Tài liệu Cơ sở cơ học thủy khí và khả năng ứng dụng Động cơ gió

Đề tài: Cơ sở cơ học thủy khí và khả năng ứng dụng Động cơ gió

MỞ ĐẦU
1. Lư do chọn đề tài
Từ lâu con người đă biết sử dụng năng lượng gió để tạo ra cơ năng thay thế cho sức lao động nặng nhọc, điển h́nh là các thuyền buồm chạy bằng sức giú, cỏc cối xay gió xuất hiện từ thế kỷ 14 được dùng phổ biến từ thế kỷ 17, thịnh vượng nhất vào thế kỷ 18 đặc biệt ở Hà Lan với hàng ngàn chiếc. Từ thế kỷ 19 đến nửa đầu thế kỷ 20 với sự xuất hiện và phát triển của máy hơi nước và các loại động cơ đốt trong, các cối xay gió hầu như bị lăng quên. Nhưng từ vài chục năm gần đây với nguy cơ cạn dần các nguồn nhiên liệu khai thác được từ ḷng đất và vấn đề ô nhiễm môi trường do việc đốt hàng ngày một khối lượng lớn các nguồn nhiên liệu hóa thạch nêu trên. Việc nghiên cứu sử dụng các dạng năng lượng tái tạo của thiên nhiên trong đó có năng lượng gió lại được nhiếu nước trên thế giới kể cả các nước có nền công nghiệp năng lượng phát triển rất mạnh như Nga, Mỹ, Pháp, CHLB Đức, Hà Lan, Anh, Đan Mạch, Thụy Điển đặc biệt quan tâm. Trên cơ sở áp dụng các thành tựu mới của nhiều nghành khoa học tiên tiến như thủy khí động lực học, tự động điều khiển, cơ học kết cấu, truyền động thủy lực, vật liệu mới việc nghiên cứu sử dụng năng lượng giú đó đạt được những tiến bộ rất lớn cả về chất lượng các thiết bị và quy mô ứng dụng. Từ các cối xay gió với các cánh gió đơn giản hiệu suất sử dụng năng lượng thấp chỉ khoảng 20%, đến nay các động cơ gió phát điện với cánh quạt cú biờn dạng khí động học ngày một hoàn thiện hơn có thể đạt được hiệu suất sử dụng năng lượng cao tới 42%. Nhiều phương pháp và hệ thống tự động điều khiển hiện đại đă được sử dụng để tự động ổn định số ṿng quay của động cơ gió. Những động cơ gió phát điện lớn cũn dựng cả hệ thống tự động điện thủy lực và máy tính điện tử điều khiển. Nhiều vật liệu mới đă được sử dụng để chế tạo cánh như hợp kim nhôm, polime cốt sợi thủy tinh với độ bền cao trong mọi điều kiện thời tiết và chịu được sức gió của băo. Tại những nơi có gió tốt, người ta ghép nhiều động cơ gió với nhau tạo thành “rừng máy phát điện giú”. Người ta đă có thể chế tạo những động cơ gió phát điện rất lớn đường kính tới 80m, công suất tới 3000 kW.
Tuy nhiên đối với mỗi nước quy mô phát triển của việc ứng dụng năng lượng giú cũn phụ thuộc vào vị trí địa lư, đặc điểm tiềm năng gió và tŕnh độ công nghiệp
· Những thuận lợi của việc sử dụng năng lượng gió
- Năng lượng gió là năng lượng sinh ra bởi gió, v́ vậy nó là nguồn năng lượng sạch. Năng lượng giú khụng gơy ô nhiễm không khí so với các nhà máy nhiệt điện dựa vào sự đốt cháy than và khí ga.
- Năng lượng gió là một dạng nguồn năng lượng trong nước, năng lượng giú cú ở nhiều vùng. Do đó nguồn cung cấp năng lượng gió trong nước th́ rất phong phú.
- Năng lượng gió là một dạng năng lượng có thể tái tạo lại được mà giá cả lại thấp do công nghệ tiên tiến ngày nay, giá khoảng 4-6 cent/kwh, điều đó c̣n tùy thuộc vào nguồn gió, tài chính của công tŕnh và đặc điểm của công tŕnh.
- Tuabin gió có thể xây dựng trờn cỏc nông trại, v́ vậy đó là một điều kiện kinh tế cho cỏc vựng nông thôn. Những người nông dân và các chủ trang trại có thể tiếp tục công việc trên đất của họ bởi v́ tuabin gió chỉ sử dụng một phần nhỏ đất trồng trọt của họ.
Từ những thuận lợi trên, khả năng ứng dụng và ngày càng phát triển của năng lượng gió. Hiện nay ở Việt Nam và nhiều nước trên thế giới đă và đang t́m những biện pháp để khai thác tốt nhất nguồn lực của năng lượng gió.
V́ những lư do trờn nờn em đă mạnh dạn chọn đề tài “Cơ sở cơ học thủy khí và khả năng ứng dụng Động cơ giú”.
2. Mục đích của đề tài
T́m hiểu cơ sở cơ học thủy khí, những ứng dụng của động cơ sử dụng năng lượng gió trong thực tế và tiềm năng phát triển năng lượng gió ở Việt Nam, trên thế giới, từ đó thấy được khả năng ứng dụng của Động Cơ Gió.
3. Giả thiết khoa học
Nếu hiểu được cơ sở cơ học thủy khí động lực học ứng dụng, cơ sở lư thuyết của việc ứng dụng năng lượng gió,th́ sẽ cho phép phát hiện khả năng ứng dụng động cơ gió để tạo ra năng lượng điện, và vận hành các hệ thống thiết bị khác nhau.
4. Nhiệm vụ của đề tài
-T́m hiểu cơ sở khoa học về thủy khí động lực học ứng dụng
-Khảo sát về năng lượng gió và lư thuyết động cơ gió
-Khảo sát ứng dụng năng lượng gió.

