Ứng dụng phần mềm nghiên cứu và thiết kế tuabin francis

Đối với ngành thủy điện việc nghiên cứu, thiết kế tuabin thủy lực, BXCT và các thiết bị của tuabin thủy lực tại Lào còn hạn chế, khó khăn,trong khi trên thế giới, đặc biệt ở các nước côn

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

-

Vamengher XAYLIAVUE

ỨNG DỤNG PHẦN MỀM NGHIÊN CỨU VÀ

THIẾT KẾ TUABIN FRANCIS

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Hà Nội – 2016

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

-

Vamengher XAYLIAVUE

ỨNG DỤNG PHẦN MỀM NGHIÊN CỨU VÀ

THIẾT KẾ TUABIN FRANCIS

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Chuyên ngành: CHẾ TẠO MÁY

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS PHAN BÙI KHÔI

Hà Nội - 2016

MỤC LỤC

Chương 1: Tổng quan về tuabin thủy lực 1

1.1 Tình hình phát triển thủy điện ở Lào 1

1.2 Tuabin thủy lực 3

1.2.1 Lịch sử phát triển của tuabin Francis 3

1.2.2 Sơ đồ các kiểu nhà máy thủy điện 5

1.2.3 Các thông số của dòng chảy và tuabin nước 7

1.3 Phân loại và phạm vi sử dụng của tuabin 11

1.3.1 Phân loại theo dạng năng lượng của dòng chảy qua tuabin 11

1.3.1.1 Tuabin phản lực 12

1.3.1.2 Tuabin xung lực 16

1.3.2 Phân loại theo số vòng quay đặc trưng của tuabin 19

1.3.3 Phạm vi sử dụng của tuabin 22

1.4 Tuabin Francis và tuabin Kaplan 23

1.4.1 Tuabin Francis 23

1.4.2 Tuabin Kaplan 24

1.4.3 Sự khác biệt giữa tuabin Francis và tuabin Kaplan 24

1.5 Kết luận 26

Chương 2: Cơ sở thiết kế bánh công tác tuabin tâm trục (tuabin Francis) 27

2.1 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của tuabin Francis 27

2.1.1 Cấu trúc 27

2.1.2 Nguyên lý hoạt động của tuabin Francis .27

2.1.3 Các trạng thái của dòng chảy trong BXCT 31

2.2 Các bộ phận chính của tuabin Francis 32

2.2.1 Vòng bệ của tuabin (Stator) 33

2.2.2 Buồng dẫn tuabin (Spiral casing) .34

2.2.3 Buồng hút (Draft tube) 36

2.2.4 Cánh hướng nước (Guide vanes and stay vanes) 36

2.2.5 Bánh công tác (Runner) 37

2.2.6 Trục tuabin (Shaft) 39

2.3 Tính toán thiết kế bánh công tác tuabin Francis .40

2.3.1 Cơ sở lý thuyết tính toán thiết kế bánh công tác 40

2.3.2 Các phương pháp thiết kế cánh BXCT của tuabin tâm trục 43

2.3.3 Thiết kế cánh BXCT tuabin tâm trục theo phương pháp một tọa độ 44

2.3.4 Thiết kế cánh BXCT tuabin tâm trục theo phương pháp hai tọa độ 53

2.4 Ứng dụng phần mềm thiết kế bánh xe công tác của tuabin tâm trục 60

2.4.1 Các phần mềm ứng dụng thiết kế 60

2.4.2 Giới thiệu về phần mềm CATIA 62

2.4.3 Ưu điểm và hạn chế của phần mềm CATIA 65

2.5 Kết luận 66

Chương 3: Tổng quan về công nghệ Reverse Engineering 68

3.1 Giới thiệu về công nghệ Reverse Engineering 68

3.1.1 Sự cần thiết của RE 69

3.1.2 Định ngĩa về RE 70

3.1.3 Quy trình ứng dụng RE 71

3.2 Các ứng dụng phổ biến của RE 74

3.3 Ưu điểm và nhược điểm của thiết kế ngược 79

3.3.1 Ưu điểm của thiết kế ngược 79

3.3.2 Nhược điểm của thiết kế ngược 79

3.4 Nghiên cứu ứng dụng RE 79

3.4.1 Ứng dụng phương pháp đo tiếp xúc 79

3.4.2 Ứng dụng phương pháp đo không tiếp xúc 80

3.5 Một số phần mềm thông dụng trong RE 83

3.5.1 Phần mềm CATIA 84

3.5.2 Phần mềm Geomagic Studio 84

3.5.2 Phần mềm Repidform XOR 85

3.6 Ứng dụng RE để thiết kế biên dạng BXCT 88

3.6.1 Máy quét 3D ATOS I (2M) 88

3.6.2 máy quét 3D Laser Faro 91

3.7 Kết luận 91

Chương 4: Ứng dụng kỹ thuật ngược thiết kế bánh công tác tua bin Francis 93

4.1 Chu trình thiết kế BXCT tuabin tâm trục (tuabin Francis) 93

4.2 Thiết kế mô hình 3D 95

4.3 Áp dụng thiết kế BXCT tuabin tâm trục 99

4.3.1 Sự cần thiết phải thiết kế ngược 99

4.3.2 Các bước thực hiện khôi phục cánh tuabin trên CATIA 101

4.4 Kết luận 113

Kết luận chung 114

Tài liệu tham khảo 115

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1-1: Nhà máy thủy điện ở Lào 3

Hình 1-2: Sơ đồ nhà máy thủy điện 4

Hình 1-3: Sơ đồ nhà máy thủy điện kiểu lòng sông 5

Hình 1-4: Sơ đồ nhà máy thủy điện kiểu đường dẫn 6

Hình 1-5: Sơ đồ nhà máy thủy điện kiểu tổng hợp 7

Hình 1- 6: Sơ đồ cột áp NMTĐ 7

Hình 1-7: Xác định cột nước tubin phản lực có cột nước thấp và vừa 8

Hình 1-8: Xác định cột nước tubin phản lực có cột nước trung bình và cao 9

Hình 1-9: Bố trí chung của một tua bin phản ứng 11

Hình 1-10: Tuabin hướng trục 13

Hình 1-11: Tuabin tâm trục đứng 15

Hình 1-12: Tuabin hướng chéo 15

Hình 1-13: tuabin cánh quay 16

Hình 1-14: Tuabin gáo 17

Hình 1-15: Tuabin tia nghiêng loại 2 vòi phun 18

Hình 1-16: tuabin xung kích 2 lần .19

Hình 1-17: Phân loại tuabin theo ns 20

Hình 1-18: Phạm vi sử dụng cột nước và lưu lượng 21

Hình 2-1: Khối nước m chảy qua BPHN (1), khe hở cánh (2) của bánh công tác 29

Hình 2-2: Vòng bệ của tuabin (Stator) 33

Hình 2-3: Buồng dẫn tuabin hay là buồng xoắn .35

Hình 2-4: Buồng hút 36

Hình 2-5: Cánh hướng nước 37

Hình 2-6: Bánh công tác (Runner) 39

Hình 2-7: Trục tuabin 40

Hình 2-8: Sơ đồ để chọn điều kiện dòng chảy và các thông số khác của BXCT tuabintâm trục 42

