Nghiên cứu đặc tính năng lượng của tua bin tâm trục với bánh công tác có dãy cánh ngắn

LỜI CẢM ƠN Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án tiến sĩ với đề tài: “Nghiên cứu đặc tính năng lượng của tua bin tâm trục với bánh công tác có dãy cánh ngắn” tác giả đã nhận đ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

ĐINH MINH HẢI

NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH NĂNG LƯỢNG CỦA TUA BIN TÂM TRỤC VỚI BÁNH CÔNG TÁC

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án tiến sĩ với đề tài: “Nghiên cứu đặc tính năng lượng của tua bin tâm trục với bánh công tác có dãy cánh ngắn” tác giả đã nhận được nhiều sự giúp đỡ từ các tổ chức và cá nhân

Tác giả xin trân trọng cảm ơn:

1 Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Đào tạo sau Đại học, Viện Cơ khí Động lực, Bộ môn Máy và tự động thuỷ khí đã tạo điều kiện về mặt thời gian cũng như công tác chuyên môn để tác giả tập trung vào công việc nghiên cứu;

2 Hội Cơ học Việt Nam, Hội cơ học Thuỷ khí, Viện Nghiên cứu cơ khí, các tạp chí trong và ngoài nước đã hỗ trợ kinh phí, tạo điều kiện để tác giả báo cáo công trình nghiên cứu;

3 Viện Thuỷ điện và Năng lượng tái tạo – Viện Khoa học Thuỷ lợi Việt Nam đã hỗ trợ kinh phí và giúp đỡ tác giả hoàn thành phần thực nghiệm;

4 Tập thể cán bộ hướng dẫn: GS.TS Nguyễn Thế Mịch; PGS.TS Trương Việt Anh

đã định hướng, hướng dẫn để tác giả hoàn thiện luận án;

5 Gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã động viên, khích lệ để tác giả hoàn thành luận

án

Tác giả

Đinh Minh Hải

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận án “Nghiên cứu đặc tính năng lượng của tua bin tâm trục với bánh công tác có dãy cánh ngắn” đều do tôi tự thực hiện hoặc đồng thực hiện dưới sự hướng dẫn của tập thể cán bộ hướng dẫn GS.TS Nguyễn Thế Mịch; PGS.TS Trương Việt Anh

Để hoàn thành luận án này, tôi chỉ dùng những tài liệu đã ghi trong mục tài liệu tham khảo mà không dùng bất cứ một tài liệu nào khác Không hề có sự sao chép, gian lận kết quả của bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác

Tác giả

Đinh Minh Hải

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT i

DANH MỤC CÁC BẢNG v

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ v

LỜI NÓI ĐẦU 1

Chương 1 Tổng quan 2

1.1 Phân loại tua bin và phạm vi sử dụng 2

1.2 Giới thiệu chung về tua bin tâm trục 3

1.2.1 Buồng dẫn tua bin 4

1.2.2 Bánh công tác 4

1.2.3 Ống xả 5

1.3 Nghiên cứu tua bin tâm trục có dãy cánh ngắn trong, ngoài nước 5

1.3.1 Nghiên cứu tua bin tâm trục có dãy cánh ngắn ở nước ngoài 7

1.3.1.1 Tại Trung Quốc 7

1.3.1.2 Tại Nhật Bản 9

1.3.2 Tại Việt Nam 12

1.4 Phạm vi nghiên cứu của luận án 12

1.5 Phương pháp nghiên cứu 12

1.6 Kết luận 12

Chương 2 Lý thuyết tính toán thiết kế tua bin tâm trục [2,4,7] 13

2.1 Buồng xoắn 13

2.1.1 Nhiệm vụ và các thông số đặc trưng 13

2.1.2 Ảnh hưởng của buồng xoắn đến đặc tính của tua bin 13

2.1.3 Tính toán các thông số hình học 14

2.2 Cột trụ 15

2.2.1 Nhiệm vụ và đặc điểm 15

2.2.2 Thiết kế biên dạng cánh cột trụ 16

2.3 Cánh hướng 17

2.3.1 Nhiệm vụ và các thông số đặc trưng 18

2.3.2 Thiết kế biên dạng profile cánh hướng 18

2.4 Ống xả 19

2.4.1 Nhiệm vụ vai trò của ống xả 19

2.4.1.1 Tua bin không có ống xả 19

2.4.1.2 Tua bin có ống xả 20

2.4.2 Tổn thất năng lượng của ống xả 21

2.4.2.1 Tổn thất nội bộ 21

2.4.2.2 Tổn thất động năng ở cửa ra ống xả 21

2.4.3 Hệ số phục hồi của ống xả 22

2.4.4 Thiết kế ống xả 22

2.4.4.1 Đoạn chóp cụt (đoạn loe thẳng) 22

2.4.4.2 Đoạn khuỷu cong B 23

2.4.4.3 Đoạn mở rộng nằm ngang 24

2.5 Bánh công tác 25

2.5.1 Phương pháp xây dựng đường dòng đẳng thế 26

2.5.2 Phương pháp BHBG ứng dụng trong thiết kế cánh bánh công tác 27

2.5.2.1 Biến hình bảo giác lên mặt trụ 27

2.5.2.2 Biến hình bảo giác lên mặt nón 29

2.5.3 Phương pháp xây dựng biên dạng cánh BCT tua bin tâm trục 30

2.5.3.1 Phương pháp dòng một chiều 31

2.5.3.2 Phương pháp hai toạ độ (Phương pháp Bauersfelder) 36

2.6 Kết luận 42

Chương 3 Tính toán thiết kế tua bin mô hình 43

3.1 Cơ sở mô hình hoá và chọn tua bin mô hình 43

3.2 Tính toán thiết kế phần dẫn dòng tua bin mô hình 44

3.3 Tính toán thiết kế bánh công tác tua bin mô hình 46

3.4 Kết luận 54

Chương 4 Khảo sát đặc tính thuỷ động BCT mô hình bằng Ansys Fluent 54

4.1 Giới thiệu về phần mềm Ansys Fluent [10] 55

4.1.1 Định nghĩa về CFD 55

4.1.2 Ưu điểm và hạn chế của CFD 55

4.1.3 Các lĩnh vực áp dụng CFD hiện nay 55

4.1.4 Giới thiệu phần mềm Ansys Fluent và Gambit 55

4.1.5 Cấu trúc của bộ phần mềm Ansys Fluent 55

4.1.6 Khả năng của Ansys Fluent 56

4.1.7 Vai trò của tạo lưới trong CFD 56

4.1.8 Chọn lựa mô hình lưới 56

4.1.9 Các điều kiện biên 57

4.1.10 Vật liệu 58

4.2 Khảo sát đặc tính thuỷ động BCT mô hình bằng Ansys Fluent 58

4.2.1 Xây dựng bài toán 2D 59

4.2.2 Kết quả khảo sát 2D bánh công tác tua bin 60

4.2.2.1 Phân bố áp suất tĩnh 60

4.2.2.2 Phân bố vận tốc 67

4.3 Kết luận 71

Chương 5 Nghiên cứu thực nghiệm tua bin trên hệ thống thí nghiệm 71

5.1 Đường đặc tính tua bin 72

5.1.1 Cơ sở xây dựng đường đặc tính lý thuyết của tua bin tâm trục 72

5.1.2 Phương pháp xây dựng đường đặc tính tổng hợp chính 72

5.2 Hệ thống thí nghiệm tua bin 72

5.2.1 Mô tả chung hệ thống 72

5.2.2 Các hạng mục và thiết bị trong hệ thống 74

5.3 Phương pháp thực nghiệm tua bin 76

5.3.1 Số liệu thực nghiệm 76

5.3.2 Quá trình đo 76

5.3.3 Xử lý dữ liệu thí nghiệm 77

5.3.4 Xác định sai số đo 77

5.3.4.1 Sai số xác định theo cấp chính xác của thiết bị đo 79

5.3.4.2 Sai số do mạch động các thông số đo: 79

5.3.5.3 Sai số tổng cộng 80

5.4 Kết quả thực nghiệm 80

5.5 Kết luận 83

Chương 6 Kết quả 83

KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ 84

TÀI LIỆU THAM KHẢO 86

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 88

Phụ lục 1: Số liệu thiết kế profile bánh công tác 89

Phụ lục 2: Bản vẽ thiết kế tua bin mô hình 91

Phụ lục 3: Kết quả khảo sát mô hình 2D trên phần mềm Ansys Fluent 98

Phụ lục 4: Số liệu thí nghiệm mô hình trên hệ thống thí nghiệm, đường đặc tính làm việc, xây dựng đặc tính tổng hợp chính các mẫu cánh 100

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

cxp Hệ số tổn thất khe hở tương đối

D1 Đường kính lối vào Bánh công tác (mm)

̅ Tổn thất tương đối (không thứ nguyên)

̅ Tổn thất thuỷ lực tương đối (không thứ nguyên) ̅ Tổn thất tương đối bánh công tác (không thứ nguyên) ̅ Tổn thất tương đối ống xả (không thứ nguyên)

H Sai số giới hạn tương đối của cột áp (%)

g Gia tốc trọng trường (m/s2

)

L Chiều dài dây cung của prôfin (m)

Lz Hình chiếu dây cung theo phương hướng trục (m)

