Ảnh hưởng của các thông số hình học của phần dẫn dòng ra đến khả năng làm việc của tua bin tâm trục

ống hút cho phép sử dụng phần năng lượng còn lại của dòng chảy sau khi ra khỏi bánh công tác.. ống hút có tác dụng sử dụng nốt phần năng lượng còn lại của dòng chảy sau khi ra khỏi bánh

bộ giáo dục và đào tạo trường đại học bách khoa hà nội

-

luận văn thạc sĩ khoa học

ảnh hưởng của các thông số hình học của phần dẫn dòng ra đến khả năng làm việc của tua bin tâm trục

Mở đầu 3

Chương I: Cơ sở lý thuyết và thiết kế ống hút cho tua bin trục ngang 5

1.1 Nguyên lý và phân loại tua bin 5

1.2 Tổng quan về tua bin tâm trục (Francis) 6

1.1.1 Buồng dẫn tua bin 7

1.1.2 Bánh công tác 8

1.1.3 ống hút 9

1.3 Cơ sở lý thuyết của ống hút 9

1.3.1 Nhiệm vụ vai trò của ống hút: 9

1.3.2 Tổn thất năng lượng của ống hút: 11

1.3.3 Hệ số phục hồi của ống hút : 14

1.3 Các dạng ống hút và thông số đặc trưng 15

1.3.1 ống hút loe thẳng: 16

1.3.2 ống hút cong: 21

1.5 Tính toán thiết kế ống hút cho tuabin tâm trục trục ngang 26

1.5.1 Các thông số cơ bản 26

1.5.2 Tính toán thiết kế ống hút dạng thông thường 27

1.5.3 Tính toán thiết kế ống hút có phần nhân 29

Chương II Giới thiệu phần mềm Fluent 30

2.1 Tổng quan về CFD 30

2.1.1 Định nghĩa về CFD 30

2.1.2 Ưu điểm và hạn chế của CFD 31

2.1.3 Các lĩnh vực áp dụng CFD hiện nay: 32

2.2 Giới thiệu phần mềm Fluent và Gambit 32

2.2.1 Lịch sử ra đời và phát triển 32

2.2.2 Cấu trúc của bộ phần mềm Fluent 34

2.2.3 Khả năng của Fluent 34

2.2.4 ứng dụng của Fluent 35

2.2.5 Các bước giải một bài toán trên Fluent 35

2.2.6 Vai trò của tạo lưới trong CFD 37

2.2.7 Chọn lựa mô hình lưới 37

2.2.8 Tạo lưới từ Gambit 38

2.3 Thiết lập một bài toán trên Fluent 39

2.3.1 Tổng quan 39

2.3.2 Phương pháp giải 39

2.3.3.Các mô hình rối 40

2.3.4 Các điều kiện biên 48

2.3.5 Vật liệu 50

Chương III Dùng FLUENT kiểm nghiệm mô hình bài toán 52

3.1 Xây dựng mô hình bài toán 52

3.2 Chia lưới trong Gambit 54

3.3 Lựa chọn mô hình tính toán số cho bài toán 56

3.4 Xác định các điều kiện biên 57

Chương IV Kết quả và đánh giá 59

4.1 Đánh giá trực quan qua hình ảnh thu nhận 59

4.2 Kết quả tính toán ống hút không nhân 66

4.3 Kết quả tính toán ống hút có nhân 69

4.4 Nhận xét 70

Kết luận 71

Mở đầu

Để bù đắp vào những nguồn năng lượng truyền thống đang ngày càng cạn kiệt như than củi, dầu khí, Ngày nay, với những phát minh tìm tòi con người đã, đang, và sẽ đưa vào sử dụng các nguồn năng lượng mới như gió, mặt trời, nguyên tử, Nhưng dù sao nó cũng không thể đáp ứng đủ nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng cao của con người

Thủy năng là một dạng năng lượng tuần hoàn sau khi biến đổi thành năng lượng hữu ích lại được tái tạo thành dạng thủy năng Đó chính là tính ưu việt của dạng năng lượng này mà các dạng năng lượng khác không có Trong chiến lược phát triển bền vững giải quyết nhu cầu năng lượng bằng thủy năng

là một giải pháp cực kỳ quan trọng Vì vậy vấn đề nghiên cứu và đưa vào sử dụng nguồn năng lượng tuần hoàn vẫn chiếm ưu thế và đang được quan tâm hàng đầu

Nhờ các điều kiện thuận lợi về tài nguyên nước phong phú, có nhiều sông suối, phần lớn lãnh thổ nước ta là đồi núi, độ dốc địa hình lớn, là cơ sở tạo ra tiềm năng to lớn để phát triển nghành thủy điện Nguồn năng lượng này nếu được khai thác, sử dụng tốt sẽ góp phần thúc đẩy phát triển kinh tế, công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước

Qua khảo sát thực tế ở các trạm thủy điện đã, đang và sẽ xây dựng cho thấy phần lớn sử dụng tua bin tâm trục (Francis) ống hút là một bộ phận quan trọng của tua bin, ảnh hưởng rất nhiều đến hiệu suất tuabin nói riêng và của cả trạm thủy điện nói chung Đã có rất nhiều đề tài, công trình nghiên cứu các bộ phận của tua bin, đặc biệt là cánh công tác nhưng ống hút thì hầu như không

được chú ý đến, chủ yếu sử dụng các công thức kinh nghiệm, các catalog của nhà cung cấp thiết bị

Việc sử dụng phần mềm nhằm mô phỏng, hiển thị và đưa ra được các kết quả tính toán giúp cho người thiết kế có cơ sở để tối ưu được các phương

án thiết kế Đáp ứng được yêu cầu này, chúng tôi đã lựa chọn phần mềm Fluent để tiến hành mô phỏng theo tỉ lệ với đúng các thông số làm việc của ống hút thật, nhờ đó đánh giá và so sánh được ảnh hưởng của ống hút đến hiệu suất, khả năng làm việc của tua bin nhờ các thông số do phần mềm tính toán thủy lực Fluent đưa ra

Từ những mục tiêu trên, luận văn bao gồm các nội dung sau:

- Cơ sở lý thuyết, tính toán thiết kế hình dáng hình học của phần dẫn dòng ra theo một số phương án khác nhau

- Giới thiệu tính năng, tác dụng, khả năng của bộ phần mềm tính toán các thông số thủy lực Fluent

- Xây dựng mô hình bài toán, chia lưới, đặt các điều kiện biên để Fluent tính toán đưa ra kết quả phân bổ áp suất, vận tốc từ đó xác định được quan hệ giữa các thông số hình học của phần dẫn dòng ra với các đặc tính làm việc của ống hút

- Nhận xét, đánh giá so sánh yếu tố động học dòng chảy, chỉ tiêu kinh

tế giữa các phương án thiết kế phần dẫn dòng ra của tua bin từ kết quả do Fluent đưa ra

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn về sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo trong khoa và của các bạn đồng nghiệp, đặc biệt là sự chỉ bảo của thầy hướng dẫn trực tiếp PGS TS Nguyễn Thế Mịch trong quá trình thực hiện luận văn này

Hà Nội, ngày 25 tháng 09 năm 2008

Học viên

Nguyễn Quang Ba

Chương I: Cơ sở lý thuyết và thiết kế ống hút cho

tua bin trục ngang

1.1 Nguyên lý và phân loại tua bin

Nước trên các triền sông, triền suối chảy từ nguồn ra biển, đi từ cao đến thấp mang theo nó một năng lượng, năng lượng này gọi là thủy năng, đây là một dạng năng lượng tái tạo Khi dòng chảy qua tua bin, biến năng lượng dòng chảy thành cơ năng làm quay máy phát điện

Khi phân loại tua bin, chủ yếu phân loại theo dạng năng lượng của dòng chảy qua bánh công tác tua bin: tua bin xung lực và tua bin phản lực và phân loại theo số vòng quay đặc trưng

Trong tua bin xung lực, chỉ có phần động năng của dòng chảy tác dụng lên bánh công tác còn phần thế năng bằng không Hệ tua bin này phát ra công suất nhờ vào động năng của dòng chất lỏng, còn áp suất ở cửa vào và cửa ra là

áp suất khí trời

Đối với tua bin phản lực làm việc nhờ cả vào thế năng và động năng nhưng chủ yếu vẫn là thế năng dòng chảy Trong hệ tua bin này, áp suất ở cửa vào luôn lớn hơn áp suất ở cửa ra Dòng chảy qua tua bin là dòng liên tục điền

đầy toàn bộ máng cánh dẫn

Tua bin được phân loại theo ns và cột nước làm việc như sau:

Bảng 1.1 Phân loại tua bin dựa vào n s và cột nước làm việc H

s

Giới hạn theo H (m)

1 Hướng trục cánh quay ns cao 950ữ759 5ữ12

2 Hướng trục cánh quay ns trung bình 750ữ550 12ữ22

3 Hướng trục cánh quay ns thấp 553ữ350 22ữ40

5 Tâm trục ns trung bình 250ữ150 50ữ120

1.2 Tổng quan về tua bin tâm trục (Francis)

Tua bin tâm trục (hình 1.1) là hệ tua bin phản kích được sử dụng rộng rãi nhất Chuyển động của chất lỏng trong bánh công tác (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 hút theo hướng dọc trục

