ứng dụng năng lượng gió để bơm nước vào ruộng muối

ứng dụng năng lượng gió để bơm nước vào ruộng muối

MỤC LỤC

Trang

MỤC LỤC 1

LỜI NÓI ĐẦU 5

Chương 1: TỔNG QUAN SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG GIÓ 7

1.1 Sử dụng năng lượng gió ở một số nước trên thế giới: 7

1.2 Gió – nguồn năng lượng mới ở Việt Nam: 9

1.2.1 Tiềm năng gió ở Việt Nam: 9

1.2.2 Tình hình ứng dụng: 11

1.2.3 Vấn đề năng lượng gió trong chương trình Năng Lượng Mới: 13

1.3 Điều tra cơ bản trong vấn đề năng lượng gió: 15

1.3.1 Những thông số cơ bản của gió: 15

1.3.2 Thiết bị điều tra năng lượng gió 16

Chương 2: CÁC PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG 18

2.1 Phương pháp nghiên cứu và cơ sở lý thuyết được áp dụng: 18

2.1.1 Phương pháp nghiên cứu: 18

2.1.2 Công việc nghiên cứu: 18

2.2 Một số loại động cơ gió đã đựơc ứng dụng: 18

2.2.1 Phân loại theo trục động cơ gió: 19

2.2.2 Phân loại theo số lượng cánh: 21

2.3 Các phương án thiết kế: 22

2.3.1 Phương án thứ nhất: 22

2.3.2 Phương án thứ hai: 23

2.3.3 Phương án thứ ba 24

2.3.4 Phương án thứù tư: 25

Chương 3: LÝ THUYẾT BƠM 27

3.1 Phân loại các dạng bơm: 27

3.1.1 Bơm thể tích: 27

3.1.2 Bơm ly tâm: 32

3.1.3 Bơm cánh nâng: 34

3.2 Tiêu chí chọn bơm: 35

3.3 Kết luận và chọn bơm: 35

Chương 4: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ 37

4.1 Gió – công suất của gió: 37

4.1.1 Lý thuyết về công suất gió: 37

4.2.1 Số liệu gió: 39

4.1.3 Tính sơ bộ công suất gió: 41

4.2 Tính toán thiết kế cánh quạt: 41

4.2.1 Số lượng cánh: 41

4.2.2 Dạng cánh 43

4.2.3 Lực nâng cánh: 44

4.2.4 Nguyên lý làm việc của cánh quạt gió: 45

4.2.5 Tính toán các kích thước của cánh: 46

4.2.5 Kết cấu của cánh: 49

4.2 6 Lắp ghép cánh: 49

4.2.7 Kiểm tra mối ghép then: 50

4.3 Số vòng quay trên trục của quạt: 50

4.3.1 Aùp lực gió tác dụng lên mỗi cánh: 50

4.3.2 Số vòng quay trên trục chính và mômen xoắn: 51

4.4 Cơ cấu định hướng: 53

4.4.1 Các kích thước của đuôi lái: 54

4.4.2 Kết cấu và lắp ghép đuôi lái: 55

4.5 Tính toán thiết kế bộ truyền bánh răng côn: 55

4.5.1 Chọn vật liệu: 56

4.5.2 Tỉ số truyền của cặp bánh răng côn: 56

4 5.3 Xác định ứng suất cho phép: 57

4.5.4 Tính toán các thông số và kiểm nghiệm cặp bánh răng côn: 59

4.5.4.5 Kiểm nghiệm về quá tải 64

4.6 Tính toán trục của bộ truyền bánh răng côn: 65

4.6.1 Các thông số ban đầu: 65

4.6.2 Các lực ban đầu: 66

4.6.3 Chọn vật liệu: 66

4.6.4 Xác định đường kính các đoạn trục: 66

4.6.5 Tính kiểm nghiệm trục về độ bền mỏi: 69

4.6 6 Tính và kiểm nghiệm độ bền của then: 71

4.6.7 Chọn và kiểm nghiệm ổ trục: 72

4.7 Phanh đai trên trục quạt: 75

4.7.1 Lý thuyết về phanh đai: 76

4.7.2 Tính toán các thông số động học của đai: 78

4.8 Tính toán thiết kế hộp tốc độ: 79

4.8.1.Các thông số ban đầu: 79

4.8.2 Yêu cầu thiết kế: 80

4.8.3 Chọn vật liệu: 80

4.8.4 Phân phối tỉ số truyền trong hộp tốc độ: 80

4.8.5 Xác định ứng suất cho phép: 82

4.8.6 Tính toán cho cấp 1 của bộ truyền(cấp chậm): 84

8.6.6 Các thông số và kích thức bộ truyền bánh răng cấp chậm: 89

4.8.7 Tính toán và kiểm nghiệm các trục của hộp tốc độ: 95

4.8.9 Chọn và kiểm nghiệm ổ đỡ trục: 105

4.9 Tính toán bộ truyền đai: 112

4.9.1 Các thông số ban đầu: 112

4.9.2 Chọn tiết diện đai: 112

4.9.3 Đường kính, khoảng cách trục: 112

4.9.5 Xác định lực căng ban đầu: 115

4.10 Các chi tiết khác: 115

4.10.1 Cơ cấu Các-đăng: 115

4.10.2 Trục thẳng đứng: 117

4.10.3 Tính chọn bulông cho cụm đỡ trục trên: 117

4.11 Cột tháp: 118

4.11.1 Kết cấu cột thép: 118

4.11.2 Xác định thành phần động của tải trọng gió lên cột tháp: 118

KẾT LUẬN 121

TÀI LIỆU THAM KHẢO 122

LỜI NÓI ĐẦU

Năng lượng gió là một trong những nguồn năng lượng vô tận trong thiên nhiên Con người đã biết sử dụng loại năng lượng này từ lâu, nhưng chỉ dừng lại ở mức độ thô sơ

Trong những năm gần đây, vấn đề khan hạn năng lượng cổ điển như than, dầu mỏ, củi được đặt ra một cách gay gắt, các nhà khoa học bắt đầu lao vào việc nghiên cứu nhằm khai thác năng lượng gió trên cơ sở kỹ thuật hoàn chỉnh hơn, nhiều mẫu động cơ gió đã được thử nghiệm và hoàn thiện, nhiều dự án khai thác và ứng dụng năng lượng gió được đề cập

Ở nước ta, trong những năm gần đây cũng bắt đầu nghiên cứu để khai thác nguồn năng lượng này với nhiều tiềm năng của một nước có bờ biển trải dài và lộng gió

Năng lượng gió được ứng dụng chủ yếu trong việc trực tiếp tạo ra điện năng phục vụ sinh hoạt, sản xuất; hoặc dùng trực tiếp để bơm nước tưới tiêu Vùng duyên hải miền Trung nước có bờ biển trải dài Ở đây, bà con nông dân có một nghề rất phổ biến, đó là nghề làm muối Việc làm muối phải lấy nước từ ngoài biển vào Ngày trước người ta thường đào các kênh mương cho nước biển chảy vào trong bờ rồi mới gánh nước này đổ vào ruộng muối Làm như vậy rất vất vả cho người nông dân mà hiệu quả kinh tế cũng không cao Vậy tại sao chúng ta không tận dụng nguồn năng lượng gió có sẵn trong thiên nhiên?