Hình 2-9: Quan hệ Cur=f(S) và P=f(S) 43

Hình 2-10: Chọn mặt khai triển của mặt xoáy 45

Hình 2-11: Chọn mặt xoay thay thế mặt dòng 47

Hinh 2-12: Lưới ánh xạ 50

Hình 2-13: Đắp độ dày cánh 51

Hình 2-14: Bản vẽ thiết kế BXCT tuabin tâm trục 52

Hình 2-15: Dựng profile trong mặt cắt kinh tuyến 59

Hình 2-16: Giao diện phần mềm khi khởi động của CATIA 63

Hình 3-1: Sơ đồ chu kỳ phát triển sản phẩm 71

Hình 3-2: Sơ đồ ý tưởng của công nghệ RE 73

Hình 3-3: Quy trình lấy mẫu ô tô áp dụng công nghệ RE 74

Hình 3-4: Công nghệ RE dựng mô hình CAD cho các tác phẩm nghệ thuật .75

Hình 3-5: Ứng dụng công nghệ kỹ thuật ngược lấy mẫu hoa văn thủ công 75

Hình 3-6: Ứng dụng công nghệ kỹ thuật ngược để thiết kế lại .76

Hình 3-7: Ứng dụng RE thiết kế lại, cải tiến mẫu mã sản phẩm 76

Hình 3-8: Công nghệ thiết kế ngược trong khảo cổ học 77

Hình 3-9: Ứng dụng thiết kế đảo chiều để tạo răng hàm 77

Hình 3-10: Ứng dụng công nghệ kỹ thuật ngược tạo mảnh sọ não dùng Trong y học .77

Hình 3-11: Ứng dụng công nghệ kỹ thuật ngược trang phúc và phim .78

Hình 3-12: Cấu tạo máy CMM 80

Hình 3-13: Máy quét laser 82

Hình 3-14: Máy quét COMET Measuring system 83

Hình 3-15: Quy trình làm việc trên Repidform Redesign XOR 85

Hình 3-16: Sơ đồ công nghệ kỹ thuật ngược trên Repidform XOR 86

Hình 3-17: máy quét 3D ATOS I (2M) 88

Hình 3-18: Khả năng linh hoạt của máy 90

Hình 3-19: Máy quét đo Faro Focus 3D 91

Hình 4-1: Chu trình thiết kế cho 1 kiểu đối tượng tua bin và một cụm chi tiết 93

Hình 4-2: Xây dựng mô hình 3d và công nghệ gia công bánh công tác tua bin 94

Hình 4-3: Máy quét 3D FARO 95

Hình 4-4: Trong môi trường CAM có modul xử lý biên dịch các lệnh gia công 97

Hình 4-5: Kết quả của lập trình CAM trợ giúp gia công là xuất ra các NC file 98

Hình 4-6: BXCT bị mài mòn 100

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1-1: Số vòng quay đồng bộ 10

Bảng 1-2: phân loại tuabin theo ns 20

Bảng 1-3: Số vòng quay đặc trưng theo ns 21

Bảng 1-4: Phạm vi sử dụng của các tuabin 23

Bảng 1-5: So sánh sự khác biệt giữa tuabin Francis và tuabin Kaplan 25

Bảng 2-1: Bảng kích thước vòng bệ (đơn vị Cm) 33

Bảng 2-2: Góc ôm của cánh trong hình chiếu bằng, ký hiệu là , được chọn theo ns và H 41

Bảng 2-3: Độ dày profile chất lượng cao, phân bố trên mặt nón khai triển 50

góc ôm của cánh trên mặt nón

= góc ôm của cánh trên hình chiếu bằng

R= là khoảng cách từ điểm đang xét đến trục quay [m]

⃗ = là hướng tiếp tuyến với vòng tròn tâm trục quay, bán kính [R]

Z1= Số cánh bánh xe công tác

HSTM= chiều cao hút thực tế của tổ máy [m]

K0=hệ số chịu mài mòn của vật liệu

M= mật độ các hạt

M0= Momen ngoại lực tác dụng lên khối nước [Kg.m]

⃗ = Vận tốc chảy ra thẳng góc tại điểm 1 [m/s]

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

BXCT= Bánh xe công tác

NMTĐ= Nhà máy thủy điện

Rpm= Revolutions per minute (Vòng trên phút)

CAD= Computer Aided Design

CAM= Computer Aided Manufac turing

NC= numerical control

CNC= computerized numerical control

CAE= Computer Aided Engineering

FEA= Phân tích phần tử hữu hạn

CATIA= Computer Aided three Dimensional Interactive Application CMM= Coordinate Measuring Machine

NURBS= Non-uniform rational B-spline

STL= Standard Template Library

CAPP= Computer-aided Process Planning

RE= Reverse - Engineering

ATOS= Advanced Topometric Sensor

ProE= Pro Engineering

CIM= Computer Integrated Manufacturing

RP= Rapid Propotyping

CHDCND Lào: Cộng Hòa Dân Chủ Nhân Dân Lào

NNG1 HPP= Nam Ngum 1 Hydropower Plant

EDL= Electric Du Laos

EGAT= Electricity Generating Authority of Thailand

ASEAN= Asociation of Southeast Asian Nations

LỜI CAM ĐOAN

Luận văn thạc sỹ “ Ứng dụng phần mềm nghiên cứu và thiết kế tuabin Francis” được hoàn thành bởi tác giả Vamengher XAYLIAVUE, học viên của trường Đại học Bách khoa Hà nội, chuyên ngành kỹ thuật cơ khí, lớp chế tạo máy 2014B, khóa học 2014- 2016 Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu riêng của tôi, ngoài phần tài liệu để tham khảo đã được liệt kê

Hà Nội, ngày 24 tháng 11 năm 2016 Tác giả luận văn

Vamengher XAYLIAVUE

LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin chân thành cảm ơn PGS.TS Phan Bùi Khôi, người hướng dẫn và giúp đỡ tận tình từ định hướng đã dành công sức và thời gian cho việc hướng dẫn tôi thực hiện luận văn Một lần nữa xin chúc thầy và gia đình luôn luôn có sức khỏe và gặp nhiều may mắn trong cuộc sống và trong công việc

Tác giả bày tỏ lỏng biết ơn đối với các thầy cô trong Viện Sau đại học – Trường đại học bách khoa Hà nội Xin cảm ơn ban lãnh đạo Viện cơ khí – Trường Đại học Bách khoa Hà nội, đã tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành luận văn

Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới bố mẹ, anh, chị em, bạn bè và các ban lãnh đạo trong trường dạy nghề (Viện phát triển giáo dục dạy nghề Lào) đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện cho tôi đi học để nâng cao kiến thức để trở lại giảng dạy và đào tạo cán bộ kỹ thuật của đất nước Lào

