Thiết kế, chế tạo tổ máy thuỷ điện cực nhỏ cột nước thấp phù hợp với điều kiện làm việc ở môi trường nước biển để khai thác nguồn năng lượng thuỷ triều

Nguồn: báo cáo của giáo sư Phạm Duy Hiến tại hội thảo “Phát triển năng lượng bền vững ở Việt Nam” Theo cân đối nhu cầu năng lượng cho thấy từ sau năm 2010 nếu không có đột biến lớn về

Ký hiệu: 102- 07 RD/HĐ - KHCN

Cơ quan chủ quản : Bộ Cụng Thương Cơ quan chủ trì đề tài : Viện Nghiên cứu Cơ khí Chủ nhiệm đề tài : Th.s Nguyễn Chí Cường

6904

18/6/2008

Hà Nội, năm 2008

MỤC LỤC Chương I Khảo sát, đánh giá khả năng ứng dụng điện thủy triều

1.1 Tổng quan vấn đề năng lượng ở Việt Nam 3

1.3 Khảo sát và giải pháp xây dựng công trình 9

Chương II.Tính toán thiết kế tua bin nước ứng dụng trạm điện thủy triều

2.2 C¬ së lý thuyÕt tÝnh to¸n thiÕt kÕ tua bin cét n−íc thÊp 20

2.3 ThiÕt kÕ tua bin thuû ®iÖn c«ng suÊt 1 kW, cét n−íc tÝnh to¸n H = 1,5m 40

Chương III Kết quả khảo nghiệm và ứng dụng thực tế của đề tài

3.1 Kết cấu chung tổ máy thuỷ điện cực nhỏ 58

3.2 Mô hình sử dụng điện năng 59

Chương IV Kết luận và kiến nghị

4.1 Đánh giá tiềm năng thủy điện thủy triều ở Quảng Ninh 71

CHƯƠNG I KHẢO SÁT, ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG ĐIỆN THUỶ TRIỀU 1.1 Tổng quan vấn đề năng lượng ở Việt Nam

Hiện nay, tại Việt Nam, điện lưới đã phủ khoảng 80% toàn quốc, 20% còn lại là các hải đảo, vùng sâu, vùng xa Thế nhưng việc phủ kín lưới điện đến các nơi này ước tính cần phải mất khoảng 10 năm nữa với nhiều chi phí rất tốn kém, chưa kể việc xây dựng các trạm tải về các vùng kéo theo nhiều tổn hao trong truyền tải điện cũng như chi phí đầu tư xây dựng nhà trạm

Trong khi đó, tốc độ tăng trưởng kinh tế cao đã kéo theo nhu cầu sử dụng điện

năng trong nước tăng nhanh Theo con số của Ban soạn thảo Bản quy hoạch phát triển điện lực giai đoạn 2006 ÷ 2015 (có xét đến năm 2025 - Quy hoạch điện 6), thì nhu cầu

phát triển phụ tải giai đoạn 2006 ÷ 2010 sẽ vào khoảng 17,1%/năm và nhu cầu điện sản xuất là 16,9%/năm Trong các năm 2010 ÷ 2015, tốc độ tăng trưởng phụ tải sẽ vào khoảng 11%/năm và còn khoảng 9%/năm trong giai đoạn đến 2020

Hình 1.1 Điện năng sản xuất hàng năm theo kịch bản thấp

được Chính phủ phê duyệt ngày 15/10/ 2004

(Nguồn: báo cáo của giáo sư Phạm Duy Hiến tại hội thảo

“Phát triển năng lượng bền vững ở Việt Nam”)

Theo cân đối nhu cầu năng lượng cho thấy từ sau năm 2010 (nếu không có đột biến lớn về khả năng khai thác) thì khả năng cung cấp năng lượng từ các nguồn tài nguyên truyền thống trong nước sẽ không thể đáp ứng được nhu cầu, dự tính đến năm

2015 lượng thiếu hụt nhiên liệu cho sản xuất điện sẽ vào khoảng 9 tỷ kWh Tương tự, năm 2020 sẽ thiếu hụt khoảng 35 ÷ 64 tỷ kWh Dài hạn hơn, đến năm 2030 khả năng thiếu hụt sẽ tăng lên từ 59 đến 192 tỷ kWh Thậm chí những năm sau đó khả năng thiếu hụt còn trầm trọng hơn

Để tránh nguy cơ thiếu hụt năng lượng , một chiến lược phát triển năng lượng dài hơi, trong đó khai thác hiệu quả các nguồn tài nguyên sẵn có, kết hợp cùng yếu tố môi trường bền vững đang trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết

1.2 Các giải pháp cung cấp điện năng

Để giải quyết bài toán thiếu hụt năng lượng, các nước trên thế giới đang hướng tới các giải pháp sau:

• Giảm tổn thất điện năng

• Tăng hiệu quả sử dụng điện năng

• Tìm kiếm, phát triển các nguồn năng lượng mới

• Kết hợp phát triển năng lượng với bảo vệ môi trường

• Phát triển thị trường điện cạnh tranh

Nguồn năng lượng điện ở nước ta hiện chưa được sử dụng hiệu quả, còn tổn thất

và lãng phí nhiều Mức độ tổn thất có thể đến 15,8%, trong khi ở nhiều nước trên thế giới mức tổn thất chỉ vào khoảng 7 ÷ 9% Tổn thất điện năng trong truyền tải và phân phối ở nước ta hiện nay khoảng 12%, ở một số nước trong khu vực khoảng là 7% Mức độ tổn thất điện nhiều đến mức ước tính trong 5 năm tới, cứ giảm bớt tổn thất điện năng 1%, Việt Nam sẽ tiết kiệm được 3,4 GWh, tương đương với sản lượng của một nhà máy công suất 500 ÷ 600 MW

Hệ quả của việc đầu tư máy móc thiết bị và công nghệ trước đây khiến cho ngành công nghiệp Việt Nam nằm trong nhóm đứng cuối thế giới về hiệu quả sử dụng năng lượng Hiện tại, ngành công nghiệp - chiếm khoảng 40% nhu cầu năng lượng thương mại của Việt Nam, tương đương khoảng 19 triệu tấn dầu quy đổi/năm - vẫn chưa có tiến bộ đáng kể nào trong việc tăng hiệu quả sử dụng năng lượng Đợt khảo sát gần đây tại một số nhà máy sản xuất thép, xi măng, sành sứ, hàng tiêu dùng cho thấy, tiềm năng tiết kiệm năng lượng có thể đạt đến 20%, tức là có thể giảm bớt chi phí cho sử dụng năng lượng trong ngành công nghiệp khoảng 10.000 tỷ đồng mỗi năm

Theo ông Phạm khánh Toàn - Viện Năng lượng - Bộ Công nghiệp (cũ), nguyên nhân khiến cho đại đa số các cơ sở công nghiệp Việt Nam đạt mức hiệu suất sử dụng năng lượng thấp, thì thứ nhất do thiếu khuôn khổ pháp lý để thúc đẩy các hoạt động tiết kiệm năng lượng trong công nghiệp Thứ hai là thiếu các thông tin về tiềm năng nâng cao tiết

kiệm năng lượng, chi phí và lợi ích của các thiết bị tiết kiệm năng lượng, tiềm năng của các giải pháp tiết kiệm năng lượng chi phí thấp, các ứng dụng và công nghệ mới

Theo một báo cáo của Viện Năng lượng, cho đến nay Việt Nam mới khai thác được 25% nguồn năng lượng tái tạo, phần lớn là thuỷ điện, còn lại 75% vẫn chưa được khai thác

• Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng sạch, không gây khí thải và hiệu ứng nhà kính, tại các huyện đảo có số giờ nắng tương đối lớn, trung bình khoảng 2000 ÷

2500 h/năm với tổng năng lượng bức xạ mặt trời trung bình khoảng 150 kCal/cm2/năm Tuy nhiên thiết bị có giá thành cao (khoảng 20000 USD cho một hệ thống điện có công suất 2 kW), trong khi thu nhập của dân cư các huyện đảo còn thấp Mặt khác, pin mặt trời không phát huy được hiệu quả trong những ngày mưa hay trời âm u