Lu Hình chiếu dây cung theo phương hướng vòng (m)

l/t Độ mau của dãy cánh

Ntd Số lượng tiết diện tính toán

N Công suất (W)

Ntl Công suất thuỷ lực (W)

Ntr Công suất trên trục (W)

Nms Công suất tổn thất do ma sát (W)

N Sai số giới hạn tương đối của công suất (%)

N* Sai số mạch động của công suất (%)

N Sai số tổng cộng của công suất (%)

t/l Bước lưới tương đối (không thứ nguyên)

/s) Qlth Lưu lượng lý thuyết (m3

/s) Q’I Lưu lượng quy dẫn (không thứ nguyên)

Q Sai số giới hạn tương đối của lưu lượng (%)

Q* Sai số mạch động của lưu lượng (%)

Q Sai số tổng cộng của lưu lượng (%)

Ri Bán kính tính toán của các tiết diện (m)

V2u Vận tốc xoáy tại lối ra khỏi BCT (m/s)

V2UGT Giả thiết vận tốc xoáy tại lối ra khỏi BCT (m/s)

V0z Thành phần vận tốc dòng không nhiễu tại điểm z=0

V0u Thành phần vận tốc dòng không nhiễu tại điểm u=0

U Vận tốc vòng (m/s)

XM Giá trị đo tới hạn

X Giá trị đo thực

W Vận tốc tương đối (m/s)

W1 Vận tốc tương đối ở lối vào của lưới (m/s)

W2 Vận tốc tương đối ở lối ra của lưới (m/s)

W Vận tốc của dòng song phẳng không nhiễu (m/s)

z Toạ độ vuông góc với phương u

1 Góc của dòng chảy khi vào (độ)

2 Góc của dòng chảy khi ra (độ)

0 Góc đặc trưng cho độ cong của profile (độ)

 Góc của dòng song phẳng không nhiễu (độ)

 Góc ngoặt của dòng chảy (độ)

chiều rộng tương đối của máng dẫn

 Vận tốc góc (rad/s)

0 Hàm dòng của dòng thế không nhiễu

1 Hàm dòng cảm ứng tạo bởi các xoáy liên hợp

(t) Hàm dòng tổng cộng

(s) Hàm dòng cảm ứng tạo bởi các xoáy (s) bên trong prôfin

/L Hàm dòng trên chu tuyến prôfin

 Tổn thất thủy lực tương đối tổng cộng (không thứ nguyên)

 Khoảng cách giữa hai lưới (m)

max Độ dày (m)

max/l Độ dày tương đối (không thứ nguyên)

x Sai số tương đối của giá trị đo

y Sai số giới hạn tương đối của kết quả đo

m Cấp chính xác của thiết bị đo

* Chiều dầy dịch chuyển (bị ép) của lớp biên

** Chiều dầy tổn thất xung lực của lớp biên

y Sai số giới hạn tuyệt đối

 Hệ số xâm thực



 Hiệu suất chung (không thứ nguyên)

tl Hiệu suất thuỷ lực (không thứ nguyên)

tt Hiệu suất thể tích (không thứ nguyên)

ck Hiệu suất cơ khí (không thứ nguyên)

BCT Hiệu suất bánh công tác (không thứ nguyên)

 Sai số giới hạn tương đối của hiệu suất (%) BHBG Biến hình bảo giác

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Phân loại tua bin theo ns 2

Bảng 1.2 Một số trạm thủy điện sử dụng tua bin tâm trục có dãy cánh ngắn 6

Bảng 1.3 Thông số tua bin tâm trục có dãy cánh ngắn tại Trung Quốc 8

Bảng 1.4 So sánh kết quả chạy mô phỏng với mô hình S-A và k- tại Trung Quốc 9

Bảng 1.5 Thông số tua bin tổ máy 3 nhà máy thuỷ điện KANSAI, Nhật Bản 10

Bảng 2.1 Kích thước cơ bản của khuỷu số 4 (m) 24

Bảng 2.2 Kích thước cơ bản ống xả (m) 24

Bảng 2.3 Profile khí động 35

Bảng 3.1 Các giá trị vận tốc kinh tuyến tại mép vào và ra của cánh trên các đường dòng 48 Bảng 3.2 Góc đặt của profile cánh tại mép vào và ra 49

Bảng 3.3 Góc bao của các tiết diện ứng với các đường dòng 50

Bảng 4.1 Kết quả tính toán từ Ansys Fluent với mô hình 2D 70

Bảng 5.1 Bảng so sánh thông số thực nghiệm các mẫu cánh 82

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Phạm vi sử dụng các loại tua bin của Escher-Wyss 3

Hình 1.2 Phạm vi sử dụng tua bin của VATECH (Ấn Độ) 3

Hình 1.3 Phạm vi sử dụng tua bin của hãng GILKES 3

Hình 1.4 Cấu tạo cơ bản của tua bin tâm trục 4

Hình 1.5 Bánh công tác tua bin tâm trục cột nước thấp 5

Hình 1.6 Bánh công tác tua bin tâm trục cột nước cao 5

Hình 1.7 Tua bin Model SIMENS trên giàn thử tại Trung Quốc 7

Hình 1.8 Tua bin Model Alstom trên giàn thử tại Trung Quốc 7

Hình 1.9 Nghiên cứu bánh công tác tua bin bằng CFD tại Trung Quốc 8

Hình 1.10 Mô hình 3D bánh công tác có dãy cánh ngắn tại Trung Quốc 8

Hình 1.11 Phân bố vận tốc, cánh ngắn quay góc α so với cánh dài mô hình tại Nhật Bản 9

Hình 1.12 Đồ thị so sánh hiệu suất hai loại bánh công tác mô hình tại Nhật Bản 9

Hình 1.13 Bản vẽ 3D, mô phỏng dòng chảy qua bánh công tác tổ máy 3 KANSAI 10

Hình 1.14 Quan hệ tỉ số giữa đường kính lối vào ra với ns tua bin 10

Hình 1.15 Đồ thị so sánh hiệu suất, độ rung tổ máy giữa 2 loại bánh công tác 11

Hình 1.16 Bánh công tác có dãy cánh ngắn lắp tại nhà máy thuỷ điện Kannagawa PSPP 11 Hình 1.17 Đồ thị so sánh phạm vi làm việc, hiệu suất tua bin, dao động áp suất 11

Hình 2.1 Các thông số hình học buồng xoắn 14

Hình 2.2 Dữ liệu để tính thông số hình học buồng xoắn 15

Hình 2.3 Thông số tính toán cột trụ 16

Hình 2.4 Dựng đường tâm profile và sơ đồ sắp xếp cánh cột trụ 17

Hình 2.5 Các thông số hình học đặc trưng và các dạng Profile cánh hướng 18

Hình 2.6 Dựng Profile cánh hướng theo phương pháp 1 toạ độ 19

Hình 2.7 Sơ đồ phần dẫn dòng tua bin tâm trục 20

Hình 2.8 Ống xả cong của tua bin 23

Hình 2.9 Sơ đồ tính toán đường dòng trong buồng dẫn tua bin tâm trục 26

Hình 2.10 Biểu đồ vận tốc kinh tuyến 27

Hình 2.11a Xây dựng biên dạng cánh bánh công tác trong mặt chiếu đứng và chiếu bằng 28 Hình 2.11b Sơ đồ xây dựng biên dạng cánh trên mặt trụ BHBG 28

Hình 2.12 Đường cong quan hệ y = f(l) để thực hiện BHBG 29

Hình 2.13 Sơ đồ xây dựng biên dạng cánh trên mặt nón BHBG 30

Hình 2.14 Chọn mặt ánh xạ 32

Hình 2.15 Lưới ánh xạ 34

Hình 2.16 Đắp độ dày cánh 35

Hình 2.17 Bản vẽ thiết kế cánh bánh công tác tua bin tâm trục 36

Hình 2.18 Dựng profile trong mặt cắt kinh tuyến 42

Hình 3.1 Bản vẽ lắp tua bin mô hình 46

Hình 3.2 Sơ đồ đường dòng trong mặt cắt kinh tuyến 48

Hình 3.3 Đồ thị phân bố vận tốc kinh tuyến theo đường dòng 48

Hình 3.4 Xây dựng các profile cánh trên các mặt trụ BHBG 51

Hình 3.5 Xây dựng lá cánh bánh công tác trên mặt chiếu đứng và chiếu bằng 51

Hình 3.6 Xây dựng bản vẽ dưỡng chế tạo cánh 52

Hình 3.7 Bản vẽ chế tạo Bánh công tác 53

Hình 3.8 Chế tạo, mài lá cánh bánh công tác theo dưỡng 53

Hình 3.9 Hàn lá cánh lên vành 54

Hình 3.10 Đồ gá cân bằng bánh công tác 54

Hình 3.11 Hoàn thiện các mẫu Bánh công tác 54

Hình 4.1 Cấu trúc của bộ phần mềm Ansys Fluent 56

Hình 4.2 Các bước xây dựng mô hình 2D chạy Ansys Fluent 59

Hình 4.3 Mô hình bài toán 59

Hình 4.4 Phân bố áp suất tĩnh trên lá cánh TH1 61

Hình 4.5 Phân bố áp suất tĩnh trên lá cánh TH2 62

Hình 4.6 Phân bố áp suất tĩnh trên lá cánh TH3 63

Hình 4.7 Phân bố áp suất tĩnh trên lá cánh TH4 64

Hình 4.8 Phân bố áp suất tĩnh trên lá cánh TH5 65

Hình 4.9 Phân bố áp suất tĩnh trên lá cánh TH6 66

Hình 4.10 Phân bố vận tốc trên lá cánh TH1 67

Hình 4.11 Phân bố vận tốc trên lá cánh TH2 68

Hình 4.12 Phân bố vận tốc Bánh công tác TH3 68

Hình 4.13 Phân bố vận tốc Bánh công tác TH4 69

Hình 4.14 Phân bố vận tốc Bánh công tác TH5 69

Hình 4.15 Phân bố vận tốc Bánh công tác TH6 69

Hình 4.16 Biến thiên vận tốc lối vào và ra tại đường trung bình giữa 2 lá cánh 70