Trong quá trình thực tập tốt nghiệp, chúng em đã có thời gian tìm hiểu về vấn đề này Được quý thầy cô giáo trong bộ môn Cơ Sở Thiết Kế Máy giao nhiệm vụ thiết kế hệ thống quạt gió và bơm để bơm nước biển

vào ruộng muối: “ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG GIÓ ĐỂ BƠM NƯỚC VÀO RUỘNG MUỐI” với đối tượng phục vụ là bà con nông dân ở vùng

duyên hải miềm Trung

Chúng em cố gắng tìm tòi và thực hiện việc thiết kế dưới sự hướng

dẫn tận tình của thầy LÊ KHÁNH ĐIỀN cùng quý Thầy, cô giáo trong bộ

môn và khoa Cơ Khí đã giúp đỡ chúng em hoàn thành công việc

Trong thời gian thực hiện luận văn, các bạn sinh viên cũng đóng góp không nhỏ Những lần trao đổi, thảo luận các bạn đã giúp chúng em phát hiện được những sai sót, những vấn đề chưa hoàn thiện, cũng như tìm ra hướng giải quyết mới

Tuy nhiên, do kiến thức còn hạn chế và đây là lần đầu tiên thiết kế một hệ thống hoàn chỉnh nên Luận Văn Tốt Nghiệp của chúng em không tránh được những sai sót Chúng em rất mong được tiếp nhận nhiềâu ý kiến của quý thầy cô và các bạn sinh viên

Chúng em xin chân thành cảm ơn sự tận tình của thầy hướng dẫn cùng quý thầy cô trong bộ môn Thiết Kế Máy, các bạn sinh viên đối với chúng em trong thời gian thực hiện Luận Văn Tốt Nghiệp

Tp Hồ Chí Minh, ngày 27 tháng 12 năm 2002

Nhóm sinh viên thực hiện

TRẦN ĐÌNH THOẠI NGUYỄN HỮU THUẦN

Chương 1 TỔNG QUAN SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG GIÓ

1.1 Sử dụng năng lượng gió ở một số nước trên thế giới:

Những nguồn năng lượng hiện đang được con người khai thác sử dụng trong đời sống và sản xuất như than, dầu khí và chất phóng xạ không phải là vô tận trong lòng đất Vấn đề này đã được đặt ra một một cách nghiêm túc trước tình hình tiêu thụ năng lượng ngày một tăng trên thế giới và đang trở thành mối quan tâm hàng đầu của nhiều nước trên thế giới hiện nay Việc tìm các nguồn năng lượng khác thay thế đang là yêu cầu cấp thiết Trong số các dạng năng lượng mới được đưa vào chương trình nghiên cứu khai thác có nhiều dạng năng lượng mà con người đã quen dùng từ thời xưa như gió, mặt trời, địa nhiệt,… nhưng chỉ dưới dạng thô sơ

Từ lâu, nhiều nước có nền công nghiệp phát triển đã sử dụng năng lượng không truyền thống (năng lượng mới), trong đó có năng lượng gió Nhưng gần đây, việc sử dụng năng lượng này được nhiều nước rất quan tâm để giải quyết sự thiếu hụt về các năng lượng hoá thạch và góp phần cải thiện việc bảo vệ môi trường

Với công nghệ hiện nay, giá cả để lắp đặt một máy phát điện chạy bằng sức gió(FĐSG) bằng 63% so với nhiệt điện và bẳng 37,7% so với điện mặt trời Hoa kỳ đang dẫn đầu thế giới về sử dụng năng lượng gió với tổng công suất 2500 MW Châu Âu đang thu hẹp khoảng cách nhờ nỗ lực của một số nước như: Đức, Tây Ban Nha, Hà Lan, Đan Mạch, Thụy Điển, NaUy, Phần Lan; trong đó có 4 nước đã thực hiện nối lưới điện lớn nhất với công suất 100 MW và chiếm 77% công suất FĐSG của EC

Ngay từ năm 1957, Liên Xô(cũ) đã lắp đặt 18.000 FĐSG để cung cấp điện cho các vùng hẻo lánh xa lưới điện quốc gia Năm 1997, Đức đã lắp đặt

tại một vùng xa lưới điện quốc gia (Gzeat Yazmouth) 25 tổ máy FĐSG có tổng công suất 37,5 MW, phục vụ sản xuất và sinh hoạt cho 56.000 người dân Đan Mạch hàng năm sản xuất 500MW xuất khẩu đi các nước Máy có công suất lớn nhất hiện nay mà Đan mạch sản xuất là 3 MW

Năm 1997, Trung quốc đã có 140.000 máy FĐSG lớn nhỏ các loại, trong đó có hai máy có công suất là 250 KW Tại các đảo lớn nhỏ có dân cư sinh sống, hàng năm máy FĐSG sản xuất ra, trong đó có hai máy có công suất là

250 KW Tại các đảo lớn nhỏ có dân cư sinh sống, hàng năm máy FĐSG sản xuất ra 12 triệu KWh điện

Tỉ lệ điện năng từ máy FĐSG so với tổng điện năng của các nước cho đến năm 1996 là: Hoa kỳ 8%, Đan mạch 10%, Hà lan 10%, Thụy điển 12%, các vùng thuộc Liên xô cũ là 9.5% Chi phí xây dựng máy FĐSG trung bình là 1 triệu USD/MW

Gió hầu như có mặt khắp nơi, tuy nhiên tính chất gió còn phụ thuộc nhiều yếu tố khác nhau và thường phân bố không đều trên quy mô lớn cũng như trong từng địa phương Như vậy, tiềm năng gió phân bố không đều trên trái đất Trên bản đồ phân bố tiềm năng gió trên thế giới, ta thấy tiềm năng gió lớn nhất ở vùng hàn đới và cực đới Tại các vùng này cường độ gió trung bình từ 7m/s lên tới 11m/s Vùng bờ biển miềm ôn đới và vùng giữa các đại dương, cường độ gió cũng khá mạnh có trị số xấp xỉ trị số trên Tiềm năng gió tại các vùng này được đánh giá vào khoảng từ 500W/m2 đến 1500W/m2 Trên đất liền, tiềm năng gió còn tùy thuộc khá nhiều vào địa hình Thông thường chỉ có các vùng bờ biển hoặc vùng núi, cao nguyên có thể có gió mạnh nhưng không quá lớn và liên tục

Về phương diện sử dụng và nối mạng, thường là hoà vào lưới điện quốc gia (với công suất lớn), phát trên lưới địa phương (với công suất nhỏ và trung bình) Phần lớn là lắp đặt tại các hộ gia đình dùng trực tiếp hoặc nạp vào acquy dự trữ Nhiều nước dùng nặng lượng gió dể vận hành các máy công tác

như: Bơm nước, xay xát gạo, máy nghiền thức ăn gia xúc ở xí nghiệp chế biến nhỏ và gia đình

1.2 Gió – nguồn năng lượng mới ở Việt Nam:

1.2.1.Tiềm năng gió ở Việt Nam:

Theo số liệu số sơ bộ đánh giá ở Việt Nam cũng như ở nhiều vùng nhiệt đới lân cận, tiềm năng gió không lớn lắm Tại vùng biển Đông, khu vực đảo Trường sa có tiềm năng gió lớn nhất tiềm năng gió trong vùng này có thể đạt trị số 300400 W/m2và tốc độ gió trung bình khoảng 6 m/s

Việt nam có bờ biển khá dài từ vĩ độ 80 đến 240 và gần 3000 đảo lớn nhỏ, phần lớn đều có dân cư sinh sống Tại đây có gió quanh năm và ưu điểm là không có tính chu kỳ như bức xạ mặt trời

Thông thường tốc độ gió ở các địa điểm đã nêu như trên có gió từ cấp 2 trở lên Trong thực tế và lý thuyết khi vận tốc gió lớn hơn 3 m/s thì máy FĐSG có thể tự khởi động làm việc được

Theo số liệu về năng lượng gió, ta có vận tốc gió trung bình 6(m/s) tháng và năm ở một số địa phương như ở bảng sau:

Vận tốc gió trung bình tháng và năm(V,m/s).