CHƯƠNG I
KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ
THỦY KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC ỨNG DỤNG

1.1. Một số định nghĩa và đặc trưng động học
Thủy khí động lực học là môn học nghiên cứu các quy luật cân bằng và chuyển động của chất lỏng. Chất lỏng hiểu theo nghĩa rộng bao gồm chất lỏng ở thể nước – chất lỏng không nén được (khối lượng riêng const). Để tiện cho việc nghiên cứu người ta giả thiết tồn tại chất lỏng lư tưởng – chất lỏng không có độ nhớt. C̣n chất lỏng thực là chất lỏng có độ nhớt khỏc không . Chất lỏng tuân theo quy luật về lực nhớt của Niutơn gọi là chất lỏng Niu Tơn. C̣n những chất lỏng không tuân theo quy luật này gọi là chất lỏng phi Niutơn như dầu thô chẳng hạn.
Thủy khí động lực học được chia thành ba phần:
- Tĩnh học chất lỏng: Nghiên cứu các điều kiện cân bằng của chất lỏng ở trạng thái tĩnh.
- Động học chất lỏng: Nghiên cứu chuyển động của chất lỏng theo thời gian không kể đến nguyên nhân gây ra chuyển động.
- Động lực học chất lỏng: Nghiên cứu chuyển động của chất lỏng và tác dụng tương hỗ của nó với vật rắn.
1.1.1. Một số định nghĩa và tính chất cơ lư của chất lỏng
1.1.1.1. Chất lỏng có một số tính chất dễ nhận biết sau đây
Tính liên tục: vật chất được phân bố liên tục trong không gian. Tính dễ di động biểu thị ở chỗ: ứng suất tiếp (nội ma sát) trong chất lỏng chỉ khác không khí có chuyển động tương đối giữa các lớp chất lỏng. Tính nén được: thể tích V[SUB]1[/SUB] của chất lỏng thay đổi khi áp suất tác dụng p thay đổi. Ta có hệ số nén được:
(m[SUP]2[/SUP]/N) (1.1)
Tính nhớt: đó là tính cản trở chuyển động của chất lỏng được đặc trưng bằng lực ma sát trong c̣n gọi là lực nhớt. Theo định luật của Niutơn về lực nhớt ta có:
(1.2)
Biểu diễn dưới dạng ứng suất tiếp:
(1.3)
trong đó:
T – lực nhớt;
- hệ số chỉ phụ thuộc vào loại chất lỏng;
S – diện tích bề mặt tiếp xúc với chất lỏng chuyến động;
dU/dy – gradient vận tốc theo phương y vuông góc với ḍng chảy.
Từ đó rút ra:
(1.4)
Đơn vị của trong hệ Ns/m[SUP]2[/SUP]; trong hệ CGS là poazơ (P); 1P=10[SUP]-1[/SUP]Ns/m[SUP]2[/SUP].
Ngoài hệ số c̣n dùng hệ số nhớt động học trong các biểu thức có liên quan đến chuyển động. Đơn vị đo của v trong hệ SI là m[SUP]2[/SUP]/s, trong hệ CGS là: stốc(St), 1[SUP]St[/SUP]=10[SUP]-4[/SUP] m[SUP]2[/SUP]/s.
1.1.1.2. Khối lượng riêng và trọng lượng riêng
Khối lượng (M) của chất lỏng được đặc trưng bởi khối lượng của một đơn vị thể tích (V[SUB]1[/SUB]) gọi là khối lượng riêng hoặc khối lượng đơn vị:
, (kg/m[SUP]3[/SUP]) (1.5)
Tương tự có trọng lượng riêng :
, (N/m[SUP]3[/SUP]); hay (kg/m[SUP]3[/SUP]).
Với G là trọng lượng của khối chất lỏng thể tích V[SUB]1[/SUB].
Trọng lượng riêng của một vật có khối lượng 1kg có thể coi bằng 9.81N10N=1daN.
Ta có mối liên hệ: ;
Với g là gia tốc rơi tự do, g=9.81 m/s[SUP]2[/SUP].
1.1.1.3. Ngoại lực tác dụng lên chất lỏng
Ngoại lực tác dụng lên chất lỏng được chia thành hai loại:
- Lực mặt là lực tác dụng lên chất lỏng tỷ lệ với diện tích mặt tiếp xúc (như áp lực ).
- Lực khối là lực tác dụng lên chất lỏng tỷ lệ với khối lượng (như trọng lực, lực quỏn tớnh ).
1.1.2 – Phân loại chuyển động
Chuyển động của chất lỏng được phân loại thành:
- Chuyển động dừng: các yếu tố chuyển động (như vận tốc) không biến đổi theo thời gian
trong đó U=U(x, y, z)(1.7) (1.7)
- Chuyển động không dừng: các yếu tố chuyển động biến đổi theo thời gian:
trong đó U=U(x, y, z, t)(1.8) (1.8)
Ḍng chất lỏng chảy theo một tuyến nhất định gọi là ḍng chảy.
- Ḍng chảy đều là ḍng chảy theo trục chuyển động x với phân bố vận tốc dọc theo ḍng chảy không đổi:
(1.9)
- Ḍng chảy không đều th́:
(1.10)
- Ḍng chảy cú ỏp là ḍng chảy không có mặt thoỏng, cũn ḍng chảy khụng ỏp là ḍng có mặt thoáng.
Các yếu tố thủy lực:
- Mặt cắt ướt là mặt cắt vuông góc với vectơ vận tốc của ḍng chảy kư hiệu: .
- Chu vi ướt là đoạn tiếp xúc giữa chất lỏng và thành giới hạn ḍng chảy kư hiệu .
Bán kính thủy lực: .
1.1.3 Đường ḍng và ḍng nguyên tố
Đường ḍng là đường cong trên đó vectơ vận tốc của các điểm trùng với tiếp tuyến tại các điểm của đừng cong.
Phương tŕnh đường ḍng:
, (1.11)
Suy ra:
.
Trong đó: là vectơ
vận tốc, là phân tố vectơ của
đường ḍng.
Trong không gian các
đường ḍng không cắt nhau,
trong chuyển động dừng đường