Hình 5.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống thí nghiệm tua bin 73

Hình 5.2 Bơm nguồn và bể tạo áp thí nghiệm 73

Hình 5.3 Phòng thu thập số liệu và kênh xả 74

Hình 5.4 Lắp đặt tua bin trên hệ thống thí nghiệm 74

Hình 5.5 Chạy mô hình trên hệ thống thí nghiệm 74

Hình 5.6 Sơ đồ hệ thống đo và xử lý số liệu 76

Hình 5.7 Đường đặc tính thực nghiệm mẫu cánh 1 (l=0) 80

Hình 5.8 Đường đặc tính thực nghiệm mẫu cánh 2 (l=1/3L) 81

Hình 5.9 Đường đặc tính thực nghiệm mẫu cánh 3 (l=1/2L) 81

Hình 5.10 Đường đặc tính thực nghiệm mẫu cánh 4 (l=2/3L) 82

LỜI NÓI ĐẦU

Việt Nam nằm ở vùng nhiệt đới gió mùa, lượng mưa tương đối lớn Cùng với điều kiện địa hình có nhiều dãy núi cao, tạo ra một nguồn thuỷ năng dồi dào Nguồn thuỷ năng này đã và đang được chú trọng khai thác biến thành năng lượng điện phục vụ cho việc phát triển kinh tế của đất nước

Tua bin thủy lực là bộ phận quan trọng của trạm thuỷ điện Lựa chọn kiểu loại tua bin phụ thuộc vào cột nước và lưu lượng của từng trạm Trong biểu đồ sử dụng tua bin của các hãng chế tạo có sự chồng lấn phạm vi sử dụng ở dải cột nước cao giữa tua bin tâm trục

và tua bin gáo Về mặt lý thuyết, hiệu suất của tua bin gáo và tua bin tâm trục là ngang nhau Khi có cùng cột nước địa hình và lưu lượng, dùng tua bin tâm trục sẽ lợi hơn vì: Tua bin tâm trục có cột áp hút, do vậy có công suất đạt cao hơn, tua bin tâm trục độ ồn thấp và

độ bền cao hơn, điều khiển dễ hơn so với tua bin gáo Tuy nhiên, với tua bin tâm trục cột nước cao, bánh công tác có chênh lệch về đường kính lối vào và ra lớn, lối vào có đường kính rộng, lối ra đường kính hẹp, chất lỏng vào bánh công tác dễ dàng nhưng khi ra thì khó

vì bị chèn dòng, giảm hiệu suất, để giải quyết vấn đề này một số hãng đã nghiên cứu chế tạo bánh công tác tua bin tâm trục có dãy cánh ngắn

Tại Việt Nam đã có một số Nhà máy thuỷ điện sử dụng tua bin tâm trục với kết cấu bánh công tác có dãy cánh ngắn, tuy nhiên thiết bị là nhập ngoại trọn gói 100% từ nhà cung cấp ở nước ngoài, nên chưa có một nghiên cứu nào đề cập tới loại bánh công tác với kết cấu mới này, với mong muốn đưa ra được phạm vi làm việc của tua bin tâm trục có dãy cánh ngắn, chiều dài tối ưu của dãy cánh ngắn trong bánh công tác phục vụ cho việc lựa chọn tua bin, thiết kế chế tạo bánh công tác thay thế và sản xuất mới cho các trạm thuỷ

điện tại Việt Nam, tác giả đã đi sâu nghiên cứu vấn đề trên tại luận văn: “Nghiên cứu đặc tính năng lượng của tua bin tâm trục với bánh công tác có dãy cánh ngắn” với phương

pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp chạy phần mềm mô phỏng và mô hình thực trong phòng thí nghiệm sẽ là kết quả bước đầu tại Việt Nam về nghiên cứu kết cấu bánh công tác mới Với kết quả nghiên cứu này tác giả hy vọng sẽ là tài liệu phục vụ cho giảng dạy, cho lựa chọn loại tua bin khi sử dụng tại Nhà máy thuỷ điện có cân nhắc giữa tua bin gáo và tua bin tâm trục, đồng thời kết quả nghiên cứu cũng là tài liệu cho việc sửa chữa các trạm đang

sử dụng và là tiền đề cho các nghiên cứu sâu hơn về kết cấu loại bánh công tác tua bin tâm trục có dãy cánh ngắn sau này

Chương 1 Tổng quan

1.1 Phân loại tua bin và phạm vi sử dụng

Để xác định phạm vi làm việc của tua bin, trước hết cần phải phân loại tua bin Có

hai cách để phân loại tua bin hiện nay là: [7]

- Phân loại theo cột nước

- Phân loại theo số vòng quay đặc trưng ns

Phân loại tua bin theo cột nước chỉ cho biết sơ bộ vùng ứng dụng các loại tua bin

theo điều kiện địa hình Nhưng với cùng một cột nước có thể sẽ có sự trùng lặp các vùng

làm việc của các tua bin khác nhau nên sự phân loại theo số vòng quay đặc trưng ns sẽ giúp

nhận biết sâu hơn về các đặc tính thuỷ lực của tua bin như: đặc tính xâm thực, khả năng

thoát, số vòng quay của tua bin

Số vòng quay đặc trưng của tua bin tâm trục n s

Khi lựa chọn tua bin thủy lực cần dựa vào các thông số công suất (N), cột nước (H),

số vòng quay (n) Người ta dùng ns làm đại lượng đặc trưng tổng hợp cho 3 thông số kể

trên

Số vòng quay đặc trưng ns của một tua bin được xác định theo công thức:

√

(1.1) Tính theo các thông số quy dẫn:

Với: nI'- số vòng quay quy dẫn (v/ph)

QI'- Lưu lượng quy dẫn (m3/s)

Bảng 1.1 Phân loại tua bin theo n s

Như vậy tua bin tâm trục có số vòng quay đặc trưng nS nằm trong khoảng từ

70400vg/ph, trong đó cột nước cao có số vòng quay đặc trưng nS = 15070 vg/ph Tuy

nhiên tuỳ từng hãng đã chế tạo và đưa ra phạm vi sử dụng có khác nhau:

Hình 1.1 Phạm vi sử dụng các loại tua bin của Escher-Wyss

Hình 1.2 Phạm vi sử dụng tua bin của VATECH (Ấn Độ)

Hình 1.3 Phạm vi sử dụng tua bin của hãng GILKES

1.2 Giới thiệu chung về tua bin tâm trục

Tua bin tâm trục là hệ tua bin phản kích được sử dụng rộng rãi nhất (chiếm tới 60%

trong tổng số các loại tua bin đã lắp đặt), hãng Asltom thì gọi tua bin tâm trục là "Chìa khoá của lợi nhuận" [25], điều này chứng tỏ rằng đây là loại tua bin có hiệu quả kinh tế

nhất trong các loại tua bin Tua bin tâm trục có 2 loại: trục đứng và trục ngang, trục ngang thường dùng cho công suất <5 MW và hiệu suất thường thấp hơn trục đứng từ 2 đến 5%

Cấu tạo cơ bản tua bin tâm trục

Chuyển động của chất lỏng trong bánh công tác tua bin tâm trục (ở tất cả các điểm) lúc đầu theo hướng xuyên tâm khi đi qua các khe giữa các cánh dòng nước bị chuyển hướng 900

và ra khỏi bánh công tác để vào ống xả theo hướng dọc trục

Các bộ phận chính của tua bin tâm trục [2,7]

Trong tua bin tâm trục, bộ phận ảnh hưởng lớn đến hiệu suất đó là phần dẫn dòng Phần dẫn dòng gồm 3 bộ phận chính:

- Buồng dẫn tua bin;

- Bánh công tác;

- Ống xả tua bin

Hình 1.4 Cấu tạo cơ bản của tua bin tâm trục

1.2.1 Buồng dẫn tua bin

Làm nhiệm vụ dẫn nước từ ống nước qua kênh dẫn đến bánh công tác với tổn thất nhỏ nhất và sự phân bố vận tốc đi vào bánh công tác phải đều (đối xứng qua trục) Buồng dẫn tua bin cỡ trung bình và lớn gồm có: Buồng xoắn, cột trụ và cánh hướng nước