3 ) Kwh/m2.

ti: Số giờ có tốc độ gió trong năm

Như vậy ở mỗi địa phương có vị trí địa lý hướng gió khác nhau sẽ có tốc độ gió không giống nhau Do đó giá trị năng lượng gió phải khác nhau

Ví dụ: Mật độ năng lượng gió kWh/m2.năm ở một số vùng hình thành như sau:

- Tây nguyên: 600 Kwh/m2.năm

- Đồng bằng sông Hồng: 250 Kwh/m2.năm

- Quảng Nam – Quảng Ngãi: 400 Kwh/m2.năm

- Bình Định – Khánh Hòa: 750900 Kw/m2.năm

- Hà Nam Ninh – Cam Ranh – Vũng Tàu:700 800 Kwh/m2.năm

- Tiền Giang – Cà Mau: 500 Kwh/m2.năm

- Bờ biển Bắc bộ: 500 600 Kwh/m2.năm

- Các hòn đảo phía Đông: 1500 Kwh/m2.năm

Các ví dụ sau đây là đặc trưng về biểu đồ mật độ năng lượng và tốc độ gió ở đảo Cô Tô và trạm Rạch Giá:

50 100 160

250

200 300

I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII

Năng lượng gió

Tốc độ gió

Mật độ năng lượng gió ở trạm CoÂToÂ

1.2.2 Tình hình ứng dụng:

Cuối năm 1999, nước ta vẫn còn 27 huyện chưa có lưới điện quốc gia, đặc biệt là đối với các huyện đảo xa đất liền thì việc truyền tải rất khó khăn

Vì vậy, mấy năm gần đây chúng ta đã quan tâm tới việc nghiên cứu sử dụng nguồn năng lượng không truyền thống, năng lượng gió, năng lượng mặt trời Với năng lượng gió, nhân dân ta nói chung chưa có tập quán khai thác năng lượng gió trong sản xuất nông nghiệp, công nghiệp ở nước ta Chúng ta không bắt gặp những cối xay gió như thường thấy ở nông thôn các vùng ôn đới Châu Aâu Sức gió chỉ được ứng dụng để đẩy thuyền trên sông và trên biển Điều đó phần nào chứng tỏ rằng thực tế sử dụng năng lượng gió trên lãnh thổ nước ta không lớn và kỹ thuật cổ truyền không đủ khả năng khai thác có lợi nguồn năng lượng này, hoặc nguồn năng lượng gió này không đủ khả năng cạnh tranh với các dạng năng lượng dễ kiếm khác Trong những năm gần đây, trước nhu cầu năng lượng trong nền kinh tế quốc dân ngày càng một lớn và nguồn năng lượng cổ truyền ngày càng khan hiếm, nhiều địa phương đã bắt đầu xuất hiện những động cơ gió cỡ nhỏ do các gia đình tự làm hoặc một số cơ sở tập thể sản xuất thí nghiệm và đạt được những kết quả bước đầu Hiện nay, chúng ta đã sử dụng động cơ gió để chạy máy bơm nước phục vụ các hoạt động sản xuất cho các tỉnh ven biển và một số nơi dùng để sản xuất điện để phục vụ sinh hoạt (Tivi, radio, đèn…) hoặc phục vụ thông tin bưu điện ở các hải đảo nhưng chỉ dừng lại ở những công suất vừa và nhỏ Khánh Hòa là tỉnh có nhiều đảo, hiện có 33 cụm dân cư sống rải rác trên các đảo, tới nay toàn tỉnh đã phê chuẩn dự án xây trạm FĐSG với tổng công suất là 20 MW(gồm 40 máy FĐSG, mỗi máy công suất 500 KW); địa điểm xây dựng tại đèo Cổ Mã tỉnh Khánh Hoà(do Đức tài trợ), tại đảo Phú Quốc, Hòn Mê, Hòn Ngư, Trường Sa, Cái Vừng, Các Bà… đã lắp đặt một số máy FĐSG cở nhỏ để phục vụ sinh hoạt trong hộ gia đình, trạm xá, uỷ ban và trường học

Tại tỉnh Ninh Thuận, chính phủ Đan mạch đã tài trợ cho dự án xây dựng trạm FĐSG có công suất 25MW(kinh phí 25 triệu USD).Trong các năm qua,viện năng lượng và trung tâm nghiên cứu năng lượng mới trường ĐHBK

ở Hà nội, Thành phố Hồ Chí Minh và trung tâm khoa học công nghệ quốc gia đã và đang nghiên cứu áp dụng các công nghệ thích hợp để tận dụng các năng lượng tại chổ như: Năng lượng mặt trời, năng lượng gió, thủy điện… chủ yếu phục vụ sinh hoạt

Trong chương trình nghiên cứu về năng lượng được hình thành năm 1970 đã có vấn đề năng lượng mới mà sau đó đã tiến tới tách thành một chương trình riêng về năng lượng mới vào những năm đầu của thập kỷ 80 Vấn đề năng lượng gió là một trong những vấn đề được tiến hành với nhiều đề tài nhằm nghiên cứu một cách toàn diện để nhanh chóng phổ biến việc ứng dụng nguồn năng lượng này Đó là những đề tài điều tra phân vùng năng lượng gió đã và đang tiến hành để xác định các vùng có khả năng ứng dụng thuận lợi năng lượng gió, đề tài lập luận luận chứng kinh tế, kỹ thuật việc ứng dụng năng lượng gió ở Việt Nam nhằm đánh giá đánh giá việc ứng dụng năng lượng gió ở các địa phương và các ngành kinh tế khác nhau Nhiều đề tài thử nghiệm các mẫu thiết kế động cơ gió dùng để bơm nước và phát điện các cở nhỏ từ 200W đến khoảng 3kW Những đề tài thử nghiệm thiết bị đang tiến dần tới việc hoàn chỉnh những mẫu máy gió vừa có hiệu suất cao vừa phù hợp với điều kiện chế tạo và vận hành trong hoàn cảnh Việt Nam

1.2.3 Mục tiêu của vấn đề năng lượng gió trong chương trình Năng Lượng Mới:

Vấn đề năng lượng gió là một trong những vấn đề trọng tâm của chương trình Năng Lượng Mới

Mục tiêu của chương trình là nghiên cứu sử dụng năng lượng gió là tiến

tới phổ cập việc ứng dụng các thiết bị năng lượng gió trong nền kinh tế quốc doanh và quốc phòng một cách kinh tế nhất: Muốn đạt được mục tiêu này rõ ràng phải tiến hành hàng loạt đề tài để giải quyết nhiều mặt của vấn đề:

- Đề tài phân vùng năng lượng gió giúp ta đánh giá tiềm năng gió trên lãnh thổ nhằm mục đích:

+ Giúp cho việc phát triển vùng nên phát triển năng lượng gió

+ Dự báo khả năng đáp ứng nhu cầu năng lượng ở từng địa phương

+ Cung cấp những tham số về nguồn năng lượng gió cần thiết cho việc thiết kế

+ Dự báo giá trị kinh tế của nguồn năng lượng gió ở mỗi địa phương hoặc đối với mỗi ngành sản xuất

- Đề tài lập luận chứng kinh tế việc ứng dụng năng lượng gió giúp chúng

ta tìm hiểu vấn đề dưới góc độ kinh tế Đề tài như vậy rõ ràng có vai trò chủ đạo trong việc phát triển kỹ thuật khai thác phù hợp Đề tài phải đề ra được chính sách triển khai ứng dụng năng lượng gió trên toàn lãnh thổ và đối với mọi ngành kinh tế sao cho đạt hiệu quả tối ưu

- Các đề tài nghiên cứu thiết kế các mẫu động cơ gió các loại có mục đích hoàn thiện các động cơ gió để sản xuất hàng loạt trên quy mô công nghiệp đáp ứng yêu cầu sử dụng rộng rãi các động cơ gió Các đề tài loại này có thể chia ra thành các nhóm khác nhau:

+ Nhóm đề tài thiết kế mẫu đông cơ gió với nguyên vật liệu địa phương, đơn giản phù hợp với trình độ kỹ thuật địa phương có Những mẫu như vậy có thể được phổ biến dưới dạng các mẫu thiết bị hoặc các tài liệu hướng dẫn thiết kế chi tiết do chương trình sản xuất và phổ biến

+ Nhóm đề tài thiết kế mẫu động cơ gió cỡ nhỏ phù hợp với khả năng chế tạo của nền cơ khí nhỏ, phù hợp với yêu cầu khai thác và điều kiện địa phương Các đề tài loại này khá đa dạng về hình thức và kỹ thuật Tuy vậy, cũng có thể hoàn thiện để sản xuất hàng loạt toàn bộ thiết bị này thành những bộ phận chủ yếu để nhanh chóng đưa vào ứng dụng và hạ giá thành sản phẩm

+ Ngoài những động cơ gió cỡ nhỏ, chúng ta cần thử nghiệm thiết kế loại động cơ gió cỡ lớn có khả năng triển khai tại một số vùng đặc biệt

+ Cùng với nghiên cứu các loại động cơ gió, ta đồng thời phải giải quyết việc chuyển đổi động năng gió ra dạng động năng hữu dụng hay các dạng năng lượng khác để tiện đưa vào sử dụng Đây cũng là một khâu đáng quan tâm vì nó ảnh hưởng quyết định đối với hiệu suất thiết bị

Đương nhiên trong các đề tài trên, chúng ta phải giải quyết nhiều khâu thuộc công nghệ vật liệu để đáp ứng yêu cầu độ bền của thiết bị và chống đỡ được các trường hợp thiên tai như bão tố, v.v

1.3 Điều tra cơ bản trong vấn đề năng lượng gió:

1.3.1.Những thông số cơ bản của gió:

Những số liệu cơ bản về môi trường và khí hậu cần thiết cho việc đánh giá, quy hoạch và khai thác năng lượng gió phần nào được bộ môn khí tượng và khí hậu cung cấp Tuy nhiên những thông số này không đáp ứng được toàn bộ yêu cầu của vấn đề năng lượng Ngành khí tượng trên thế giới có những chương trình riêng nhằm yêu cầu về năng lượng gió Trong chương trình năng lượng mới, đề tài phân vùng năng lượng gió cũng được Tổng cục Khí Tượng Thủy Văn đảm nhiệm

Để điều tra cơ bản điều kiện môi trường khí tượng của năng lượng gió nhằm giúp các nhà kỹ thuật về năng lượng gió có được một khái niệm hoàn chỉnh về vấn đề này thì cần định rõ phương pháp và triển khai việc điều tra tại địa phương cần khảo sát

Những số liệu cơ bản về gió bao gồm: tốc độ gió tại các thời kỳ, hướng gió chính và sự thay đổi hướng gió như thế nào, chu kỳ gió và so sánh giữa các vùng khác nhau, Muốn đảm bảo có được một chuổi số liệu đầy đủ và có chất lượng cao, chúng ta phải tiến hành một loạt những khảo sát riêng khá phức tạp và tốn kém Vì vậy việc điều tra cơ bản năng lượng gió trên quy mô cả nước là một vấn đề rất lớn đòi hỏi vốn đầu tư và thời gian rất lớn, cần được quan tâm của các cơ quan chức năng nhiều hơn nữa

Hiện nay chúng ta đã có được một số trạm đo gió ở một số tỉnh rải rác trên cả nước như: Khánh Hoà, Kiên Giang, Mặc dầu những kết quả thu được từ những kết quả đo đạc này chưa thật sự chính xác nhưng nó cũng giúp cho những nhà thiết kế có được cơ sở để tính toán một cách gần đúng về năng suất của năng lượng gió

1.3.2 Thiết bị điều tra năng lượng gió

Thiết bị để điều tra năng lượng gió chủ yếu là các máy ghi tốc độ gió Tuy nhiên, tùy theo yêu cầu của điều tra, người ta có thể ứng dụng máy ghi có đặc tính khác nhau Những máy ghi gió thông dụng nhất để khảo sát gió tại các địa điểm có đầu cảm ứng dùng gáo hay chong chóng để ghi cường độ gió Ngoài ra còn có những loại đầu cảm ứng tốc độ gió khác như điện trở nhiệt, v v… đắt tiền và khó sử dụng Đầu cảm ứng thường được nối với bộ phận tự ghi để có thể ghi được những trị số liên tục của cường độ gió Việc khảo sát tại mỗi địa điểm có thể dùng nhiều máy ghi gió đặt tại các độ cao khác nhau và các vị trí khác nhau

Hiện nay, tại các đài trạm khí tượng khí hậu các máy ghi gió được trang

bị không nhiều Phần lớn các đài trạm khí tượng dùng loại máy gió thô sơ nên số liệu thu được thiếu chính xác Những máy kiểu này không thể dùng cho mục đích này

Tuy nhiên, kinh nghiệm sử dụng các loại máy gió tự ghi trong các trạm khí tượng khí hậu cho thấy rằng các máy gió tự ghi như máy Junkalor rất dễ hỏng và đắt tiền Việc khảo sát và điều tra gió lại đòi hỏi nhiều máy để dùng cho nhiều địa điểm Vì vậy, Rất có thể việc điều tra cơ bản năng lượng gió phải được bắt đầu từ khâu chế tạo lấy một loại thiết bị đo gió đáp ứng được yêu cầu về chất lượng và số lượng Yêu cầu về chất lượng trong vấn đề này thực ra không đòi hỏi quá cao Trên thực tế chúng ta có thể bằng lòng với độ chính xác khoảng từ 5 đến 10%

Kết luận: Như vậy, rõ ràng năng lượng gió là mật nguồn năng lượng có

tiềm năng rất lớn, chúng ta cần phải đẩy nhanh hơn nữa công việc nghiên cứu để ứng dụng vào thực tiễn nhằm giải quyết những khó khăn trong việc khủng hoảng thiếu năng lượng trong thời gian tới