Do năng lực bản thân còn hạn chế nên luận văn không tránh khỏi sai sót, tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo, các học viên, cùng đồng nghiệp và các nhà khoa học

Hà Nội, ngày 24 tháng 11 năm 2016 Tác giả luận văn

Vamengher XAYLIAVUE

1 Lý do chọn đề tài

Thủy điện là nguồn năng lượng sạch Năng lượng sạch là vấn đề đang được thế giới quan tâm hơn lúc nào hết Lào là đất nước có tiềm năng thủy điện khá lớn nhưng việc khai thác còn hạn chế Trong khi đó cùng với sự phát triển của nền kinh tế, nhu cầu về nguồn năng lượng ngày càng lớn Một trong những thiết bị quan trọng chủ yếu của nhà máy thủy điện là tuabin thủy lực Nghiên cứu và làm chủ thiết kế, làm chủ công nghệ chế tạo tuabin thủy lực là nhiệm vụ quan trọng để phát triển thủy điện nói chung và xây dựng các nhà máy thủy điện nói riêng

Bánh xe công tác là bộ phận chủ yếu của tuabin thủy lực Việc tính toán, thiết kế BXCT phức tạp, khó khăn, mất nhiều thời gian Trong bối cảnh nền kinh tế thị trường toàn cầu hóa và hội nhập, sự cạnh tranh trên thị trường ngày càng khốc liệt Để có sức cạnh tranh, các cơ sở nghiên cứu, chế tạo, sản xuất cần tạo ra sản phẩm với chất lượng tốt, giá thành rẻ, đáp ứng nhanh nhu cầu đa dạng của khách hàng Đối với ngành thủy điện việc nghiên cứu, thiết kế tuabin thủy lực, BXCT và các thiết bị của tuabin thủy lực tại Lào còn hạn chế, khó khăn,trong khi trên thế giới, đặc biệt ở các nước công nghiệp phát triển đã ở trình độ cao với các sản phẩm là các nhà máy thủy điện hiện đại

Học tập nghiên cứu để khai thác thành tựu khoa học kỹ thuật của thế giới là con đường phù hợp để phát triển thủy điện nói chung cũng như làm chủ tính toán thiết kế các thiết bị của NMTĐ, tuabin thủy lực, BXCT nói riêng

Cùng với sự phát triển không ngừng của ngành khoa học kỹ thuật đã thúc đẩy các nhà sản xuất tìm đến một cách phương pháp để thiết kế sản phẩm, để rút ngắn thời gian đó là công nghệ thiết kế ngược 3D được phát triển một cách mạnh mẽ Do đó việc nghiên cứu, thiết kế, chế tạo BXCT để tạo ra những chi tiết cho nhà máy thủy điện cũng là một việc rất quan trọng và cần thiết, bởi vì BXCT là một bộ phận quan trọng nhất của tuabin

Ứng dụng kỹ thuật thiết kế ngược có thể khai thác những thành tựu tiên tiến của thế giới bằng việc thết kế theo mẫu sản phẩm là BXCT đã được nghiên cứu, chế tạo ở các nước có nền khoa học công nghệ hàng đầu của thế giới Qua nghiên cứu khảo sát, tuabin tâm trục (tuabin Francis) là một trong các loại tuabin thủy lực được ứng dụng

phổ biến trong các NMTĐ và phù hợp với điều kiện khai thác thủy điện ở Lào Các nhà máy thủy điện tại Lào sử dụng tuabin Francis là phổ biến Bởi vậy ứng dụng kỹ thuật ngược để thiết kế BXCT theo mẫu cho phép rút ngắn thời gian, khai thác được sản phẩm tối ưu của thế giới khi cần thiết kế chế tạo thiết bị thay thế, phục hồi thiết bị hỏng hóc do vận hành

Mặc khác phương pháp này cũng cho phép áp dụng để thiết kế, chế tạo sản phẩm mới dựa trên bản thiết kế mẫu nhằm xây dụng NMTĐ tại Lào với điều kiện khai thác và công suất khai thác tương ứng phù hợp Trên cơ sở đã phân tích tác giả đã chọn

đề tài luận văn “Ứng dụng phần mềm nghiên cứu và thiết kế tuabin Francis”

2 Mục đích và đối tượng nghiên cứu

Mục đích là trong quá trình nghiên cứu ứng dụng phần mềm thiết kế BXCT xong em có thể nâng cao kiến thức để ứng dụng trong nước CHDCND Lào nói chung

và ngành học nói riêng để phục vụ nghiên cứu và đào tạo cán bộ kỹ thuật cho ngành thủy điện Ngành năng lượng thủy điện của Lào hiện nay đang đòi hỏi phát triển mạnh với mục tiêu đáp ứng nhu cầu trong nước và trong tương lai Lào sẽ trở thành nguồn Battery trong các quốc gia ASEAN

3 Phương pháp nghiên cứu

Kết hợp nghiên cứu cơ sở lý thuyết tính toán thiết kế BXCT với việc ứng dụng phần mềm catia, và thiết bị hiện đại thiết kế theo mẫu BXCT Từ dữ liệu quét hình mẫu sản phẩm bằng thiết bị hiện đại, áp dụng phần mềm thiết kế mạnh để xây dụng bản vẽ 3D cho sản phẩm thiết kế là BXCT Từ đó cho phép nhận được bản vẽ kỹ thuật của BXCT phụ vụ cho nghiên cứu chế tạo

4 Tóm tắt nội dung đề tài

Nội dung luận văn bao gồm có 4 chương cơ bản như sau:

Chương 1: Tổng quan về tuabin

Nghiên cứu tổng quan về năng lượng thủy điện là một nguồn năng lương sạch, không ô nhiễm môi trường, đã được khai thác từ lâu đời và đang được phát triển với trình độ cao ở các nước có nền công nghiệp và trình độ khoa học kỹ thuật tiên tiến

Nghiên cứu tổng quan về tuabin thủy lực các bộ phận chủ yếu của NMTĐ nói chung và tuabin thủy lực nói riêng

Chương 2: Cơ sở thiết kế bánh công tác tuabin tâm trục (tuabin Francis)

- Trình bày về cấu trúc và các nguyên lý hoạt động của tuabin tâm trục

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết tính toán thiết kế tuabin Francis

Chương 3: Tổng quan về công nghệ Reverse Engineering

Trình bày về công nghệ kỹ thuật ngược có nghĩa là quá trình nhân bản một vật thể, một bộ phận hoặc một sản phẩm hoàn chỉnh có sẵn mà không có sự trợ giúp của bản vẽ, tài liệu hay mô hình máy tính Về bản chất thiết kế ngược là quá trình sao chép một sản phẩm đã được sản xuất nhờ khả năng sao chép hình ảnh của một vật thể thành

dữ liệu CAD 3D Thiết kế ngược liên quan đến việc quét hình, số hóa vật thể thành dạng điểm, đường và bề mặt 3D Giới thiệu một số phần mềm để ứng dụng cho công ngệ thiết kế ngược như: Catia, Solidwork, Geomagic Studio, Repidform XOR, MasterCAM và máy quét 3D như: máy quét ATOS I, máy quét Faro vv

