Nghiên cứu khả năng ứng dụng ổ khí tĩnh cho máy phát điện gió công suất nhỏ

Nội dung text: Nghiên cứu khả năng ứng dụng ổ khí tĩnh cho máy phát điện gió công suất nhỏ

1. NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG Ổ KHÍ TĨNH CHO MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ EVALUATING THE APPLICABILITY OF AEROSTATIC BEARING FOR THE SMALL WIND GENERATOR Đặng Thiện Ngôn 1 , Nguyễn Văn Trung 2 1 Trường đại học sư phạm kỹ thuật thành phố hồ chí minh 2 Học viên trường đại học sư phạm kỹ thuật thành phố hồ chí minh TÓM TẮT Ổ khí được sử dụng rộng rãi trong các máy và thiết bị có độ chính xác cao trong những năm gần đây. Không như các ổ cơ thông thường, ổ khí không có tiếp xúc vật lý giữa các bề mặt lăn/trượt giúp các bề mặt di chuyển có thể lướt êm lên nhau, giảm thiểu các hoạt động điều khiển để đạt được độ chính xác truyền động cao. Một phương pháp thiết kế lược giản đã được phát triển để hỗ trợ quá trình thiết kế ổ khí tĩnh. Ngoài ra, một mô hình thiết bị thí nghiệm đã được chế tạo để xác minh các kết quả lý thuyết. Thử nghiệm hoạt động với các thông số xác định đã được triển khai để đo lường và đánh giá hiệu quả hoạt động tĩnh và động để phát triển ổ khí tĩnh trong tương lai ứng dụng cho các máy phát điện gió nhỏ. Từ khóa: ổ trục, ổ khí, ổ khí tĩnh, máy phát điện gió ABSTRACT Air bearings are extensively used in precision machines and equipment in recent years. Unlike conventional bearings, there is no physical contact between the sliding surfaces. The moving surface can glide smoothly on the other surface, minimising the control effort to achieve high accuracy and precision. A simple design methodology was also developed to assist in the design process of the aerostatic bearing. Finally, a testing equipment model was built to verify the theoretical result. A test set-up was implemented to measure and evaluating the static and dynamic performance for future aerostatic bearing development in the small wind generators. Key words: bearing, air bearing, aerostatic bearing, wind generator
2. 1. GIỚI THIỆU Ổ trục là một chi tiết máy được dùng phổ biến trong nhiều loại máy móc, thiết bị, hệ thống sản xuất, Các ổ trục giúp cho các trục có thể thực hiện chuyển động quay hoặc tịnh tiến một cách dễ dàng nhờ giảm thiểu được ma sát, qua đó nâng cao hiệu suất sử dụng của máy móc, thiết bị. Ổ trục có nhiều loại như ổ cơ, ổ khí, ổ thuỷ, ổ từ, Khi ổ cơ (ổ lăn, ổ trượt) hoạt động, do sự tiếp xúc lăn/trượt giữa ngõng trục và ổ nên ma sát sinh ra lớn đòi hỏi mômen khởi động lớn để hệ thống có thể khởi động và đi vào trạng thái hoạt động. Trong các hệ thống máy phát điện gió công suất nhỏ, ma sát là nguyên nhân chính làm cho máy không thể hoạt động được khi tốc độ gió nhỏ hơn 6 m/s. Theo bản đồ gió Việt Nam [10], tốc độ gió trung bình tại thành phố Hồ Chí Minh vào khoảng 2,4 – 4,5 m/s, với tốc độ gió này ta thấy khả năng ứng dụng các máy phát điện chạy bằng sức gió khá hạn chế. Do vậy, việc nghiên cứu các loại ổ khác, đặc biệt là ổ khí tĩnh, giúp giảm ma sát trong ổ và giảm mômen khởi động có ý nghĩa quan trọng trong thực tiễn ứng dụng máy phát điện gió công suất nhỏ. So sánh với ổ cơ truyền thống thì ổ khí có sự tổn thất do ma sát thấp và phát sinh nhiệt thấp [5]. Vì vậy, chúng chủ yếu được sử dụng trong công nghiệp như các hệ thống máy móc có độ chính xác cao, các máy đo 3D, các