[TABLE]
[TR]
[TD][TABLE=width: 100%]
[TR]
[TD]H́nh 1.1- Phân tố h́nh học chất lỏng
trong môi trường chuyển động

[/TD]
[/TR]
[/TABLE]
[/TD]
[/TR]
[/TABLE]
ḍng và quỹ đạo trùng nhau.
Các đường ḍng tựa trên
một ṿng khép kín vô cùng nhỏ
tạo được ống ḍng. Chất lỏng chảy qua ống ḍng gọi là ḍng nguyên tố. Chất lỏng không chuyển động xuyên qua ống ḍng.
1.2. Phương tŕnh liên tục
Đây là một dạng của định luật bảo toàn khối lượng. Khối lượng M của hệ cô lập không thay đổi trong suốt quá tŕnh chuyển động:

1.2.1. Dạng tổng quát
Trong môi trường chất lỏng chuyển động ta tác một phân tố h́nh hộp (dx, dy, dz) có thể tích: V[SUB]1[/SUB]=dxdydz(hỡnh 1 (h́nh 1.1).
Theo định luật bảo toàn khối lượng:
, (1.12)
Trong đó:
- Khối lượng riêng chất lỏng
Lấy đạo hàm:
(1.13)
là vận tốc biến dạng tương đối của thể tích phân tố chất lỏng.
Ta xét trường hợp chất lỏng không chịu nén: , ta có:
(1.14)
V[SUB]1[/SUB][SUB][/SUB]0 , nên nghĩa là phân tử thể tích không thay đổi theo thời gian đối với chất lỏng không chịu nén =const.




