Kỹ thuật phát điện dùng sức nước có thủy đầu thấp

22 Hình 3.2: Các thành phần vận tốc của dòng chảy trong vùng bánh công tác của tuabin hướng trục... TẦM QUAN TRỌNG CỦA ĐỀ TÀI Hiện chưa có luận văn, công trình nghiên cứu trong nước n

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

NGUYỄN VĂN HIỀN

KỸ THUẬT PHÁT ĐIỆN DÙNG SỨC NƯỚC CÓ THỦY ĐẦU THẤP

Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện

Mã số: 605250

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2013

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

1 PGS.TS Dương Hoài Nghĩa

2 PGS.TS Lê Minh Phương

3 TS Nguyễn Quang Nam

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ngày, tháng, năm sinh: 23/11/1984 Nơi sinh: Bình Định

Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện Mã số: 605250

I TÊN ĐỀ TÀI: KỸ THUẬT PHÁT ĐIỆN DÙNG SỨC NƯỚC CÓ THỦY ĐẦU

THẤP

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Tính toán kích thước ống dẫn dòng hình dạng ống Venturi

- Tính toán biên dạng cánh bánh công tác của tuabin

- Sử dụng phần mềm Gambit chia lưới biên dạng cánh

- Sử dụng phần mềm Fluent tính toán hệ số lực nâng và lực cản của biên dạng cánh

- Lựa chọn máy phát điện thích hợp

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 02/07/2012

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 21/06/2013

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc

Điều đầu tiên, tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS.Nguyễn Hữu Phúc - Giảng viên

khoa Điện - Điện Tử - Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP Hồ Chí Minh, đã dành nhiều thời gian hướng dẫn tôi tận tình, chu đáo và động viên tôi hoàn thành luận văn này

Xin chân thành cám ơn đến tất cả Quý thầy, cô đã giảng dạy, trang bị cho tôi những

kiến thức rất bổ ích và quí báu trong suốt quá trình học tập tại trường

Xin cảm ơn gia đình luôn bên cạnh và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong học

tập và công tác

Xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp đã ủng hộ, tạo mọi điều kiện để tôi học tập tốt trong suốt thời gian vừa qua

Xin cảm ơn tất cả bạn bè đã động viên và hỗ trợ cho tôi rất nhiều trong quá trình

học tập, công tác cũng như trong suốt thời gian thực hiện luận văn

Xin cảm ơn các anh, các bạn học viên cao học (khóa 2011-2012) ngành Thiết bị,

mạng và nhà máy điện trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP HCM, những người luôn ành những tình cảm sâu sắc nhất, luôn bên cạnh, luôn động viên, khuyến khích tôi vượt qua những khó khăn trong suốt quá trình thực hiện luận văn này

Tp Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2013

Người thực hiện

NGUYỄN VĂN HIỀN

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Luận văn trình bàyý tưởng công nghệ về một loại tuabin mới và tính toán ống dẫn dòng, tính toán biên dạng cánh bánh công tác, cũng như lựa chọn máy phát điện cho tuabin này Loại tuabin mới này cho phép hiện thực hóa việc khai thác điện từ thủy lực, đảm bảo năng suất phát điện tối đa tại một địa điểm xác định Đây là công nghệ có tiềm năng vô cùng to lớn trong việc khai thác nguồn năng lượng chưa dùng đến từ lưu lượng nước sông, từ dòng nước thải và các hệ thống cung cấp nước trong đô thị Phương pháp phân bố xoáy được sử dụng để tính toán biên dạng cánh bánh công tác, phần mềm GAMBIT được sử dụng để chia lưới biên dạng cánh và phần mềm FLUENT được sử dụng để mô phỏng sự phân bố vận tốc, áp suất lên bề mặt cánh

THESIS SUMMARY

This thesis presents the technology of the new turbine and calculates the water pipeline, calculates the profile of propeller, chooses suitable generator for this turbine This new turbine will come true the generating of electricity from hydraulics , ensuring the maximum efficiency at a given position The potentiality of this technology is great for generating of electricity from flow of river, flow of sewage and water treatmen systems in municipal water supply systems Method of whirl distribution is used for calculating the profile of propeller, GAMBIT software is used for deviding the grid of profile of propeller, FLUENT soltware is used for simulating the distribution of velocities

and pressures on propeller’s surface

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan Luận văn là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các kết quả nêu trong Luận văn chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào khác Các số liệu và trích dẫn trong Luận văn đảm bảo tính chính xác, tin cậy và trung thực

Tôi xin chân thành cảm ơn!

NGƯỜI CAM ĐOAN Nguyễn Văn Hiền

MỤC LỤC

Chương 1 GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 Giới thiệu tổng quát 1

1.2 Mục tiêu của đề tài 2

1.3 Tầm quan trọng của đề tài 2

1.4 Phạm vi nghiên cứu 3

1.5 Nội dung luận văn 3

Chương 2 TỔNG QUAN VỀ THỦY ĐIỆN NHỎ CỘT NƯỚC THẤP 4

2.1 Phạm vi làm việc của tuabin hướng trục 4

2.2 Nghiên cứu và sản xuất tuabin hướng trục thủy điện nhỏ ở các nước 5

Chương 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TUABIN NƯỚC 15

3.1 Các bộ phận chính của tuabin nước 15

3.2 Phân loại và phạm vi sử dụng của tuabin 16

3.3 Dòng chảy trong tuabin nước 21

3.4 Phương trình Bernoulli viết cho dòng chảy tương đối của tuabin 23

3.5 Thiết kế bánh công tác tuabin hướng trục 24

3.6 Chọn các thông số của tuabin hướng trục 28

3.7 Thiết kế cánh bằng phương pháp phân bố xoáy 29

Chương 4 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN DÙNG SỨC NƯỚC CÓ THỦY ĐẦU THẤP 36

4.1 Khái quát về hệ thống 36

4.2 Các thành phần chính của hệ thống 37

4.3 Nguyên lý hoạt động của hệ thống 39

4.4 Vận tốc và áp suất dòng chảy qua ống dẫn dòng 40

4.5 Công suất và lưu lượng dòng chảy qua ống dẫn dòng 42

Chương 5.XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ TUABIN VÀ LỰA CHỌN MÁY PHÁT ĐIỆN 5.1 Điều kiện thủy văn nơi lắp tổ máy và công suất thiết kế tổ máy 45