Hình 1.1 Cấu tạo chính của tua bin tâm trục

1 Bộ điều chỉnh cánh hướng 5 Trục tua bin

4 Bánh công tác tua bin 8 ống hút tua bin

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 hút tua bin

1.1.1 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 Qua hệ thống thanh truyền dẫn tới quay tất cả cánh hướng với 1 góc như nhau, nghĩa là làm thay đổi độ mở cánh hướng a0

1.1.2 Bánh công tác

Là bộ phận quan trọng nhất 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 từ 12 đến 22 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 1 chi tiết Tuỳ 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

1.1.3 ống hút

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

1.3 Cơ sở lý thuyết của ống hút

1.3.1 Nhiệm vụ vai trò của ống hút:

ống hút có nhiệm vụ của là nước từ bánh công tác ra xuống hạ lưu ống hút 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 hút 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 hút

- Tua bin có ống hút

Hình 1.3 Sơ đồ phần dẫn dòng tua bin phản lực

a- Không có ống hút b- ống hút thẳng c- ống hút cong

C P

2

2 2 2

P

2

2 2 2

1 γ

Trong trường hợp không có ống hút, nước từ bánh xe công tác bằng áp suất khí quyển P2 = Pa Như vậy cột nước tua bin sử dụng là:

−

g

C H

H

2

2 2

1.2.1.2 Tua bin có ống hút:

Trong công thức xác định cột áp tua bin H thì năng lượng riêng cửa ra

sẽ thay đổi Lúc này, cột áp tua bin được xác định theo công thức:

H = E0 - E3

Để tìm E3 ta viết phương trình cân bằng năng lượng giữa hai mặt 3-3 và 5-5 (là tiết diện ra cửa buồng hút) với chuẩn là mặt thoáng hạ lưu Nếu bỏ qua tổn thất trên đường dẫn, cột áp tua bin được xác định:

5 3 5

2 5 5 3

2 3 3 3

C P E

γ

5 5

Z P

2 5

2 3 3 3

C H P

γ

5 3

2 5 3

2 3 5 3

2 5

2 3 3 3

22

C h

g

C g

C H

2 5 3

1 3

0

−

−++

P E E

−+

3 1

C H

H

So sánh giá trị cột áp ở hai biểu thức (1.5) và (1.12) ta thấy nếu có buồng hút sẽ sử dụng được toàn bộ cột áp tĩnh H1 + H3 là hiệu độ cao mực nước thượng lưu và hạ lưu

1.3.2 Tổn thất năng lượng của ống hút:

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 hút bao gồm 2 thành phần:

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 θ lớn hơn 8 ữ 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 hút thật hoàn hảo để xác định được trị số tổn thất năng lượng, chủ yếu vẫn phải kết hợp với biện pháp thực nghiệm

1.3.2.2 Tổn thất động năng ở cửa ra ống hút

Trị số tổn thất ở cửa ra ống hút phụ thuộc vào kiểu và kích thước ống hút, 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):

F c

df c F

bq

n

3 5

3 5 5

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

Hệ số α5 càng nhỏ thì sự phân bố vận tốc tại tiết diện ra ống hút càng

đều đặn, do đó tổn thất động năng cửa ra ống hút càng nhỏ (tức là

g

c

2

2 5 5

Khi xác định kích thước ống hút, nên chọn trị số c5 (hoặc tổn thất tương

α ) sao cho với diện tích tiết diện ra ống hút tính được (theo lưu

lượng tính toán Qtt) có thể bảo đảm tổn thất động năng cửa ra ống hút không vượt quá trị số cho phép Chẳng hạn, với tua bin tâm trục thì hw5 = 0,2 ữ 0,6% còn với tua bin dọc trục hw5 ≤ 2%

c

22

2 5 5

2

3 α ξ

1.3.3 Hệ số phục hồi của ống hút :

Như phần trên đã phân tích, ống hút đã tạo thành ở phía dưới bánh công tác vùng áp thấp tức áp suất chân không: áp suất đó bằng áp suất chân không thủy tĩnh H3 cộng với áp suất chân không thủy động Nếu không có tổn thất năng lượng ở ống hút (tức không có tổn thất nội bộ và tổn thất động năng ở cửa ra ống hút) thì áp suất chân không thủy động nói trên sẽ bằng động năng

(cột nước vận tốc) của dòng nước chảy ra khỏi bánh công tác

g

c

2

2 3

ở cửa ra bánh công tác

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

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

5 3

2 5 5 2 3 3

3

5 3 2

5 5 2

3 3

5 3 2

5 5 2 3 3 2

3 3

1

2 1

2 2

th oh

C

gh C

C

gh C

C g

C

α

α α

g

c gh

C H

h h

h

η α

α ξ

2 3 3 5 3 2

5 5

*

Như vậy áp suất chân không thủy động lớn nhất theo lý thuyết có được chỉ khi tổn thất ống hút ∑h3-5 = 0 và tiết diện ống hút vô cùng lớn