Từ năm 1996-2000, viện cơ điện nông nghiệp đã tiến hành nghiên cứu sử dụng năng lượng mặt trời và năng lượng gió phục vụ sản xuất nông nghiệp và sinh hoạt nông thôn, đã đem lại hiệu quả kinh tế-xã hội trong các hộ gia đình Các bộ phận của máy được chế tạo bằng các vật liệu có sẵn ở trong nước và tự gia công lắp đặt chứ không cần phải nhập từ nước ngoài Đó là một tín hiệu đáng mừng cho ngành năng lượng mới này

Chương 2 CÁC PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG

2.1 Phương pháp nghiên cứu và cơ sở lý thuyết được áp dụng:

2.1.1 Phương pháp nghiên cứu:

Luận văn được thực hiện trên cơ sở thừa kế một số kết quả nghiên cứu lý thuyết của các nhà khoa học Cho nên không đi sâu phân tích lý thuyết mà chủ yếu là ứng dụng các công thức và nghiên cứu thử nghiệm mẫu đã có sẵn tin cậy Qua quá trình thử nghiệm và thực tế sẽ tiến hành cải tiến một số bộ phận như: Cánh quạt, đuôi lái, các bộ phận truyền động… Như vậy sẽ phù hợp với công nghệ chế tạo tại địa phương và trình độ sử dụng, bảo dưỡng và sửa chữa ở vùng nông thôn xa xôi

2.1.2 Công việc nghiên cứu:

- Tham khảo tài liệu ở trong và ngoài nước để chọn các thông số và các yếu tố

- Phân tích và lựa chọn mẫu máy đã và đang được sử dụng trong thực tế

sản xuất, sát với yêu cầu đặt ra của đề tài

- Tham khảo các ý kiến của một số chuyên gia ngành năng lượng để tăng độ tin cậy và tính thuyết phục khi lựa chọn

- Khảo sát địa hình nơi cần lắp đặt máy, trong đó quan tâm đến tốc độ gió trong ngày; tháng; năm ở các vùng có thể lắp đặt được máy và nhu cầu xã hội

2.2 Một số loại động cơ gió đã đựơc ứng dụng:

Trong thực tế người ta đã sử dụng rất nhiều loại động cơ gió khác nhau Và tùy theo cách phân loại mà chúng được chia thành các nhóm loại khác

nhau nữa Ở đây chúng ta dùng cách phân loại theo dạng trục của động cơ gió và số lượng cánh

2.2.1.Phân loại theo trục động cơ gió:

Phân theo phương pháp này ta có hai loại: động cơ gió trục đứng và động

cơ gió trục ngang

a Động cơ gió trục đứng:

Là loại động cơ gió mà trục của động cơ gió được gắn với cánh quạt vuông góc với mặt đất nơi đặt trạm Hình 2.3 ở dưới biểu diễn sơ đồ truyền động của động cơ gió dùng trục đứng

Hình 2.3 - Sơ đồ động cơ gió sử dụng trục đứng

Ưu nhược điểm của loại động cơ trục đứng này

 Ưu điểm:

+ Dễ chế tạo

+ Kết cấu phù hợp với những yêu cầu không lớn về công suất

+ Có thể quay được với mọi hướng gió thổi tới với mọi phương khác nhau mà không cần bộ phận lái hướng

 Nhựơc điểm:

+ Hiệu suất thấp

+ Công suất bé vì đường kính cánh không thể tăng quá lớn vì thế nó sẽ chiếm không gian lớn và tốc độ vòng quay nhỏ nên không thể hấp thụ nhiều năng lượng

Trong thực tế sử dụng, loại trục đứng rất ít được sử dụng, do năng suất làm việc thấp; nếu có chỉ truyền động cho những máy có công suất nhỏ như bơm nước có cột áp thấp hoặc máy chế biến có kích cỡû nhỏ

b Động cơ gió trục ngang:

Là loại động cơ gió mà trục của cánh quạt hướng gió song song với mặt đất nơi ta đặt trạm Hình 2.4 ở dưới biểu diễn sơ đồ truyền động của loại động cơ gió trục ngang này

Hình 2.4 – Sơ đồ động cơ gió dùng trục ngang

Ưu - nhược điểm của loại trục ngang và so sánh với loại trục đứng:

Loại này được sử dụng nhiều trong công nghệ phát điện; nó mang lại hiệu suất sử dụng cao, khả năng hấp thụ năng lượng lớn vì đường kính cánh và độ cao của tháp có thể thay đổi phù hợp với công suất đặt của máy phát điện Tuy nhiên nó chế tạo rất phức tạp, đặt biệt là cánh quạt và cơ cấu điều khiển hướng gió

Đối với động cơ trục ngang, nếu máy có công tác cần vòng quay cao, người ta dùng (thường cho máy phát điện đồng bộ hoặc dị bộ, xoay chiều hay một chiều, một pha hay 3 pha) Nhưng yêu cầu tốc độ gió phải đủ lớn thì động cơ mới tự khởi động được

Đối với động cơ trục đứng, khởi động dể dàng kể cả khi tốc độ gió thấp Loại này cho số vòng quay thấp, thường dùng cho máy bơm nước có công suất nhỏ Nếu cần tốc độ cao thì phải dùng đến hộp số tăng tốc, dẫn đến hiệu suất truyền động giảm Hiện nay, một số địa phương ở trong nước ta cũng đang dùng loại động cơ nhiều cánh để bơm nước

2.2.2.Phân loại theo số lượng cánh:

Nếu phân theo số lượng cánh quạt, ngươi ta đã chế tạo và sử dụng 3 loại sau:

+ Động cơ gió 2 cánh quạt

+ Động cơ gió 3 cánh quạt

+ Động cơ gió nhiều cánh quạt

Thông thường, trong công nghệ phát điện với công suất siêu nhỏ và trung bình, người ta dùng động cơ gió loại 3 cánh là phù hợp cho mọi điều kiện Đặc biệt ở những trạm có nhiều máy phát điện được hòa với nhau và phát lên mạng lưới chung

2.3 Các phương án thiết kế:

2.3.1 Phương án thứ nhất: Truyền động trục ngang và tăng tốc bởi hộp tốc

4

3

Hình 2.5: Sơ đồ truyền động phương án 1

Chú thích: (1): Cánh quạt;

(2): Bộ truyền bánh răng côn;

(3):Gối đỡ cụm trên;

(4): Khớp nối;

(5): hộp tốc độ;

(6): Bơm

Ưu điểm:

+ Kết cấu hệ thống gọn

+ Bộ truyền bánh răng côn cho hiệu suất truyền cao

+ Hộp tốc độ gọn nhẹ nhưng tỷ số truyền đáp ứng được như mong muốn

Nhược điểm:

Do trục quạt là trục ngang nên muốn có công suất lớn thì đường kính quạt phải lớn, điều này yêu cầu hệ thống giàn đỡ phải đảm bảo độ vững chắc

2.3.2 Phương án thứ hai:

So với phương án trên (phương án 1) thì phương án này có những ưu điểm tương tự, nhưng do ở đây ta dùng bộ truyền đai nên hệ thống sẽ cồng kềnh hơn mà năng suất mang lại cũng không được cao