Buồng xoắn tua bin có tiết diện ngang (tiết diện cắt chứa trục tua bin) giảm dần từ tiết diện vào đến tiết diện cuối Nhờ sự thay đổi tiết diện này mà kích thước buồng xoắn nhỏ hơn so với các loại buồng có tiết diện ngang không đổi, và đảm bảo dòng chất lỏng vào bánh công tác đều hơn (đối xứng qua trục tua bin), tạo điều kiện dòng ổn định qua bánh công tác ở tua bin cột nước cao buồng xoắn thường làm bằng kim loại Tiết diện kinh tuyến buồng xoắn kim loại thường là hình tròn hay elip

Cột trụ, còn gọi là stato tua bin có nhiệm vụ chính là truyền tải trọng phía trên tua bin xuống móng nhà máy (với tua bin trục đứng) Stato phải đủ bền và không làm ảnh hưởng tới đến dòng chảy Cột trụ thường có tiết diện khí động

Cánh hướng (bộ phận hướng dòng) nằm sau cột trụ gồm nhiều cánh có tiết diện khí động nằm cách đều nhau Cánh hướng làm nhiệm vụ hướng dòng chảy vào bánh công tác ở một góc thích hợp và phân bố vận tốc dòng chảy vào bánh công tác đều Ngoài ra cánh hướng còn làm nhiệm vụ thay đổi lưu lượng vào bánh công tác cho phù hợp với phụ tải của máy phát điện Cánh hướng cũng làm nhiệm vụ dừng và mở tua bin

Để điều chỉnh lưu lượng, cánh hướng quay xung quanh trục cố định nhờ thiết bị điều khiển (bộ điều tốc) Khi cánh hướng quay thì khoảng cách giữa chúng (gọi là độ mở cánh hướng a0) thay đổi Lưu lượng qua cánh hướng vào bánh công tác thay đổi và thay đổi luôn

cả hướng dòng chảy vào bánh công tác

Để điều chỉnh độ mở a0 người ta dùng cơ cấu điều chỉnh cánh hướng Cơ cấu này gồm vành điều chỉnh qua hệ thống thanh truyền Vành điều chỉnh được dẫn động bằng các

xy lanh thuỷ lực Khi có tín hiệu điều chỉnh, các xy lanh thuỷ lực chuyển động tịnh tiến, kéo vành điều chỉnh quay đi một góc nào đó Qua hệ thống thanh truyền dẫn tới quay tất cả cánh hướng với một góc như nhau, nghĩa là làm thay đổi độ mở cánh hướng a0

1.2.2 Bánh công tác

Là bộ phận quan trọng nhất trong tua bin, làm nhiệm vụ biến đổi thủy năng thành cơ năng Bánh công tác gồm các lá cánh gắn trên 2 vành đĩa Cánh có dạng cong không gian

và số cánh tuỳ thuộc cột áp làm việc tua bin (từ 7 - 30 cánh) Người ta thường chế tạo cánh

và 2 vành đĩa sau đó hàn thành một chi tiết Nếu trường hợp đường kính bánh công tác quá lớn, người ta chế tạo thành 2 nửa và khi ráp lại thì hàn hai khối đó thành một chi tiết Tuỳ

Buồng xoắn

Bánh công tác Cánh hướng

Ống xả

theo cột nước sử dụng bánh công tác có cấu tạo khác nhau Đặc trưng cho sự khác nhau đó

là tỷ số giữa đường kính mép ra D2 và đường kính mép vào D1 của bánh công tác

Bánh công tác dùng cho tua bin có cột nước trung bình (H <80 m) có tỷ số (hình 1.5) với cột nước cao (H >80 m) thì (hình 1.6)

Hình 1.5 Bánh công tác tua bin tâm trục cột nước thấp

Hình 1.6 Bánh công tác tua bin tâm trục cột nước cao

1.2.3 Ống xả

Nhiệm vụ của ống xả là dẫn nước từ bánh công tác ra xuống hạ lưu Ống xả cho phép

sử dụng phần năng lượng còn lại của dòng chảy sau khi ra khỏi bánh công tác Ống xả có dạng ống loe thẳng hoặc ống loe cong Độ cao của ống loe có ảnh hưởng lớn đến chỉ tiêu kinh tế của trạm vì nó quyết định khối lượng đào sâu của công trình, tức là số vốn đầu tư xây dựng nhà máy thuỷ điện Vì vậy trong thực tế ít sử dụng ống loe thẳng mà thường sử dụng ống loe cong

1.3 Nghiên cứu tua bin tâm trục có dãy cánh ngắn trong, ngoài nước

Về mặt lý thuyết thì hiệu suất của tua bin gáo và tâm trục là ngang nhau, tuy nhiên khi có cùng cột áp địa hình và lưu lượng, nếu dùng tua bin tâm trục sẽ lợi hơn vì: Tua bin tâm trục có cột áp hút nên có công suất cao hơn, tua bin tâm trục độ ồn thấp và độ bền hơn

tua bin gáo, điều khiển dễ hơn tua bin gáo; Tuy nhiên, với tua bin tâm trục cột nước cao, bánh công tác có chênh lệch về đường kính lối vào và ra lớn, lối vào có đường kính rộng, lối ra đường kính hẹp, chất lỏng vào bánh công tác thì dễ dàng nhưng khi ra thì khó vì bị chèn dòng, giảm hiệu suất Để tránh hiện tượng chèn dòng này, người ta đã cắt bớt chiều dài của một nửa số lá cánh bánh công tác ở phía chiều ra (những lá cánh bị cắt bớt này được gọi là dãy cánh ngắn), tăng khả năng thoát, tránh hiện tượng va đập, nâng cao hiệu suất tua bin Trong thực tế nước ngoài đã sản xuất và sử dụng kết cấu bánh công tác có dãy cánh ngắn, nhưng chưa có tài liệu nào công bố về kết cấu, biên dạng dãy cánh ngắn này, phạm vi sử dụng, cũng như đặc tính năng lượng

Qua xem xét các tua bin tâm trục gần đây nhập về Việt Nam cho thấy: Vùng cột nước cao có thể dùng tua bin gáo và tâm trục thì các nhà cung cấp đã đề xuất dùng tua bin tâm trục với bánh công tác đã được cải tiến Thực tế tại Việt Nam đã có 02 nhà máy thủy điện dùng tua bin tâm trục trong dải cột nước cao:

Bảng 1.2 Một số trạm thủy điện sử dụng tua bin tâm trục có dãy cánh ngắn

1 Thuỷ điện Quảng Trị

Kiểu tua bin (Francis trục đứng) HL (F) - LJ - 155A

2 Thuỷ điện Bản Cốc (Nghệ An)

Kiểu tua bin (Francis trục đứng) HL 100A - LJ - 120

Ở nước ngoài, tua bin tâm trục có dãy cánh ngắn đã được các hãng nổi tiếng nghiên cứu, với những phòng thí nghiệm hiện đại, xây dựng được nhiều mẫu cánh có hiệu suất cao, mở rộng phạm vi làm việc của tua bin Một số kết quả nghiên cứu về tua bin tâm trục

có dãy cánh ngắn đã được các nhà khoa học trên thế giới công bố như sau:

1.3.1 Nghiên cứu tua bin tâm trục có dãy cánh ngắn ở nước ngoài

1.3.1.1 Tại Trung Quốc

Hình 1.7 Tua bin Model SIMENS trên giàn thử tại Trung Quốc

Hình 1.8 Tua bin Model Alstom trên giàn thử tại Trung Quốc

Năm 2008 tại hội thảo Quốc tế thông tin về nghiên cứu máy (International Symposium on Information Science and Engineering) nhóm tác giả Yi-hua; Hou Xue-yi;

Qi Ren-nian; Li Jing Zhang đã công bố kết quả sử dụng phần mềm Fluent để nghiên cứu bánh công tác có dãy cánh ngắn trong bài báo: “Mô phỏng, tính toán dòng chảy 3D qua bánh công tác tua bin tâm trục có dãy cánh ngắn (Numerical Simulation of 3-D Flow in Low Specific Speed Francis Runner withSplitter Blades)" [18]

Hình 1.9 Nghiên cứu bánh công tác tua bin bằng CFD tại Trung Quốc

Trong bài báo này, nhóm tác giả dùng phần mềm Fluent để tính toán, mô phỏng 3D bánh công tác tua bin tâm trục có dãy cánh ngắn Mô hình tua bin mà nhóm tác giả nghiên cứu có thông số nhƣ sau:

Bảng 1.3 Thông số tua bin tâm trục có dãy cánh ngắn tại Trung Quốc

Hình 1.10 Mô hình 3D bánh công tác có dãy cánh ngắn tại Trung Quốc

Nhóm tác giả dùng mô hình S-A và k- của phần mềm Fluent để chạy mô phỏng, kết quả hiệu suất thuỷ lực bánh công tác và phân bố áp suất tĩnh trên mặt cánh do 2 mô hình đƣa ra không sai khác nhiều Nhóm nghiên cứu cũng kết luận hoàn toàn có thể dùng cả 2

mô hình S-A và k- để nghiên cứu, tính toán bài toán bánh công tác tâm trục, tuy nhiên dùng mô hình S-A dễ hội tụ hơn, nhanh hơn và dễ sử dụng hơn k- một chút [19]

Bảng 1.4 So sánh kết quả chạy mô phỏng với mô hình S-A và k- tại Trung Quốc

TT Lưu lượng

(m3/s)