−

=

g

c Z

p

2

2 3 3 3

Tất cả các loại ống hút kể trên đều xuất phát từ hai dạng ống hút loe thẳng và ống hút cong Sau đây, chúng ta sẽ đi sâu vào phân tích hình dạng, kích thước hình học và các thông số đặc trưng của chúng

1.3.1 ống hút loe thẳng:

Xét về mặt thủy lực ống hút loe

thẳng là loại ống hút tốt hơn cả so với các

loại ống hút, nhưng hiện nay nó chỉ được

dùng cho các tuabin cỡ nhỏ trục đứng Nó

thuộc loại ống mở rộng dạng chóp cụt với

góc loe θ Loại ống này có tổn thất ∑h3-5 =

hoh nhỏ nhất nên hiệu suất ống hút ηoh cao;

tổn thất năng lượng trong đó gồm tổn thất

nội bộ và tổn thất động năng ở cửa ra của

L h

0

2

2

F c

π

=

=

giá trị hệ số tổn thất ma sát λ là giá trị trung bình cho cả đoạn loe ống hút, đường kính D xác định theo đường kính D3 và góc loe θ

2 2

3

θ

tg x D

Sau khi tích phân từ x = 0 đến x = L biểu thức 1.18 ta được:

g

c c

tg tg

D

L tg

D g

Q

h dd

2

.

2 8 2

2 1

1 1

2

4

3

4 3 2

θ

λ θ

θ π

tg

h r

2

.

2 2 , 3

2 5 5 3 3 25 , 1

α α

tg g

c c

tg

h oh

2

.

2 2 , 3 2

.

2 8

2 5 5 3 3 25 , 1 2

5 5 2 3

α θ

D

L D

D

C

C

3 5

, 1

3

2 2

3

* 2

1 2 2 , 3

1 2 8 2

θ α

θ

λ

tg g c

−

=

2 3

5 2 3

2 5

3 3

2 5 5

*

.

2

ξ ξ α

α

c

h g

oh

⇒ ( ) ( ) 2

3 5 3

2 25

, 1

3

2

2 2 , 3

1 2 8

n

n tg

n tg

α α

θ α

−

−

3 5 3

2 25

, 1

3

2

1 2 2 , 3

1 2 8

tg

α α

θ α

2 2 2 , 3

2 2

5 3

25 , 1

tg dn

α

α α

θ α

θ

λ η

⇒

2 8 2

2 , 3

2 2 , 3

25 , 1 5

25 , 1 3

θ

λ θ

α

θ α

tg tg

5

tg L D D D

D

2 2

1 1 1

tg n

Gi¶ sö èng hót cã λ = 0,015; α3 = 1,1; α5 = 1,4 thay vµo c¸c c«ng thøc

ta sÏ ®­îc c¸c gi¸ trÞ tèi ­u cña èng hót loe th¼ng

Bảng 1.2 Các giá trị tối ưu của ống hút loe thẳng

Hình (1.6) biểu thị liên hệ giữa các tổn

thất thành phần với góc θ của ống hút

(với λ = 0,015; L/D3 = 3) Trong đó

đường 1 biểu thị tổn thất do ma sát,

đường 2 biểu thị tổn thất cửa ra, đường

3 tổn thất do mở rộng và đường 4 là

tổng tổn thất của ống hút Qua hình

này ta thấy, trị số tổn thất do ma sát rất

nhỏ so với tổn thất do mở rộng và tổn

thất cửa ra

Hình 1.6 Liên hệ giữa η vàθ

Mặt khác ta cũng thấy, góc θ tăng thì tổn thất mở rộng tăng còn tổn thất cửa ra giảm xuống Do đó, với mỗi giá trị L/D3 của ống tồn tại một góc θ nhất định, với trị số θ này sẽ có tổng tổn thất trong ống hút nhỏ nhất Chẳng hạn, với λ = 0,015; L/D3 = 3 thì khi góc θ = 13 ữ 140 sẽ cho ξoh nhỏ nhất tức là

ηoh = 1- ξoh sẽ là lớn nhất

Hình 1.7 Quan hệ giữa tổn thất và góc

loe của ống hút với L/D 3 = 3

Hình 1.8 Quan hệ giữa L/D 3 lợi nhất với góc loe θ

Hình (1.8) cho thấy các trị số góc loe θ tối ưu và ηoh lớn nhất ứng với các trị số L/D3 khác nhau Khi L/D3 = 3 ữ 4 thường gặp trong một số trạm thủy điện nhỏ thì ηohmax = 77 ữ 82% và góc θ tương ứng là θ = 12 ữ 140 Còn khi dùng ống hút có chiều dài ngắn, chẳng hạn L/D3 = 1,5 ữ 2 thì ηoh sẽ rất nhỏ ηohmax = 68 ữ 72% Do đó không nên dùng ống hút có chiều dài ngắn như thế