• Năng lượng gió cũng là nguồn năng lượng sạch, thân thiện với môi trường Nhìn ra thế giới, năng lượng gió hiện còn rất mới Đức và sau đó là Tây Ban Nha, Hoa Kỳ

và Đan Mạch là những quốc gia sử dụng năng lượng gió nhiều nhất, các quốc gia còn lại đều có công suất lắp đặt ít hơn 100 MW Tiềm năng về năng lượng gió ở Việt Nam được đánh giá cao, nhưng hiện tại vẫn trong giai đoạn nghiên cứu thử nghiệm, ứng dụng vào thực tế chưa nhiều Mặt khác, tần suất gió tại nhiều huyện đảo không ổn định, phụ thuộc vào thời tiết, chiều gió thay đổi hay theo khí hậu, địa hình, tốc độ gió rất không đều, nên ứng dụng năng lượng gió cung cấp điện cho các huyện đảo không được khả thi

• Trong hàng loạt các giải pháp phát triển các nguồn điện như nhập khẩu điện, phát triển thủy điện, điện hạt nhân, , dường như nước ta còn bỏ quên nguồn điện thuỷ triều, một nguồn điện giá thành rẻ và lại rất thân thiện với môi trường Nghiên cứu ứng dụng năng lượng điện thuỷ triều đã được quan tâm nghiên cứu từ sau cuộc khủng hoảng năng lượng đầu những năm 1970, mở ra triển vọng mới về năng lượng do thuỷ triều là nguồn năng lượng vô tận, không gây ô nhiễm môi trường Trong nỗ lực xây dựng thị trường điện cạnh tranh, Thủ tướng Chính phủ đã ra Quyết định số 26/2006/QĐ-TTg ngày 26/1/2006 về lộ trình hình thành và phát triển thị trường điện lực Việt Nam gồm ba cấp độ: cấp độ 1 (từ 2005 ÷ 2014) là thị trường phát điện cạnh

tranh, cấp độ 2 (từ 2015 ÷ 2022) là thị trường bán buôn điện cạnh tranh và cấp độ 3 (từ sau 2022) là thị trường bán lẻ điện cạnh tranh Hiện nay EVN đang trực tiếp ký hợp đồng với các công ty phát điện thuộc và ngoài EVN, từng bước tạo thị trường phát điện cạnh tranh

a Tình hình nghiên cứu, ứng dụng năng lượng đại dương trên thế giới

Đứng trước tình trạng cạn kiệt các nguồn năng lượng hoá thạch truyền thống và sự

ô nhiễm môi trường ngày càng nghiêm trọng, nhiều quốc gia trên thế giới đã xúc tiến cho xây dựng các nhà máy điện nguyên tử công suất lớn để bù đắp tình trạng thiếu hụt năng lượng trong tương lai gần Năng lượng hạt nhân được coi là một nguồn năng lượng sạch, thân thiện do không làm ô nhiễm môi trường Nhưng nguồn năng lượng này vẫn gây nhiều tranh cãi, nhất là sau thảm hoạ Chernobyl tại Ukraina, Liên Xô (cũ), đã gây lên tâm

lý lo ngại về tính an toàn của các nhà máy hạt nhân Mặt khác, nguồn uranni đang trở nên cạn kiệt, lại không phải quốc gia nào cũng có khả năng tiếp cận được kỹ thuật nhà máy điện hạt nhân Vậy nên xu hướng hiện nay có ba dạng năng lượng tái tạo chính đang được thế giới quan tâm là năng lượng mặt trời, năng lượng gió và năng lượng đại dương

Hiện nay trên thế giới nhiều nước đã đầu tư nghiên cứu năng lượng đại dương theo các phương án: điện thủy triều (tận dụng độ chênh lệch mực nước thủy triều); điện sóng biển (tận thu năng lượng sóng biển để phát điện); điện dòng chảy (dòng thủy triều hoặc dòng hải lưu) Mỗi dạng lại có các kiểu tua bin khác nhau

Năm 1960 người Pháp đã xây nhà máy điện thủy triều trên sông Ranxơ Phương pháp ứng dụng năng lượng thuỷ triều truyền thống là xây dựng những con đập giữ nước tại các cửa sông, nhà máy điện thuỷ triều La Rance gần St Malo, với công suất 240 MW-gồm 24 tổ máy, sản lượng điện hàng năm đến 544.106 kWh Vốn xây dựng nhà máy cao gấp hai lần so với điện truyền thống Các nhà máy điện thuỷ triều kiểu này vẫn gây nhiều tranh cãi vì sự tác động của nó tới môi trường tự nhiên

Tại Nga cũng có nhiều dự án xây dựng nhà máy điện thủy triều lớn như nhà máy ở vịnh Lumbôvxki với công suất 5,2 MW/tổ (64 tổ), tại đây có độ lớn triều trung bình là 4,2 m; tại Menzinxki có độ lớn triều trung bình đạt 5,37m đã lắp đặt tổ máy có công suất đến 20MW

Vào tháng 6 năm 2003 tại phía bắc bờ biển Devon, các kỹ sư người Anh đã thử nghiệm thành công trạm điện thuỷ triều kiểu dòng chảy Tua bin có hai cánh quạt dài 11

m, công suất thiết kế 300 kW, turbine phát điện được đặt trực tiếp giữa dòng thuỷ triều

và do đó có thể liên tục cung cấp điện Tua bin phát điện chạy bằng dòng thuỷ triều không gây tiếng ồn, có hiệu suất cao, và không phá vỡ cảnh quan thiên nhiên, không phương hại tới các loài động vật biển vì cánh quạt chỉ quay với vận tốc 20 vòng/phút

Hình 1.2 Tua bin kiểu dòng chảy

Tại khu vực châu Á, Trung Quốc là nước đầu tiên xây dựng trạm điện thủy triều, Trung Quốc bắt đầu xây dựng trạm đầu tiên năm 1980, đưa vào hoạt động 1984, công suất tổ máy 600 kW/tổ (buld tua bin) Mới đây nhất tháng 1 năm 2006 tại tỉnh Zhejiang phía đông Trung Quốc trạm điện thuỷ triều công suất 40 kW đi vào hoạt động với chi phí 23.000 USD

Hỡnh 1.3 Tua bin buld.

Trong bối cảnh cỏc nguồn nhiờn liệu của cỏc nhà mỏy phỏt điện sử dụng năng lượng hoỏ thạch ngày càng cạn kiệt thỡ cụng nghệ sản xuất điện từ cỏc nguồn năng lượng tỏi sinh như thuỷ năng, phong năng và năng lượng mặt trời rất cú triển vọng

b Tỡnh hỡnh ứng dụng trong nước

Trong những năm gần đõy cỏc hoạt động nghiờn cứu và ứng dụng năng lượng mới, năng lượng tỏi tạo ở nước ta ngày càng phỏt triển và cú những kết quả ứng dụng đỏng kể, đú là việc ứng dụng cỏc nguồn năng lượng mặt trời, năng lượng giú, thủy điện, năng lượng sinh khối, năng lượng địa nhiệt, năng lượng súng…

Việt Nam với bờ biển dài trên 3000 km, diện tích 3 triệu km2

cú nhiều tiềm năng phỏt triển và điện thủy triều Cỏc kết quả đo đạc cho thấy độ chờnh mực nước thủy triều ở ven biển nước ta tương đối lớn, trung bỡnh khoảng 1,5 m, lớn nhất đến 4,7 m Chế độ thuỷ triều tương đối đa dạng, từ nhật chiều đều, đến bỏn nhật chiều đều và chiều hỗn hợp Nhiều vựng được đỏnh giỏ cú tiềm năng khai thỏc điện thuỷ chiều, như lưu vực hệ thống sụng Cửu Long, bờ biển vịnh Bắc Bộ

Qua khảo sát, phần lớn các đảo không có điện lưới quốc gia, điện mặt trời do giá thành quá cao nên người dân không thể tự đầu tư trang bị Hơn nữa, trong mùa đông và ngày mưa, bức xạ mặt trời thấp dẫn tới giảm công suất điện sản sinh ra, không đáp ứng

được yêu cầu năng lượng như trong ngày nắng Về năng lượng gió, do vận tốc gió thấp và không thường xuyên, công nghệ lại phức tạp, giá thành cao nên người dân không có điều kiện sử dụng Năng lượng thuỷ điện nhỏ trên các đảo, do không có các dòng sông, suối có lưu vực đủ rộng nên chỉ có thể sử dụng năng lượng thuỷ triều Hiện tại dân tại các huyện