Chương 4: Ứng dụng kỹ thuật ngược thiết kế bánh công tác tua bin Francis

Chương 4 trình bày về các ứng dụng kỹ thuật ngược và chu trình để thiết kế BXCT của tuabin tâm trục

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài

5.1 Ý nghĩa khoa học

Ứng dụng phần mềm nghiên cứu thiết kế sản phẩm dựa trên kỹ thuật thiết kế ngược là hướng nghiên cứu phù hợp Kết quả nghiên cứu áp dụng thiết kế BXCT tuabin Francis là cơ sở để hoàn thiện và mở rộng nghiên cứu thiết kế tuabin Francis Đồng thời kết quả góp phần làm phong phú và phát triển kỹ thuật thiết kế ngược trong thiết kế cơ khí

5.2 Ý nghĩa thực tiễn

Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng thực tiến để triển khai thiết kế chế tạo sản phẩm theo mẫu Đồng thời kết quả nghiên cứu cung cấp tài liệu tham khảo và kinh nghiệm trong giảng dạy, đào tạo cán bộ kỹ thuật

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ TUABIN THỦY LỰC

1.1 Tình hình phát triển thủy điện ở Lào

Trong những năm 1960, ngành năng lượng sản xuất điện tại Lào không đủ để đáp ứng nhu cầu quốc gia Chính phủ Cộng hòa dân chủ nhân dân Lào (CHDCND) đã cố gắng để đáp ứng nhu cầu phát triển các địa phương nhờ vay điện từ Thái Lan Một nghiên cứu khả thi được trình bày vào năm 1962 là kế hoạch chi tiết đầu tiên phác thảo dự án Nam Ngum 1 Nghiên cứu được đề xuất có thể đóng góp để phát triển thuỷ điện, chống lũ

và tưới tiêu Dự án đã được đón nhận bởi chính phủ Lào và nhiều tổ chức quốc tế, và kế hoạch xây dựng đã được hoàn thành vào năm 1968 Ba nghiên cứu tính khả thi khác nhau đã được thực hiện để vạch ra từng giai đoạn của dự án, và ba quỹ riêng biệt đã được thành lập để tài trợ cả ba giai đoạn của dự án Nam Ngum 1 Mười quốc gia đã hỗ trợ tài chính để chi trả cho việc xây dựng các dự án

Sông Nam Ngum là một trong những con sông lớn ở Lào Nó cung cấp một tiềm năng thủy điện lên đến 1.600 MW NNG1 HPP có công suất lắp máy là 150 MW Trong năm 2003-2004, một dự án phục hồi chức năng được thực hiện trên hai tổ máy trong NNG1 HPP và nó đã tăng công suất lắp đặt của các tổ máy Hiện nay, các nhà máy thủy điện NNG1 đã đạt công suất 155 MW Từ Thủ đô Viêng Chăn đến Nhà máy NNG1 HPP khoảng 90 km, nằm trên phía Bắc thuộc tỉnh Viêng Chăn Dự án xây dựng nhà máy thủy điện NNG1 đã được phát triển thành 3 giai đoạn như sau :

Giai đoạn 1: NNG1 HPP được khởi công vào năm 1968 và được đưa vào hoạt

động năm 1971 với chi phí 28 triệu USD Các cơ sở trong giai đoạn này bao gồm một đập bê tông trọng lực, một nhà máy điện ở chân đập với hai tổ máy 15 MW và chuẩn bị cho ba tổ máy tiếp theo Các tổ máy cung cấp cho các đường dây truyền tải mạch điện áp cao duy nhất EDL, với khả năng truyền tải 115 kV, từ trạm biến áp tại Phonetong, Thủ đô Viêng Chăn bán sang lưới EGAT tại trạm biến áp (Nongkhai,Thái Lan)

Giai đoạn II: NNG1 HPP bắt đầu hoạt động vào năm 1976 và được đưa thành

công vào năm 1978 với chi phí 49 triệu USD Các cơ sở trong giai đoạn này bao gồm lắp đặt đập tràn, đường ống dẫn nước mới và cửa nhận nước, một phần mở rộng của nhà máy

để chứa ba tổ máy phát điện mới 40 MW, kết nối với đường dây mạch điện áp cao đôi EDL, với khả năng truyền tải 115 kV, từ trạm biến áp tại Phonetong, Thủ đô Viêng Chăn bán sang lưới điện EGAT tại Udone 2, trạm biến áp (Thái Lan)

Giai đoạn III: NNG1 HPP bắt đầu hoạt động vào năm 1983 và được đưa thành

công vào năm 1984 với chi phí 20 triệu USD Các tổ máy phát điện 40 MW đã được lắp đặt để sử dụng đầy đủ các cơ sở tiềm năng thủy điện đã được tính toán Sau khi hoàn thành giai đoạn này, việc sản xuất năng lượng trung bình hàng năm là 865 GWh

Hiện nay, ngành năng lượng thủy điện của Lào đang phát triển mạnh Thủy điện được xem như một nguồn năng lượng hiệu quả tại Lào trong đó có một tiềm năng thủy điện trên lý thuyết khoảng 26,500MW trừ các dòng chính sông Mêkông Trong số này, khoảng 18,000MW là khai thác về mặt kỹ thuật, với 12,500MW ước tính của dòng chính sông Mekong Khoảng 15% tiềm năng thủy điện ở đây đã được phát triển trong 30 năm qua, nhưng theo chính sách của chính phủ hiện nay tốc độ phát triển sẽ thúc đẩy để cấp điện cho các nền kinh tế phát triển nhanh chóng của khu vực Vào năm 1996 tại cơ quan lập pháp thứ 6, Chính phủ Lào đặt mục tiêu giảm nghèo nhằm thoát khỏi nhóm nước kém phát triển vào năm 2020 và một trong những yếu tố thúc đẩy Lào thành một nguồn năng lượng của ASEAN Các hệ thống kết nối, lưới điện, các nước ASEAN đã có chính sách phát triển và kết nối hệ thống của Công ty, lưới điện Ngành điện tại Lào phục vụ hai ưu tiên quốc gia quan trọng: (1) Thúc đẩy kinh tế và tiến bộ xã hội bằng cách cung cấp một nguồn năng lượng trong nước đáng tin cậy và giá cả phải chăng; (2) Thu được ngoại tệ từ xuất khẩu điện Các ngành điện, và đặc biệt là thủy điện, đã trở thành một đóng góp quan trọng vào tăng trưởng kinh tế của Lào và các nỗ lực xóa đói giảm nghèo quốc gia Kể từ năm 2008, xuất khẩu điện lên tới khoảng 30% trong tổng giá trị sản phẩm xuất khẩu của Lào Hiệp định cho xuất khẩu thủy điện trong tương lai đã được đưa ra với Thái Lan, Việt Nam và Campuchia