Cũng từ bảng trên ta thấy, chiều dài lợi nhất (chiều dài tương đối L/D3) của ống hút khá lớn, nếu chế tạo với ống dài như thế, không những gia thành bản thân ống rất cao mà quan trọng nhất là nó sẽ tăng giá thành xây dựng nhà máy lên rất lớn Do đó, chiều dài tương đối L/D3 thường dùng trong thực tế ngắn hơn so với l thuyết

Vì đường kính mép ra D2 phụ thuộc vào đường kính D1 của bánh công tác, D3 ≈ D2 nên khi đã chọn tua bin thì các trị số D2; D3 cũng không thay đổi theo tua bin Do đó các thông số cơ bản của ống hút loe thẳng là chiều dài tương đối L/D3 và góc loe θ Dựa vào bảng 1.2, ứng với L/D3 ta sẽ chọn được góc θ tương ứng đảm bảo hiệu suất ống hút cao nhất

Trên hình 1.9 biểu thị quan

hệ tổng hợp giữa góc θ, hiệu suất

ống hút và chiều dài tương đối

Quá trình biến đổi động năng dòng nước thành áp năng chủ yếu xảy ra

ở đoạn này của ống hút 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 hút loe thẳng, tổn thất trong đoạn này phụ thuộc vào góc θ, 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 θ của đoạn chóp nên lấy θ = 14 ữ 180 và

tỷ số h3/D3 = 0,4

b 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 khủyu 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 1.3

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 tôt hơn hai loại kia ở Liên Xô, nguời ta quy định dạng khuỷu cong sau thuộc loại tiêu chuẩn số N04

c Đoạn mở rộng nằm ngang:

ở đoạn này, ống hút 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 α = 10 ữ 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 hút 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 hút tương ứng kèm theo tất cả các kích thước chính của nó như: chiều cao h, chiều cao Lh, kiểu khuỷu, góc θ đoạn chóp, góc α tương

h ≥ 2,6D1 Đôi khi vì muốn giảm giá thành xây sựng 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 hút nên chọn: đối với tua bin cánh quay Lh ≥ (4,0 ữ 4,5)D1; tua bin tâm trục Lh ≥ (4,0 ữ 5,0)D1 Chiều rộng của ống hút B5 nên lấy như sau: B5 ≥ (2,5 ữ 2,7)D1 cho tua bin cánh quay và B5 ≥ (2,7 ữ 3,3)D1 cho tua bin tâm trục Góc θ của đoạn ống loe thẳng nên lấy như sau: θ = 16 ữ 200

với tua bin cánh quay, θ ≤ 16 ữ 18 với tua bin tâm trục

Bảng 1.3 Kích thước cơ bản của khuỷu số 4 Đơn vị: m

(Tính theo D 1 = 1m)

Kiểu

khuỷu D4 h4 B4 Lk h6 a R6 a1 R7 a2 R8 4A 1,1 1,1 2,2 1,417 0,55 0,305 0,94 1,205 0,66 0,087 0,637 4C 1,17 1,17 2,38 1,5 0,584 0,922 1,0 1,275 0,703 0,093 0,677 4E 1,23 1,23 2,5 1,59 0,617 0,446 1,06 1,35 0,745 0,097 0,71 4H 1,352 1,352 2,74 1,75 0,67 0,487 1,16 1,478 0,875 0,107 0,782

20 1,04 1,04 2,17 1,41 0,51 0,369 0,879 1,135 0,84 0,080 0,59

Bảng 1.4 Kích thước cơ bản của ống hút cong dùng cho tua bin cánh quay (m)

Kiểu h/D1 D1 h L B5 D4 h4 h6 Lk h5 kiểu

BXCT 4A 1,915 1,0 1,915 3,5 2,2 1,1 1,1 0,55 1,417 1,0 ΠΛ30

ΠΛ50 4C 2,3 1,0 2,3 4,5 2,38 1,17 1,17 0,584 1,5 2,3 ΠΛ20

ΠΛ30 4D 2,5 1,0 2,5 4,5 2,5 1,23 1,23 0,617 1,59 2,5 ΠΛ10

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 hút, 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 β, 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:

β

β

tg

tg S h D D

2 1

2 ) (

3 4

+

− +

=

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

Khi h4 ≠ D4 thì D4 = 2tgβ(h-h4-s) + D4

Chiều dài đoạn khuỷu cong chọn bằng Lk ≤ (1,3 ữ1,6)D4

Đối với tua bin tâm trục có cột nước cao (H > 200m) có thể dùng ống hút có dạng đơn giản bảo đảm chiều rộng B5 nhỏ ở đó, khuỷu ống hút của tua bin (có cột nước H = 230 ữ 700m) 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 hút 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 ữ 140 Nếu đáy của đoạn này là đáy bằng và chiều rộng B5 không đổi thì góc nghiêng lên của trần α lấy bằng góc loe, tức là α = 10 ữ 140 Nếu đáy của đoạn này không phải

là bằng mà đặt nghiêng thì góc nghiêng α không được lớn quá 6 ữ 120

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

1.5 Tính toán thiết kế ống hút cho tuabin tâm trục trục ngang

Trong các trạm thủy điện, khi sử dụng tua bin trục đứng, người ta thường dùng ống hút khuỷu cong số 4 đã được nhiều nước nghiên cứu và thử nghiệm, ống hút loe thẳng chỉ sử dụng cho các tổ máy có công suất nhỏ buồng

hở Tua bin trục ngang cũng được sử dụng rất nhiều vì kết cấu gọn nhẹ hơn, chi phí xây dựng nhà máy giảm rất nhiều so với tua bin trục đứng Nhưng vì chưa có giàn thử nghiệm, nên ống hút tua bin trục ngang thường dựa vào tính toán của ống hút loe thẳng Việc tính toán thiết kế và lựa chọn tối ưu kích thước hình học của ống hút có ảnh hưởng rất lớn đến khả năng làm việc của tua bin cũng như giá thành xây dựng nhà máy

Với ý nghĩa đó, trong luận văn này, em tiến hành khảo sát ảnh hưởng của các thông số, kích thước hình học của phần dẫn dòng ra đến khả năng làm việc của tua bin mà cụ thể là hiệu suất và tổn thất năng lượng qua ống hút của tua bin tâm trục trục ngang

1.5.1 Các thông số cơ bản

Trong khuôn khổ luận văn, tiến hành tính toán và thiết kế cho trạm thủy

điện Tén Tần - Tỉnh Thanh Hóa với các thông số chính như sau:

Kiểu loại tua bin: tâm trục trục ngang

Số vòng quay tua bin: n = 1000v/ph

Đường kính vào bánh công tác D1 = 420mm

Đường kính ra bánh công tác D2 = 450mm

Cao trình sàn lắp ráp ∇55 m

Cao trình tâm tua bin ∇55,76 m

Chiều cao hút HS = 2,0m

1.5.2 Tính toán thiết kế ống hút dạng thông thường

ống hút dạng thông thường dùng cho tua bin tâm trục trục ngang bao gồm 3 thành phần:

- đoạn 1: là ống loe ngắn chuyển tiếp giữa buồng xoắn với đoạn cút cong của ống hút

- đoạn 2: cút cong chuyển tiếp từ đoạn 1 với ống hút loe, đây là thành phần làm thay đổi hướng dòng chảy

- đoạn 3: ống loe thẳng cho phép sử dụng phần năng lượng còn lại của dòng chảy sau khi ra khỏi bánh công tác

Đường kính vào bánh công tác D1 = 420mm, đường kính ra bánh công tác D2 = 450mm, góc nón vòng dưới bánh xe công tác α = 70

Đường kính miệng vào ống hút đoạn cong lấy bằng đường kính cửa ra bánh công tác D2 = 450mm

Chiều dài đoạn loe vào ống cong l0 = 0,4D2 = 0,4x450 = 180 (mm) Góc nón vòng dưới bánh xe công tác α = 70 nên chọn góc γ = 50, đường kính đoạn ống cong là D3 = D2 +2l0tgγ = 450 + 2.180.tg50 = 481,5; chọn D3 = 480(mm)

Khoảng cách từ tâm máy đến sàn lắp máy là 760mm Kết cấu của ống hút sẽ gồm hai đoạn, đoạn đầu là cút cong, đoạn sau là ống loe thẳng Cút cong có 2 mặt bích, bích thứ nhất để bắt trực tiếp vào buồng xoắn, bích thứ hai nối với đoạn loe thẳng Đoạn ống loe thẳng được chôn trước trong bê tông nên

để thuận tiện cho việc thi công lắp đặt bích giữa cút cong và ống loe thẳng phải cao hơn sàn lắp máy Thông thường bán kính cong của cút cong là R ≈ 1,5D3 = 1,5x480 = 720mm; chọn R = 700 < 760 mm

Lưu tốc dòng chảy ở cửa ra bánh công tác hay cửa vào ống hút là

=

=

2 2

450 , 0

934 , 0 4

4

Việc chọn góc loe hay đường kính ra ống hút liên quan đến vận tốc cửa

ra ống hút c5 Chọn c5 lớn hay bé có liên quan đến tổn thất năng lượng vì tổn

thất ống hút

g

c g

c

22

2 5 5

2

3 α ξ

5

67,197,0)

34,0198,0(

α α

c

Q D

π = 0,92 ữ 1,09 m

Cũng như đã phân tích và rút ra kết luận trong phần ống hút loe thẳng, nên chọn góc loe θ = 12 ữ 160