máy công cụ có số vòng quay lớn và các thiết bị y tế, [4]. Đã có rất nhiều các công trình nghiên cứu về ứng dụng ổ khí tĩnh vào thực tiễn công nghiệp. G. L. Shires đã đề cấp tới những lý thuyết cơ bản của ổ khí tĩnh, tuy nhiên tác giả chưa xem xét mối ảnh hưởng giữa các thông số hình học của ổ đến sự hoạt động của ổ khí tĩnh [6]. Pink và Stout đã đưa ra quy trình thiết kế ổ khí với kiểu lỗ cấp khí dạng orifice dựa vào những kết quả thực nghiệm [8]. Công trình cũng đã dự đoán khả năng tải, độ cứng vững, lưu lượng dòng khí cấp vào ổ khí. Chen và Rowe đưa ra chiến lược thiết kế ổ đỡ có nguồn cấp từ bên ngoài (bao gồm ổ thủy tĩnh và ổ khí tĩnh) và những yêu cầu để chọn vật liệu chế tạo ổ [7]. Pust và Kozanek đã đề cấp tới sự rung động vả độ ổn định của ổ khí tĩnh bằng cách sử dụng tọa độ cực để phân tích lực tác dụng trên ổ để qua đó có thể tìm ra ma trận độ cứng, quỹ đạo chuyển động của trục (dao động) trong ổ khí tĩnh [9]. Chen, Chiu và Cheng đã xem xét sự ảnh hưởng của điều kiện hoạt động và thông số hình học đến độ cứng vững của ổ khí và qua thực nghiệm đã xây dựng các biểu đồ ảnh hưởng của chúng đến độ cứng của ổ khí tĩnh [5]. Các công trình nghiên cứu này đã và đang là cơ sở cho các nghiên cứu ứng dụng ổ khí tĩnh vào công nghiệp. 2. Máy phát điện gió
3. 2.1 Yêu cầu và thiết kế tua-bin gió Tua-bin gió công suất nhỏ lắp đặt trên địa bàn thành phố Hồ Chí Minh yêu cầu có thể hoạt động được ở dải vận tốc < 6 m/s. Điều này đòi hỏi phải sử dụng loại ổ trục không phải là ổ cơ để giảm ma sát và mômen khởi động. Một thiết kế máy phát điện gió trục đứng công suất nhỏ hoạt động được ở vận tốc 6 m/s đã được triển khai với ổ sử dụng là ổ cơ để làm cơ sở tính toán, thiết kế và đánh giá khả năng ứng dụng của ổ khí tĩnh. Các thông số thiết kế máy phát điện gió trục đứng công suất nhỏ: - Hoạt động được dưới vận tốc gió thấp khoảng 6 m/s - Không phụ thuộc hướng gió - Kích thước nhỏ gọn - Bảo trì bảo dưỡng đơn giản, Từ các phân tích, đánh giá các kiểu tua-bin gió hiện tại đang được phát triển rộng rãi trên thế giới cũng như ở Việt Nam, máy phát điện gió được thiết kế là kiểu tua- bin gió trục đứng có cánh bán tròn (hình 2.1). 2.2 Các thông số thiết kế - Cánh có hình dạng nữa đường tròn với chiều dài cánh H = 0,8 (m); chiều rộng cánh b = 0,105 (m) (hình 2.2a). - Góc bố trí 2 cánh kề liền nhau 40o (hình 2.2b). - Góc nghiêng của cánh so với đường hướng kính, β = 30o - Đường kính của rotor, D =0.7 (m) - Tốc độ quay của rotor khi tốc độ gió 6 m/s vào Hình 2.1: tua-bin gió khoảng N = 163,7 (vòng/phút)
4. a) Cánh và biên dạng cánh b) Rotor Hình 2.2: Các thông số thiết kế cơ bản 3 . Thiết kế ổ khí tĩnh Với tua-bin gió đã được thiết kế như trên, ta xác định được các thông số để thiết kế ổ khí tĩnh: - Lực tác dụng lên ổ đỡ: F = 40,25 N - Khối lượng rotor: m = 20 kg 3.1 Phương án thiết kế ổ đỡ khí tĩnh Từ kết cấu máy phát điện gió công suất nhỏ và các thông số như trên, kết cấu ổ khí tĩnh thay thế cho ổ cơ có thể được đề xuất như sau: - Sử dụng các lỗ cấp khí đơn giản - Sử dụng các lỗ cấp khí có khoang khí - Sử dụng lỗ cấp khí kết hợp a) Phương án 1 - Sử dụng các lỗ cấp khí đơn giản Đây là phương án sử dụng các lỗ cấp khí đơn giản (hình 2.3), chỉ đơn thuần là các lỗ khoan với ưu điểm dễ gia công, chi phí gia công thấp. Tuy nhiên, chúng có nhược điểm là áp suất khí cung cấp lớn và vì thế ít được sử dụng.