đảo chủ yếu sử dụng điện diezen, giá điện cao, khoảng 6000 ữ 10000 đ/kWh và chỉ sử dụng vào khoảng 4 ữ 6 tiếng buổi tối

Hiện nay, việc nghiên cứu ứng dụng thủy triều để phát điện ở Việt Nam đang ở bước đầu tiên, mới được đề cập trong thời gian gần đây và ở qui mô thí nghiệm Các hướng nghiên cứu chủ yếu tập chung theo dạng thủy điện thủy triều có đập, thủy triều dòng chảy…

Dạng ứng dụng dòng chảy thuỷ triều ở trong nước hiện tại mới chỉ có một công

trình nghiên cứu đề cập Đề tài có mã số I119 "Nghiên cứu thiết kế, chế tạo và thử nghiệm trạm phát điện dùng dòng chảy thuỷ triều công suất nhỏ từ 0,5 ÷1 kW", do

Viện Năng Lượng thuộc Tổng công ty Điện lực Việt Nam chủ trì Dạng tua bin Sovonius

mà đề tài đưa ra có hiệu suất thấp (ηT=0,23), khả năng ứng dụng khai thác năng lượng đại dương không cao

Phương pháp điện thủy triều có đập chắn có đặc điểm tương tự như thủy điện truyền thống, tuy nhiên điện thủy triều có đặc điểm là cột nước thấp, do đó phải tính toán, lựa chọn loại tua bin phù hợp mới phát huy được hiệu quả sử dụng

1.3 Khảo sát và giải pháp xây dựng công trình

a Một số khái niệm về thuỷ triều

Để nghiên cứu hiện tượng thuỷ triều, người ta đã đề cập đến một số khái niệm liên quan như biên độ triều, thời gian chiều dâng, thời gian chiều rút, chu kỳ thuỷ triều

• Chiều dâng: là dao động mực nước biển lên cao dần rồi đạt tới vị trí cao nhất, hay

là sự dâng cao của mực nước từ lúc nước ròng đến lúc nước lớn

• Chiều rút: là dao động mực nước biển xuống dần rồi đạt tới vị trí thấp nhất, hay là

sự hạ thấp mực nước biển từ lúc nước lớn đến lúc nước dòng

• Nước lớn: là vị trí cao nhất của nước biển trong một chu kỳ dao động

• Nước ròng: là vị trí thấp nhất của nước biển trong một chu kỳ dao động

• Biên độ chiều: là khoảng cách theo chiều thẳng đứng giữa mực nước lớn và mực

nước ròng kế tiếp hay khoảng cách giữa mực nước ròng và mực nước lớn kế tiếp

• Độ cao chiều: là vị trí mực nước vào lúc nước lớn trên một mức nào đó được quy

ước là mực số 0

• Thời gian chiều dâng: là khoảng thời gian giữa thời điểm xuất hiện nước ròng và

nước lớn kế tiếp

• Thời gian chiều rút: là khoảng thời gian giữa thời điểm xuất hiện nước lớn và

nước ròng kế tiếp

• Chu kỳ thuỷ triều: là khoảng thời gian giữa hai lần nước lớn liên tiếp, hoặc hai

khoảng nước ròng liên tiếp

Chu kỳ bán nhật chiều trung bình khoảng 12 giờ 25 phút Vì vậy trong một ngày mặt trăng (là khoảng thời gian giữa hai lần mặt trăng liên tiếp cao nhất qua kinh tuyến) bằng 24 giờ 50 phút, đều đặn hai lần con nước lớn và hai lần nước ròng Các thời gian chiều dâng và thời gian chiều rút bằng nhau, các độ cao nước lớn và nước dòng kế tiếp nhau hầu như bằng nhau và biến thiên theo quy luật trong một tháng Người ta còn gọi

thuỷ triều có tính chất và đặc điểm như trên là bán nhật chiều đều, hoặc bán nhật chiều

thuần nhất Bán nhật chiều có thời gian chiều dâng chênh lệch nhiều với thời gian chiều rút được gọi là triều nước nông vì loại chiều này thường quan trắc thấy ở các vùng nước nông, chủ yếu ở vùng cửa sông

Chu kỳ nhật chiều dài gấp đôi chu kỳ bán nhật chiều Trong một ngày mặt trăng

có thể quan trắc thấy một lần nước lớn và một lần nước dòng

Trong thực tế còn có loại thuỷ triều thay đổi theo chu kỳ, có khi gần giống nhật triều, có khi lại gần giống bán nhật triều Người ta gọi đó là triều hỗn hợp hay tạp triều Triều hỗn hợp được chia làm hai loại: bán nhật triều không đều và nhật triều không đều tuỳ theo nó giống nhật triều hay giống bán nhật triều hơn

b Thuỷ triều ven biển Việt Nam

Thuỷ triều là một hiện tượng tự nhiên, gây nên sự dao động của mực nước biển mà nguyên nhân sâu xa của nó là sự tác động tương hỗ giữa mặt trăng, mặt trời và trái đất Hiện tượng dao động của mực nước biển còn bị chi phối rất lớn bởi các yếu tố địa hình, địa lý khu vực Nước ta có bờ biển dài trên 3000 km, chiếm phần lớn bờ phía Tây của biển Đông với địa hình phức tạp kéo dài trên 14 vĩ độ, nên chế độ triều ở nước ta khá đa dạng và phức tạp Có những vùng nhật triều như ven biển Vịnh Bắc Bộ, lại có những vùng bán nhật triều và bán nhật triều không đều như vùng biển Trung Nam Bộ và Vịnh Thái Lan, biên độ triều từ 0,5 ÷ 4 m

Thuỷ triều ở ven biển nước ta thể hiện đầy đủ các dạng dao động Có nơi trong một ngày đêm thuỷ triều ở đó có một lần đạt trị số lớn nhất, một lần đạt trị số nhỏ nhất Cũng

có nơi một ngày đêm thuỷ triều có hai lần đạt trị số lớn, hai lần đạt trị số nhỏ và có nơi trong một tháng thuỷ triều lại thể hiện ở cả hai loại trên với những cao độ khác nhau

Thuỷ triều có thể gây tác hại nhưng cũng có thể đem lại lợi ích cho con người Để

có thể lợi dụng diễn biến thuỷ triều nhằm phục vụ cho đời sống con người và hạn chế bớt tác hại của nó, cần phải hiểu bản chất, đặc điểm và quy luật diễn biến của thuỷ triều

Từ bảng 1.1 ta nhận thấy thuỷ triều ở Việt Nam có đầy đủ các tính chất, đặc điểm, chế độ và các dạng chiều Độ cao thuỷ triều ở ven biển nước ta cũng biến động không đơn điệu, trong khi tại Cửa Ông biên độ chiều đạt tới 4,7 m, tại Hồng Gai biên độ chiều đạt khoảng 4,3 m thì tại Hà Tiên biên độ chiều chỉ đạt khoảng 1,7 m Nhìn chung, độ cao thuỷ triều đạt trị số lớn ở vịnh Bắc Bộ, đồng thời chế độ chiều ở khu vực này là nhật triều thuần nhất, hầu hết số ngày trong tháng có trên dưới 26 ngày chỉ có một lần nước lớn và một nước ròng

Bảng 1.1 Mức độ biến động cụ thể về chiều ở mực nước tại một số khu

vực ven biển Việt Nam

Địa phương Chế độ chiều

Trị số lớn nhất trong nhiều năm (m)

Ghi chú

Hải Phòng Nhật triều đều 4,0 Thanh Hoá Nhật triều không đều 3,8

Cửa Hội Nhật triều không đều 3,2

Ròn Nhật triều không đều 3,2

Cửa Ranh Bán nhật triều không đều 2,1

Cửa Tùng Bán nhật triều không đều 1,4

Đà Nẵng Bán nhật triều không đều 1,6

Qui Nhơn Nhật triều không đều 2,3

Vũng Tàu Bán nhật triều không đều 4,2

Nguồn: Vũ Như Hoán - Thuỷ triều ở ven biển Việt Nam -2000

c Khảo sát các bãi triều tỉnh Quảng Ninh

Hình 1.4 Bản đồ tỉnh Quảng Ninh

Tỉnh Quảng Ninh với đặc điểm là tỉnh miền núi - duyên hải với hơn 80% đất đai là đồi núi và gần hai nghìn hòn đảo chiếm trải dài theo hơn 250 km đường ven biển Quá trình khảo sát được tiến hành tại một số địa điểm thuộc huyện đảo Vân Đồn, huyện đảo