1.2.2. Đối với ḍng nguyên tố
Khảo sát khối chất lỏng chuyển động trong ḍng nguyên tố giữa hai mặt cắt 1-1 và 2-2. (h́nh 1.2). Giả thiết chuyển động dừng, chất lỏng không nén được. Lượng chất lỏng đi vào tiết diện 1-1: . .
Do chất lỏng không chịu nén = const, suy ra

[TABLE]
[TR]
[TD][TABLE=width: 100%]
[TR]
[TD]H́nh 1.2- Sơ đồ ḍng chất lỏng nguyên tố

[/TD]
[/TR]
[/TABLE]
[/TD]
[/TR]
[/TABLE]
(1.15)
1.2.3. Đối với toàn ḍng
(1.16)
Hay là:
Q[SUB]1 [/SUB]= Q[SUB]2[/SUB]=Q = const
1.3. Phương tŕnh Bernoulli đối với ḍng chảy – định luật bảo toàn năng lượng
1.3.1. Phương tŕnh Bernoulli đối với ḍng chất lỏng lư tưởng
1.3.1.1. Phương tŕnh vi phân chuyển động của chất lỏng lư tưởng
Phương tŕnh vi phân chuyển động của chát lỏng lư tưởng được viết dưới dạng:
(1.17)
trong đó:
- lược khối tác dụng lên khối chất lỏng;
p- áp suất thủy động tác dụng lên khối chất lỏng tại mỗi điểm;
- biến thiên vận tốc của khối chất lỏng chuyển động theo thời gian.
Phương tŕnh này c̣n được gọi là phương tŕnh Ơle động. Tích phân phương tŕnh này cú cỏc dạng khác nhau.
Xét trong chuyển động dừng: và khi lực khối chỉ là trọng lực,
ta có phân tích Bernoulli:
(1.18)
1.3.1.2. Đối với ḍng nguyên tố, tích phân (1.18) có dạng
(1.19)
Hay là đối với hai mặt của cỏc dũng nguyên tố:
(1.20)
Ư nghĩa của phương tŕnh Bernoulli (1.20) được biểu diễn h́nh học trờn hỡnh 1.3.
Z là độ cao h́nh học,
là độ cao đo áp,
là độ cao động học,
Ư nghĩa năng lượng.
z là vị năng đơn vị,
là áp năng đơn vị

[TABLE]
[TR]
[TD][TABLE=width: 100%]
[TR]
[TD]H́nh 1.3- Minh họa các thông số trong phương tŕnh (1.20).

[/TD]
[/TR]
[/TABLE]
[/TD]
[/TR]
[/TABLE]
z+là thế năng đơn vị,
là động năng đơn vị,
z++=const
– tổng năng đơn vị.
1.3.1.3. Phương tŕnh Bernoulli cho toàn ḍng
Để tính năng lượng của toàn ḍng chảy ở mặt cắt 1-1 và 2-2, ta phân tích phương tŕnh (5.20) theo lưu lượng dQ:

Hay
Do z+= const ở các tiết diện 1-1 và 2-2, nên tích phân
(1.22)
và tích phân (1.23)
Trong đó: V – vận tốc trung b́nh ,
- hệ số điều chỉnh động năng:
(1.24)
=2: đối với ḍng chảy tầng; =1: đối với ḍng chảy rối.
Vậy phương tŕnh Bernoulli cho toàn dũng cú dạng:
(1.25)
1.3.2. Phương tŕnh Bernoulli cho toàn ḍng đối với ḍng chất lỏng thực
Ḍng chất lỏng thực có tính nhớt, khi chuyển động từ tiết diện 1-1 đến tiết diện 2-2 sinh ra tổn thất cột áp do ma sát dọc đường và tổn thất cục bộ. Ta kư hiệu h[SUB]12[/SUB] là tổn thất cột áp giữa hai tiết diện. Phương tŕnh Bernoulli cho toàn ḍng đối với ḍng chất lỏng thực có dạng:
+h[SUB]12[/SUB] (1.26)
Tổn thất h[SUB]12[/SUB] gồm có tổn thất dọc đường (tổn thất ma sát) và tổn thất cục bộ (do thay đổi hướng ḍng, thay đổi tiết diện – mở rộng hay thu hẹp) và được xác định theo công thức sau:
(1.27)
Trong đó:
- hệ số ma sát của ống dẫn
l- là chiều dài ống dẫn;
d – đường kính ống dẫn.

là hệ số tổn thất cục bộ.
1.4. Phương tŕnh Bernoulli áp dụng cho mỏy cỏnh dẫn