Cột nước (m)

Hiệu suất thuỷ lực (%)

Áp suất nhỏ nhất trên bề mặt

lá cánh (kPa)

Hiệu suất thuỷ lực (%)

Áp suất nhỏ nhất trên bề mặt lá cánh (kPa)

290 m, vòng quay 450 vg/ph, công suất 60 MW, nhóm nghiên cứu xem xét phân bố áp suất, phân bố vận tốc trên cả cánh dài và cánh ngắn đồng thời quay cánh ngắn với một góc

02 độ, qua kết quả mô phỏng kết quả đưa ra là: hiệu suất bánh công tác có cánh ngắn cao hơn bánh công tác thường tới 5% [15]

Hình 1.11 Phân bố vận tốc, cánh ngắn quay góc α so với cánh dài mô hình tại Nhật Bản

Hình 1.12 Đồ thị so sánh hiệu suất hai loại bánh công tác mô hình tại Nhật Bản

Hiệu suất TB với BCT

có dãy cánh phụ;

Hiệu suất TB với BCT không có dãy cánh phụ;

Năm 2006 các tác giả Masami Harano; Kiyohito Tani; Satoru Nomoto đã công bố kết quả nghiên cứu trong bài báo: "Áp dụng tua bin tâm trục có dãy cánh ngắn cho tổ máy

số 3 nhà máy điện KANSAI (Practical Application of High-performance Francis-turbine Runner Fitted with Splitter Blades at Ontake and Shinkurobegawa No 3 Power Stations of THE KANSAIELECTRIC POWER CO., INC)", thông số tua bin như bảng 1.5:

Bảng 1.5 Thông số tua bin tổ máy 3 nhà máy thuỷ điện KANSAI, Nhật Bản

Công suất lớn nhất (MW) 60 Vòng quay tua bin (vg/ph) 450 Đường kính bánh công tác (mm) 2.256

Số vòng quay đặc trưng ns 92

Hình 1.13 Bản vẽ 3D, mô phỏng dòng chảy qua bánh công tác tổ máy 3 KANSAI

Hình 1.14 Quan hệ tỉ số giữa đường kính lối vào ra với n s tua bin

Đây là kết quả tổng hợp từ nghiên cứu thực tiễn, tổ máy số 3 của nhà máy thuỷ điện tại Kansai đã được chế tạo và lắp đặt bánh công tác có dãy cánh ngắn Qua kết quả chạy thử cho thấy hiệu suất cao hơn bánh công tác thường, độ ồn và rung động cũng thấp hơn Tại đồ thị hiệu suất nhóm nghiên cứu cho thấy hiệu suất cao hơn hơn 5% so với bánh công

tác thường, đây là một con số đáng kể nhất là đối với tua bin công suất lớn [16]

Hình 1.15 Đồ thị so sánh hiệu suất, độ rung tổ máy giữa 2 loại bánh công tác

Năm 2008, các tác giả S.WATANABE, M INAGAKI, N.UMEDA, T.KURO KAWA, Y.ENOMOTO công bố nghiên cứu "Phát triển Bánh công tác có dãy cánh ngắn (The Development of Runner With Splitter Blades) " Bánh công tác có dãy cánh ngắn được lắp cho tổ máy số 1 tại nhà máy thuỷ điện Kannagawa PSPP thuộc Công ty điện lực TOKYO (TokyoElectric Power Co - TEPCO) Nhà máy có công suất 450 MW, tổ máy lắp bánh công tác có dãy cánh ngắn công suất 103 MW, cột nước làm việc 138,2 m [21]

-Hình 1.16 Bánh công tác có dãy cánh ngắn lắp tại nhà máy thuỷ điện Kannagawa PSPP

Hình 1.17 Đồ thị so sánh phạm vi làm việc, hiệu suất tua bin, dao động áp suất

Qua hình 1.17 cho thấy: Khi sử dụng bánh công tác có dãy cánh ngắn, phạm vi làm việc của tua bin được mở rộng, hiệu suất của tua bin cao hơn

Có thể nói rằng Bánh công tác tua bin tâm trục có dãy cánh ngắn không còn mới tại nước ngoài, các nước đã sản xuất và nghiên cứu về tua bin trước Việt Nam rất lâu Tuy nhiên các kết quả nghiên cứu không được công bố rộng rãi và chi tiết, nên phạm vi

sử dụng, phương pháp tính toán, kết cấu hợp lý của bánh công tác có dãy cánh ngắn vẫn còn là bí quyết, bí mật của quốc gia

1.3.2 Tại Việt Nam

Tại Việt Nam cũng đã có một số đơn vị nghiên cứu sản xuất tua bin tâm trục, tuy nhiên các phòng thì nghiệm đều hạn chế cả về trang thiết bị và con người, nên cho đến nay hầu như chưa có nghiên cứu gì mới về tua bin tâm trục, gần đây nhất Viện Thuỷ điện và Năng lượng tái tạo có lấy mẫu cánh của Trung Quốc rồi chế tạo hoàn thiện BCT cho trạm thuỷ điện Tén Tần, Cấm Sơn; sản xuất thành công tua bin cho trạm Suối Tân 2 (mua BCT của Trung Quốc) Công ty cơ khí Hà Nội có thiết kế chế tạo hoàn thiện phần dẫn dòng và ống xả cho tua bin Cấm Sơn Hiện tại một số đơn vị trong nước đã mua được phần mềm Ansys Fluent phục vụ tính toán và mô phỏng các thông số thuỷ lực của tua bin Việc nghiên cứu về Bánh công tác có dãy cánh ngắn tại Việt Nam là hoàn toàn mới mẻ và rất cần thiết vì trong tương lai còn nhiều trạm thủy điện cột nước cao có thể sử dụng bánh công tác loại này Nghiên cứu hoàn thiện lý thuyết tính toán, phạm vi sử dụng, kết cấu hợp

lý bánh công tác là công việc với khối lượng đồ sộ, tuy nhiên nếu có có được kết quả nghiên cứu tốt sẽ là tài liệu tham khảo, giúp đỡ rất nhiều cho công tác nghiên cứu và chế tạo tua bin

1.4 Phạm vi nghiên cứu của luận án

Đứng trước những yêu cầu thực tiễn, luận án đi sâu nghiên cứu ảnh hưởng kết cấu bánh công tác tới đặc tính năng lượng của tua bin tâm trục có ns thấp (15070) và cột nước làm việc cao (120450 m), công suất tua bin từ 550 MW Các thông số chính của Bánh công tác ảnh hưởng tới năng lượng tua bin mà luận án nghiên cứu là:

1 Xem xét ảnh hưởng chiều dài lá cánh ngắn tới đặc tính năng lượng của tua bin, từ

đó đưa ra độ dài hợp lý của cánh ngắn, cho đặc tính năng lượng tốt nhất;

2 Khi có chiều dài hợp lý của cánh ngắn, nghiên cứu đưa ra nguyên tắc cơ bản thiết

kế, áp dụng bánh công tác tua bin tâm trục có dãy cánh ngắn

1.5 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu cơ sở lý thuyết, tính toán thiết kế tua bin mô hình, khi có mô hình cụ thể, tiến hành khảo sát tua bin trong phần mềm Ansys Fluent với các mẫu bánh công tác có chiều dài lá cánh ngắn khác nhau, kiểm chứng lại bằng chạy mô hình thật trong phòng thí nghiệm, từ đó xây dựng đặc tính tổng hợp của tua bin, lựa chọn được kết cấu bánh công tác cho hiệu suất cao nhất Khi có những kết quả nghiên cứu đề xuất ra được kết cấu BCT hợp

lý, áp dụng để chế tạo được BCT có dãy cánh ngắn cho các nhà máy thủy điện đang vận hành cũng như xây dựng mới trong tương lai tại Việt Nam

1.6 Kết luận

Tại vùng làm việc có cột nước cao, tua bin tâm trục (số vòng quay đặc trưng ns =

15070 vg/ph) có phạm vi làm việc trùng với tua bin gáo, khi sử dụng tua bin tâm trục sẽ

có nhiều ưu điểm hơn tua bin gáo, tuy nhiên để đảm bảo độ bền bánh công tác tua bin tâm trục khi làm việc ở cột nước cao, bánh công tác cần nhiều lá cánh, khi có nhiều lá cánh lại gây tổn thất ma sát lớn làm giảm hiệu suất của tua bin;

Ở nước ngoài đã có một số nước tiến hành thay đổi chiều dài một nửa số lá cánh của bánh công tác (số lá cánh này được gọi là cánh ngắn), qua kết quả dùng CFD và thí nghiệm thực tế cho thấy: Khi thay đổi chiều dài của ½ số lá cánh thì hiệu suất của tua bin thay đổi,

độ ồn, độ rung động khi làm việc nhỏ hơn so với ban đầu;

Tại việt nam hiện tại chưa có công trình nghiên cứu nào về Bánh công tác tua bin tâm trục có dãy cánh ngắn, để hoàn thiện cơ sở lý thuyết, lựa chọn được chiều dãi dãy cánh ngắn hợp lý, trong luận án này tác giả tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng kết cấu bánh công tác tới đặc tính năng lượng của tua bin tâm trục có ns từ 15070 vg/ph và cột nước làm việc từ 120450 m, công suất tua bin từ 550 MW Các thông số chính của Bánh công tác ảnh hưởng tới năng lượng tua bin mà luận án nghiên cứu là:

- Xem xét ảnh hưởng chiều dài lá cánh ngắn tới đặc tính năng lượng của tua bin, từ

đó đưa ra độ dài hợp lý của cánh ngắn, cho đặc tính năng lượng tốt nhất;

- Khi có chiều dài hợp lý của cánh ngắn, nghiên cứu đưa ra nguyên tắc cơ bản thiết

kế, áp dụng bánh công tác tua bin tâm trục có dãy cánh ngắn

Chương 2 Lý thuyết tính toán thiết kế tua bin tâm trục [2,4,7]

2.1 Buồng xoắn

2.1.1 Nhiệm vụ và các thông số đặc trưng

Buồng xoắn làm nhiệm vụ dẫn nước vào bánh công tác và hình thành đặc tính dòng chảy trước mép vào cánh hướng dòng

Yêu cầu đối với buồng xoắn: Đảm bảo phân bố đều dòng chảy (Cu.r=const) theo chu tuyến trước các mép các mép vào cánh hướng Đảm bảo tổn thất trong buồng xoắn nhỏ, ảnh hưởng ít đến đặc tính năng lượng của tua bin Ngoài ra trong phạm vi thủy điện thì buồng xoắn là bộ phận có kích thước ngang lớn nhất vì vậy yêu cầu với thiết kế sao cho kích thước này là tối ưu nhất

Các thông số đặc trưng của buồng xoắn được thể hiện ở hình 2.1 đó là: Chiều rộng buồng xoắn B, góc ôm buồng xoắn , buồng xoắn kim loại tiết diện tròn có bán kính tiết diện 

2.1.2 Ảnh hưởng của buồng xoắn đến đặc tính của tua bin

Ảnh hưởng của buồng xoắn đến đặc tính năng lượng của tua bin gồm: tổn thất trong bản thân buồng xoắn và ảnh hưởng đến sự hình thành dòng chảy

Tổn thất chủ yếu trong buồng xoắn chủ yếu là tổn thất dọc đường, tính theo công thức:

Các tiết diện trong buồng xoắn có độ nhám lớn, Re lớn (Re >106) vì vậy hệ số tổn thất thủy lực dọc đường tính theo công thức Dacxi và tổn thất sẽ tính theo công thức:

Tính v theo vận tốc tiết diện vào:

√ √

( ) Thay vào biểu thức tính hbx/H

không lớn, vào khoảng 2  4% và tổn thất năng lượng trong buồng xoắn không lớn Các hệ số tổn thất xác định theo thực nghiệm đối với buồng xoắn tiết diện hình thang và  = 1800, bx = 0,070,09 Đối với buồng xoắn kim

loại  = 3450, bx = 0,220,24 Tổn thất năng lượng trong buồng xoắn của tua bin hướng trục làm việc ở chế độ tính toán vào khoảng 0,260,41%, phụ thuộc vào H; tổn thất buồng xoắn tua bin tâm trục H = 400500 m,  = 3450 vào khoảng 0,220,25%, H = 45 m, 

=3450 vào khoảng 0,60,67%

Hình 2.1 Các thông số hình học buồng xoắn

Ảnh hưởng của buồng xoắn đến việc hình thành dòng chảy và gián tiếp đến hiệu suất tua bin phụ thuộc vào kích thước và hình dạng buồng xoắn, dòng chảy ra khỏi buồng xoắn

có lưu số nào đó, tính theo công thức  = 2Rv Lưu số này phụ thuộc góc ôm  và diện tích tiết diện vào Nếu tăng diện tích này và giảm góc ôm thì lưu số giảm, dòng chảy sẽ hướng tâm Điểm làm việc tối ưu lệch sang phải (vùng tăng lưu lượng) Nếu giảm diện tích tiết diện vào đối với buồng xoắn, thiết kế theo quy luật Cur không đổi, sẽ làm giảm hiệu suất của tua bin Nếu đồng thời giảm diện tích và cả góc ôm thì làm giảm hiệu suất của tua bin đồng thời gây xâm thực Do đó khi thiết kế đã chú ý và cân nhắc giữa 2 phương án: tăng kích thước buồng xoắn (hiệu suất của tua bin tăng nhưng tăng giá thành xây dựng) và giảm diện tích & góc ôm bồng xoắn

số và đường dòng gần dạng với đường xoắn logarit với bán kính cong lớn

Các thông số hình học đặc trưng của cột trụ gồm số lượng cột trụ za, độ dày lớn nhất

, ở vị trí cột trụ (đường kính mép vào cột trụ Da), góc nghiêng của cột trụ so với phương hướng kính , góc của dòng ra khỏi buồng xoắn  (góc giữa tiếp tuyến với đường dòng và bán kính véc tơ tại tiếp điểm ), góc dòng ra khỏi cột trụ và biên dạng cột trụ

Số lượng cột trụ lấy chọn theo mô hình có n s và H gần nhất:

Độ dày lớn nhất tính theo sức bền, sơ bộ chọn:

Thực nghiệm cho thấy: góc ra khỏi dòng ra của cột trụ bằng góc vào của cánh hướng Góc nghiêng cánh của cột trụ  trong vùng góc ôm tính theo công thức:

 = 900 - ( +) (2.5) Biên dạng cánh trong cột trụ không thay đổi theo chiều cao của cột

2.2.2 Thiết kế biên dạng cánh cột trụ

Để đơn giản người ta thường thiết kế các cột trụ có cùng biên dạng cánh

Từ tam giác vận tốc sau khi dựng đường dòng ta có:

Trình tự tính toán

- Tính lần thứ nhất: tính cánh mỏng vô cùng

+ Dựa vào kết quả tính buồng xoắn để tính góc  cho tam giác vận tốc theo công thức (2.6), (2.7) Trên đường dòng, lấy trong khoảng từ Ra đến R0 từ 5  10 tiết diện cho bán kính Ri để tính i

Giả sử ta chia năm tiết diện thì:

X= x/l 0,1 1,2 1,3 1,35 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

=/max 0,808 0,995 0,996 1 0,915 0,905 0,830 0,692 0,555 0,4

Hình 2.4 Dựng đường tâm profile và sơ đồ sắp xếp cánh cột trụ

- Tính gần đúng lần thứ hai: có tính đến sự chèn dòng

+ Đo trực tiếp trên bản vẽ để có quan hệ i = f(Ri)

+ Tính '

i theo (2.10) + Tính lại a, b và  theo (2.13)

+ Xây dựng lại đường tâm như ở phần thứ nhất với góc '

i và '

+ Đắp độ dày

Sau khi đã thiết kế được biên dạng cánh của cột trụ, đặt chúng theo đường dòng hoặc

2.3.1 Nhiệm vụ và các thông số đặc trưng

Trong tua bin phản lực cánh hướng đóng vai trò:

- Dẫn dòng và phân bố dòng trước khi vào bánh công tác;

- Điều chỉnh lưu lượng qua tua bin phù hợp với phụ tải;

- Đóng và mở tua bin, bảo vệ bánh công tác khi có sự cố và khi sửa chữa

Độ lệch tâm khi cánh hướng đóng hoàn toàn: ( )

Cánh hướng có vị trí nằm tiếp sau cột trụ theo hướng dòng chảy Bộ phận hướng dòng gồm có: cánh hướng nằm cách đều nhau, vành điều chỉnh và các thanh truyền Để điều chỉnh lưu lượng, quay cánh hướng quanh trục của cánh nhờ các thiết bị điều khiển (còn gọi là điều tốc) Phần trục quay của cánh hướng được nối với vành điều chỉnh qua các thanh truyền Vành điều chỉnh được dẫn động bằng các xi lanh thuỷ lực Khi có tín hiệu điều chỉnh các xy lanh chuyển động tịnh tiến kéo vành điều chỉnh quay, các thanh truyền gắn trên vành điều chỉnh cũng chuyển dịch đến các vị trí tương ứng và dẫn đến quay tất cả các cánh hướng với một góc như nhau Như vậy ta đã thay đổi độ mở cánh hướng a0 Biên dạng và chiều dài không đổi theo b0 Profile cánh hướng là loại có độ võng dương (f >0) Lưu lượng qua cánh hướng phụ thuộc vào độ mở a0 và biên dạng profile Lưu lượng qua cánh hướng có f >0 là lớn nhất Vì góc d' lớn, tức là thành phần Cr lớn Các thông số hình học chọn phụ thuộc vào h và D1 Nếu D1 lớn và b0 nhỏ thì giảm vận tốc trung bình mặt cắt và tổn thất thuỷ lực trong cánh hướng giảm, dòng ra khỏi cánh hướng đều hơn

2.3.2 Thiết kế biên dạng profile cánh hướng

Nội dung tính toán:

Số vòng quay đặc trưng của tua bin phụ thuộc vào cột áp tua bin Mặt khác nó phụ thuộc vào khả năng tháo của hệ thống cánh hướng qua thông số hình học b0/D1 và a0max Với những giả thiết về momen vận tốc trước mép vào bánh công tác và sau cánh hướng đã nêu trên, nếu lấy (Cur)2 = 0, cho quy luật (Cur)1 ta có:

(2.15) Tính theo các thông số quy dẫn n'I, Q'I

(2.16) Vậy khả năng tháo qua cánh hướng phụ thuộc vào H, b0, n’1, αd

Chọn các thông số trên chủ yếu dựa vào các mô hình có ns gần nhất

Khi có αd, theo đường dòng của dòng thế trong vùng cánh hướng, tính góc α0 theo công thức Nếu góc α0 và αd sai lệch nhiều thì phải chọn lại các thông số và tính lại

Biết α0 và Cmo, không đổi theo b0, cần tính Cuo cho các đường dòng theo Tính lại

Cu1, Cu2, 1, 2 của bánh công tác Như vậy ta đã kiểm tra được sự hợp lý của dòng chảy qua cánh hướng và qua cánh bánh công tác…

Dùng phương pháp 1 toạ độ ta được thông số hình học Profile cánh hướng như hình 2.6

Hình 2.6 Dựng profile cánh hướng theo phương pháp 1 toạ độ

2.4 Ống xả

2.4.1 Nhiệm vụ vai trò của ống xả

Ống xả có nhiệm vụ là nước từ bánh công tác ra xuống hạ lưu Ống xả có tác dụng

sử dụng nốt phần năng lượng còn lại của dòng chảy sau khi ra khỏi bánh công tác

Để thấy rõ vai trò tác dụng của ống xả đối với quá trình làm việc của tua bin, ta tiến hành xác định áp lực ở dưới bánh công tác và trị số cột nước của tua bin có thể sử dụng được cho hai trường hợp sau đây:

- Tua bin không có ống xả

- Tua bin có ống xả

2.4.1.1 Tua bin không có ống xả

Bỏ qua tổn thất năng lượng trên đường dẫn, cột áp tua bin được xác định theo công thức:

Năng lượng riêng tại mặt thoáng thượng lưu:

do P0 = Pa; C0 = 0 (2.18) Năng lượng riêng tại tại tiết diện ra bánh công tác:

Trong trường hợp không có ống xả, nước từ bánh xe công tác bằng áp suất khí quyển

P2 = Pa Như vậy cột nước tua bin sử dụng là:

trừ đi động năng cửa ra của tua bin và tổn thất trong buồng dẫn

(2.27) H= ( ) (2.28)

So sánh giá trị cột áp ở hai biểu thức (2.21) và (2.28) ta thấy nếu có ống xả sẽ sử dụng được toàn bộ cột áp tĩnh H1 + H3 là hiệu độ cao mực nước thượng lưu và hạ lưu

2.4.2 Tổn thất năng lượng của ống xả

Trong quá trình biến đổi động năng dòng nước ở phía sau bánh công tác thành áp năng không thể tránh khỏi tổn thất năng lượng Tổn thất năng lượng trong ống xả bao gồm

Kết quả của sự tăng nhanh dòng chảy rối sẽ làm cho các phần tử chất lỏng dao động mạnh thêm và như vậy tổn thất năng lượng càng lớn Thực nghiệm cho thấy, góc mở rộng của ống càng lớn thì sự phân bố vận tốc tại các tiết diện của ống càng không đồng đều Khi góc  lớn hơn 8  100 thì tầng biên (chỗ tiếp giáp với thành ống) sẽ xuất hiện dòng chảy xoáy ngược và tách rời khỏi thành ống Năng lượng dòng chảy sẽ bị tổn thất và biến thành nhiệt năng (tại những nơi dễ xuất hiện dòng chảy xoáy)

So với tổn thất do sự mở rộng của tiết diện dòng chảy thì tổn thất do ma sát nhỏ hơn nhiều Thực ra cho đến nay vẫn chưa có phương pháp nghiên cứu tổn thất nội bộ trong ống

xả thật hoàn hảo để xác định được trị số tổn thất năng lượng, chủ yếu vẫn phải kết hợp với biện pháp thực nghiệm

2.4.2.2 Tổn thất động năng ở cửa ra ống xả

Trị số tổn thất ở cửa ra ống xả phụ thuộc vào kiểu và kích thước ống xả, vào hình dạng bánh công tác và cả chế độ làm việc của tua bin Các yếu tố ảnh hưởng trên sẽ làm tăng mức độ không đồng đều phân bố vận tốc c5 tại tiết diện ra của ống - hệ số động năng dòng chảy (Kơriolit):

∫

Trong đó:

c5n thành phần vận tốc pháp tuyến tại điểm cho trước trong tiết diện ra F5

c5bq vận tốc bình quân dòng chảy ở tiết diện ra ống xả

Hệ số 5 càng nhỏ thì sự phân bố vận tốc tại tiết diện ra ống xả càng đều đặn, do đó tổn thất động năng cửa ra ống xả càng nhỏ (tức là càng bé) Hệ số 5 nói chung phụ thuộc vào kích thước tương đối và hình dạng ống xả, vào dạng cánh bánh công tác và vào chế độ làm việc của tua bin

Đối với ống xả chóp, 5 = 1,2  1,5 còn với ống xả cong và tua bin làm việc ở chế độ bình thường thì 5 = 1,5 2,5 nhưng làm việc ở chế độ không bình thường thì 5 = 2  7

Khi xác định kích thước ống xả, nên chọn trị số c5 (hoặc tổn thất tương đối ) sao cho với diện tích tiết diện ra ống xả tính được (theo lưu lượng tính toán Qtt) có thể bảo đảm tổn thất động năng cửa ra ống xả không vượt quá trị số cho phép Chẳng hạn, với tua bin tâm trục thì hw5 = 0,2  0,6% còn với tua bin dọc trục hw5 2%

Thông số đặc trưng về mặt năng lượng của ống xả là chân không thủy động và hệ số phục hồi năng lượng của ống xả

Chân không thủy động có biểu thức và ký‎ hiệu‎ như sau:

Hệ số phục hồi năng lượng của ống xả còn gọi là hiệu suất của ống xả, là tỷ số giữa chân không thủy động thực tế do ống xả tạo nên và áp lực chân không lý thuyết của dòng chảy sau bánh công tác, theo biểu thức:

Quá trình biến đổi động năng dòng nước thành áp năng chủ yếu xảy ra ở đoạn này của ống xả Do đó, việc chọn chính xác kích thước đoạn chóp này có ý nghĩa rất lớn đến đặc tính năng lượng của tua bin, nhất là đối với tua bin có tỷ tốc lớn Cũng như ống xả loe thẳng, tổn thất trong đoạn này phụ thuộc vào góc , độ cao tương đối h3/D3 và độ mở rộng của đoạn ống này

Việc chọn chính xác kích thước đoạn chóp không những có thể đảm bảo tổn thất trong đoạn này nhỏ nhất, mà còn có ảnh hưởng đến tổn thất trong đoạn khủy và đoạn mỏ rộng nằm ngang nữa

Thực nghiệm cho thấy, góc loe  của đoạn chóp nên lấy  =14180 và tỷ số

h3/D3=0,4

Hình 2.8 Ống xả cong của tua bin

2.4.4.2 Đoạn khuỷu cong B

Đoạn khuỷu là đoạn ống quá độ nối liền đoạn chóp với đoạn mở rộng nằm ngang Tiết diện vào của đoạn khuỷu cong có dạng hình tròn sau đó biến đổi dần sang tiết diện hình chữ nhật tại tiết diện ra của nó

Trị số tổn thất năng lượng trong đoạn khuỷu cong không lớn hơn so với tổn thất trong đoạn chóp và mở rộng nằm ngang Tổn thất ở đây phụ thuộc vào sự phân bố dòng chảy ở tiết diện vào của khuỷu và hình dạng của nó Lực ly tâm khi dòng nước chảy vòng trong đoạn khuỷu sẽ gây nên sự tách dòng và tăng thêm tổn thất Bán kính chuyển động xoay của dòng nước càng lớn thì lực li tâm và gradien áp lực trong dòng chảy càng nhỏ Dựa theo kết quả nghiên cứu bằng thực nghiệm, kiến nghị sử dụng các bán kính của đoạn khuỷu như sau: R6 D1; R7 0,66D1 và tham khảo trong bảng 2.1

Yếu tố thứ hai ảnh hưởng đến tổn thất năng lượng trong đoạn khuỷu cong là tỷ số diện tích tiết diện ra và tiết diện vào của đoạn này và sự thay đổi diện tích tiết diện ống

men theo chiều dài của nó Để xác định sự thay đổi diện tích khuỷu lợi nhất, ở Liên Xô người ta đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm với 3 dạng khuỷu khác nhau: khuỷu có diện tích tiết diện ngang tăng dần, khuỷu có diện tích tiết diện không đổi và khuỷu có tiết diện tăng dần rồi đến đoạn nằm ngang gần tiếp giáp với đoạn mở rộng nằm ngang thì giảm dần Thí nghiệm cho thấy, loại khuỷu sau cùng tốt hơn hai loại kia

2.4.4.3 Đoạn mở rộng nằm ngang

Ở đoạn này, ống xả vẫn còn biến đổi động năng thành áp năng, nhưng như trên đã chỉ rõ, tác dụng phục hồi năng lượng ở đây nhỏ hơn nhiều so với đoạn loe thẳng Tiết diện ngang của đoạn mở rộng có dạng hình chữ nhật Sự mở rộng dòng chảy ở đoạn này thực hiện nhờ biện pháp nâng cao dần trần của nó theo góc nghiêng  = 10  130 còn chiều rộng B5 thì không đổi