5. Hình 2.3: Kết cấu ổ đỡ khí tĩnh phương án 1 b) Phương án 2 - Sử dụng các lỗ cấp khí có khoang khí Phương án này có khả năng tải cao, áp suất nguồn khí cung cấp nhỏ và có độ tin cậy cao. Tuy nhiên, chúng có nhược điểm là rất khó gia công các khoang khí (hình 2.4). Hình 2.4: Kết cấu ổ đỡ khí tĩnh phương án 2 c) Phương án 3 - Sử dụng lỗ cấp khí kết hợp Đây là phương án mà việc gia công các lỗ cấp khí dễ dàng với khoang khí được hình thành khi lắp ghép chi tiết trụ (1) vào lỗ cấp khí (2). Đòi hỏi áp suất nguồn khí cung cấp nhỏ, khả năng tải và độ tin cậy cao. Do vậy, đây là phương án kết cấu
6. được lựa chọn để thiết kế, chế tạo ổ khí tĩnh nhằm đánh giá khả năng ứng dụng của chúng để thay thế ổ cơ trong máy phát điện gió công suất nhỏ Hình 2.5: Kết cấu ổ đỡ khí tĩnh Phương án 3 3.2 Phương án thiết kế ổ chặn khí tĩnh Ổ chặn ổ khí tĩnh thường có 2 dạng kết cấu: dạng 1 lỗ cấp khí và dạng nhiều lỗ cấp khí (hình 2.6) [1]. Phương án 1 (hình 2.6a) ổ chặn chỉ có duy nhất một lỗ cấp khí được đặt tại tâm ổ chặn nên có ưu điểm là kích thước nhỏ gọn, kết cấu không phức tạp. Phương án 2 (hình 2.6b) phù hợp cho những ứng dụng yêu cầu trục xuyên qua ổ, và khả năng tải khá cao. Căn cứ theo thiết kế thực tế của máy phát điện gió trục đứng công suất nhỏ, kết cấu ổ chặn khí tĩnh được đề xuất là loại ổ có trục xuyên qua (hình 2.6 b). Một lỗ cấp khí Nhiều lỗ cấp khí Hình 2.6: Kết cấu ổ chặn khí tĩnh
7. 4. Chế tạo và thử nghiệm 4.1. Ổ đỡ khí tĩnh: Đảm nhận nhiệm vụ phát ra dòng khí nén áp suất cao để làm lớp đệm khí giúp cho trục không ma sát với ổ trục. a) Thiết kế b) Chế tạo Hình 4.1: Thiết kế và chế tạo ổ đỡ khí tĩnh 4.2. Ổ chặn khí tĩnh: Áp lực của dòng khí tạo nên một khoảng hở giữa ổ chặn và tấm chặn giúp chúng không tiếp xúc nhau. a) Thiết kế b) Chế tạo Hình 4.2: Thiết kế Chế tạo ổ chặn 4.3 Dụng cụ hỗ trợ thí nghiệm và kiểm tra Hình 4.3 thể hiện thiết bị đo lưu lượng giúp kiểm tra lưu lượng nguồn cấp khí khi hoạt động. Hình 4.3: Thiết bị đo lưu lượng
8. Thiết bị điều chỉnh và đo áp suất (hình 4.4a) được sử dụng để điều chỉnh áp suất cần thiết và theo dõi được áp suất cung cấp vào ổ khí. a) Thiết bị đo và điều chỉnh áp suất b) Đồng hồ so Hình 4.4: Thiết bị đo, điều chỉnh áp suất và đồng hồ so Để đánh giá khả năng hoạt động của ổ khí tĩnh (bao gồm ổ đỡ và đỡ chặn) ta dùng đồng hồ so mytast có độ chính xác 1µm (hình 4.4b). 4.4 Quá trình thử nghiệm - Mô hình thử nghiệm được lắp ráp, cân chỉnh hoàn chỉnh được thể hiện như hình 4.5. Dùng để khảo sát khả năng hoạt động của hệ thống, đặc biệt là hoạt động của ổ đỡ và ổ đỡ - chặn khí tĩnh so sánh với ổ lăn. Hình 4.5: Mô hình thử nghiệm
9. Tiến trình thử nghiệm gồm các bước sau: - Dùng đồng hồ so chạm vào tấm chặn hoặc trục (đối với ổ đỡ) kim đồng hồ chỉ một giá trị xác định. - Cho ổ khí hoạt động (tức là cung cấp khí nén vào ổ khí) khi đó kim đồng hồ so dịch chuyển tới một giá trị mới. - Từ kết quả trên ta xác định được khoảng nâng của ổ chặn và độ giao động của ổ đỡ. 4.4.1 Thử nghiệm ổ chặn khí tĩnh Đối với ổ chặn, trước tiên ta dùng đồng hồ so mytsat 1/1000 chạm vào bề mặt tấm chặn để xác định một giá trị, sau đó ta cấp khí vào ổ và quan sát sự di chuyển của kim đồng hồ để đánh giá khả năng hoạt động của ổ chặn (hình 4.6). Trước khi cấp khí Sau khi cấp khí Hình 4.6: Kiểm nghiệm sự hoạt động của ổ chặn Mục đích kiểm nghiệm sự hoạt động của ổ chặn khí tĩnh nhằm xem xét, xác định khoảng hở giữa hai bể mặt khi ta cung cấp khí nén. Kết quả (hình 4.6) cho thấy rằng khe hở đạt được hơn 0,09 mm (vì kim đồng hồ vượt qua giới hạn thang đo của đồng hồ so, điều này chứng tỏ giá trị khe hở có thể còn lớn hơn) . Từ kết trên ta kết luận rằng ổ chặn khí tĩnh hoạt động tốt dưới sức ép của tải trọng (20 kg). 4.4.2 Thử nghiệm ổ đỡ khí tĩnh Để thử nghiệm khả năng hoạt động của ổ đỡ khí tĩnh sẽ cho trục quay với vận tốc 170 vòng/phút (tốc độ của rotor gió). Ta dùng đồng hồ so mytast 1/1000 chạm