2.3.3 Phương án thứ ba:

4

HỘP TỐC ĐỘ BƠM NƯỚC

5 3

2 1

Hình 2.7: Sơ đồ truyền động phương án 3

Chú thích: (1): Cánh quạt;

(2):Khớp nối động của cơ cấu hình bình hành;

(3): Thanh truyền của cơ cấu hình bình hành;

(4):Hộp tốc độ;

(5): Bơm

Đây là một ý tưởng mới trong việc thiết kế hệ thống truyền động với cơ cấu hình bình hành Tuy nhiên cơ cấu này lại gây ra va đập mạnh khi tốc độ gió thay đổi, điều này làm tăng nhanh việc giảm mạnh độ bền cơ cấu đặc biệt là các khớp nối, ổ đỡ và thanh truyền

2.3.4 Phương án thứù tư:

Truyền động bằng trục thẳng đứng

BƠM NƯỚC

1

2

3

4 5

Hình 2.8: Sơ đồ truyền động phương án 4

Chú thích: (1): Cánh quạt;

(2): Gối đỡ trên của cánh quạt;

(3):Khung giàn đỡ;

(4): Bơm nước;

(5): Cặp bánh răng tăng tốc

Với hệ thống truyền động như dạng trên thì thường chỉ dùng cho những động cơ có công suất nhỏ, diện tích cánh ảnh hưởng rõ rệt đến công suất, so với quạt trục ngang với cùng công suất thì quạt trục đứng chiếm diện tích lớn hơn nhiều lần

Nhận xét: So sánh bốn phương án trên thì ta dễ dàng nhận thấy truyền

động trục ngang cho ta công suất lớn hơn trục đứng, bộ truyền bánh răng côn và hộp tốc độ mang lại hiệu quả hơn về yêu cầu tăng tốc Bên cạnh đó, do yêu cầu bơm làm việc chỉ khoảng một ca trong ngày còn quạt thì vẫn hoạt động suất 24 tiếng Do đó ta có thể kết hợp phương án 1 và phương án 2 để tạo thành phương án lựa chọn nhằm đáp ứng yêu cầu bơm ngày làm việc 8

tiếng còn quạt vẫn quay 24 tiếng bằng cách làm chùng đai không cho truyền

động đến bơm

Kết luận và lựa chọn phương án: Các phương án trên đều có những ưu và

nhược điểm riêng Để có được một phương án hợp lý cần hải bổ sung cho một phương án có nhiều ưu điểm Ta lấy phương án 1 làm cơ sở để bổ sung Như vậy phương án được lựa chọn là sự kết hợp giữa hai phương án 1 và 2

HỘP TỐC ĐỘ

Hình 2.9: Phương án truyền động được chọn

Chương 3

LÝ THUYẾT BƠM

Việc đưa nước từ một nơi này đến nơi khác có rất nhiều cách khác nhau như: hệ thống kênh dẫn, bơm nước, Nhưng xem ra, trong tất cả các loại thì bơm nước được sử dụng nhiều và rộng rãi nhất vì nó mang lại những hiệu quả cao về kinh tế và chất lượng

3.1 Phân loại các dạng bơm:

Trong thực tế có rất nhiều dạng bơm khác nhau, việc phân loại cũng có nhiều cách Căn cứ theo nguyên lý hoạt động ta chia thành các loại bơm: Bơm thể tích, ly tâm, bơm cánh nâng và bơm phun tia

3.1.1.Bơm thể tích:

Trong bơm thể tích, còn căn cứ vào cấu tạo cụ thể ta có thể chia bơm thể tích thành các loại: Bơm piston, bơm bánh răng, bơm trục vít, bơm rôto cánh trượt, bơm quả bàng, bơm lắc

a Bơm piston: Theo đặc điểm cấu tạo và hoạt động của bơm chúng ta

có thể chia chúng thành các loại sau: Bơm piston tác dụng đơn, bơm pittông tác dụng kép, bơm vi sai, bơm piston quay hướng kính, bơm piston quay hướng trục

a.1 Bơm piston tác dụng đơn:

Hình 3.1 Nguyên lý cấu tạo của bơm pittông tác dụng đơn

1-xylanh; 2-pittông; 3-cán pittông; 4-thanh truyền;

5-biên; 6-ống hút; 7-van hút; 8-van đẩy; 9-ống đẩy;

10-bể chứa; 11-bể hút; 12-lưới lọc; 13-culít (thay cho

thanh truyền và con trượt)

Nguyên tắc cấu tạo và hoạt động của bơm này thể hiện ở hình 3.1 Piston (2) chuyển động qua lại xylanh (1) nhờ cơ cấu chuyển động gồm trục

O, tay biên (5) và thanh truyền (4), con trượt Dung tích xylanh nằm giữa hai điểm chết của pittông bằng dung tích chất lỏng trong một lần hoạt động của piston ở điều kiện lý thuyết (không có tổn thất thể tích) Khi piston chuyển động sang phải thì van (8) đóng, van (7) mở, chất lỏng từ bể (11) được hút lên lòng xylanh Khi piston đến điểm chết bên phải thì hoàn thành quá trình hút Sau đó piston chuyển động ngược lại thì van (7) đóng và van (8) mở, chất lỏng sẽ được đẩy lên bể chứa (10) Khi pittông đến điểm chết trái thì quá trình đẩy hoàn thành Như vậy cứ mỗi vòng quay của trục O thì bơm thực hiện được một chu trình hút và đẩy

Với cơ cấu culit 13 được sử dụng trong loại bơm này nên bơm chỉ áp dụng được cho những máy có công suất nhỏ Khi bơm hoặc máy nén có công suất lớn thì không dùng cơ cấu culit

a.2 Bơm piston tác dụng kép: Bơm piston tác dụng kép có piston dạng

tấm Cấu tạo và hoạt động của loại bơm này được thể hiện ở hình 3.2

Khi piston chuyển động từ trái sang phải thì phía trái thực hiện quá trình hút, còn phía phải thực hiện quá trình đẩy Cứ như thế quá trình được lặp đi và lặp lại nhiều lần

H ìn h 3 2 : N g u y e ân ly ù c a áu ta ïo v a ø ho a ït đ o än g cu ûa b ơ m p isto n

ta ùc d u ïn g k e ùp

1 ,7 -các v an h u ùt; 2 ,4 -các v a n đ ẩy ; 3 -cư ûa đ a åy ;

8 -cư ûa h u ùt; 5 - cán p isto n ; 6 -h o äp ch e øn

Như vậy mỗi vòng quay của trục chính thì bơm thực hiện hai lần hút và hai lần đẩy Do cán piston chiếm chổ nên mỗi lần hút đẩy của phía phải (phía có cán) kém hơn phía trái Muốn cho quá trình bơm được ổn định, không gây xung thủy lực thì ta thiết kế và chế tạo bơm có nhiều pistông sắp thẳng hàng; hướng kính; hướng trục

Hình 3.3 cho ta thấy sự khác nhau về năng suất thể tích của bơm tác tác dụng đơn và bơm tác dụng kép trong một vòng quay của trục chính khi chúng có cùng đường kính xylanh và quãng chạy của piston

Trên đây là hai loại bơm đặc trưng cho bơm piston Nhìn chung thì bơm piston cho năng suất nhỏ, tuy đã được cải thiện ở loại piston kép nhưng cũng chỉ dừng lại ở mức độ vừa phải Bơm piston hoạt động êm và khi đã hoạt động thì dòng chảy ổn định