Cô Tô và ven biển thuộc địa phận huyện Yên Hưng

Huyện đảo Vân Ðồn bao gồm một dãy đảo chạy dài suốt ven biển như những bình phong kín đáo, thuyền bè đi lại dễ dàng thuận lợi vì ở đây nước sâu, dòng rộng, lại có thể lợi dụng thuỷ triều được cả trong bốn mùa Dãy đảo Vân Đồn gồm 600 hòn đảo, với diện tích 58,4 km2, chia thành hai quần đảo là Vân Hải và Cái Bầu Dân số Vân Ðồn gồm 23.000 người phân bố trên 20 hòn đảo lớn nhỏ Các xã đảo thuộc huyện Vân Đồn, mặc dù

về điều kiện tự nhiên có rất nhiều điều kiện để phát triển nhưng hiện tại trên các xã đảo

này do chưa có nguồn điện đủ lớn và ổn định nên việc phát triển kinh tế - xã hội còn nhiều hạn chế

Huyện đảo Cô Tô, cách thành phố Hạ Long khoảng 200 km về phía Đông, có diện tích tự nhiên là 48,2 km2 Cô Tô có địa hình đồi núi, phần giữa các đảo đều cao, vây quanh là những đồi núi thấp và những cánh đồng hẹp, ven đảo là những bãi cát nhỏ và vịnh nhỏ Cô Tô có khí hậu nhiệt đới gió mùa, nhiệt độ không khí bình quân cao 22,5oC

Huyện Yên Hưng có diện tích 31,4 km2, nằm ở phía tây nam tỉnh Quảng Ninh Dân số Yên Hưng theo thống kê năm 2006 là 135.472 người Cơ cấu kinh tế của huyện Yên Hưng hiện nay là nông - ngư –lâm - công nghiệp và dịch vụ Địa hình ven biển thuộc địa phận huyện Yên Hưng tương đối phức tạp, chủ yếu là rừng sú, vẹt và các bãi cát chạy dọc ven biển

Theo “Bảng thuỷ triều 2007” do Trung tâm Khí tượng Thuỷ văn Biển phát hành,

dự báo thuỷ triều năm 2007 tại tỉnh Quảng Ninh và các vùng kế cận có đặc điểm sau:

• Ở Hồng Gai, triều lên cao nhất tới 4,4 m trên số “0 độ sâu” và xuống thấp nhất tới 0,0 m Số ngày trong năm có mực nước triều cao từ 3,5 m trở lên là 170 ngày

• Ở Cửa Ông, triều cao nhất tới 4,7 m trên số “0 độ sâu” và xuống thấp nhất tới 0,1

m Số ngày trong năm có mực nước triều cao từ 3,5 m trở lên là 209 ngày

Thuỷ triều ven biển tỉnh Quảng Ninh có chế độ nhật triều thuần nhất, theo “Bảng thuỷ triều” do Trung tâm khí tượng Thuỷ văn Biển cung cấp từ năm 1998 đến năm 2007

thì biên độ chiều tại vùng ven biển Quảng Ninh là khá lớn, trung bình là 3 m, thời gian triều dâng và thời gian chiều rút bằng nhau, các độ cao nước lớn và nước ròng kế tiếp hầu như bằng nhau và biến thiên theo quy luật trong một tháng

Tại các khu vực khảo sát có nhiều đầm, phá tự nhiên và nhân tạo, dân cư địa phương sử dụng để nuôi trồng hải sản Độ chênh lệch cột nước khi thuỷ triều tại các đầm vào khoảng 1,2 ÷ 1,8 m, có khả năng nâng cao được cột nước lên 2,2 ÷ 2,4 m nếu tiến hành gia cố bờ đầm Không chỉ ở đảo mà các đầm ven bờ biển cũng phải sử dụng máy phát diezen do không có điện lưới Kết hợp sử dụng các đầm nuôi trồng thuỷ sản để phát điện thuỷ triều sẽ mang tính hiệu quả kinh tế cao do không chỉ thay thế được nguồn điện diezen đầm đang sử dụng mà còn tận dụng được cơ sở hạ tầng sẵn có để xây nhà trạm

Hình 1.5 Máy phát diezen sử dụng tại đầm

Bảng 1.2 Biên độ nước đo tại ven biển huyện Yên Hưng, tháng 12 năm 2006

Ngày

Giờ Độ

cao Giờ

Độ cao

Biên

độ Giờ

Ngày

Giờ Độ

cao Giờ

Độ cao

Bảng 1.3 Biên độ nước ven biển huyện Yên Hưng, tháng 3 năm 2007

Ngày

Giờ Độ

cao Giờ

Độ cao

Biên

độ Giờ

Ngày Giờ Độ

cao Giờ

Độ cao

Diễn biến thuỷ triều ven biển tại khu vực Đầm nhà Mạc, xã Phong Cốc, huyện Yên Hưng, qua các tháng 10 năm 2006; tháng 3, tháng 4 năm 2007 Trong tháng 10 năm

2006 có 22 ngày biên độ thuỷ triều cao hơn 1,2 m, biên độ thuỷ triều cao nhất trong tháng

là 3,4 m, biên độ thuỷ triều thấp nhất trong tháng là 0,6 m, biên độ trung bình là 1,54 m; trong tháng 3 năm 2007, có 20 ngày biên độ thuỷ triều cao hơn 1,2m; trong đó biên độ thuỷ triều cao nhất trong tháng là 3,6 m, biên độ thấp nhất là 0,5 m, biên độ dao động trung bình khoảng 1,6 m; trong tháng 4 năm 2007, có 21 ngày biên độ thuỷ triều cao hơn 1,2 m, trong đó biên độ cao nhất là 3,5 m, biên độ thấp nhất là 0,6 m, biên độ trung bình

là 1,44 m Thời gian cột nước cao hơn 1 m trong một ngày vào khoảng 8 ÷ 10 tiếng

Hình 1.6 Bãi đầm nhà Mạc, xã Phong Cốc, huyện Yên Hưng

Có hai phương án phát điện (hình 1.4), phương án thứ nhất mở cửa đầm lấy nước vào khi triều dâng Khi triều hạ, mực nước trong đầm cao hơn mực nước biển, tạo cột áp chạy máy phát điện Khi cột áp hạ thấp dưới mức làm việc của tổ máy phát điện mở cửa đầm lấy nước vào, quá trình lặp lại

Phương án thứ hai tận dụng cả hai chiều chênh lệnh mực nước, tức là cả khi mực nước triều cao hơn mực nước đầm Do kết hợp phát điện với nuôi trồng thuỷ sản nên phương án này không được khả thi

ttÝcht

ph¸t

0

-A A

tph¸t ttÝch tph¸t ttÝch

T b) -A

2 1

a) T

t6

t3

t2

t1

Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý phát điện thuỷ chiều

a-phát điện một chiều; b-phát điện hai chiều;

A: độ cao mực nước; t- thời gian trong ngày; T- một chu kỳ của thuỷ triều;

1- Dao động nước ngoài đầm (ngoài biển); 2- dao động nước trong đầm

Hình 1.8 Quá trình đo đạc, khảo sát

Có thể sử dụng cửa phai sẵn có của đầm để xây dựng, lắp đặt nhà trạm Móng công trình có thể xử lý bằng gạch, đất, đá đầm kỹ, trong trường hợp nên đất yếu cần đóng thêm cọc tre

`

Hình 1.9 Giải pháp xây dựng nhà trạm:

1.tổ máy phát điện; 2 máng dẫn dòng; 3 sàn thao tác; 4 cửa cống

2 1

3

4

4 Kết luận

Việc nghiên cứu để đầu tư xây dựng nguồn năng lượng sạch, ổn định cho các xã đảo là cần thiết, thiết thực, giúp cho các xã đảo có điều kiện phát triển kinh tế - xã hội và nâng cao dân trí; bảo đảm an ninh quốc phòng vùng biển phía Đông Bắc của Tổ quốc

Đề tài “Thiết kế, chế tạo tổ máy thuỷ điện cực nhỏ, cột nước thấp phù hợp với điều kiện làm việc ở môi trường nước biển để khai thác nguồn năng lượng thuỷ triều, phục vụ dân sinh vùng hải đảo Quảng Ninh”