10. vào bề mặt trụ ngoài, kim đồng hồ so chỉ một giá trị xác định. Khi trục quay ta quan sát sự chuyển động của kim đồng hồ so để đánh giá khả năng hoạt động của ổ đỡ như hình 4.7. Trước khi trục chuyển động Sau khi trục chuyển động Hình 4.7: Kiểm nghiệm sự hoạt động của ổ đỡ Kết quả thử nghiệm (hình 4.7) cho thấy khoảng dao động của trục khoảng 0,02 mm. kết quả rất khả quan. 4.4.3 Thử nghiệm hoạt động của hệ thống Để thử nghiệm khả năng hoạt động của hệ thống mô phỏng hoạt động của tua- bin máy phát điện gió trục đứng, ta áp đặt các lực tương tự như tua-bin gió ngoài thực tế. Biết rằng, lực gió tác động vào cánh để tạo mômen quay trục rotor, trong mô hình thử nghiệm: - Động cơ dẫn động làm trục quay 170 vòng/phút. - Lực khí nén tác động vào trục thay cho lực gió: 40,25 N. Sau khi cấp khí vào ổ đỡ, cấp khí vào đầu vòi phun tạo áp lực 40,25N lên trục và cấp nguồn điện để động cơ dẫn động làm cho trục quay ta thấy trục quay ổn định, nhẹ nhàng. Theo kim đồng hồ so ta thấy khoảng dao động theo phương ngang của trục khoảng 0,025 mm. Kết quả phù hợp với thông số thiết kế.
11. Trước khi trục chuyển động Sau khi trục chuyển động Hình 4.8: Kiểm nghiệm sự hoạt động của hệ thống 5. Kết luận Kết quả nghiên cứu và thực nghiệm chỉ ra rằng: - Kết cấu các ổ đỡ khí tĩnh, ổ chặn khí tĩnh phù hợp, dễ gia công, lắp ráp; - Ổ chặn khí tĩnh hoạt động ổn định, có khả năng nâng được khối lượng khoảng 20kg lên hơn 0,09mm - Hai ổ đỡ khí tĩnh khi hoạt động đã tạo được lớp đệm khí giúp cho trục qua nhẹ nhàng, dao động của trục theo phương ngang khi không có lực tác động ngang khoảng 0,02mm và có lượng dao động theo phương ngang của trục khi có lực tác dụng mô phỏng lực gió (42,5N) khoảng 0,025mm. Như vậy, ổ khí tĩnh có thể ứng dụng vào các máy phát điện công suất nhỏ giúp giảm mômen khởi động thiết kế và có thể ứng dụng để hoạt động dưới vận tốc gió nhỏ (< 6 m/s).
12. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] J W Powell. The design of aerostatic bearing. The Machinary Publishing Co.Ltd, 1970. [2] W.Brian Rowe. Hydrostatic, Aerostatic, and Hybrid Bearing Design. Elsevier, 2012. [3] V.C Venkatesh, Sudin Izan. Precision engineering. Tata McGraw-Hill, 2007. [4] Yantang Li, Han Ding. Influences of the geometrical parameters of aerostatic thrust bearing with pocketed orifice type restrictor on its performance. Tribology International 40, pp.1120-1126, 2007. [5] Y.S. Chen, C.C. Chiu, Y.D. Cheng. Influences of operational conditions and geometric parameters on the stiffness of aerostatic journal bearings. Precision Engineering 34, pp.722-734, 2010. [6] G.L.Shires. The design of pressurized gas bearings. Tribology International, pp.219-229, 1968. [7] K Cheng, W B Rowe. A selection strategy for the design of externally pressurized journal bearing. Tribology international 28, pp.465-474, 1995. [8] E.G.Ping, K.J.Stout. Design procedures for orifice compensated gas journal bearing based on experimental data. Tribology international, pp.63-75, 1978. [9] L. Pust, J. Kozanek. Nonlinear vibrations and stability of aerostatic bearing. Applied and Computational Mechanics, pp.335-346, 2008.[10]
13. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.