Tuy nhiên, loại bơm này lại còn những hạn chế sau: Trong thực tế thì van đóng không kịp thời nên có tổn thất, tổn thất này là tương đối lớn Mặt khác, chiều dài xylanh và cần piston lớn; lực ép của piston lên hai phía khác nhau; hộp chèn kín cho cán phức tạp và hay hỏng, nhiều van Một nhược

điểm khác nữa là dễ có hiện tượng hụt áp khi ngừng hoạt động, sau đó muốn hoạt động trở lại thì cần phải mồi Bởi vậy, trong thực tế người ta chỉ áp dụng bơm này trong trường hợp lưu lượng nhỏ và vừa, áp suất không lớn

H ình 3.3 -Đồ thị lưu lượng bơm piston đơn và kép ở điều kiện ly ù tưởng

b Bơm bánh răng:

Hình 3.4 ở dưới biểu diễn nguyên lý cấu tạo của bơm bánh răng

Hình 3.4- Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của bơm bánh răng

Bơm bánh răng được ứng dụng nhiều trong các máy thủy lực (như máy ép, máy nâng, cần cẩu, máy đào đất,…); hệ thống điều khiển tự động, đặc biệt trong công nghệ người máy; trong bôi trơn các bộ phận chuyển động của máy

Do không van hút và đẩy nên bơm bánh răng có thể quay với vận tốc lớn (n=700 –>5000vg/ph) nên nó thường nhận truyền động trực tiếp từ động cơ Hình 3.4 biểu diễn nguyên lý cấu tạo và hoạt động của bơm bánh răng

c Bơm rôto cánh trượt: Bơm rôto cánh trượt thường có lưu lượng tư:ø

0,25 đến 20 (m3/h), áp suất đạt được từ (15 – 100).105 N/m2 Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của bơm rôto cánh trượt được thể hiện ở hình 3.5

Hình 3 5-Nguyên lý cấu tạo của bơm roto cánh trượt

Hoạt động của bơm roto cánh trượt như sau: Khi rôto quay với vận tốc đủ lớn để các cánh (1) dưới tác dụng dưới lực ly tâm sẽ tì sát cạnh ngoài vào mặt trụ của stato (4) có độ lệch tâm với roto (3) là e Các cánh 1 vừa quay theo rôto (3) vừa dịch chuyển qua lại trong rãnh (2) của rôto (3) Khi cánh (1) bắt đầu rời vị trí I thì quá trình hút bắt đầu Cánh 1 đến vị trí II rồi vị trí III thì quá trình hút ở 3 khoang trên hoàn thành Khi cánh rời vị trí 3 thì quá trình đẩy bắt đầu và kết thúc khi cánh đến vị trí IV Như vậy quá trình hút – đẩy cứ tiếp tục

Ưu điểm của loại bơm này là dễ dàng thay đổi chiều hút – đẩy một cách bằng cách đổi chiều quay của roto Nhưng bơm này lại yêu cầu tốc độ quay của rôto tương đối lớn và ổn định nên thường dùng động cơ để quay rôto

d Bơm trục vít: Bơm trục vít có dải lưu lượng và áp suất rộng, nó có lưu

lượng từ 1 đến 15, thậm chí 100 dm3/s, áp suất từ (25 – 175).105N/m2, số vòng quay từ 1000 – 10.000 vg/ph Bơm loại này làm việc êm, ổn định, tuổi thọ cao Chính vì vậy mà bơm trục vít được ứng dụng rộng rãi trong máy ép thủy lực Tuy nhiên, vì yêu cầu độ chính xác cao nên khó chế tạo, khó sữa chữa hồi phục

Bơm trục vít được cấu tạo từ hai hoặc ba trục vít ăn khớp với nhau, một trong số chúng là trục dẫn còn số các trục khác là bị dẫn Chúng được đặt trong khoang của thân bơm sao cho khe hở giữa đỉnh cánh và thân là nhỏ

nhất Khi bơm làm việc thì chất lỏng được hút từ đầu này và đẩy về đầu kia của cặp trục vít Phần không gian rãnh của mỗi trục luôn chứa đầy chất lỏng và luôn chuyển động từ phía hút sang phía đẩy Để ăn khớp được thì cặp trục vít phải ngược chiều nhau

Bơm trục vít này được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp hoá, thực phẩm v.v

e Bơm vòng nước: Loại bơm này cũng làm việc theo nguyên lý thể tích

Nó thường được dùng để hút chất khí nhằm duy trì độ chân không nào đó trong các thiết bị cô

g Bơm lắc: Piston làm việc trong bơm này chính là vách ngăn trong một

trụ rỗng Vách ngăn này được điều khiển bởi cần gạt bên ngoài, bằng cách gạt cần qua trái hoặc phải

Nếu dùng máy để đẩy cần gạt thì chiều cao hút của bơm có thể đạt 8m, còn chiều cao đẩy đạt tới 40 – 50 m Bơm loại này thường dùng cho công việc gia đình hay các cửa hàng bán xăng dầu nhỏ

3.1.2 Bơm ly tâm:

Bơm ly tâm được thiết kế và chế tạo dựa trên nguyên lý ly tâm Chất lỏng được chứa đầy trong kênh Dứơi tác dụng quay của các cánh cong làm cho lực ly tâm tác động lên thành phần các chất lỏng trong kênh Tuy nhiên

do có sự chênh lệch áp suất giữa hai mặt cong của thành phần chất lỏng nên xuất hiện lực hướng tâm Khi tốc độ quay của cánh nâng đủ lớn và hình dáng của cánh thích hợp thì chất lỏng sẽ được đẩy lên ở mực cao hơn

Hình 3.6 - Sự hoạt động của bơm ly tâm 1- rãnh góp hình xoáy; 2-bộ khuyết tán; 3-cánh guồng động;

4-guồng động; 5-trục guồng động; 6-ống đẩy; 7-bể đẩyTrong bơm ly tâm, guồng động là bộ phận chủ yếu Nó có dạng tròn như bánh xe, bên trong có các rãnh hướng tâm kế tiếp nhau Phần ngăn cách các rãnh kế tiếp nhau gọi là guồng Cánh có thể thẳng theo hướng kính, cong về phía trước hay sau so với chiều quay của guồng

Nguyên lý hoạt động và cấu tạo của bơm ly tâm được thể hiện ở hình 6 Trục (5) nhận truyền động từ động cơ sẽ làm cho guồng động (4) quay, chất lỏng chứa trong các rãnh của guồng cũng quay theo Nhờ lực ly tâm mà chất lỏng sẽ từ bể hút (8) chuyển lên qua guồng động (4), qua bộ khuếch tán (2) vào rãnh góp (1) theo ống đẩy (6) để lên bể đẩy (7)

Trong thực tế bơm ly tâm được sử dụng rất nhiều, nhưng trong trường hợp của chúng ta (sử dụng để bơm nước biển) thì không tối ưu lắm nếu dùng bơm này Sở dĩ như vậy vì mực nước biển lên xuống theo thủy triều, nên mỗi lần thủy triều xuống rất dễ dẫn tới hiện tượng hụt nước ở ống hút Mỗi khi hụt áp như vậy thì cần phải làm đầy lại guồng động (tức là mồi nước) của bơm trước khi khởi động Điều này không cho phép bởi yêu cầu thiết kế (không có nhân lực cho công việc này)