Mục tiêu của đề tài là: “Xây dựng báo cáo khảo sát điều tra và giải pháp xây dựng công trình; xây dựng bộ bản vẽ thiết kế tổ máy thuỷ điện nhỏ; xây dựng trạm thuỷ điện nhỏ, phân tích và đánh giá hiệu quả ứng dụng”

Để thiết kế chế tạo được tổ máy tua bin phù hợp điều kiện dùng năng lượng thủy triều, đòi hỏi sự tính toán, lựa chọn loại tua bin phù hợp đảm bảo chất lượng điện, đạt hiệu suất cao Vật liệu chế tạo thiết bị cũng đòi hỏi phù hợp điều kiện làm việc môi trường nước biển và dễ sử dụng

CHƯƠNG II Tính toán thiết kế tua bin nước ứng dụng cho trạm

điện thuỷ triều 2.1 Giới thiệu chung

Các trạm phát điện thuỷ triều có đặc điểm là cột nước làm việc của tua bin rất thấp do độ chênh lệch thuỷ triều giữa nước lớn và nước ròng không cao Độ chênh trung bình giữa nước lớn và nước ròng tại vùng biển Quảng Ninh vào khoảng 2,0 m Ngoài ra chiều cao cột nước tại các trạm điện thuỷ triều còn phụ thuộc điều kiện địa hình và sản xuất thực tế của vùng triều

Các vùng đảo Quảng Ninh như Quan Lạn, Minh Châu, Ngọc Vừng có tiềm năng và nhu cầu ứng dụng điện thuỷ triều, có nhiều đầm nuôi thuỷ sản và vùng eo biển

có thể tận dụng để xây dựng các trạm điện thuỷ triều Đối với các vùng đầm nước và eo biển ở đây độ chênh thuỷ triều thuận lợi cho việc xây dựng các trạm điện thuỷ triều cũng chỉ vào khoảng 1,5 ữ 2,0 m

Để phục vụ cho mục đích nghiên cứu và ứng dụng ở đây các trạm điện thuỷ triều chúng tôi sẽ chọn cột áp làm việc của tua bin là 1,2 ữ 1,8 m, cột nước trung bình tính toán là 1,5 m Công suất tổ máy chúng tôi chọn là 1kW Nếu chọn công suất lớn, kích thước máy sẽ lớn, cồng kềnh, chế tạo tốn kém cần phải có dự án đầu tư lớn Nếu chọn công suất nhỏ hơn sẽ cần rất nhiều tổ máy cho một trạm thuỷ điện, việc xây dựng trạm, vận hành sẽ phức tạp, không kinh tế

Vì vậy ở đây chúng tôi sẽ chọn loại công suất 1 kW để thiết kế chế tạo và ứng dụng thử nghiệm

2.2 Cơ sở lý thuyết tính toán thiết kế tua bin nước cột nước thấp

Bánh công tác là bộ phận quan trọng nhất của tua bin hướng trục, thực hiện chức năng biến đổi năng lượng của dòng chất lỏng thành cơ năng và điện năng Bánh công tác có ảnh hưởng quyết định tới hiệu suất và chất lượng của máy Vì vậy thiết kế bánh công tác là một khâu rất quan trọng cần phải được thực hiện một cách chính xác

Cánh công tác của tua bin hướng trục có thể tính toán thiết kế theo bốn phương pháp sau:

• Phương pháp phân bố xoáy trên cung mỏng để thiết kế các prôphin có chiều dầy nhỏ vô cùng và có độ cong bé

• Phương pháp phân bố xoáy, nguồn và tụ còn gọi là phương pháp các điểm kỳ dị, dùng để thiết kế các prôphin có chiều dày hữu hạn

• Phương pháp biến hình bảo giác nhờ các hàm ánh xạ đặc biệt

• Phương pháp lực nâng

Trong thực tế chế tạo tua bin thuỷ lực, người ta thường sử dụng hai phương pháp: Phương pháp phân bố xoáy trên cung mỏng và phương pháp các điểm kỳ dị

Nội dung cơ bản của phương pháp phân bố xoáy trên cung mỏng là thay thế tác

động của các prôphin lên dòng chất lỏng bởi các xoáy phân bố dọc theo đường nhân prôphin theo một quy luật xác định Lần đầu các xoáy được phân bố dọc theo dây cung prôphin Kết quả tính toán ta nhận được hình dạng đường nhân prôphin.Trong lần tính gần đúng tiếp theo các xoáy được phân bố dọc theo đường nhân prôphin vừa mới nhận

được trong lần tính trước Prôphin có chiều dầy hữu hạn sẽ nhận được bằng phương pháp dựng hình dựa theo quy luật phân bố độ dầy của prôphin mẫu đối xứng trên cơ sở chiều dầy cực đại chọn trước của prôphin thiết kế

Phương pháp các điểm kỳ dị có nội dung tương tự như phương pháp phân bố xoáy Trong phương pháp này tác động của prôphin lên dòng chất lỏng được thay thế bởi các xoáy, nguồn và tụ phân bố trên đường nhân prôphin Đường dòng tổng hợp khép kín của chuyển động tương đối chính là chu tuyến của prôphin có chiều dày hữu hạn Việc tính toán thiết kế cánh tua bin hướng trục bằng phương pháp các điểm kỳ dị

đòi hỏi một khối lượng tính toán rất lớn mất nhiều thời gian và công sức Với sự phát triển của kỹ thuật tính toán trên máy vi tính, phương pháp này ngày càng được ứng dụng rộng rãi

Phương pháp phân bố xoáy trên cung mỏng đòi hỏi khối lượng tính toán ít hơn

so với phương pháp các điểm kỳ dị, thuận tiện cho việc tính toán bằng máy tính tay và lập trình trên máy vi tính Nếu chọn đúng các thông số tính toán, các hệ số ảnh hưởng của lưới cánh có chiều dầy hữu hạn, phương pháp này sẽ cho các prôphin cánh phù hợp tạo nên các bánh công tác có chất lượng cao

Vì vậy trong phạm vi đề tài này sẽ chỉ đi sâu tìm hiểu, nghiên cứu ứng dụng phương pháp phân bố xoáy trên cung mỏng của Lêxôkhin để tính toán thiết kế cánh tua bin hướng trục

2.2.2 Cơ sở lý thuyết của phương pháp phân bố xoáy

Trong chuyển động của dòng chất lỏng, các prôphin có độ cong nhỏ trong lưới cánh có thể thay bằng các lớp xoáy với quy luật phân bố xác định dọc theo đường nhân prôphin

Khi khảo sát chuyển động của chất lỏng tiếp xúc trực tiếp với bề mặt cánh ta cần phải tính tới tác động của lực nhớt ở lớp biên trên bề mặt cánh vận tốc dòng chất lỏng thay đổi từ không tới giá trị xác định của dòng chảy Sự thay đổi đột ngột của vận tốc dòng chất lỏng là nguyên nhân tạo thành xoáy trong lớp biên Vì vậy lớp biên có có thể thay thế bởi lớp xoáy bao gồm các xoáy có cường độ nhất định phân bố liên tục dọc theo bề mặt cánh

Bề mặt cánh được tạo nên bởi tập hợp các đường dòng của chuyển động tương

đối và các lớp xoáy liên hợp Vì vậy để xác định các prôphin cánh cần phải tìm đường dòng tổng hợp của chuyển động tương đối

Vận tốc tổng hợp của dòng tương đối ở một điểm bất kỳ có thể xác định bằng tổng vận tốc dòng không nhiễu và vận tốc cảm ứng tạo nên bởi các xoáy phân bố trên tất cả các prôphin tại điểm đó

Khi xác định được giá trị và phương của vận tốc tương đối tại các điểm tính toán của prôphin , ta xác định được hình dạng đường nhân của prôphin đó

Hình 2.1 Sơ đồ động học của lưới prôphin cánh bánh công tác tua bin hướng trục

Vận tốc cảm ứng tạo nên bởi tất cả các xoáy trong lưới tại một điểm bất kỳ toạ

o x

xxT

2cosy

yT

2Ch

dssyyT

2ShT

21V

o y

xxT

2cosy

yT

2Ch

dssxxT

2ShT

2

1

trong đó:

xo, yo – toạ độ điểm tính toán trên prôphin (ứng với điểm σo);

x, y – toạ độ điểm tại đó có phân bố xoáy (ứng với điểm σ)