⇒

2 2

3 5

θ

tg L D

Hình 1.12 Hình dáng, kích thước hình học của ống hút dùng cho tua bin tâm

trục trục ngang dạng thông thường

1.5.3 Tính toán thiết kế ống hút có phần nhân

Khi dòng chảy ra khỏi ống hút gặp phải mặt đáy bêtông làm cho dòng chảy rẽ ra và tạo xoáy, cản trở khả năng thoát nước của ống hút Để cải thiện vấn đề này, ta đưa vào dưới ống loe thẳng một đoạn ống có bán kính cong

động học và một khối chóp ở đáy bêtông

Hình dạng và kích thước hình học của ống hút này được chọn như sau:

1 Bán kính cong: R = 0,58xD3 = 278, chọn R = 280 mm

2 Chiều cao đoạn mở rộng: A1 = 0,45xD3 = 216, chọn A1 = 220mm

3 Chiều cao thoát nước: A2 = 0,4xD3 = 192, chọn A1 = 200mm

4 Chiều dài ống hút loe: L = 1500mm

Hình 1.13 Hình dáng, kích thước hình học của ống hút có nhân dùng cho tua

bin tâm trục trục ngang

Chương II Giới thiệu phần mềm Fluent

2.1 Tổng quan về CFD

2.1.1 Định nghĩa về CFD

CFD - Computational Fluid Dynamics (tính toán động lực học chất lưu

có sự trợ giúp của máy tính) là một ngành khoa học chuyên dự đoán các đặc tính của dòng chảy, truyền nhiệt, các phản ứng hóa học bằng việc sử dụng quá trình tính toán số để giải các phương trình toán học liên quan

2.1.2 Ưu điểm và hạn chế của CFD

* ưu điểm:

- Giảm giá thành và tiết kiệm thời gian trong quá trình thiết kế Tất cả các sản phẩm muốn ra đời đều phải qua quá trình thử nghiệm, CFD giúp tạo ra một mô hình gần đúng ban đầu trong quá trình này

- Mô phỏng được những điều kiện làm việc đặc biệt (ví dụ: Siêu thanh, không trọng lực, nhiệt độ lớn) mà không phải lúc nào con người cũng có thể

đo đạc và giám sát được Trong tình huống này CFD có thể mô phỏng, từ đó

đưa ra những kết quả ý nghĩa trong công tác nghiên cứu dự đoán

- Khả năng mô phỏng điều kiện lý tưởng Đây là nhứng bài toán mang tính lý thuyết mà trong điều kiện thực chúng ta không thể làm được, chỉ có phương pháp mô phỏng số mới thực hiện được

- Cung cấp nhiều thông tin Khi tiến hành thực nghiệm, do hạn chế về công nghệ và tài chính nên mỗi lần tiến hành ta chỉ xác định được một số dạng thông số, tại những điểm nhất định, trong khi CFD cho phép ta xác định toàn bộ trường kết quả tại tất cả những điểm trong vùng khảo sát

* Hạn chế:

- Mô hình vật lý: CFD giải quyết bài toán trên cơ sở mô hình vật lý

được tạo lập, mỗi bài toán chỉ đúng với mô hình vật lý duy nhất Việc chọn sai mô hình vật lý có thể dẫn đến sai lầm về kết quả Ngoài ra, các mô hình vật lý (mô hình nhớt, mô hình truyền nhiệt,…) đều là gần đúng, do vậy có thể dẫn

đến sai số

- Sai số: Giải các bài toán trên máy tính luôn dẫn tới sai số bởi năng lực tính toán của máy không phải là vô tận Do vậy việc chọn số bước lặp hay tạo lưới

là khá quan trọng

- Điều kiện biên: Lời giải chỉ đúng với điều kiện biên chuẩn, mỗi bài toán chỉ

đúng với một dạng điều kiện biên duy nhất

Nói chung, khi chọn đúng điều kiện làm việc (mô hình vật lý và điều kiện biên), phương pháp CFD cho kết quả khá chính xác

2.1.3 Các lĩnh vực áp dụng CFD hiện nay:

- Công nghệ chế tạo tàu thủy và tàu ngầm

2.2 Giới thiệu phần mềm Fluent và Gambit

Fluent là phần mềm chuyên dụng trong tính toán cơ học chất lưu và truyền nhiệt dựa trên nền tảng CFD, còn Gambit là một công cụ tạo lưới mạnh cho các bài toán CFD và phương pháp phần tử hữu hạn dùng trong tính toán kết cấu ở đây, chúng ta sẽ tìm hiểu kỹ hơn về hai phần mềm này và xem xét các lưu ý khi sử dụng chúng