Hình 1-1: Nhà máy thủy điện ở Lào

Tuabin thủy lực bao gồm 2 phần chính: Rotor tuabin gồm có BXCT được nối với trục tuabin thông qua khớp nối truyền động momen xoắn, trục, ổ hướng và ổ chèn trục Stator tuabin gồm có vành đáy tuabin để đỡ trục dưới cánh hướng, các vành làm kín, vành stator tuabin, bộ cánh hướng dòng và bộ ống xả, buồng xoắn

1.2.1 Lịch sử phát triển của tuabin Francis

Hiện nay ngành năng lượng học đang phát triển mạnh Người ta tích cực tìm kiếm những nguồn năng lượng khác nhau để sử dụng cho các ngành kinh tế Trong đó năng lượng truyền thống: than, dầu, khí đốt, hạt nhân, thủy điện được coi là các dạng năng lượng cơ bản, còn năng lượng mặt trời và năng lượng gió, năng lương thủy triều và năng lượng thủy điện cực nhỏ là những dạng năng lượng mới Thủy năng- năng lượng của dòng chảy sông suối là một dạng năng lượng được con người sử dụng từ rất lâu Hàng

nghìn năm trước ở các nước như: Mỹ, Ai Cập, Ấn Độ, Trung Quốc và các nước khác Người ta đã dùng bánh xe nước đơn giản sử dụng động năng của dòng chảy Tuy nhiên, mới tới thế kỳ thứ XVI thì việc sử dụng năng lượng nước mới tương đối rộng rãi và bánh

xe nước mới có những cái tiến lớn và phát triển đến ngày nay

Еuabin Francis là một loại tuabin nước được phát triển bởi James B Francis ở Lowell,

Nó là loại tuabin phản lực

Tuabin Francis là một trong các loại tuabin nước được sử dụng nhiều nhất hiện nay Chúng cột nước từ 30-700 m và chủ yếu được sử dụng để sản xuất năng lượng điện Các máy phát điện thường sử dụng loại tuabin có sản lượng điện dao động chỉ từ một vài

kW đến 800 MW, mặc dù còn có thể thấp hơn Đường ống áp lực (ống đầu vào) đường kính là từ 0.91 – 10.06 m Phạm vi tốc độ của tuabin là 75-1000 rpm Cửa Wicket xung quanh bên ngoài của tuabin quay bánh xe công tác kiểm soát tốc độ của dòng chảy qua tuabin cho mức sản xuất năng lượng khác nhau Tuabin Francis gần như luôn luôn gắn với trục thẳng đứng để tách nước từ các máy phát điện Điều này cũng tạo điều kiện lắp đặt và bảo trì

https://www.google.com.vn/search?tbm=isch&q

=tuabin+nuoc#imgrc=yPSVgkv5zmbZ6M%3A

Hình 1-2: Sơ đồ nhà máy thủy điện Máy thủy lực là danh từ chung chỉ các thiết bị dùng để chuyển hóa năng lượng chất lỏng thành cơ năng trên các cơ cấu làm việc của máy (BXCT, pittông….) hay ngược lại Tuabin nước được lắp đặt tại NMTĐ để chuyển hóa năng lượng nước thành cơ năng

và cơ năng được chuyển hóa thành điện năng nhờ máy phát điện, khi nước từ thượng lưu chảy theo đường dẫn tới tuabin rồi chảy ra hạ lưu

Nhà máy thủy điện có nhiều ưu điểm:

- Hiệu suất của NMTĐ có thể đạt dược rất cao so với nhà máy nhiệt điện

- Thiết bị đơn gian, đễ tự động hóa và có khả năng điều khiển từ xa

- Ít sự cố và có ít người vận hành

- Có khả năng làm việc ở các chế độ phụ tải thay đổi

- Thời gian mở máy và dừng máy ngắn

- Không làm ô nhiễm môi trường

Mặt khác, nếu khai thác thủy năng tổng hợp, kết hợp với tưới tiêu, giao thông và phát điện thì giá thành điện sẽ giảm xuống giải quyết triệt để hơn vấn đề của thủy lợi và môi trường sinh thái của một vùng rộng lớn quanh đó

1.2.2 Sơ đồ các kiểu nhà máy thủy điện

Trong thực tế có 3 phương pháp tập trung năng lượng của dòng nước tương ứng với 3 sơ đồ nhà máy thủy điện (hình:1.3,1.4,1.5) nhà máy thủy điện kiểu lòng sông, nhà máy thủy điện đường dẫn, nhà máy thủy điện tổng hợp

a Nhà máy thủy điện kiểu lòng sông (hay sau đập)

https://www.google.com.vn/search?tbm=isch&q= nam+ngum+1+HHP#tbm=isch&q=nam+ngum+1

Hình 1-3: Sơ đồ nhà máy thủy điện kiểu lòng sông

Để tập trung năng lượng, người ta dùng đập cột áp H là độ chênh mực nước trước

và sau đập (tương ứng thượng và hạ lưu) Đập có hồ chứa nước lớn để điều tiết lưu lượng của dòng sông Nhà máy thủy điện đặt sau đập đối với cột nước lớn hoặc là một bộ phận của đập đối với cột nước nhỏ Các trạm thủy điện với phương pháp tập trung năng lượng bằng đập gọi là nhà máy kiểu lòng sông hay sau đập Nó áp dụng cho các con sông ở đồng bằng, trung du nơi có độ đốc lòng sông nhỏ, lưu lượng sông lớn Trong thực tế, chiều cao của đập bị hạn chế bởi kỹ thuật đắp đập và diện tích bị ngập

b Nhà máy thủy điện kiểu đường dẫn

Nước được ngăn bởi một cột nước thấp rồi chảy theo đường dẫn (kênh, máng, tuy nen, ống dẫn) đến nhà máy thủy điện Ở đây cột áp cơ bản là do đường dẫn tạo nên, còn đập chỉ để ngăn nước lại để đưa vào đường dẫn Kiểu NMTĐ này thường dùng ở các sông suối có độ dốc lòng sông lớn và lưu lượng nhỏ

Hình 1-4: Sơ đồ nhà máy thủy điện kiểu đường dẫn

c Nhà máy thủy điện tổng hợp

Năng lượng nước tập trung là nhờ đập và cả đường dẫn Cột áp của trạm gồm có 2 phần: một phần do đập tạo nên, phần còn lại do dường dẫn tạo nên Nhà máy kiểu này được dùng cho đoạn sông mà ở trên sông có độ dốc nhỏ thì xây đập ngăn nước và hồ chứa, còn ở phía dưới có độ dốc lớn thì xây đường dẫn

Hình 1-5: Sơ đồ nhà máy thủy điện kiểu tổng hợp

1.2.3 Các thông số của dòng chảy và tuabin nước

a Cột nước toàn phần

Cột nước toàn phần (cột áp, hay còn gọi là cột nước Brutto) Htp, của nhà máy được xác định bằng hiệu độ cao giữa thượng lưu (tiết diện A-A) và hạ lưu (tiết diện B-B) khi tổn thất qua tuabin bằng không Khi tubin làm việc, cột nước toàn phần được xác định bằng hiệu năng lượng riêng toàn phần của dòng nước ở thượng lưu (A-A) và hạ lưu (B-B) Công thức xác định cột nước toàn phần như sau:

Hình 1-6: Sơ đồ cột áp NMTĐ

( )

Cột nước tuabin (cột nước hữu ích, cột nước netto, cột nước làm việc) H được xác

định bằng hiệu năng lượng riêng của dòng nước ở cửa vào tuabin 1-1 và cửa ra tuabin

2-2 Thực tế, khi dòng chảy đi qua tuabin thì một phần công suất của dòng chảy tiêu hao chủ yếu do tốn thất qua cửa ngăn, cửa chống rác, tổn thất dọc đường từ tiết diện A-A đến 1-1 và từ 2-2 đến B-B Vì thế cột nước của tuabin nhỏ hơn cột nước toàn phần một đại lượng tổn thất đó

Khi thiết kế tuabin cần biết cột nước tính toán Htt, cột nước trung bình, cột nước max Hmax, cột nước min Hmin

Theo quy định quốc tế, cột nước làm việc của tuabin được xác định đối với các loại tuabin khác nhau như dưới đây

Hình 1-7: Xác định cột nước tubin phản lực có cột nước thấp và vừa

Tuabin phản lực có cột nước thấp và vừa trong buồng xoắn bê tông tiết diện hình thang (hình 1.7):

Z2,V2: Cao trình mặt nước và vận tốc tại mặt cắt ra của ống thoát nước  : Trọng lượng riêng của nước

Tuabin phản lực buồng xoắn kim loại tiết diện tròn (hình 1.8) cột nước trung bình

và cao:

2 1 1

 - trị số áp lực kế lắp ở cửa vào buồng xoắn

a1: Độ cao lắp áp lực kế (so với điểm đo)

Z1: Độ cao trung tâm cửa vào buồng xoắn

Hình 1- 8: Xác định cột nước tubin phản lực có cột nước trung bình và cao

Cột áp là một trong những thông số quan trọng để thiết kế tuabin

b Lưu lượng

Lưu lượng của tuabin là lượng nước chảy qua tuabin trong một đơn vị thời gian,

ký hiệu là Q, đơn vị m3/s Lưu lượng tuabin cũng là một trong những thông số chính để thiết kế tuabin

Đơn vị công suất tính bằng kW

d Hiệu suất tuabin

Từ biểu thức (1.1) và (1.2) ta suy ra hiệu suất tuabin :

T T

N

9.81QH



e Đường kính bánh xe công tác và số vòng quay tuabin

Đường kính BXCT là một thông số thiết kế cơ bản của tuabin Tùy thuộc vào từng dạng BXCT của các loại tuabin khác nhau, có các quy ước về đường kính

Đường kính tuabin thường được ký hiệu là D1 Số vòng quay của tuabin thông thường chính là số vòng quay của máy phát (nếu nối trực tiếp), vì vậy khi chọn số vòng quay của tuabin cần chú ý đến số vòng quay đồng bộ của máy phát:

Trong đó: p - số đôi cực của máy phát ứng với tần số:

Hai đại lượng này đặc trưng cho kích thước và cỡ tuabin Chúng có quan hệ mật thiết với nhau và được xác định bởi cột áp và lưu lượng của tuabin Thường tuabin có công suất lớn thì đường kính lớn Nhưng tuabin có cột áp càng lớn thì số vòng quay càng lớn và kích thước càng nhỏ

1.3 Phân loại và phạm vi sử dụng của tuabin

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

Các thành phần năng lượng của dòng chảy, năng lượng đơn vị của dòng chảy truyền cho bánh xe công tác của tuabin bằng độ chênh năng lượng riêng giữa hai tiết diện trước và sau:

Hình 1-9: Bố trí chung của một tua bin phản ứng

( ) là thành phần năng lượng do chênh lệch vị trí tạo ra, gọi là vị năng

là áp năng, gộp vị năng và áp năng thành thế năng

là động năng

Vậy năng lượng gồm có hai phần: thế năng và động năng

Tùy thuộc vào dạng năng lượng này mà có thể chia các loại tuabin thành 2 hệ khác nhau: Tuabin xung lực và tuabin phản lực

Trong các tuabin xung lực chỉ có phần động năng của dòng chảy tác dụng lên bánh

xe công tác còn phần thế năng bằng không Hệ tuabin này phát ra công suất nhờ động năng của dòng chất lòng, còn áp suất ở cửa vào và của ra của tuabin là áp suất khí trời

Tuabin phản lực là loại tuabin làm việc nhờ cả hai phần thế năng và động năng mà chú yếu là thế năng của dòng chảy Trong hệ tuabin này áp suất ở cửa vào luôn luôn lớn hơn áp suất ở cửa ra, dòng chảy qua tuabin là dòng liên tục điền đẩy toàn bộ máng dẫn cánh Trong vùng bánh xe công tác tuabin dòng chảy biến đổi cả động năng và thế năng, trong đó vận tốc dòng chảy qua tuabin tăng dần Máng dẫn của cánh hình côn nên gây ra

độ chênh áp mặt cánh, từ đó tạo ra momen quay

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

1.3.1.1 Tuabin phản lực

Tuabin phản lực là hệ tuabin được sử dụng rộng rãi nhất bao gồm phạm vi cột nước từ 1.5 đến 600m Tùy thuộc vào hướng dòng chảy của dòng nước đi qua cánh bánh

xe công tác mà chia tuabin phản lực thành nhiều loại: Tuabin hướng trục, tuabin tâm trục

và tuabin hướng chéo Trong tuabin phản lực cả hai phần thế năng và động năng đều tác động nhưng chủ yếu là phần thế năng Trong hệ tuabin này áp suất ở cửa vào luôn luôn lớn hơn ở cửa ra Dòng chảy của tuabin là dòng liên tục điền đầy toàn bộ máng dẫn cánh Trong vùng bánh xe công tác dòng chảy biến đổi cả động năng và thế năng, trong đó vận tốc dòng chảy qua tuabin tăng dần, áp suất giảm dần, tạo ra độ chênh áp mặt cánh sinh ra mômen quay trục

a Tuabin hướng trục (Propeller Turbines)

Tuabin hướng trục là loại tuabin trong đó hướng chuyển động của dòng chảy trong phạm vi bánh xe công tác song song với trục quay tuabin Tuabin hướng trục có thể là loại cánh cổ định hoặc loại cánh điều chỉnh Bánh công tác gồm có nhiều cánh được gắn với bầu Nếu cánh được gắn chặt với bầu thì gọi là tuabin hướng trục cánh cổ định (Tuabin chong chóng) Tuabin hướng trục cánh cố định thường dùng cho các trạm cỡ nhỏ

và trung bình Nếu cánh có thể quay quanh trục cánh là tuabin hướng trục cánh điều chỉnh Tuabin hướng trục cánh điều chỉnh được sử dụng cho cỡ trung bình và lớn Tuabin hướng trục cánh điều chỉnh phức tạp vì cơ cấu điều chỉnh nằm trong bầu bánh công tác

https://www.google.com.vn/search?tbm=isch&q= Propeller+Turbines#imgrc=K2fGKQqPWfm_OM%3A