Hình dạng, kích thước khuỷu số 4 đã được nghiên cứu tỷ mỉ qua các kết quả thí nghiệm mẫu tua bin tiến hành Vì vậy, trong thực tiễn của nghành thiết kế tua bin, khi xác định kích thước ống xả cong người ta thường sử dụng các tài liệu tiêu chuẩn, ở đó với mỗi kiểu bánh công tác đã chọn, kiến nghị nên sử dụng 1 kiểu ống xả tương ứng kèm theo tất

cả các kích thước chính của nó như: chiều cao h, chiều cao Lh, kiểu khuỷu, góc  đoạn chóp, góc  tương đương,

Nhưng khi chọn chiều cao h của ống xả cong cần xét đến điều kiện kỹ thuật và chỉ tiêu kinh tế Tăng h sẽ làm tăng hiệu suất tua bin nhưng ngược lại sẽ làm tăng giá thành xây dựng nhà máy của trạm thủy điện Do đó, việc chọn chiều cao h nên tiến hành dựa trên

cơ sở tính toán kỹ thuật và kinh tế Thông thường đối với tua bin cánh quay, kiến nghị h 2,6D1; đối với tua bin tâm trục h  2,6D1 Đôi khi vì muốn giảm giá thành xây dựng trạm thủy điện có thể chọn chiều cao h bé hơn như sau: đối với tua bin cánh quay h = 1,915D1

và tua bin tâm trục h = 2,3D1 Đối với các trạm thủy điện ngầm, chiều cao h không nhỏ hơn 3,5D1

Chiều dài ống xả Lh (4,0  5,0)D1, chiều rộng của ống xả B5 (2,7  3,3)D1 Góc của đoạn ống loe thẳng  16  180

Bảng 2.1 Kích thước cơ bản của khuỷu số 4 (m)

PO170

4H 2,5 1,0 2,5 4,5 2,74 1,352 1,352 0,67 1,75 1,31

PO45 PO75 PO115 PO170 Kích thước ống xả, kiểu khuỷu và các kích thước của nó nên chọn theo kiểu bánh xe công tác đã chọn, đối với khuỷu số 4 nên chọn h4 = D4

Với góc , chiều cao h đã chọn và h4 = D4 thì đường kính tiết diện vào của đoạn khuỷu được xác định theo công thức sau đây:

( )

ở đây, S = h1 + h2 ;  góc loe của đoạn loe thẳng  = 8  100

Khi h4 D4 thì D4 = 2tg(h - h4 - s) + D4

Chiều dài đoạn khuỷu cong chọn bằng Lk (1,3 1,6)D4

Đối với tua bin tâm trục có cột nước cao (H > 200m) có thể dùng ống xả có dạng đơn giản bảo đảm chiều rộng B5 nhỏ Ở đó, khuỷu ống xả của tua bin (có cột nước H = 230 

700 m) có thể làm ống khuỷu cong 900 với tiết diện hình tròn không đổi

Chiều dài đoạn mở rộng nằm ngang phụ thuộc vào chiều dài ống xả đã chọn và kiểu khuỷu: kích thước tiết diện vào và tiết diện ra của nó đã biết (tiết diện vào quyết định bởi khuỷu đã chọn, còn tiết diện ra theo v5 đã chọn) Góc loe tương đương của đoạn mở rộng nằm ngang có thể lấy từ 10  140 Nếu đáy của đoạn này là đáy bằng và chiều rộng B5

không đổi thì góc nghiêng lên của trần  lấy bằng góc loe, tức là  = 10  140 Nếu đáy của đoạn này không phải là bằng mà đặt nghiêng thì góc nghiêng  không được lớn quá 6

 120

Khi chiều rộng B5 > 10  12 m, để giảm nhẹ kết cấu phần trần ống xả, thì ở giữa đoạn mở rộng nằm ngang có bố trí 1  2 trụ pin với chiều rộng mỗi trụ pin b5 = (0,1 0,15)B5 Khoảng cách từ mép vào của trụ pin đến trục tua bin không được nhỏ hơn 1,4D1

2.5 Bánh công tác

Cơ sở thiết kế Bánh công tác tua bin tâm trục hết sức phức tạp, phần dẫn dòng của bánh công tác của tua bin này có nhiều kích thước so với tua bin hướng trục chỉ tồn tại kích thước D1 và d/D1 Nếu trong phạm vi bánh công tác tua bin hướng trục có thể giải gần đúng biên dạng cánh trên mặt dòng là mặt trụ với hai toạ độ, thì biên dạng cánh bánh công tác của tua bin tâm trục chỉ giải được trên mặt dòng là mặt tròn xoay với độ dày giữa các mặt dòng là những đại lượng biến thiên

Việc xây dựng biên dạng các mặt cắt của cánh bánh công tác là bài toán ngược theo các thông số hình học và động học tại trước và sau cánh bánh công tác đã chọn trước Đây

là loại bài toán không xác định và có nhiều phương pháp giải Mỗi phương pháp có cơ sở khoa học và giả thiết riêng của nó Cơ sở lý thuyết chủ yếu là lý thuyết dòng tia, coi số cánh bánh công tác là nhiều vô cùng và ở lần tính gần đúng đầu tiên không tính đến độ dày cánh

Cánh bánh công tác cong hai chiều (hay cong không gian) nên để xây dựng biên dạng lá cánh cần phải tính toán xây dựng các profile cánh cho một số tiết diện tạo bới các mặt dòng tròn xoay đối xứng trục giao cắt với bề mặt lá cánh Giao tuyến của các bề mặt dòng tròn xoay với lá cánh trong mặt phẳng kinh tuyến chính là các đường dòng Trong tính toán thiết kế tua bin thủy lực người ta thường xây dựng các dòng đẳng thế vì các đường dòng đẳng thế phù hợp hơn với đặc tính dòng chảy trong tua bin Đáp ứng các yêu

cầu đó cần phải xây dựng đường dòng và ứng dụng phép biến hình bảo giác trong xây dựng biên dạng cánh bánh công tác

2.5.1 Phương pháp xây dựng đường dòng đẳng thế

Để xây dựng đường dòng, ta hãy tính lưu lượng phân tố chảy qua đường vuông góc giữa hai đưòng dòng (hai bề mặt dòng)

Q = 2rnVmTrong đó:

n - Khoảng cách theo đường vuông góc giữa hai đường dòng kề nhau

Đối với dòng thế ta có quan hệ:

∫

Hình 2.9 Sơ đồ tính toán đường dòng trong buồng dẫn tua bin tâm trục

Từ biểu thức trên ta xác định được gia số thế năng  giữa hai đường vuông góc kề nhau:

∫ Khi xác định được giá trị  ta sẽ xác định được vận tốc dọc theo đường vuông góc với các đường dòng

Bằng phương pháp tích phân gần đúng ta có:

Buồng dẫn dòng được kéo dài về hai phía của bánh công tác với khoảng cách đủ xa

để loại trừ ảnh hưởng của lưới cánh tới dòng hướng kính

Để xây dựng đường dòng trong buồng dẫn, trước tiên vẽ sơ bộ các đường dòng dựa theo các điểm chia đầu và cuối của buồng dẫn, sau đó dựng các đường vuông góc với đường dòng và tiến hành quá trình tính toán để hiệu chỉnh khoảng cách giữa các đường dòng

Tiêu chuẩn của việc tính toán là phải đảm bảo tích số ( )

của các lớp dòng có giá trị xấp xỉ bằng nhau, sao cho sai số của khoảng cách n giữa các đường dòng trong hai lần tính kề nhau không vượt quá 3%

Các tính toán được cho dưới dạng bảng cho từng đường vuông góc với các đường dòng

Sau khi xây dựng được đường dòng ta xây dựng biểu đồ vận tốc kinh tuyến Vm phụ thuộc vào chiều dài đường dòng

Hình 2.10 Biểu đồ vận tốc kinh tuyến

2.5.2 Phương pháp BHBG ứng dụng trong thiết kế cánh bánh công tác

Phương pháp biến hình bảo giác (BHBG) thường được ứng dụng để xây dựng biên dạng cánh cong theo hai chiều (cong không gian) Các tiết diện cánh của bánh công tác trên bề mặt cong (theo bề mặt dòng) sẽ được biến hình bảo giác lên các mặt trụ hoặc mặt nón tùy theo hình dạng đường dòng và được trải ra trên mặt phẳng

Nguyên tắc của BHBG là, khi biến đổi từ mặt cong sang mặt nón hay mặt trụ hoặc ngược lại, chỉ có các kích thước dài thay đổi còn các góc của các phần tử kết cấu không thay đổi Dựa trên nguyên tắc này ta tìm được các quan hệ để thực hiện các phép BHBG

2.5.2.1 Biến hình bảo giác lên mặt trụ

Góc của phân tố đường dòng trên mặt cong được xác định bằng (hình 2.11):

Trong đó:

dl, l – phân tố chiều dài đường dòng trong mặt phẳng kinh tuyến;

d,  - phân tố góc theo phương vòng trên mặt cong;

r, rtb – bán kính tức thời và bán kính trung bình của phân tố đường dòng