Để tính vận tốc cảm ứng tại các điểm tính toán của prôphin cần phải cho trước quy luật phân bố xoáy dọc theo đường nhân prôphin

Quy luật phân bố xoáy có thể cho dưới dạng chuỗi lượng giác của Glaoerơ: γ(θ) = Aoctg(θ/2) + A1sinθ + A2sin2θ + A3sin3θ + + Ansinnθ;

hoặc dưới dạng chuỗi sau:

ư σ + σ

ư +

σ

ư

σ +

s

=

σ = cosθ Lưu số vận tốc bao quanh prôphin tạo ra bởi các xoáy phân bố theo quy luật xác

ds

s

Trong đó: γ(s) – cường độ xoáy phân bố dọc theo đường nhân prôphin;

s – biến số tích phân không thứ nguyên, ds = ư sinθdθ

2

l

;

L – chiều dài dây cung prôphin

Thế biểu thức lượng giác của γ(s) vào biểu thức tính lưu số Γ ta được:

d sin k sin A d

sin 2 ctg A

2

L

d sin k sin A

3 sin A 2 sin A sin A 2 ctg A 2

θ θ θ

= θ θ

Tích phân đầu tiên bằng:

( + θ) θ = π

= θ θ

d cos 1 d sin 2

Để tính tích phân thứ hai ta dùng biểu thức tích phân lượng giác đã biết, lợi dụng tính chất trực giao của hàm lượng giác:

= θ θ θ

; n k

khi : 0 d n sin k sin

Tất cả các tích phân dạng này đều bằng không (0) trừ một số hạng có k = 1 Do vậy, ta có lưu số vận tốc bao quanh prôphin bằng:

s

1

AA2

đổi lưu số vận tốc bao quanh prôphin đó

Đối với các lưới cánh bánh công tác hướng trục, quy luật phân bố xoáy thường cho dưới dạng không ellip tức là tồn tại cả hai thành phần chứa Ao và A1 trong biểu thức phân bố xoáy γ(σ) Ta có:

( ) + ư σ = γ ( )σ + γ ( )σ

σ

ư

σ +

= σ

1

1 Atrong đó:

( )

σ

ư

σ +

= γ

L 1 A d 2

L 1

1 A ds

1

2 1

1 1 o

2 / L 2 / L

= Γα + Γs

Vận tốc cảm ứng tạo bởi các xoáy γα(σ) γs(σ)ký hiệu tương ứng là Vα và Vs Khi

đó vận tốc cảm ứng tổng cộng bằng:

V = Vα + Vs Hình chiếu trên trục x:

λ +

σ σ

ư

σ + à

ư λ

λ

= +

1

2 1

1 1

o xs x

cos Ch

2

Sh T

2

L A d 1

1 cos Ch

2

Sh T

2

L A V V

- Thành phần vận tốc cảm ứng V’ tạo nên bởi các xoáy phân bố trên prôphin gốc;

- Thành phần vận tốc cảm ứng V” tạo nên bởi các xoáy phân bố trên tất cả các prôphin còn lại

1 1 2

sin A d sin 2

1

1 A

1 o

1 1

o o

o /

β

= σ β σ

ư σ

σ +

=σσ

ư

σ+

β

ưà

ưλ

λ

1 1

o o

o //

1

1)(aT2

LAd1

1sinL

T2cosch2

shT

2

LAV

Trong đó hàm a(σ) bằng:

σ

ưσ

βπ

τ

ưà

ưλ

sh2

1)(

Với

L

T2

=

Đường tích phân (dây cung prôphin) được chia thành 6 phần bằng nhau và ta sẽ xác định vận tốc cảm ứng tại 7 điểm 0; 1; 2; 3; 4; 5; 6 tương ứng toạ độ -1; -2/3; -1/3; 0; +1/3; +2/3; +1 (xem hình 2 dưới đây)

Hình 2.2 Sơ đồ phân bố các điểm tính toán trên dây cung prôphin

Thành phần vận tốc Vx//α được xác định theo tích phân của D A Nhepomnhiaxi:

(126a 90a 460a 180a 630a 334a ).T

2560

LA

Vx//α = oπ 1ư 2+ 3ư 4+ 5+ 6

Các hệ số a1 a6 được xác định theo hàm a(σ) ở trên ứng với các điểm σi:

a5 o ; a6 =a(σo,+1) Hình chiếu trên phương x của vận tốc cảm ứng tạo bởi xoáy γs(σ) được xác định

bằng:

βσ

xs 210a 120a 460a 120a 210a

T2560

LA

y 210b 90b 460b 180b 630b 334b

T2560

LA

βσ

ys 210b 120b 460b 120b 210b

T2560

LA

βπ

τ+à

ưλ

sin2

2

AA2

Xác định lưu số Γ theo cột áp và vận tốc góc, cho trước quan hệ Γα và Γs ta sẽ xác định được giá trị của Γα và Γs

Tỷ số Γα/Γ = C’ có thể có giá trị từ 0 đến 1 tuỳ theo tỷ tốc của bánh công tác

Đối với tiết diện gốc, góc va α đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra lưu số vận tốc của prôphin Vì vậy C’ lấy giá trị lớn Có thể lấy C’ = 0,3 ữ 0,6 Đối với tiết diện biên lấy C’ ≤ 0,1

C1

s

π

=Γ

ư

=Γ

Từ đó có:

L

C 2

Trong đó, k là hệ số ảnh hưởng của prôphin trong lưới

Các hệ số a, b có thể xác định bằng các biểu thức toán học đã cho ở trên hoặc bằng toán đồ cho trong các tài liệu thiết kế

2.2.3 Xác định toạ độ đường nhân prôphin và xây dựng prôphin có độ dầy

Như trong phần trên ta đã biết, một prôphin mỏng vô cùng có thể xem như

đường dòng tổng hợp của chuyển động tương đối Để xác định toạ độ các điểm tính toán của đường nhân, tại mỗi điểm cần phải xác định vận tốc của dòng tổng hợp và hình chiếu vận tốc trên phương trục x và y, góc β và chiều dài đoạn dây cung prôphin

Chiều dài dây cung prôphin được chia làm 6 đoạn bằng nhau bởi các điểm có toạ

độ tương đối σ = -1, -2/3, -1/3, 0, 1/3, 2/3, 1 (xem hình 2)

Trước tiên ta xác định giá trị các thành phần vận tốc tương đối của dòng tổng hợp tại các điểm -1, -2/3, -1/3, 0, 1/3, 2/3, 1 trên các phương chiếu x và y bằng các biểu thức sau:

Wx = Wmx + V’xα + V”xα + V’xs + V”xs;

Wy = Wmy + V’yα + V”yα + V’ys + V”ys

Sau đó xác định góc β tạo bởi phương của vận tốc tương đối W và trục x tại mỗi

điểm chia của đường nhân:

W

Wsinβ= y ;

W

Wcosβ= x trong đó:

2 y

2

x WW

Toạ độ các điểm chia:

x = Σ∆xi; y = Σ∆yi Với ∆xi và ∆yi là các giá trị toạ độ chia:

2

16

Hình 2.3 Xây dựng đường nhân của các prôphin tại các tiết diện tính toán

Đường nhân vừa dựng được chính là prôphin mỏng vô cùng trong lần tính gần

đúng thứ nhất Trong lần tính gần đúng tiếp theo các xoáy được phân bố trên đường nhân của prôphin vừa mới nhận được Trong thực tế tính toán thường chỉ cần tính hai lần là đủ

Cuối cùng để nhận được prôphin có độ dầy, ta sử dụng quy luật phân bố độ dày của prôphin mẫu (prôphin VIGM-15 – xem bảng 1) có đặc tính năng lượng và xâm thực tốt và chọn chiều dày max cho từng tiết diện Đắp độ dầy trên đường nhân theo quy luật trên ta sẽ nhận được các prôphin thực của cánh (xem hình 4) Xâu các prôphin lại với

nhau theo một quy luật nhất định ta sẽ nhận được hình dạng cánh hoàn chỉnh (hình 5)

Đối với tua bin thuỷ lực, các prôphin thường được xâu lại với nhau theo nguyên tắc: mép ra của các prôphin nằm trên cùng một đường thẳng hướng kính và vuông góc với trục

Hình 2.4 Xây dựng prôphin có độ dày

Bảng 2.1 Quy luật phân bố độ dầy của prôphin VIGM-15

Hình 2.5 Xâu các prôphin cánh của bánh công tác tua bin hướng trục

2.2.4 Xác định phân bố vận tốc và áp suất trên prôphin cánh

Sau khi xây dựng xong prôphin cánh cho các tiết diện tính toán của cánh, để sơ

bộ đánh giá chất lượng cánh ta tiến hành tính toán phân bố vận tốc và áp suất trên các prôphin Đó là một trong các nhiệm vụ chủ yếu của bài toán thuận trong lý thuyết cánh

Khi quan sát các biểu đồ phân bố vận tốc và áp suất trên các prôphin tính toán, nếu phân bố vận tốc đều đặn không có các bước nhảy và áp suất không có điểm nào có giá trị nhỏ hơn áp suất hơi bão hoà thì cánh công tác sẽ có hiệu suất làm việc tốt và không bị xâm thực trong quá trình làm việc

Các thông số ban đầu để giải bài toán thuận là kích thước của bánh công tác, hình dạng prôphin, lưu lượng, cột áp và số vòng quay làm việc của máy Vịêc xác định phân bố vận tốc và áp suất trên cánh được thực hiện dựa trên cơ sở các phương pháp mô tả chuyển động của dòng chất lỏng qua lưới

Dòng chất lỏng chuyển động qua lưới cánh có thể xem như tổng của dòng thế không nhiễu và dòng cảm ứng tạo bởi hệ các xoáy thay thế cho tác dụng của prôphin lên dòng chất lỏng

Trong trường hợp chung bề mặt dòng trong máy là bề mặt cong tròn xoay có lớp dòng chiều dày thay đổi Để giải quyết bài toán thuận người ta sử dụng biến hình bảo giác để đưa về mặt trụ Đối với tua bin hướng trục bề mặt dòng trong buồng dẫn dòng

là mặt trụ có chiều dầy lớp dòng không đổi, bài toán trở nên đơn giản hơn

Hàm dòng của dòng không nhiễu xác định bằng:

h

Chdzh

vuh

z

ou oz

o

B

++

ư

=

Trong đó:

Vou, Voz – Các thành phần vận tốc của dòng không nhiễu tại điểm z = 0;

u – toạ độ theo phương quay;

z – toạ độ chạy vuông góc với phương u;

Co – hằng số tích phân

Tác động của các prôphin lên dòng chất lỏng được thay thế bởi các xoáy γs phân

bố theo chu tuyến prôphin và các xoáy γf phân bố trên diện tích bên trong chu tuyến

Tại điểm với toạ độ u, z hàm dòng của dòng cảm ứng tạo bởi các xoáy γs phân

bố theo chu tuyến prôphin xác định bằng:

=

T

2 cos z

z T

2 ch 2 ln 4

h

o o

L

s s

k

Ψγ

Si

o o

i f

T

2 cos z

z T

2 ch 2 ln 4

h

Trong đó: ξ, η - biến số tích phân theo diện tích tiết diện

Đối với lưới quay đều với vận tốc góc ω ta có: ⎟⎟ ω α

ηαηω

=

T

2cosz

zT

2ch2lnr

r4

cosh

2 0 S

Để giải bài toán thuận ta có các điều kiện biên như sau:

1/ Tại tiết diện z = z1 đủ xa phía trước lưới, dòng không nhiễu có véc tơ vận tốc

V1 với các hình chiếu V1u và V1z;

2/ Tại tiết diện z = z2 đủ xa phía sau lưới ta có thành phần vận tốc hướng trục:

2

z 1

V h

và thành phần vận tốc V2u được xác định qua V1u và Γ bằng:

TV

V u = u ±Γ

Dấu (+) ứng với máy bơm; Γ - lưu số vận tốc bao quanh chu tuyến prôphin 3/ Trên chu tuyến prôphin:

Trong chảy bao không tách dòng, chu tuyến prôphin chính là đường dòng của chuyển động tương đối Do vậy tại mỗi điểm của prôphin thoả mãn điều kiện:

;W

dzW

du

z u

Cdu)u(Cr

)u(zr)u(zhdz)z(Cr

)z()z(h)z(h

1

1 u

2 z

L

H H

z(h

C dz r

) z ( r ) z ( h ) z ( h

z T

2 ch 2 ln 4

h ,

d u

u T

2 cos z

z T

2 ch 2 ln 4

h

z h

C dz z h z h

V u z h

V z

, u

z

ou oz

+ σ

+ +

+

ư

= Ψ

Trong đó γf có thể xác định theo kích thước hình học và vận tốc góc ω Vấn đề còn lại là phải xác định được γs Hàm xoáy γs sẽ xác định được dựa trên cơ sở các điều kiện biên Theo điều kiện biên thứ ba – chu tuyến prôphin là đường dòng trong chuyển

động tương đối Khi đó hàm dòng tổng cộng ở một điểm bất kỳ trên chu tuyến sẽ bằng hàm dòng tại điểm đó của chu tuyến với ý nghĩa là đường dòng trong chuyển động tương đối

Như vậy ta có phương trình:

L f s

C du u C r

u z r u z h dz z C r

z r z h z h 1

d d u

u T

2 cos z

z T

2 ch 2 ln 4

h ,

d u

u T

2 cos z

z T

2 ch 2 ln 4

h

z h

C dz z h z h

V u z h V

L z

z

u

2 o

z

ou oz

+ σ

+ +

η η α ω

S

o o

ou oz

L

o o

s

d d u u T

2 cos z

z T

2 ch 2 ln r

r 4

h cos

2

dz r

z r z h dz

z h V u V z h 1

z h

C d

u u T

2 cos z

z T

2 ch 2 ln 4

h

Trong đó C = Co – CL

Trong phương trình này ẩn số chỉ còn là hàm xoáy γs(σ) và hằng số tích phân C

Để giải được phương trình này ta cần có thêm điều kiện ra của dòng chảy ở đuôi prôphin Điều kiện đó mô tả như sau: Trong điều kiện chảy bao không tách dòng vận tốc tương đối về hai phía của prôphin tại điểm rời (điểm ra) của dòng chảy có giá trị bằng nhau và trái dấu Dưới dạng biểu thức ta có:

lung s o mat s

o

r

r r

Biết lưu số Γ ta xác định được vận tốc Vou thông qua V1u và Γ bằng:

ư

S f L

s u

T 2

1 V V

Thế giá trị của Vou vào phương trình tích phân ta nhận được phương trình mới

dz z h u

u T

2 cos z

z T

2 ch 2 ln 4

h cos

r

r 2

dz z r z h r dz z h V u V z

h

1

z h

C d

z h T 2

dz z h u

u T

2 cos z

z T

2 ch 2 ln 4 h

S

z

z o

o 2

u k oz L

z

z o

o s

γ

Và điều kiện ra của dòng chảy ở đuôi prôphin:

Hai hệ phương trình này cho phép xác định hàm γs(σ) và đại lượng C Biết các

đại lượng này ta xác định được các thông số cần thiết là:

1/ Lưu số vận tốc bao quanh prụfin:

( ) ∫∫ ( )

∫γ σ σ + γ ξ η ξ η

= Γ

S f L

constg

2

Upg2

=

ưγ

hay:

H

pg2

Upg2

+γ

=

ưγ

Suy ra:

gH2

gH2UWH

1ppp

2 2

ưγ

Với H là cột ỏp của lưới cỏnh dẫn:

g

)VV(U

H= o ± u m u Suy ra:

gH2

T/V

U2UW

Dấu (+) trước “2Uo” và (–) trước “Γ/T” ứng với chế độ làm việc là bơm

Việc tính toán thiết kế tua bin bắt đầu từ việc lựa chọn mô hình, xác định các kích thước cơ bản của tua bin, sau đó tính toán thiết kế cánh và tính toán phân bố vận tốc và áp suất trên prôphin cánh, tính toán tổn thất trong chảy bao lưới cánh để đánh giá sơ bộ chất lượng của lưới cánh

Việc tính toán thiết kế cánh bánh công tác của tua bin khá phức tạp Nếu tính bằng máy tính tay sẽ tốn rất nhiều thời gian và công sức Vì vậy việc tính toán đã được lập trình trên máy vi tính Các kết quả tính toán được giới thiệu trong phần 2.3

2.2.5 Phương pháp lý thuyết đánh giá tổn thất và hiệu suất của máy thuỷ lực cánh dẫn

a Tổn thất thuỷ lực trong chảy bao lưới cỏnh

Tổn thất thuỷ lực trong máy thuỷ lực cánh dẫn xảy ra trên suốt chiều dài đường

đi của dòng chất lỏng từ lối vào tới lối ra của máy

Có thể liệt kê các dạng tổn thất thủy lực như sau:

- Tổn thất ở buồng dẫn dòng vào hoặc cánh hướng dòng vào;

- Tổn thất ở bánh công tác;

- Tổn thất ở buồng dẫn dòng ra hoặc cánh hướng dòng ra

Trong đó tổn thất thuỷ lực ở bánh công tác chiếm phần đáng kể và việc tính toán rất phức tạp ở đây chủ yếu đề cập đến việc tính toán lý thuyết tổn thất thuỷ lực trong bánh công tác của máy thuỷ lực cánh dẫn

Tổn thất thủy lực xảy ra trong bánh công tác là do ma sát của dòng chất lỏng với cánh dẫn, do dòng vào xảy ra va đập hoặc do chuyển động xoáy qua khe hở giữa bánh công tác và vỏ (trong máy hướng trục)

Có thể chia các dạng tổn thất này thành hai loại: tổn thất prôphin và tổn thất qua khe đầu mút cánh (trong máy hướng trục)

Tổn thất prôphin bao gồm tổn thất trong chảy bao lưới cánh bởi dòng chất lỏng thực (nhớt) và tổn thất do lực cản áp suất sinh ra do sự chèn ép dòng ngoài bởi lớp biên,

Trong trường hợp lưới phẳng các prôphin, lực cản lớp biên hướng theo véc tơ vận tốc trung bình của chuyển động tương đối Wr∞

, được biểu thị bằng tổn thất năng lượng P’ trong công thức sau:

RX = P't.sinβ∞ trong đó:

RX- Lực cản prôfin, t- bước cánh trong lưới,

β∞- góc tạo bởi phương của vận tốc trung bình W∞ với trục lưới

Lực cản của prôfin còn có thể xác định bằng công thức:

L2

WCR

W.t'P2

xp

∞ρ

trong đó:

∞

∞ = sin β W

Wz

;

WZ - vận tốc hướng theo phương dọc trục;

L - chiều dài prôphin;

ρ - khối lượng riêng của chất lỏng

Từ đó ta có biểu thức xác định năng lượng tương đối ξp do sức cản prôfin của lưới cánh như sau:

z

3

xp p

gHW2

Wt

LCH

trong đó: H - cột áp của máy ; P’ - tổn thất năng lượng trong lưới cỏnh

Để xác định tổn thất năng lượng P' trong lưới cánh có thể ứng dụng phương pháp của Loixenski

Theo phương pháp này, tác giả giả thiết ở tiết diện 2'-2' nào đó sau lưới cánh (hình 6), lớp biên tiếp giáp với nhau, trường vận tốc trở nên đều hơn, tác giả tìm được công thức:

2

* ' 2 2

2 t sin W ' P

β

δ ρ

Hình 2.6 Sơ đồ tính toán tổn thất thuỷ lực trong chảy bao lưới cánh

u 1 W

u

2 2

* '

u - vận tốc theo đường dòng trong vùng lớp biên (hình 2.7),

y- chiều dầy lớp biên

Hình 2.7 Phân bố vận tốc dòng chảy trong lớp biên

Do không thể xác định được trực tiếp đại lượng δ , người ta đưa ra một quan hệ 2*'gần đúng của đại lượng này với giá trị chiều dầy tổn thất xung δ (ở lối ra của prôfin) k*dựa trên việc ứng dụng phương trỡnh xung đối với vùng giữa các tiết diện 2'-2' và k – k:

2 , 3 2

k

* k

* ' 2

δ

Từ phương trình này ta rút ra δ và thế vào công thức tính tổn thất P' ta được: 2*'

2 , 3

2

k 2

* k 2

Wsin

tW'

δρ

Mặt khác ta có

W2sinβ2 = W∞sinβ∞ = WZ Thế vào phương trình tính tổn thất P’ ta được:

=

sintW

WW

WW'

WW

W2

2 2

k xp

2 , 0 2

Trong biểu thức này có chiều dầy tổn thất xung δ ở lối ra của prôfin k* δ được k*xác định trên cơ sở phương trình:

'Wdx

δ+

δ+δ

Trong đó: δ*- chiều dày chèn ép của lớp biên

0

W

u 1Với W: vận tốc dòng ngoài của lớp biên

Dòng chảy trong buồng dẫn là dòng rối, nên lớp biên cũng là lớp biên dòng rối

Để tích phân phương trình, sử dụng phương pháp một thông số của Loixenski Theo phương pháp này các dạng prôfin vận tốc khác nhau trong lớp biên u = ϕ(y) được quy

về một tập hợp prôfin với thông số f thay đổi theo bề mặt prôfin

= y ,fW

'W

e

*δ

=)

R

(

G e* là một hàm tổng hợp để có thể coi các hàm : G(R )

W)

e 2ρ

δ

δ

= cũng là các hàm tổng hợp không phụ thuộc vào:

)/WR(

fH2[2)f2)(

để đưa phương trình vi phân về dạng đơn giản hơn:

'W

''WfFW

'Wdx

,

4 W (x)dx)

x(W

)x('W17,1)x(

Để xác định δ** ta giả thiết rằng, trong trường hợp lớp biên dòng rối, hàm quan

hệ G(Re*)trong hai trường hợp lưới prôfin cánh và lưới bản phẳng như nhau:

G(Re*)=153,2(Re*)1/6 Khi đó ta tìm được

7 / 6 x

0

8 , 3 4

/ 3 7 / 1

*

*

dx)x(W)x()W(

1(Re)

0153,0L

)x()

0

8 / 3 2

, 0 k 2 , 0 2 7 / 1

W

1W

1(Re)

036,0

b Tổn thất qua khe đầu mút cánh (không thuộc tổn thất prôphin, gọi là tổn thất mút cánh)

Dạng tổn thất này đặc trưng trong máy cánh dẫn hướng trục xảy ra do chảy tràn chất lỏng qua khe hở giữa đầu mút cánh và thành vỏ máy cùng với sự xuất hiện các xoáy ở mút cánh

Tổn thất thuỷ lực qua mút cánh hk được xác định bằng:

∞

∞β

ρ

=

sin2

Wt

LCh

2

ư

δ

=δTrong đó:

b = (D1 - dm ơ)/2 chiều dài cánh theo phương hướng kính

D1 - đường kớnh bỏnh cụng tỏc;

dmơ - đường kớnh moay ơ trục

Hệ số Cxk được xác định bằng:

2 y y mo

1

t

Lcos4

11d

1

D/2501

gHW2

Wt

LCH

=γ

P

gHW2

Wt

L)CC

=ζ+ζ

2.3 Thiết kế tua bin thuỷ điện công suất 1 kW, cột nước tính toán H = 1,5 m

2.3.1 Chọn mô hình tua bin

Để thiết kế tua bin trước hết cần chọn loại tua bin làm việc trong điều kiện cột nước thấp, từ đó chọn mô hình tua bin và tính toán thiết kế tua bin theo điều kiện làm việc đã chọn Song ở đây ta không có bản thiết kế của tua bin mẫu nên ta phải tính toán thiết kế mới dựa vào một số các thống số kết cấu cơ bản của tua bin mô hình

Ngoài ra khi tính toán thiết kế tua bin cần kết hợp với thông số máy phát và chủng loại máy phát (máy phát nam châm vĩnh cửu hoặc máy phát rô to dây quấn)

Với điều kiện cột nước tính toán H = 1,5 m ta chọn loại tua bin có phạm vi cột nước làm việc thấp và khả năng thoát lớn

Theo bảng 25 [Barlit] chọn tua bin loại ΠЛ10 của Nga Tua bin có các thông số kết cấu chính sau:

Đường kính bầu tương đối: db = db/D = 0,35; số cánh Z = 4; chiều cao tương

đối của cánh hướng ho= ho/D = 0,4; mật độ dãy cánh : tiết diện bầu cánh l/t = 0,85;