5.2 Cột áp tuabin và lưu lượng dòng chảy 45

5.4 Tính toán công suất và chọn máy phát điện 49

Chương 6 TÍNH TOÁN BIÊN DẠNG CÁNH VÀ SỬ DỤNG PHẦN MỀM VẼ BIỀU ĐỒ HỆ SỐ LỰC NÂNG, LỰC CẢN 52

6.1 Tính toán biên dạng cánh theo phương pháp pháp phân bố xoáy 52

6.2 Sử dụng phần mềm Gambit vẽ cánh và chia lưới biên dạng cánh 73

6.3 Sử dụng phần mềm Fluent vẽ biểu đồ hệ số lực nâng, lực cản 82

6.3 Nhận xét kết quả tính toán và mô phỏng 90

Chương 7 KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 91

7.1 Kết quả nghiên cứu đã đạt được 91

7.2 Những điều làm được và chưa làm được 91

7.3 Hướng phát triển của đề tài 92

TÀI LIỆU THAM KHẢO 93

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 2.1: Tua bin hướng trục hoàn thiện của hãng Kushiro 7

Hình 2.2: Tua bin hướng trục hoàn thiện của hãng Toshiba 7

Hình 2.3: Cấu tạo cơ bản của tua bin Toshiba 8

Hình 2.4: Cấu tạo cơ bản của tua bin Turboatom 8

Hình 2.5: Tua bin hướng trục buồng benton của hãng Sulzer 9

Hình 2.6: Hình dáng hoàn thiện của tua bin Nyerpic 10

Hình 2.7: Bố trí tổng thể của tua bin bóng đèn kiểu buồng hở 11

Hình 2.8: Tua bin hướng trục buồng Xi Phông 12

Hình 3.1: Tam giác vận tốc của dòng chảy trong vùng bánh công tác 22

Hình 3.2: Các thành phần vận tốc của dòng chảy trong vùng bánh công tác của tuabin hướng trục 23

Hình 3.3: Quan hệ K f(c, / )L t 28

Hình 3.4: Xác định a, b khi   1 đặt ngay gốc tọa độ 33

Hình 3.5: Xác định a, b khi   2 / 3 đặt ngay gốc tọa độ 34

Hình 3.6: Xây dựng profile có độ dày hữu hạn 35

Hình 4.1: Máy phát điện được đặt dưới lòng sông 37

Hình 4.2: Ống dẫn dòng hình dạng ống Venturi 37

Hình 4.3: Các thiết bị điện trong hệ thống 38

Hình 4.4: Bên trong ống dẫn dòng 38

Hình 4.5: Khung bảo vệ bên ngoài tổ máy 39

Hình 4.6: Nguyên lý hoạt động của hệ thống 40

Hình 4.7: Vận tốc và áp suất ở các vị trí khác nhau trong ống 41

Hình 5.1: Vị trí đặt tổ máy 45

Hình 5.2: Cột áp tua bin 47

Hình 5.3: Cánh hướng dòng tạo mô men xoắn lên bánh công tác tua bin 47

Hình 5.4: Vị trí cánh hướng dòng trên ống dẫn dòng 48

Hình 5.6: Kích thước ống dẫn dòng 49

Hình 5.7: Hình dạng máy phát điện 51

Hình 6.1: Đường nhân và profile tiết diện thứ nhất 69

Hình 6.2: Đường nhân và profile tiết diện thứ hai 70

Hình 6.3: Đường nhân và profile tiết diện thứ ba 71

Hình 6.4: Đường nhân và profile tiết diện thứ bốn 72

Hình 6.5: Đường nhân và profile tiết diện thứ năm 73

Hình 6.6: Vẽ biên dạng cánh 73

Hình 6.7: Vẽ điểm A 74

Hình 6.8: Vẽ các điểm A, B, C, D, E, F, G 75

Hình 6.9: Vẽ các đoạn thẳng BC, CD, DE, CG 75

Hình 6.10: Các đoạn thẳng AB, BC, CD, DE, EG, GA, GC 76

Hình 6.11: Vẽ cung AF 76

Hình 6.12: Vẽ hai cung AF và EF 77

Hình 6.13: Vẽ các mặt phẳng 77

Hình 6.14: Vẽ các mặt phẳng 78

Hình 6.15: Trừ mặt phẳng AFEG cho mặt phẳng PROFLE 78

Hình 6.16: Chia lưới cạnh GA, BC 79

Hình 6.17: Cạnh GA, BC đã chia lưới 80

Hình 6.18: Chia lưới các mặt phẳng ABCG, GCDE, AFEG 81

Hình 6.19: Chia lưới mô phỏng biên dạng cánh 81

Hình 6.20: Chọn đường dẫn mở tập tin đã chia lưới 82

Hình 6.21: Kiểm tra lưới 82

Hình 6.22: Chọn thông số lưu chất 83

Hình 6.23: Chọn lưu chất chảy tầng 83

Hình 6.24: Chọn dòng lưu chất nước 84

Hình 6.28: Chọn thông số tính chất của dòng nước 85

Hình 6.29: Xác lập thông số đầu vào 86

Hình 6.30: Thông số xuất dữ liệu 86

Hình 6.31: Xác đinh hệ số lực nâng 87

Hình 6.32: Xác định hệ số lực cản 87

Hình 6.33: Xem giá trị tham chiếu 88

Hình 6.34: Chọn số vòng lập tối đa 88

Hình 6.35: Hệ số lực nâng cánh 89

Hình 6.36: Hệ số lực cản cánh 89

Hình 6.37: Hiển thị vận tốc và áp suất 89

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Phân loại tua bin theo hệ số tỷ tốc Ns 4

Bảng 2.2: Các thông số kỹ thuật trong tua bin hướng trục của Trung Quốc 5

Bảng 2.3: Bổ sung một số mẫu cánh cột nước thấp 6

Bảng 2.4: Chỉ tiêu kỹ thuật của các loại bánh công tác 6

Bảng 2.5: Một số tua bin hướng trục sản xuất trong nước 12

Bảng 3.1: Lựa chọn sơ bộ tua bin 21

Bảng 5.1: Các thông số máy phát điện 50

Bảng 6.1: Các thông số dãy cánh 53

Bảng 6.2: Các hệ số a,b của tiết diện I 54

Bảng 6.3: Các hệ số a,b của tiết diện II 55

Bảng 6.4: Các hệ số a,b của tiết diện III 56

Bảng 6.5: Các hệ số a,b của tiết diện IV 56

Bảng 6.6: Các hệ số a,b của tiết diện V 57

Bảng 6.7: Các thành phần vận tốc ở tiết diện I 58

Bảng 6.8: Các thành phần vận tốc ở tiết diện II 60

Bảng 6.9: Các thành phần vận tốc ở tiết diện III 62

Bảng 6.10: Các thành phần vận tốc ở tiết diện IV 64

Bảng 6.11: Các thành phần vận tốc ở tiết diện V 68

CHƯƠNG 1:

GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT

Ngày nay, cùng với những ảnh hưởng của nạn hâm nóng toàn cầu có thể được nhìn thấy khắp nơi trên toàn thế giới, hiện tượng khí hậu thay đổi đã trở thành mối

lo ngại cho toàn thể nhân loại Trong khi đó các nguồn năng lượng truyền thống như than đá, dầu mỏ đang dần cạn kiệt, giá thành tăng cao, nguồn cung lại không ổn định, nên trong thời gian gần đây nhiều nguồn năng lượng thay thế như năng lượng mặt trời, năng lượng gió và một số nguồn năng lượng tái tạo khác đang được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu Trong số đó, việc sử dụng nguồn năng lượng từ sông, biển, suối được rất nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm đặc biệt hơn cả

Việt Nam là đất nước dồi dào nguồn thủy điện nhỏ và các nguồn năng lượng tái tạo, nhưng đến nay vẫn còn khai thác ít Theo số liệu của Dự án Năng lượng Ngân hàng Thế giới, Việt Nam mới chỉ sử dụng khoảng 11% tiềm năng năng lượng thủy điện nhỏ và các nguồn năng lượng tái tạo hiện có, bao gồm 12% năng lượng từ thủy điện, 30% từ điện Mặt trời, 15% từ nguyên liệu sinh học Điều này cho thấy việc ứng dụng, triển khai các kỹ thuật thủy điện nhỏ và các nguồn năng lượng tái tạo còn đầy tiềm năng, cần được quan tâm đầu tư và có chính sách khuyến khích cho dạng năng lượng được coi là sạch này [6]

Theo ước tính của Viện Năng lượng, hệ thống sông ngòi Việt Nam có tiềm năng khoảng 300 tỷ KWh Trong khi đó, tiềm năng kinh tế kỹ thuật có thể khai thác được ước tính vào khoảng 80 tỷ KWh, hiện mới chỉ được khai thác khoảng 15% trữ lượng này, và hầu hết là ở các nhà máy thủy điện vừa và lớn như: Hoà Bình, Thác

Bà, Sông Hinh…[6]

Việc tiếp cận để tận dụng nguồn năng lượng mới này không chỉ góp phần cung ứng kịp nhu cầu năng lượng cấp thiết của Việt Nam nói riêng và của cả toàn xã hội nói chung mà còn giúp tiết kiệm điện năng và góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường Ngoài ra, việc sử dụng một nguồn năng lượng sạch như vậy còn góp phần

tạo nên làn sóng kêu gọi sử dụng năng lượng xanh đang được thực hiện trên hầu hết các nước hiện nay

Các vị trí có điều kiện thủy năng thuận lợi với cột nước cao cho các trạm thủy điện nhỏ đã được khai thác nhiều, còn lại là các điểm có cột nước thấp, lưu lượng lớn Xây dựng các trạm thủy điện nhỏ, cột nước cực thấp là rất cần thiết để phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt và sản xuất của đồng bào vùng núi cao, xa lưới điện quốc gia 1.2 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là tính toán, thiết kế trạm thủy điện nhỏ, cột nước cực thấp Trạm thủy điện nhỏ kiểu này gồm máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cữu, bộ chỉnh lưu AC-DC, bộ nghịch lưu DC-AC, bộ biến đổi tăng áp, bộ biến đổi giảm áp được đặt trong lớp vỏ không thấm nước hình dạng như tàu ngầm Lớp

vỏ không thấm nước này được đặt dọc trục bên trong ống dẫn dòng hình dạng ốngVenturi Máy phát điện bên trong lớp vỏ không thấm nước này sẽ kết nối trực tiếp với bánh công tác tuabin bên ngoài thông qua ổ bi chống thấm Bánh công tác tuabin được đặt ở phần thót của ống dẫn dòng nhằm tăng vận tốc dòng chảy qua bánh công tác tuabin Đây là công nghệ có thể thay đổi qui mô, có tiềm năng vô cùng to lớn trong việc khai thác nguồn năng lượng chưa dùng đến từ lưu lượng nước sông, và nhiều hệ thống khác ở hạ lưu nhằm cung cấp điện cho hộ gia đình vùng nông thôn, vùng cao, vùng sâu, vùng xa, các vùng không được cung cấp điện bởi lưới điện quốc gia Cũng có nhiều khả năng khai thác điện từ dòng nước thải và các

hệ thống cung cấp nước trong đô thị

1.3 TẦM QUAN TRỌNG CỦA ĐỀ TÀI

Hiện chưa có luận văn, công trình nghiên cứu trong nước nào tính toán, thiết

kế ống dẫn dòng hình dạng ống Venturi, cũng như tính toán biên dạng cánh bánh công tác tuabin cho hệ thống máy phát-tuabin công suất nhỏ, cột nước cực thấp Sau đây là những lý do cần phải phát triển mô hình tuabin thủy điện công suất nhỏ, cột nước cực thấp tại Việt Nam:

- Có thể giải quyết được ngay nhu cầu điện chiếu sáng cho một phần đáng kể trong tổng số 4,5 triệu dân vùng sâu, vùng xa chưa có điện, đặc biệt là các cụm dân

- Việt Nam có hệ thống sông ngòi dày đặc, cụm dân tộc thiểu số sống ven sông, suối Đối tượng này nếu được khai thác tốt sẽ làm giảm áp lực đáng kể lên lưới điện quốc gia

- Có thể nhân rộng mô hình và sử dụng trong đường ống các hệ thống xử lý nước thải, hệ thống cung cấp nước ở đô thị nhằm giảm bớt gánh nặng quá tải vào giờ vào giờ cao điểm lên hệ thống điện quốc gia

1.4 PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Việc tính toán, thiết kế trạm thủy điện công suất nhỏ, hoạt động ở cột nước cực thấp là yêu cầu tương đối phức tạp Do giới hạn về thời gian và điều kiện nghiên cứu nên đề tài chỉ giới hạn các vấn đề sau:

- Tính toán ống dẫn dòng, tính toán công suất, lựa chọn máy phát điện, tính toán biên dạng cánh bánh công tác, chia lưới biên dạng cánh

- Phương pháp được sử dụng để tính toán biên dạng bánh công tác là phương pháp phân bố xoáy

- Sử dụng phần mềm GAMBIT để vẽ, chia lưới biên dạng cánh và phần mềm FLUENT để vẽ biểu đồ hệ số lực nâng, lực cản tác dụng lên cánh bánh công tác 1.5 NỘI DUNG LUẬN VĂN

Chương 1: Giới thiệu tổng quan về vấn đề trong luận văn, về mục tiêu và phạm

vi nghiên cứu của đề tài

Chương2: Giới thiệu tổng quan về thủy điện nhỏ cột nước thấp

Chương 3: Trình bày cơ sở lý thuyết tuabin nước

Chương 4:Giới thiệu hệ thống phát điện dùng sức nước có thủy đầu thấp

Chương 5:Tính toán công suất và lựa chọn máy phát điện

Chương 6: Tính toán biên dạng cánh và vẽ biểu đồ hệ số lực nâng, lực cản

Chương 7: Kết luận chung và hướng phát triển của đề tài

CHƯƠNG 2:

TỔNG QUAN VỀ THỦY ĐIỆN NHỎ CỘT NƯỚC THẤP

Để xác định phạm vi làm việc của tuabin hướng trục, trước hết cần phải phân loại tuabin Có hai phương pháp chính để phân loại tua bin hiện nay là:

- Phân loại theo cột nước

- Phân loại theo hệ số tỷ tốc Ns

Phân loại tua bin theo cột nước chỉ được áp dụng cho các tổ máy lớn ở các trạm thủy điện nhỏ thì việc phân loại tuabin được thực hiện theo hệ số tỷ tốc Ns Với cùng một cột nước sẽ có sự trùng lặp các vùng làm việc các tua bin khác nhau và cách phân loại theo hệ số tỷ tốc Ns thể hiện đặc tính xâm thực, khả năng thoát, khả năng quay nhanh của tuabin

Hệ số tỷ tốc của tuabin hướng trục

Để lựa chọn tua bin 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

D H H

 Tính theo các thông số quy dẫn:

Bảng 2.1: Phân loại tua bin theo tỷ tốc N s

STT Loại tua bin Tỷ tốc thấp Tỷ tốc trung bình Tỷ tốc cao

1 Tua bin hướng trục 270-500 500- 750 750-1000

lần

Vậy tua bin hướng trục có tỷ tốc Nsnằm trong khoảng từ 270–1000 vòng/ phút Tua bin hướng trục cột nước thấp có tỷ tốc Ns = 750–1000 vòng /phút

NHỎ Ở CÁC NƯỚC

2.2.1 Tuabin hướng trục thủy điện nhỏ của Trung Quốc

Gam tua bin thủy điện nhỏ của Trung Quốc gồm 5 loại tua bin : ZZ760, ZZ600, ZZ560, ZZ500, ZZ450 có tỷ tốc tương ứng: 760, 600, 560, 500, 500, 450 Các chỉ tiêu kỹ thuật được trình bày trên bảng sau: [3]

Bảng 2.2 Các thông số kỹ thuật trong tua bin hướng trục của Trung Quốc

mô hình

Chiều cao cánh hướng nước bo/D1

Tỷ số bầu

d b /D 1

Số lá cánh

Z 1

Vòng quay quy dẫn (vg/ph)

Lưu lượng quy dẫn (m 3 /s)

Hiệu suất (%)

Tua bin hướng trục được bổ sung thêm một số mẫu cánh cột nước thấp Các thông số của tua bin hướng trục kiểu ống được nghiên cứu ở Trung Quốc như bảng 3:

Bảng 2.3: Bổ sung một số mẫu cánh cột nước thấp

2.2.2 Tua bin hướng trục thủy điện nhỏ của Tiệp Khắc (cũ)

Tua bin hướng trục thủy điện nhỏ của Tiệp Khắc chỉ gồm 4 mẫu cánh trong đó

có hai mẫu cánh dùng cho các loại tua bin có kết cấu trục đứng và trục ngang cổ điển là 4K84 và 4K69, có hai mẫu cánh dùng cho tua bin hướng trục có phần dẫn dòng hình chữ S là 4PK-10 và 4PK-26

2.2.3 Tua bin hướng trục của Liên Xô (cũ)

Tua bin hướng trục của Liên Xô năm 1962 cho thủy điện nhỏ, có 3 loại bánh công tác, sử dụng trong phạm vi cột nước H<30m Các số hiệu  70, 510,

587

 Sau đó bánh công tác  510được thay thế bởi bánh công tác  20 / 661, các chỉ tiêu kỹ thuật như ở bảng 4

Bảng 2.4: Chỉ tiêu kỹ thuật của các loại bánh công tác

Các chỉ tiêu kỹ thuật Loại bánh công tác

70

  510  587

' 1

2.2.4 Tuabin của hãng Kushiro (Nhật)

Hình 2.1 Tua bin hướng trục hoàn thiện của hãng Kushiro

Hãng Kushiro đưa ra một mẫu kết cấu chung cho tua bin ống dùng cho các trạm thủy điện mini và micro Sản phẩm của hãng dùng công nghệ cao: Dùng bánh răng hành tinh để dùng máy phát có vòng quay cao Toàn bộ tua bin, hộp bánh răng hành tinh và máy phát được đặt trong nước và được thể hiện ở hình 2.1

2.2.5 Tua bin hướng trục của hãng Toshiba (Nhật)

Hình 2.2 Tua bin hướng trục hoàn thiện của hãng Toshiba

Hình 2.3 Cấu tạo cơ bản của tua bin Toshiba

Hãng Toshiba đưa ra mẫu tua bin cáp xun có phần tua bin nằm trong nước nhưng máy phát lại nằm ngoài và dùng đai truyền động Loại máy này có thể lắp đặt rất linh hoạt, trên bất kỳ một đường ống dẫn nước nào có thế năng

2.2.6 Gam tua bin hướng trục của hãng Turboatom ( Nga)

Hình 2.4 Cấu tạo cơ bản của tua bin Turboatom

Hãng Turboatom đưa ra mẫu tổ máy hình chữ S có thể di chuyển cơ động được

Phạm vi làm việc:

Lưu lượng Q 0,14 m3/s Công suất P 1,55,5KW

2.2.7 Gam tuabin hướng trục của Sulzer (Thụy Sĩ)

2.2.7.1 Tuabin hướng trục trục đứng, buồng kín benton

So với các loại tuabin hướng trục buồng xoắn benton kiểu cũ, loại tuabin này

có kích thước gọn nhẹ và buồng tuabin đơn giản hơn, cho phép giảm giá thành của thiết bị, xây dựng và bảo dưỡng Buồng xoắn được thay thế bằng loại buồn có áp, chiều cao không đổi, tuabin nối với máy phát qua bộ truyền động

Hình 2.5: Tuabin hướng trục buồng benton của hãng Sulzer

Phương thức truyền động: trực tiếp hoặc thông qua bộ truyền động bánh răng

2.2.7.3 Tuabin dòng thẳng sử dụng bộ truyền đai và bánh răng vuông góc

Phạm vi làm việc

Lưu lượng Q 2,5 45 m3/s Công suất P 0,1  2,6MW

Bộ truyền đai sử dụng trong phạm vi công suất P < 600 kW

2.2.8 Một số loại kết cấu đặc biệt khác

2.2.8.1 Tuabin ống của hãng Neyrpic (Pháp)

Để hạ thấp cao trình lắp máy, nâng cao hiệu suất tổ máy và giảm kích thước Neyrpic đã đưa ra kết cấu tuabin ống như hình 2.6

Hình 2.6: Hình dáng hoàn thiện của tuabin Nyerpic

Phạm vi làm việc

Cột nước H 5  20m Lưu lượng Q 3 33 m3/s Công suất P 0,2  3MW Đặc biệt là tuabin của Nyerpic đưa ra 5 kích thước bầu bánh công tác tiêu

D1 (mm) 750; 850 950; 1060 1180; 1320 1500; 1700 1900; 2120

2.2.8.2 Tuabin hướng trục Cap xun buồng hở và buồng xi phông

Để sử dụng cho các thủy điện cột nước thấp, hãng ESAC (Pháp) đã đưa ra ba kiểu kết cấu:

- Tuabin hướng trục kiểu bóng đèn, buồn hở

Phạm vi làm việc

Lưu lượng Q 39 m3/s

Hình 2.7: Bố trí tổng thể của tuabin bóng đèn kiểu buồng hở

- Tuabin kiểu bóng đèn buồng kín, phạm vi làm việc với cột nước lớn

Phạm vi làm việc

Lưu lượng Q 4,5 13,5 m3/s Công suất P 0,4  1,6MW

- Tuabin hướng trục buồng kín kiểu xi phông

Để sử dụng cho các công trình đập có sàn, nhiều hãng đã đưa ra cấu trúc tuabin hướng trục buồng xi phông Tuabin này có thể lắp đặt mà không cần phá vỡ cấu trúc của công trình thủy công có sẵn Cấu tạo của phần trạm rất đơn giản

Hình 2.8 Tuabin hướng trục buồng xi phông

2.2.9 Nghiên cứu và sản xuất tuabin hướng trục ở Việt Nam

Tuabin hướng trục được chế tạo từ những năm 60 Lúc đầu chỉ là những tuabin hết sức đơn giản, như tuabin gỗ, tuabin với cánh bằng thép tấm có bề dày không đổi hàn với bầu cánh

Vào những năm 80, do nhu cầu phát triển thủy điện nhỏ, phục vụ cho phát triển kinh tế- xã hội khu vực miền núi, đã thúc đẩy nhanh chóng phát triển thủy điện nhỏ

Bộ đồ án thiết kế thủy điện Kẻ Gỗ có công suất 1000KW là bản thiết kế hoàn chỉnh đầu tiên do Viện Thiết Kế Thủy Lợi–Thủy điện thực hiện Sau đó hàng loạt các cơ quan đã thiết kế, chế tạo hàng trăm tổ máy có công suất từ 5–1000KW Trạm thủy điện Phú Ninh là công trình cỡ lớn đầu tiên được lắp đặt tuabin và điều tốc sản xuất trong nước Trường đại học Bách Khoa Hà Nội cũng nghiên cứu và đưa ra bánh công tác như mẫu bánh công tác của tuabin hướng trục có N s 600 vào năm

1982

Các tuabin hướng trục sản xuất trong nước, sơ bộ được thống kê như sau:

Bảng 2.5: Một số tuabin hướng trục sản xuất trong nước

TT Tên thiết bị Cơ quan sản xuất D 1

(cm)

N (kW)

Cột áp (m)

2  30 / 587 Nhà máy công cụ 1 1000 14-18

3 CCQ-DK-25 Nhà máy công cụ 1 25 16-20 8-18

5 CC70-120 Viện nghiên cứu máy 120 150 4

6 4K84-DH-75 Viện khoa học thủy lợi 75 70 4,5

7 CCQ661-K-N-80 Viện khoa học thủy lợi 80 135 9,5

8 COQ587-ON-60 Viện khoa học thủy lợi 60 80 9-12

9 4K84-H-30,40,60 Nhiều cơ quan 30-60 10-40 2-4

10 Tuabin ống Đại học bách khoa và

nhiều cơ quan

Các thiết bị tuabin hướng trục sản xuất trong các kiểu kết cấu như sau:

- Tuabin hướng trục, buồng hở, trục đứng, đường kính bánh công tác D1=12; 15; 20; 25; 30; 40; 60; 80, với công suất từ 200W–90kW Viện Nghiên cứu máy chế tạo tổ máy có D1 = 120cm, công suất 150kW với cột nước H = 4,5m

- Tuabin hướng trục, buồng hở trục ngang: một số trạm thủy điện đã sử dụng kết cấu này, trạm có công suất lớn nhất tại Quảng Ninh do Trường Đại Học Bách Khoa nghiên cứu, chế tạo với D1= 95cm, cột nước H = 6-8m và công suất Pmax = 200kW

- Tổ máy tuabin hướng trục buồng xoắn, trục đứng do nhiều cơ quan chế tạo:

Tổ máy có khối lượng lớn theo mẫu GANZ của Hungary, có công suất P =12 20kW, cột nước H = 10-20m Tổ máy lớn nhất tại trạm thủy điện Phú Ninh với D1 = 132cm, công suất 1000kW