Hình 1-10: Tuabin hướng trục Tuabin hướng trục có kết cấu đơn giản nhất trong các loại tuabin phản lực Kết cấu của nó cũng thay đổi tùy thuộc vào cột nước và công suất tác dụng và cách lắp đặt (đứng hoặc nằm)

 Bánh xe công tác: BXCT gồm có bầu và các cánh BXCT gắn cố định trên bầu,

thông thường là 4 – 8 cánh Cánh BXCT có thể chế tạo cùng với bầu thành một khối hoặc chế tạo riêng rồi gắn chặt với bầu bằng bulông BXCT là bộ phận chuyển hóa năng lượng nước, khi nước chảy trên mặt cong của cánh Do nước phải đổi hướng nên tạo ra một áp lực tác dụng lên bề mặt cánh BXCT gây nên mômen quay làm quay cánh tuabin

 Buồng bánh xe công tác: Buồng BXCT là chỗ lắp đặt BXCT, có dạng hình trụ

Khe hở giữa buồng và cánh BXCT nằm trong phạm vi (0.0005 – 0.0001)D1 Trong đó

D1 là đướng kính BXCT

 Buồng xoắn: Buồng xoắn là bộ phận dẫn nước vào BXCT có nhiều loại buồng

tuabin khác nhau Buồng tuabin thường là loại xoắn ốc Kích thước, kết cấu buồng tuabin

có ảnh hưởng quyết định đến kích thước nhà máy thủy điện

 Stator Tuabin: Stator tuabin có nhiệm vụ truyền tải trọng nằm phía trên nó xuống

móng nhà máy thủy điện Các tải trọng này gồm có: Trọng lượng bản thân các phần quay

và không quay của tổ máy, áp lực thủy động dọc trục tác dụng lên BXCT tải trọng sàn và

bệ đỡ máy phát điện Răng buồng xoắn cũng làm nhiệm vụ Stator

 Bộ phận hướng dòng: Bộ phận hướng dòng là phần nằm phía trong Stator làm

nhiệm vụ: Thay đổi trị số và hướng của vận tốc dòng chảy trong khoảng không gian giữa

bộ phận hướng dòng và BXCT để tạo điều kiện thuận lợi cho dòng chảy đi vào cánh BXCT nhằm nâng cao hiệu suất tuabin Thay đổi công suất của tuabin bằng cách thay dổi lưu lượng nước đi qua tuabin Để làm nhiệm vụ trên các cánh hướng dòng được bố trí đều chung quanh BXCT và mỗi cánh hướng được gắn vào 2 vành trên và dưới Các cánh hướng dòng có thể quay được quanh trục cánh có ổ trục tại vành trên, vành dưới và đầu trục gắn vào vành điều chinrhqua hệ thống thanh kéo, thanh quay Vành điều chỉnh được điều khiển từ động cơ secvô của máy điều tốc Khi các cánh hướng dòng quay thì không những khoảng cách giữa các cánh hướng dòng đó gọi là độ mở cánh hướng a0 Thay đổi nên lưu lượng đi vào tuabin thay đổi mà cả hướng của vận tốc đi vào BXCT cũng thay đổi Số lượng cánh hướng thường nằm trong khoảng từ 16 -32 cánh Tuabin nhỏ (D1<225cm) có 16 cánh Ở tuabin lớn với (D1<650cm) có 24 cánh, còn với (D1>700cm)

có 32 cánh Tuabin cực nhỏ bộ phận hướng dòng thường có cánh cố định chuyển hướng của vận tốc dòng chảy vào BXCT và thường có số cánh ít hơn 10 – 14 cánh Để giảm bớt tổn thất thủy lực ở bộ phận hướng dòng hình dáng các cánh hướng dòng phải thuận dòng

và bề mặt tiếp xúc với nước phải nhẵn và phải phối hợp với buồng taubin Trụ stator sao cho góc tới của dòng chảy trong các chế độ làm việc của tuabin là bé nhất Ngoài các bộ phận trên còn có nắp tuabin và bộ phận đỡ trục ổ hướng của tuabin

b Tuabin tâm trục (Francis turbines)

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 được sử dụng rộng rãi trong các trạm có cột nước cao: H= 30-700m Đối với các trạm nhỏ tuabin này

có thể làm việc với cột nước H > 4m Bánh công tác gồm hệ thống cánh gắn chặt với 2

vành đĩa trên và dưới thành một khối cứng Cánh có dạng cong không gian và số cánh có

từ 12 đến 22 chiếc Trong điều kiện vận chuyển hạn chế có thể chế tạo bánh xe công tác gồm 2 hoặc 3 mảnh Khi lắp ráp tại hiện trường sẽ hàn nối các rãnh phân chia Cũng có khi người ta chế tạo cánh bánh xe công tác riêng rồi hàn hoặc đúc liền vào vành trên và vành dưới Tuabin tâm trục có hiệu suất cao nhưng cánh cổ định chỉ thích hợp với trạm

có cột nước ít thay đổi

https://www.google.com.vn/search?tbm=isch&q=Propeller+Turbines#tbm=

isch&q=FrancisTurbines&imgrc=alvkwAoyEUeU7M%3A

Hình 1-11: Tuabin tâm trục đứng

c Tuabin hướng chéo (Diagonal flow turbine)

Hình 1-12: Tuabin hướng chéo

Tuabin hướng chéo kết hợp với cả 2 loại tuabin tâm trục và tuabin hướng trục cánh điều chỉnh Dòng chảy qua vùng bánh xe công tác của tuabin này có hướng tạo với trục quay một góc nào đó thường có 45- 60 độ 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 có cột nước H= 30-150m 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

d Tuabin cánh quay (Kaplan turbines)

Tuabin cánh quay thuộc loại tuabin phản lực thường gặp ở các nhà máy thủy điện vừa và lớn với cột nước thấp và trung bình Mẫu tuabin này do kỹ sư Vikto Kaplan, người Tiệp Khắc đề xuất năm 1913 Cột nước làm việc của tuabin cánh quay là H=6 -80m Mặc dù các bộ phận nói chung giống tuabin chong chóng, song kết cấu tuabin Kaplan phức tạp hơn

tự do trong môi trường áp lực không khí, chỉ sử dụng phần động năng và chỉ có một số

cánh BXCT đồng thời chịu tác động của tia nước mặt khác bánh xe công tác của nó bao giờ cũng đặt cao hơn mực nước hạ lưu

a Tuabin gáo (còn gọi là Pelton Turbines)

Tuabin gáo do nhà khoa học người Mỹ phát minh năm 1870 Tuabin gáo thường dùng ở nhà máy thủy điện có cột nước cao H= 300 – 2000m nhà máy lớn và H= 40 -250m ở nhà máy thủy điện nhỏ Tuabin gáo là loại tuabin xung lực được sử dụng nhiều nhất, phần dẫn dòng của nó gồm bánh công tác và vòi phun Bánh công tác có nhiều cánh hình gáo được gắn chặt lên bánh công tác