3.1.3 Bơm cánh nâng:

Đây là nguyên lý được dùng trong thiết kế và chế tạo cánh máy bay Hình dưới thể hiện hình dạng mặt cắt ngang, chiều chuyển động của lưu thể cùng các lực tác dụng lên một cánh

Nguyên lý cánh nâng còn được áp dụng trong việc thiết kế chế tạo tuabin máy phát điện, guồng động của bơm và, cánh quạt hướng trục, máy nén hướng trục

1 2

3 4 5

Hình 3.8 - Nguyên lý cấu tao của bơm cánh nâng 1- guồng động; 2- guồng khuyết tán; 3-trục;

4- vỏ bơm; 5- ổ đỡ

Hình 3.8 ở trên thể hiện nguyên lý cấu tạo và hoạt động của bơm cánh nâng Khi guồng động quay dưới tác dụng của mômen quay M thì nước sẽ được hút và đẩy lên qua guồng khuếch tán (cánh tĩnh) chảy vào ống đẩy Lực

R tác dụng lên guồng động qua các cánh guồng Lực này được phân tích thành lực RT (thẳng đứng) và RN (lực ngang) Lực RT tác dụng lên gối đỡ chặn; lực RN tạo ra momen cản có xu hướng bắt guồng động quay theo chiều quay ngược lại

Guồng khuếch tán có tác dụng biến động năng của chất lỏng lúc rời guồng động thành thế năng

Một ưu điểm lớn của bơm cánh nâng là không cần phải mồi nước khi bị hụt nước ở một mức nước nhất định, mà chỉ cần guồng động quay nhanh đạt đến tốc độ cần thiết thì nước vẫn được hút lên và đẩy qua cửa xả

3.2 Tiêu chí chọn bơm:

Việc chọn bơm được tiến hành trên cơ sở đã xác định được lưu lượng nước và cột áp Quá trình chọn máy bơm được tiến hành theo 2 bước sau:

 Bước 1: Dựa vào lưu lượng, cột áp yêu cầu theo biểu đồ, từ đó chọn

ra bơm phù hợp với yêu cầu

 Bước 2: Từ mã hiệu bơm đã chọn, theo danh mục ta tìm ra được các

loại đường đặc tính và kích thước của máy bơm

3.3 Kết luận và chọn bơm:

Qua những so sánh ở trên và thực tế thì ta nhận thấy bơm ly tâm được

ứng dụng rộng rãi trong thực tế, nhưng trong đề tài này, với những yêu cầu khác nên việc sử dụng bơm hướng trục là hợp lý nhất Theo yêu cầu thiết kế, lưu lượng cần bơm Q khoảng 200m3 trong một ngày, bơm chỉ làm việc một ca trong ngày

Dựa vào yêu cầu thiết kế của đề tài về lưu lượng: Q  200 m3/ ngày, một ngày bơm làm việc 1 ca (8 giờ) và theo những tính toán về cột áp yêu cầu

của bơm (H=5m).Theo [4] và những phân tích ở trên ta chọn được bơm hướng

trục đứng ký hiệu: HTD 24 –5 có:

+ Lưu lượng Q = 24 m3/h

+ Chiều cao cột áp:H = 5m,

+ Số vòng quay trên trục bơm: n = 1450 vg/ph,

+ Công suất động cơ: Nd/cơ = 1,5 kW

+ Đường kính cửa hút, xả: Dh=100mm; Dx=80 mm

Chương 4 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ 4.1 Gió – công suất của gió:

4.1.1 Lý thuyết về công suất gió:

Theo lý thuyết động lực học [17], động năng của một khối có khối lượng

m, chuyển động theo phương x trong không gian sẽ là:

U  21 m u2  21 (  A x ) u2 J (4.1)

Với:

m: khối lượng của khối chuyển động, kg

A: là diện tích bề mặt hướng gió của khối m, m2

: khối lượng riêng của không khí, kg/m3

x: chiều rộng của khối theo hướng chuyển động x, m

u: tốc độ chuển động của khối nặng, m/s

2

1

u A dt

dx u A dt

485,3



Trong đó: + p: áp suất của không khí ở trạng thái xác định (kPa)

+ T: nhiệt độ Kelvin, oK

Trong tính toán thường lấy: p = 101,3 kPa, T = 273 oK

273

3,101.485,

A

Các thông số vật lý đặc trưng của gió trong không gian là tốc độ (u) và và áp suất (p) tại điển đang xét Hình 4.2 ở dưới biểu diễn qui ước một cánh quạt trong không gian

( 2 )

p 1

p 2

p 3

Hình 4.2: Đồ thị áp suất và vận tốc gió trước và sau cánh quạt

Xét tại các mặt phẳng cắt qua luồng gió được giới hạn bởi hai đường cong có đường kính di, tốc độ ui, và áp suất pi Đường kính ngay phía trước và sau cánh quạt là d2 và d3, hai đường kính này được xem như bằng nhau vì sự chênh lệch rất nhỏ Tại tiết diện 1 (ngõ vào) và 2 (ngõ ra) của gió, tốc độ của gió được xem là bằng nhau Như vậy ta có: u2=u3=2/3.u1; u4=1/3.u1;

A2=A3=3/2.A1; A4=3.A1 (4.6)

Công suất của gió làm cho quạt quay là hiệu số công suất của gió sinh ra giữa đầu vào và đầu ra của quạt, bằng:

.( . )

2

4 4

3 1 1 4

1

1 u A

9

8[.2

+ A2: là diện tích quét của cánh quạt, m2

+ Hệ số 16/27 là hằng số Betz

Năm 1923, Betz đã đề xuất lý thuyết Betz hệ số hấp thụ năng lượng gió:

Với:

: khối lượng riêng của không khí, 1,293 kg/m3

Sq: diện tích quét của cánh quạt, m2

V: vận tốc gió tính toán, m/s

Cp: hằng số Betz, Cpmax = 0,59

4.2.1 Số liệu gió:

Theo [8]- Mức độ biến động mực nước ven biển Việt Nam của tác giả Vũ Như Hoán Sau một thời gian dài đo đạc, thống kê ở một số vùng ven

biển của nước ta, người ta đã phân chia các mức gió thành 18 cấp độ gió với các tốc độ khác nhau trong bảng sau

Bảng 4.1: Bảng phân cấp gió

Để tính toán cho đảm bảo quạt vẫn phải luôn quay được khi gió là nhỏ nhất thì ta phải chọn tốc độ gió nhỏ nhất để tính toán Nhưng qua thực tế, ở các vùng duyên hải miền Trung nước ta gió thường khá mạnh, rất ít lúc gió

Cấp

Tốc độ gió (V)

Gió rất nhẹ Gió khá nhẹ Gió nhẹ Gió vừa Gió hơi mạnh Gió khá mạnh Gió mạnh Gió rất mạnh Gió khá dữ dội Gió rất dữ dội - - - - - -

0 – 0,2 0,3 – 1,5 1,6 – 3,3 3,4 – 5,4 5,5 – 7,9 8,0 – 10

10 –13,8 13,9 – 17 17,2 – 20,7 20,8 – 42,4 24,5 – 28,4 28,5 – 32,6 32,7 – 36,9

37 – 41,4 41,5 – 46,1 46,2 – 50,9

51 – 56,0 56,1 – 61,2