2.2.1 Lịch sử ra đời và phát triển

Khởi nguồn của Fluent bắt đầu vào những năm 1980 khi mà CFD đang bắt đầu trở thành một trong những mục tiêu hấp dẫn trong nghiên cứu và phát triển tại Hoa Kỳ Một dự án của công ty Creare tại New Hampshire được thiết

lập nhằm tạo ra một phần mềm dễ sử dụng dựa trên nền tảng CFD Ferit Boysan là một trong những nhà nghiên cứu tiên phong trong lĩnh vực công nghệ này tại đại học Sheffield đã hợp tác với Bart Patel thuộc công ty Creare tạo thành một nhóm chuyên nghiên cứu về CFD trong Creare Cũng tại thời

điểm đó, còn có Michael Engelman thành lập công ty Fluid Dynamics International (FDI), cũng là một công ty chuyên về phần mềm trên nền CFD

Sự hợp tác giữa đại học Sheffield và công ty Creare cho ra đời một phần mềm dễ sử dụng trong CFD gọi là Fluent Phiên bản đầu tiên của phần mềm này được chạy vào tháng 10 năm 1983 Cái tên Fluent được xuất phát đựa trên những công trình nghiên cứu nổi tiếng của Isac Newton

Phần mềm nhanh chóng thành công và trở thành phần mềm CFD thương mại được phổ biến nhất Chính điều này dẫn đến sự phát triển của nhóm Fluent trong Creare trở thành một công ty riêng vào năm 1988 Công ty

đặt trụ sở chính tại Lebanon New Hampshine Nhanh chóng hợp tác với Nhật Bản và Châu Âu, sau 10 năm phát triển, Fluent trở thành một công ty quốc tế với trụ sở đặt tại hơn 10 nước trên thế giới

Tháng 8 năm 1995, Fluent đuợc sát nhập với Aavid Thermal Technologies, một tập đoàn chuyên về thiết bị và công nghệ nhiệt cho các hệ thống điện tử Đây là một bước đột phá quan trọng cho cả hai công ty, sau đó cả hai công ty có những bước phát triển nhanh chóng đến kinh ngạc Sau đó Fluent giành được công ty FDI, đây là công ty sở hữu phần mềm FIDAP, cũng

là một phần mềm mạnh về CFD, đối thủ cạnh tranh lớn của Fluent Năm 1997, Fluent tiếp tục giành thêm được Polyflow S.A là công ty sở hữu phần mềm POLYFLOW, chuyên tính toán dòng phẳng nhớt Năm 2000, tập đoàn Aavid

được mua lại bởi Willis Stein & Partners công ty đầu tư tài chính hàng đầu Hoa Kỳ Từ đó đến nay, Fluent tiếp tục phát triển và duy trì vị trí hàng đầu về công nghệ phần mềm trên nền tảng CFD

2.2.2 Cấu trúc của bộ phần mềm Fluent

Hình 3.1: Cấu trúc của bộ phần mềm Fluent

Trong đó:

- Fluent: Bộ tính toán chính,

- Gambit: Tạo lưới 2D và 3D

- Tgrid: Tạo lưới 3D từ lưới 2D

- PrePDF: Bộ tiền sử lý cho tính toán quá trình chạy trong Fluent

- Các bộ giao tiếp chương trình: Cho phép trao đổi dữ liệu của Fluent với các chương trình khác như ANSYS, NASTRAN…

Fluent có khả năng giải quyết các bài toán sau:

- Dòng 2D, 3D đối xứng, tọa độ trụ và dòng 3D

- Dòng tĩnh hay dòng tức thời (phụ thuộc vào thời gian hay không)

- Dòng nén được hay không nén được ở mọi vận tốc (low subsonic, transonic, supersonic và hypersonic flows)

- Dòng nhớt, dòng tầng, dòng rối

- Chất lỏng Newton hay không Newton

- Trao đổi nhiệt

- Các đặc tính của phản ứng hỗn hợp hóa học, quá trình nổ, cháy

- Dòng nhiều pha liên tục (lỏng - khí, lỏng - lỏng)

- Dòng gồm các pha liên tục trong một pha liên tục

2.2.4 ứng dụng của Fluent

ứng dụng của Fluent chính là ứng dụng của CFD hiện nay, bởi hiện nay Fluent chính là đại biểu ưu tú nhất của CFD trên phương diện tính toán

2.2.5 Các bước giải một bài toán trên Fluent

Về cơ bản, các bước giải một bài toán trên Fluent tương tự các bước giải một bài toán trên CFD Tuy nhiên do không trực tiếp tạo lưới nên công việc rút gọn gồm thiết lập bài toán, giải và kiểm tra kết quả

* Nạp lưới vào Fluent:

File / Read and write / Case

Sau khi nạp xong, các thông số về lưới (số phần tử từng loại) được thể hiện

* Kiểm tra lưới:

Grid / Check

Dùng để kiểm tra lưới xem có phù hợp hay không