Tuabin gáo có nguyên lý làm việc khác với tuabin phản lực nên về cấu tạo cũng khác hẳn Tuabin gáo có thể đặt đứng hoặc ngang, tuabin loại trục ngang thường có công suất bé và có từ 1 -2 phun cho 1 bánh xe công tác, số lượng bánh xe công tác trên cùng một trục thường là 1 hoặc 2

http://www.turbinesinfo.com/what-is-a-turbine/

Hình 1-14: Tuabin gáo

Bánh công tác: Gắn liền trên trục tuabin, trục này nối với trục máy phát thông

thường tuabin gáo đặt ngang, chỉ có một 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 đay dòng chảy theo ống dẫn vào vòi phun với vận tốc

đủ lớn tác dụng vào các cánh gáo và tạo thành momen quay Ngoài ra, vòi phun làm

nhiệm vụ điều chỉnh lưu lượng qua bánh công tác Tuabin gáo làm việc với cột nước H= 40- 300m

b.Tuabin tia nghiêng

Tuabin này khác với tuabin gáo là dòng chảy vào vòi phun hướng vào bánh công tác dưới một góc nghiêng Bánh công tác gồm các cánh cong gắn chặt lên 2 đĩa bên bánh công tác có hình dạng đơn gian hơn dạng gáo nên dễ chế tạo Vòi phun của loại này tương tự như vòi phun của tuabin gáo Tuabin tianghieeng được lắp cho các trạm thủy điện nhỏ Hiệu suất của tuabin này thường nhỏ hơn hiệu suất của tuabin gáo

www.ihr.org.vn

Hình 1-15: Tuabin tia nghiêng loại 2 vòi phun

c Tuabin tác dụng kép (Tuabin xung kích 2 lần)

Tuabin này có dòng chảy từ vòi phun tác dụng lên bánh xe công tác 2 lần: Dòng chảy đi

từ ngoài vào tâm sau đó lại hướng từ tâm ra ngoài, nên gọi 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 Nó được dùng cho cá trạm

thủy điện có cỡ nhỏ N= 5 – 100KW

Hình dáng bánh xe công tác tuabin xung kích 2 lần gần giống lồng sóc Dòng nước

từ vòi phun tác dụng vào các cánh phía trên nhận khoảng chừng 80% năng lượng của dòng nước, đẩy bánh xe công tác lần thứ nhất xong lại đi vào khoảng trống giữa bánh xe công tác rồi lại tác dụng lần thứ 2 vào cánh trước khi ra khỏi bánh xe công tác nhận thêm

20 -30% phần năng lượng còn lại Hiệu suất của loại tuabin này tùy thuộc vào số cánh của bánh xe công tác và vào khoảng 80 -85% Ưu điểm của loại tuabin này là có thể chọn đường kính bánh xe công tác và số vòng quay tuabin trong một phạm vi rộng mà không phụ thuộc vào lưu lượng, bởi vì lưu lượng không chỉ phụ thuộc vào đường kính mà còn phụ thuộc vào chiều rộng bánh xe công tác nữa Như vậy có thể chế tạo tuabin với đường kính bé có vòng quay lớn, do vậy giảm giá thành chế tạo tuabin và tổ máy thủy lực

www.micro-hydro-power.com

Hình 1-16: tuabin xung kích 2 lần

1.3.2 Phân loại theo số vòng quay đặc trƣng của tuabin

Trong các loại máy thủy lực nói chung người ta đưa ra khái niệm về các máy tương tự và số vòng quay đặc trưng Các khái niệm này áp dụng cho tuabin, như vậy các tuabin tương tự thì 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 Số vòng quay đặc trưng của tuabin tâm trục ký hiệu là ns

Khi lựa chọn tuabin thủy lực cần dựa vào vào các thông số công suất (N), cột nước (H), số vòng quay (ns) Làm đại lượng đặc trưng tổng hợp cho 3 thông số kể trên

Số vòng quay đặc trưng là số vòng quay của một tuabin làm việc với cột áp H=1m, phát ra công suất 1kw

Số vòng quay đặc trưng của một tuabin được xác định theo công thức:

√

⁄

Tính theo các thông số quy dẫn:

Với ni = Số vòng quay quy dẫn (v/ph)

Qi = Lưu lượng quy dẫn (m3/s)

Hình 1-17: Phân loại tuabin theo nsTrên hình 1-14 là hình dạng phần dẫn dòng của các loại tuabin ứng với giá trị các

số vòng quay đặc trưng khác nhau ns

Bảng 1-2: phân loại tuabin theo ns

Bảng 1-3: Số vòng quay đặc trưng theo n s

Hình 1-18: Phạm vi sử dụng cột nước và lưu lượng

H = 3 - 15m, người ta đã sử dụng tổ máy Capxun trục ngang có tỷ tốc lớn và rẻ hơn

Sở dĩ sử dụng tuabin cánh quay trục đứng ở phạm vi cột nước tương đối cao (H =

50 - 80 m) là để tăng hiệu suất bình quân của tổ máy trong trường hợp nhà máy làm việc với phụ tải vàcột nước thay đổi tương đối lớn Vì tuabin tâm trục làm việc trong điều kiện

đó sẽ cho hiệu suất bình quân tương đối thấp Nhưng mặt khác, tuabin hướng trục đứng

có đặc tính xâm thực kém hơn so với tuabin tâm trục, bởi thế tuabin cánh quay hạn chế làm việc ở cột nước cao Vì vậy gần đây, người ta đã sử dụng hệ tuabin mới, có thể kết hợp được các ưu điểm của các hệ tuabin nói trên, như có hiệu suất bình quân tương đối cao khi cột nước H và phụ tải dao động lớn (của tuabin cánh quay) và có đặc tính xâm thực và độ sâu lắp đặt tuabin tương đối nhỏ (của tuabin tâm trục) Đó là hệ tuabin chéo trục, trong thực tế đã sử dụng với phạm vi cột nước H = 30 - 200m Tuabin tâm trục hiện nay thường dùng với cột nước H = 30 -700m, như vậy nó đã thay thế phạm vi cột nước H

= 300 - 700m, mà đáng lẽ trước đây thường dùng tuabin gáo Trong phạm vi cột nước nói trên nên dùng tuabin gáo chỉ khi phụ tải của tuabin đảm nhận dao động nhiều, nước lẫn nhiều tạp chất và điều kiện xây dựng không cho phép tuabin lắp đặt ở độ sâu quá lớn.Ở các điều kiện khác, nên sử dụng tuabin tâm trục vì hiệu suất của nó lớn hơn tuabin gáo từ 2-3% Hiện nay, tuabin gáo chủ yếu dùng ở cột nước lớn hơn 500m (H = 500 - 2000m) Đối với tuabin cỡ nhỏ, vì điều kiện xây dựng cũng như khả năng chế tạo nên phạm vi sử