Tổ máy tuabin ống do nhiều cơ quan chế tạo như: Đại Học Bách Khoa, Viện Khoa Học Thủy Lợi, Viện Nghiên Cứu Máy, Công ty tuabin điện Đông Anh Quy

mô lớn nhất đạt tới 100kW với D1 = 80cm

- Các tổ máy sử dụng bánh công tác được nhập từ rất nhiều nguồn bao gồm:

có hiệu quả tốt

Các bộ phận phụ của phần dẫn dòng gồm có: Các van điều chỉnh lưu lượng dòng chảy, lưới chắn rác

3.1.1 Buồng dẫn tuabin

Làm nhiệm vụ dẫn nước từ ống nước hoặc kênh dẫn đến bánh công tác

- Yêu cầu: buồng dẫn đưa nước 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)

- Cấu tạo: buồng dẫn của tuabin kiểu nhỏ thường là buồng hở hay là hộp tròn tiết diện không thay đổi với các cánh hướng nằm cách đều nhau trên một đường tròn Buồng dẫn của tuabin cỡ trung bình và lớn gồm có: buồng xoắn, cột trụ và cánh hướng nước

Buồng xoắn tuabin có tiết diện ngang (tiết diện cắt chứa trục tuabin) 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 việc dẫn dòng chất lỏng vào bánh công tác đều hơn (đối xứng qua trục tuabin), tạo điều kiện dòng ổn định qua bánh công tác

Đối với tuabin cột nước cao (tâm trục) buồng xoắn thường làm bằng vật liệu kim loại Tiết diện kinh tuyến buồn xoắn thường là hình tròn hay hình elip Đối với

tuabin cột nước thấp (hướng trục) thường làm buồng xoắn bê tông Buồng xoắn bê tông có tiết diện hình thang đối xứng hoặc không đối xứng Thường buồng xoắn bê tông có lớp trong bằng kim loại

Cột trụ, còn gọi là stator tuabin, có nhiệm vụ chính là truyền tải trọng phía trên tuabin xuống móng nhà máy Các tải trọng gồm có: tải trọng phần quay và không quay của tổ máy, áp lực thủy động dọc trục của dòng nước lên bánh công tác, trọng lượng nền và bệ máy

Cánh hướng nước hay còn gọi là bộ phận hướng dòng nằm sau stator gồm nhiều cánh có tiết diện khí động nằm cách đều nhau

3.1.2 Bánh công tác

Là bộ phận quan trọng nhất biến đổi thủy năng thành cơ năng Bánh công tác của tuabin hướng trục gồm bầu cánh hình trụ và nhiều cánh được gắn với bầu Ở chỗ lắp cánh có thể là mặt cầu hay mặt trụ Cánh hình cong không gian có thể từ 3 đến 9 cánh Nếu là tuabin hướng trục cánh điều chỉnh thì cơ cấu điều chỉnh cánh nằm trong bầu cánh công tác

Tuabin chong chóng thì kết cấu đơn giản, nhưng hiệu suất cao chỉ ứng với một chế độ làm việc Vì thế tuabin này không được dùng cho trạm công suất lớn vì không kinh tế

3.1.3 Buồng hút

Nhiệm vụ của buồng hút là dẫn nước từ bánh công tác ra xuống hạ lưu Buồng hút cho phép sử dụng phần năng lượng còn lại của dòng chảy sau khi ra khỏi bánh công tác

Buồng hút có thể 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 trạm Vì vậy trong thực tế ít sử dụng

ống loe thẳng mà thường dùng ống loe cong

3.2 PHÂN LOẠI VÀ PHẠM VI SỬ DỤNG CỦA TUABIN

3.2.1 Phân loại theo dạng năng lƣợng của dòng chảy qua tuabin

Để phân loại tuabin, người ta đưa ra những chỉ tiêu khác nhau Ở đây ta chỉ xét phân loại theo dạng năng lượng của dòng chảy qua bánh công tác tuabin và phân loại theo số vòng quay đặc trưng ns

Ta khảo sát thành phần năng lượng của dòng chảy Năng lượng đơn vị của dòng chảy truyền cho bánh công tác tuabin bằng độ chênh lệch năng lượng riêng giữa hai tiết diện trước và sau đó:

Vậy năng lượng riêng gồm hai thành phần: động năng và thế năng

Tùy thuộc vào dạng năng lượng này mà chia tuabin nước thành hai hệ khác nhau: Tuabin xung lực và tuabin phản lực

Trong tuabin xung lực, chỉ có phần động năng của dòng chảy tác dụng lên bánh công tác còn phần thế năng bằng không Hệ tuabin này phát ra công suất nhờ động năng của dòng chất lỏng, còn áp suất ở cửa vào và cửa ra là áp suất khí trời Tuabin phản lực là loại tuabin làm việc nhờ cả hai phần thế năng và động năng,

mà chủ yếu là thế năng của dòng chảy Trong hệ tuabin này, áp suất ở cửa vào luôn luôn lớn hơn ở cửa ra Dòng chảy qua tuabin là dòng liên tục điền đầy toàn bộ máng cánh dẫn Trong vùng bánh công tác tuabin, dòng chảy biến đổi cả động năng và thế năng Trong đó vận tốc dòng chảy qua tuabin tăng dần, áp suất giảm dần Máng dẫn của cánh tuabin hình côn nên gây ra độ chênh áp mặt cánh, từ đó tạo ra mô men quay

Tuabin phản lực và tuabin xung lực có tính năng và phạm vi sử dụng khác nhau Tuabin phản lực dùng cho trạm có cột nước thấp, lưu lượng lớn còn tuabin xung lực dùng cho trạm có cột nước cao, lưu lượng nhỏ

3.2.2.2 Tuabin tâm trục

Trong tuabin tâm trục, hướng của dòng chảy ở vùng bánh công tác ban đầu theo phương hướng tâm, sau đó chuyển sang phương song song với trục

Tuabin này còn gọi là tuabin Franxic Nó được sử dụng rộng rãi trong các trạm

có cột nước cao từ 30m đến 600m Đối với các trạm nhỏ tuabin này có thể làm việc với cột nước lớn hơn 4m

Bánh công tác của loại tuabin này hoàn toàn khác với loại tuabin hướng trục Bánh công tác gồm hệ thống cánh gắn chặt với hai vành đĩa trên và dưới thành một khối cứng Cánh có dạng cong không gian và số cánh từ 12 đến 22

Tuabin tâm trục có hiệu suất cao nhưng cánh cố định nên chỉ thích hợp với trạm có cột nước ít thay đổi

Ở nước ta các nhà máy thủy điện: Trị An, Hòa Bình, Yaly, Thác Mơ dùng tuabin tâm trục cỡ lớn và trung bình, còn trạm Ta Sa, Na Ngần, Suối Cùn dùng tuabin tâm trục cỡ nhỏ

3.2.2.3 Tuabin hướng chéo

Để kết hợp ưu điểm của cả hai loại tuabin tâm trục và hướng trục cánh điều chỉnh, năm 1950 giáo sư Kviacopski (người Liên Xô) và sau đó 2 năm, kỹ sư Derat (Anh) đã sáng chế ra một loại tuabin mới gọi là tuabin hướng chéo

Dòng chảy qua vùng bánh công tác của tuabin loại này có hướng tạo với trục quay một góc nào đó Bầu cánh là hình nón Bầu cánh chứa toàn bộ cơ cấu điều chỉnh cánh như bầu cánh của tuabin hướng trục cánh điều chỉnh

Loại tuabin này làm việc trong phạm vi cột nước từ 30m đến 150m Nó có thể điều chỉnh cánh nên phạm vi điều chỉnh công suất có hiệu suất cao tương đối rộng

so với tuabin tâm trục

Ở Liên Xô cũ, loại tuabin này chưa được sử dụng rộng rãi nhưng ở các nước khác, nhất là Nhật Bản thì loại tuabin này rất phát huy tác dụng

số tuabin cỡ lớn có tổ máy đặt đứng Vòi phun gồm có ống hình côn nối với ống dẫn, trong ống hình côn có kim điều chỉnh lưu lượng ra của vòi phun Ở đây dòng chảy theo ống dẫn vào vòi phun, từ đó dòng chảy ra khỏi vòi phun với vận tốc đủ lớn tác dụng vào các cánh gáo và tạo thành mô men quay Ngoài ra vòi phun làm nhiệm vụ điều chỉnh lưu lượng qua bánh công tác

Tuabin gáo làm việc với cột nước H từ 40m đến 3000m và lớn hơn nữa Ở nước ta thủy điện Đa Nhim dùng tuabin gáo có công suất một tổ máy N = 40MW

3.2.3.2 Tuabin tia nghiêng

Tuabin này khác với tuabin gáo là dòng chảy từ vòi phun hướng vào bánh công tác dưới một góc nghiêng Bánh công tác gồm các cánh cong gắn chặt lên hai đĩa bên bánh công tác có hình dạng đơn giản hơn dạng gáo nên dễ chế tạo Vòi phun của loại này tương tự như vòi phun của tuabin gáo

Tuabin tia nghiêng được lắp cho những trạm thủy điện nhỏ Hiệu suất của tuabin này thường nhỏ hơn hiệu suất tuabin gáo

3.2.3.3 Tuabin tác dụng kép

Với loại tuabin này thì dòng chảy từ vòi phun tác dụng lên cánh bánh công tác hai lần: dòng chảy đi từ ngoài vào tâm sau đó lại hướng từ tâm ra ngoài nên gọi loại tuabin loại này là tuabin tác dụng kép Vòi phun của tuabin này có tiết diện chữ nhật chứ không phải tiết diện tròn Ở đây thay đổi lưu lượng bằng cách thay đổi một thành trong để thay đổi tiết diện vòi phun

Tuabin tác dụng kép còn có tên gọi là tuabin xung kích 2 lần hay tuabin Banki Tuabin này được dùng cho các trạm thủy điện cỡ nhỏ N = 5–100kW

3.2.4 Phân loại tuabin theo số vòng quay đặc trƣng

Trong máy thủy lực nói chung, người ta đưa ra khái niệm về các máy tương tự

và số vòng quay đặc trưng ns Các khái niệm này có thể áp dụng cho tuabin Như vậy các tuabin tương tự đều có số vòng quay đặc trưng giống nhau, không phụ thuộc vào đường kính và các thông số lưu lượng

Mỗi hệ tuabin phụ thuộc vào số vòng quay đặc trưng mà chia thành 3 nhóm: số vòng quay đặc trưng cao, trung bình và thấp

Có thể chọn sơ bộ loại tuabin dựa vào cột áp H và số vòng quay đặc trưng nstheo bảng sau: [1]

Bảng 3.1: Lựa chọn sơ bộ tuabin

Thứ tự Loại tuabin Giới hạn theo ns Giới hạn theo H

3.3 DÒNG CHẢY TRONG TUABIN NƯỚC

Quỹ đạo chuyển động của các phần tử chất lỏng trong vùng bánh công tác rất phức tạp Để đơn giản hóa vấn đề, ta đưa ra các giả thuyết sau:

Dòng chảy qua bánh công tác gồm các lớp tương ứng với các mặt dòng, không xét đến sự qua lại giữa các mặt dòng với nhau Có nghĩa là dòng chảy trong vùng bánh công tác là dòng không gian nhưng được đơn giản hóa thành dòng chảy trên các bề mặt của dòng

Tất cả các phần tử chất lỏng trong vùng bánh công tác đều tuân theo hai chuyển động: chuyển động theo biên dạng cánh và chuyển động theo vận tốc quay Như vậy chuyển động tuyệt đối của phần tử chất lỏng là tổng vectơ vận tốc của hai chuyển động đó

Hình 3.1: Tam giác vận tốc của dòng chảy trong vùng bánh công tác

Ta gọi U

là vận tốc chuyển động theo vận tốc quay, W



là vận tốc chuyển động tương đối theo biên dạng cánh, thì vận tốc C

là vận tốc tuyệt đối xác định theo công thức:

gọi là vận tốc vòng, ký hiệu là Cu Nó đặc trưng cho cột áp tuabin

Góc nghiêng của biên dạng cánh ảnh hưởng đến thông số tuabin, nhất là góc 

ở mép vào và mép ra của cánh, ký hiệu là 1 và 2

Đặc trưng cho các thông số của dãy cánh là các thông số vận tốc ở mép vào và mép ra Ta ký hiệu mép vào là “1”, mép ra là “2” và có hai tam giác vận tốc tương ứng

Để xây dựng tam giác vận tốc cho dòng chảy trong tuabin hướng trục tại một mặt dòng nào đó, ta có thể chọn mặt dòng là một mặt trụ nào đó tương ứng với bán

kính R Trải dãy cánh trụ lên mặt phẳng ta có dãy cánh thẳng Căn cứ vào , U

Cơ học lý thuyết đã chứng minh được rằng trong trường hợp chuyển động tương đối có vận tốc W, chuyển động theo có vận tốc là U thì phương trình cân bằng năng lượng cho một đơn vị khối lượng chất lỏng sẽ có dạng:

R g

 Nếu một đơn vị chất lỏng dịch chuyển được một đoạn dR từ điểm 1 đến 2 thì công của lực quán tính do một đơn vị khối lượng chất lỏng sinh ra sẽ là:

3.5 THIẾT KẾ BÁNH CÔNG TÁC TUABIN HƯỚNG TRỤC

3.5.1 Đặc điểm của tuabin hướng trục

Tuabin hướng trục (cánh quay và cánh cố định) là loại tuabin phản lực có miền

sử dụng với số vòng quay đặc trưng ns lớn nhất Chúng được sử dụng với cột áp nhỏ

và lưu lượng lớn, so với loại tuabin tâm trục và tuabin xung lực

Ưu điểm lớn của tuabin hướng trục cánh quay là vùng đạt hiệu suất cao rất rộng khi phụ tải và cột áp dao động Tuy nhiên vấn đề xâm thực ở tuabin hướng trục thường phải chú ý hơn Khả năng xảy ra xâm thực ở tuabin hướng trục nhiều hơn ở tuabin tâm trục Vì vậy có nhiều trường hợp phải tăng chiều cao hút H đề giảm khả năng bị xâm thực

Chất lượng về năng lượng và khả năng chống xâm thực của tuabin hướng trục phụ thuộc rất nhiều vào các thông số hình học của phần dẫn dòng: Bánh công tác và

nhiều tác giả đã đưa ra kết luận về ảnh hưởng các thông số hình học và thủy động lực học dòng chảy đến chất lượng tuabin Khi thiết kế tuabin, dựa vào các tài liệu tham khảo, càng lựa chọn kỹ lưỡng các thông số đưa vào tính toán thì chất lượng thiết kế càng cao Chúng ta xét ảnh hưởng của những thông số chủ yếu như tỷ số bầu db/D1, tỷ số l/t, góc đặt cánh bánh công tác c, quy luật phân bố các thành phần vận tốc C z, C n, phân bố mô men vận tốc C r u tới hiệu suất tuabin và khả năng chống xâm thực của nó

3.5.2 Dòng chảy trong tuabin hướng trục

Dòng chảy trong tuabin hướng trục có thể coi là dòng tổng hợp của hai dòng chảy: dòng chảy tự do (không có bánh công tác) và dòng chảy có tác động qua lại với cánh quay

Trong tuabin hướng trục, dòng chảy thay đổi từ hướng tâm sang song song với trục quay trước khi vào bánh công tác Vì vậy có thể coi dòng chảy ở vùng bánh công tác là dòng chảy theo mặt trụ có trục trùng với trục quay của tuabin

Giả thiết về dòng chảy theo các mặt trụ song song với trục quay của tuabin là giả thiết thứ nhất về dòng chảy trong tuabin hướng trục Giả thiết này đã được thử nghiệm xác minh là đúng với trường hợp tuabin làm việc ở chế độ tối ưu và xung quanh vùng tối ưu

Với giả thiết này ta có thể cắt cánh bánh công tác bằng mặt trụ và triển khai mặt trụ ta có dãy cánh thẳng Đối với dãy cánh thẳng ta có thể nghiên cứu các profile đơn và sau đó xét ảnh hưởng của dãy cánh bằng bài toán thuận Từ đó có công thức và các phương pháp thiết kế bánh công tác

Dòng chảy tự do trong tuabin hướng trục là dòng thế, xoáy của vận tốc bằng không

của vận tốc tuyệt đối sẽ bằng 0, Cr = 0 Vậy C r C z

Dl là đường kính bánh công tác

db: đường kính bầu bánh công tác

Nếu dòng chảy là dòng thế và chảy theo mặt trụ đối xứng qua trục quay, ta có:

Vậy Cnr = const, mô men vận tốc là hằng số

Tóm lại: dòng chảy trong vùng bánh công tác tuabin hướng trục là dòng thế, chảy theo mặt trụ đối xứng qua trục quay của tuabin đặc trưng bởi các biểu thức:

3.5.3 Dòng chảy bao quanh dãy cánh

Khi dòng chảy bao cánh đơn với vận tốc dòng chảy ở xa vô cùng là Vthì sẽ xuất hiện lực nâng cánh và lực cản cánh, xác định bởi công thức:

2

1 2

P  C V L 

2

1 2

P  C V L

Trong đó - là khối lượng riêng của chất lỏng

V- là vận tốc dòng chảy ở xa vô cùng (không bị ảnh hưởng của cánh)

L - là chiều dài dây cung cánh

Hệ số lực nâng của dòng chảy bao quanh cánh đơn được xác định từ công thức:

 - Lưu số bao quanh một cánh nằm trong dãy cánh

Nếu dòng chảy bao một tấm phẳng đặt nghiêng một góc thì hệ số lực nâng là:

Hình 3.3 : Quan hệ K = f(c ,l/t)

Mặc dù có sự khác nhau rất lớn giữa dãy cánh thực (profile có độ dày hữu hạn

và hình dạng phức tạp) và dãy cánh tấm mỏng vô cùng (còn gọi là dãy cánh lý tưởng) Nhưng nhờ hình dạng đơn giản, dễ tìm được biến hình bảo giác, cho phép nghiên cứu đặc tính động có liên quan tới thông số hình học Vì vậy có thể áp dụng kết quả nghiên cứu của dãy cánh lý tưởng này cho việc tính toán gần đúng lần đầu của các dãy cánh thực

3.6 CHỌN CÁC THÔNG SỐ TUABIN HƯỚNG TRỤC

3.6.1 Chọn đường kính bánh công tác và số vòng quay

Cho trước các thông số kỹ thuật như sau:

- Cột áp tính toán, cột áp lớn nhất và nhỏ nhất HTT, Hmax, Hmin

- Công suất thiết kế NTT

- Hiệu suất lớn nhất

Với các số liệu cho trước đó, tiến hành lựa chọn sơ bộ đường kính bánh công tác và số vòng quay của bánh công tác

3.6.2 Chọn thông số hình học cơ bản