháp phân tích mỏi 13 Kiểu II: các chu kì được gây ra bởi cơn gió giật mạnh bao phủ cả phần rotor trong điều kiện ở khu vực đặt tua-bin.
- Tổng hợp của cả ba loại chu kì cho ta số chu kì mà tua-bin gió phải chịu trong suốt quá trình khởi động- chạy- tắt.
- 2.8 Dữ liệu mỏi thích hợp Phương pháp hư hại tuyến tính S-N được giải thích ở phần trước sẽ được dùng để tính toán ảnh hưởng của phổ tải lên độ bền mỏi cho tua-bin gió.
- Phương pháp này sẽ được sử dụng để dự đoán tuổi thọ mỏi cho tua-bin gió WT6000.
- Với mục đích này, giả thuyết về sự chồng chất phá hủy mỏi tuyến tính được đề xuất bởi Palmer- Miner được kết hợp với phổ ứng suất của tua-bin.
- Cuối cùng là các đặc tính mỏi cho vật liệu làm lá cánh tua-bin.
- 23 CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH MỎI CHO TUA-BIN GIÓ WT 6000 6kW 3.1 Giới thiệu Trong phần này ta sẽ sử dụng phương pháp phân tích mỏi để tính toán tuổi thọ của tua-bin gió.
- Tuổi thọ của tua-bin gió có thể được xác định theo hai cách khác nhau.
- sau đó thiết kế tua-bin gió để đảm bảo được tất cả các ứng suất hoạt động đều nằm dưới ứng suất mỏi cho phép.
- Phương pháp thứ hai thường được dùng trong tính toán mỏi tua-bin gió hiện nay và sẽ được sử dụng trong phần này của báo cáo.
- Ứng suất cho phép này có thể được tính toán cho tất cả các bộ phận của tua-bin gió.
- Tuy nhiên, dễ dàng nhận thấy rằng trong kết cấu tua-bin gió thì phần cánh quay (rotor blade) là bộ phận chịu ứng suất tới hạn liên quan đến mỏi và sẽ là bộ phận được phân tích.
- Ngoài ra, trong cánh tua-bin gió thì phần gốc cánh cũng là nơi tập trung ứng suất nguy hiểm.
- Đầu tiên tất cả các thông số kỹ thuật của tua-bin gió sẽ được trình bày.
- Sau đó phân bố trường ứng suất sẽ tính cho cánh tua-bin gió, đặc biệt phần gốc cánh.
- 3.2 Tua-bin WT6000 6kW Quy trình phân tích tuổi thọ mỏi sẽ được ứng dụng cho tua-bin Proven WT6000 có công suất 6kW với các đặc điểm được trình bày chi tiết trong các mục tiếp theo.
- 3.2.1 Thông số kĩ thuật Thông số kĩ thuật của tua-bin gió Proven WT6000 được trình bày chi tiết trong Bảng 3

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt