Nghiên cứu công nghệ chế tạo phụ hồi bánh công tác tuabin

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN THIẾT KẾ VÀ CÔNG CHẾ TẠO BÁNH CÔNG TÁC TUABIN THỦY ĐIỆN 1.1 Nhu cầu về sử dụng bánh công tác tuabin trong các nhà máy thủy điện ở Việt Nam Tính đến năm 2016 nguồn năn

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả nêu trong Luận văn là do bản thân Tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS Đoàn Yên Thế và TS Phạm Phúc Yên Ngoài các phần tài liệu tham khảo đã được liệt kê và nêu rõ trong Luận văn, các số liệu và kết quả thực nghiệm là trung thực, chưa từng được ai công bố trong bất kỳ một công trình nào khác

Hà nội, Ngày tháng năm 2019

Người thực hiện

Trần Tuấn Anh

LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin chân thành cảm ơn TS Đoàn Yên Thế và TS Phạm Phúc Yên đã hướng dẫn và giúp đỡ tận tình từ định hướng đề tài, tổ chức thực nghiệm đến quá trình viết và hoàn chỉnh Luận văn

Tác giả bày tỏ lòng biết ơn đối với Ban lãnh đạo khoa Cơ khí trường đại học Thủy Lợi

và Viện Thủy điện & Năng lượng tái tạo đã tạo điều kiện thuận lợi để tác giả có thể hoàn thành bản Luận văn này

Tác giả xin chân thành cảm ơn trung tâm Khoa học & Công nghệ Cơ khí – Trường đại học Thủy Lợi và các giáo viên thuộc trung tâm đã tạo điều kiện về thiết bị và giúp đỡ trong quá trình sự dụng thiết bị để tiến hành thực nghiệm; đồng thời tác giả cũng chân thành cảm ơn những ý kiến đóng góp của các thầy, cô giáo thuộc khoa Cơ khí và các đồng nghiệp đã giúp đỡ tác giả tháo gỡ những vướng mắc trong thời gian thực hiện Luận văn

Do năng lực bản thân còn nhiều 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 nhà khoa học và các bạn đồng nghiệp để Luận văn được hoàn thiện hơn và có ý nghĩa trong thực tiễn

Hà nội, ngày tháng năm 2019

Người thực hiện

Trần Tuấn Anh

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN I LỜI CẢM ƠN II DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ V DANH MỤC BẢNG VIII

PHẦN MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN THIẾT KẾ VÀ CÔNG CHẾ TẠO BÁNH CÔNG TÁC TUABIN THỦY ĐIỆN 4

1.1 Nhu cầu về sử dụng bánh công tác tuabin trong các nhà máy thủy điện ở Việt Nam 4 1.2 Công dụng, phân loại, các dạng hỏng của bánh công tác tuabin 8

1.2.1 Công dụng của bánh công tác tuabin 8

1.2.2 Các dạng hỏng của cánh tuabin 8

1.3 Vấn đề gia công chế tạo bánh công tác turbin trong và ngoài nước 9

1.4 Sử dụng kỹ thuật CAD/CAM/CNC trong gia công chế tạo bánh công tác tuabin thủy điện 10

1.5 Công nghệ quét 3D và ứng dụng trong sản xuất cơ khí 11

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 13

CHƯƠNG 2 QUY TRÌNH THIẾT KẾ VÀ PHỤC HỒI BÁNH CÔNG TÁC TUABIN 14

2.1 Quy trình thiết kế mới Bánh công tác tuabin 14

2.2 Quy trình phục hồi bánh công tác tuabin 15

2.2.1 Phân loại và đánh giá tình trạng hỏng bánh công tác 15

2.2.2 Quy trình phục hồi bánh công tác tuabin 16

2.3 Quy trình thiết kế, chế tạo bánh công tác thay thế mới 20

2.4 Ứng dụng CAD/CAM/CNC trong gia công bánh công tác tuabin 23

2.5 Phân tích lựa chọn quy trình chế tạo bánh công tác 25

2.6 Kết luận chương 2 26

CHƯƠNG 3 CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG QUY TRÌNH GIA CÔNG CHẾ TẠO BÁNH

3.2 Trang thiết bị sử dụng phục vụ cho đề tài 30

3.2.1 Máy phay CNC Kamioka VMC-850 30

3.2.2 Máy quét 3D ACTOS CORE 300 32

3.2.3 Lựa chọn và thông số dụng cụ cắt sử dụng trong đề tài 33

3.3 Thiết kế đồ gá gia công là cánh bánh công tác tuabin 37

3.3.1 Phôi lá cánh bánh công tác 37

3.3.2 Phương án định vị phôi 38

3.3.3 Phương án kẹp chặt phôi 44

3.3.4 Thiết kế đồ gá bằng phần mềm Solidworks 47

3.4 Thực nghiệm và lựa chọn chế độ gia công lá cánh trên máy CNC 49

3.4.1 Thực nghiệm vàl lựa chọn chiều sâu cắt khi gia công 51

3.4.2 Thực nghiệm và lựa chọn vòng quay trục chính khi gia công S (vg/ph) 54

3.4.3 Thực nghiệm và lựa chọn tốc độ ăn dao theo phương XY và Z (mm/ph) 55

3.4.4 Tổng hợp chế độ cắt sử dụng cho gia công lá cánh 56

3.5 Ứng dụng phần mềm SolidCAM lập trình gia công lá cánh tuabin 57

3.5.1 Ứng dụng phần mềm SolidCAM lập trình gia công mặt 1 và các mặt bên lá cánh 57

3.5.2 Ứng dụng phần mềm SolidCAM lập trình gia công mặt 2 62

3.6 Ứng dụng công nghệ quét 3D trong việc gá đặt và kiểm soát chất lượng gia công 63

3.6.1 Ứng dụng công nghệ quét 3D trong việc gá đặt khi gia công 63

3.6.2 Ứng dụng công nghệ quét 3D kiểm soát chất lượng gia công 67

3.7 Kết luận chương 3 70

CHƯƠNG 4 THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ ĐỀ TÀI 71

4.1 Kết quả gia công và quét 3D kiểm tra các lá cánh 71

4.2 Hoàn thiện bánh công tác tuabin 74

4.3 Kết quả lắp đặt và vận hành bánh công tác 76

4.4 Kết luận chương 4 77

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 78

KẾT LUẬN 78

KIẾN NGHỊ 79

TÀI LIỆU THAM KHẢO 80

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hinh 1-1 Quy hoạch phát triển sản lượng điện 2020 đến 2030 4

Hinh 1-2 Quy hoạch phát triển năng lượng thủy điện 2020 đến 2030 5

Hinh 1-3 Sơ đồ hoạt động nhà máy thủy điện 5

Hình 1.4 Cụm công tác tuabin kiểu FranciPhân loại bánh công tác tuabin 6

Hình 1-5 Các loại bánh công tác tuabin thông dụng 7

Hình 1-6 Biểu đồ so sánh và lựa chọn bánh công tác tuabin theo công suất 7

Hình 1-7 Các dạng hỏng của cánh turbin 9

Hình 1-8 Bánh công tác tuabin chế tạo từ nhà cung cấp Trung Quốc 10

Hình 1-9 Gia công Bánh công tác tuabin Francis trên máy phay CNC 5 trục 11

Hình 1-10 Phương pháp đo 3D tiếp xúc 12

Hình 1-11 Công nghệ đo 3D bằng phương pháp đo không tiếp xúc 12

Hình 2-1 Quy trình thiết kế Bánh công tác tuabin mới 14

Hình 2-2 Dạng hỏng bánh công tác tuabin 16

Hình 2-3 Quy trình phục hồi bánh công tác tuabin 18

Hình 2-4 Quét lấy mẫu bánh công tác hư hỏng 19

Hình 2-5 Thiết kế dữ liệu 3D bánh công tác tuabin 19

Hình 2-6 Phục hồi bánh công tác bằng các biện pháp công nghệ 20

Hình 2-7 Quy trình phục chế tạo bánh công tác tuabin mới 22

Hình 2-8 Phục hồi bánh công tác bằng các biện pháp công nghệ 23

Hình 2-9 Lập trình và gia công bánh công tác Tuabin trên máy CNC 5 trục 24

Hình 2-10 Gia công bánh công tác sử dụng máy CNC 3 trục 25

Hình 3-1 Bánh công tác cũ hỏng cần thay thế 28

Hình 3-3 Bản vẽ 3D bánh công tác Tuabin 30

Hình 3-4 Máy phay CNC 3 trục Kamioka VMC-850 32

Hình 3-5 Máy quét 3D ACTOS CORE 300 33

Hình 3-6 Bề mặt sau gia công sử dụng dao phay ngón 34 Hình 3-7 Khả năng khó cắt gọt và cháy đỉnh dao khi gia công mặt 2 bằng dao ngón 34

Hình 3-11 Phôi đúc lá cánh và bề mặt gia công 37

Hình 3-12 Các bậc tự do cần hạn chế khi định vị lá cánh 38

Hình 3-14 Định vị bằng phiến tỳ khi gia công mặt 1 của chi tiết 39

Hình 3-15 Định vị bằng phiến tỳ khi gia công mặt 2 của chi tiết 39

Hình 3-16 Các loại chốt tỳ thông dụng 41

Hình 3-17 Định vị bằng chốt tỳ điều chỉnh, phiến tỳ gia công mặt 1 41

Hình 3-18 Định vị bằng chốt tỳ điều chỉnh, phiến tỳ gia công mặt 2 42

Hình 3-19 Định vị bằng chốt tỳ điều chỉnh, phiến tỳ, chốt định vị gia công mặt 1 43

Hình 3-20 Định vị bằng chốt tỳ điều chỉnh, phiến tỳ, chốt định vị gia công mặt 2 43

Hình 3-21 Phương án kẹp chặt bằng đòn kẹp 44

Hình 3-22 Phương án kẹp chặt bằng má kẹp 45

Hình 3-23 Phương án kẹp chặt hàn khi gia công mặt 1 45

Hình 3-24 Phương án kẹp chặt hàn khi gia công mặt 2 46

Hình 3-25 Thiết kế đồ gá gia công mặt 1 47

Hình 3-26 Gá đặt chi tiết trên đồ gá gia công mặt 1 48

Hình 3-27 Đồ gá gia công mặt 1 được chế tạo và sử dụng 48

Hình 3-28 Thiết kế đồ gá gia công mặt 2 48

Hình 3-29 Gá đặt chi tiết trên đồ gá gia công mặt 2 49

Hình 3-30 Đồ gá gia công mặt 2 được chế tạo và sử dụng 49

Hình 3-31 Tính chất cơ lý vật liệu lá cánh 50

Hình 3-32 Kết quả cắt với chiều sâu T = 1 mm 52

Hình 3-33 Kết quả cắt với chiều sâu T = 2 mm 52

Hình 3-34 Kết quả cắt với chiều sâu T = 3 mm 53

Hình 3-35 Kết quả cắt với chiều sâu T = 4 và 5 mm 53

Hình 3-36 Dụng cụ cắt khi gia công chiều sâu cắt khác nhau đến khi hết lượng dư 54

Hình 3-37 Gia công thử nghiệm với các tốc độ trục chính thay đổi 55

Hình 3-38 Minh họa chuyển động FXY và chuyển động FZ khi gia công 56

Hình 3-39 Thông số dụng cụ cắt và chế độ gia công lỗ định vị 58

Hình 3-40 Kết quả lập trình khi gia công lỗ định vị 59

Hình 3-41 Thông số dụng cụ cắt và chế độ gia công biên dạng mặt 1 60

Hình 3-42 Kết quả lập trình khi gia công lỗ định vị 61

Hình 3-43 Kết quả lập trình khi gia công biên dạng xung quanh 62

Hình 3-44 Kết quả lập trình khi gia công biên dạng mặt 2 62

Hình 3-45 Lượng cắt không đều khi gia công mặt 1 63

Hình 3-46 Lượng cắt không đều khi gia công mặt 2 64

Hình 3-47 Sai khác giữa gá đặt thực tế và thiết kế khi gia công mặt 1 64

Hình 3-48 Sai khác giữa gá đặt thực tế và thiết kế khi gia công mặt 1 65

Hình 3-49 Quy trình gá đặt chi tiết gia công ứng dụng công nghệ 65

Hình 3-50 Áp dụng quy trình gá đặt ứng dụng công nghệ quét 3D gia công mặt 1 66

Hình 3-51 Áp dụng quy trình gá đặt ứng dụng công nghệ quét 3D gia công mặt 2 66

Hình 3-52 Kết quả gia công ứng dụng quy trình gá đặt thay đổi 67

Hình 3-53 Quy trình kiểm tra chất lượng gia công 68

Hình 3-54 Ứng dụng công nghệ quét 3D kiểm tra mặt 1 sau gia công 69

Hình 3-55 Ứng dụng công nghệ quét 3D kiểm tra mặt 2 sau gia công 69

Hình 4-1 Kết quả gia côn lá cánh số 5 73

Hình 4-3 Kết quả gia công lá cánh số 16 74

Hình 4-4 Mài tinh bề mặt lá cánh 74

Hình 4-5 Hàn ghép lá cánh lên bánh công tác 75

Hình 4-6 Sửa nguội và cân bằng động 75

Hình 4-7 Bánh công tác hoàn thiện và bánh công tác cũ hỏng 75

Hình 4-8 Lắp đặt bánh công tác vào các tổ máy 76

Hình 4-9 Công suất phát các tổ máy khi đưa vào vận hành 76

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật bánh công tác 27

Bảng 3.2 Thành phần vật liệu bánh công tác 27

Bảng 3.3 Thông số máy phay CNC 3 trục VMC-850 31

Bảng 3.4 Thông số kỹ thuật máy quét 3D ACTOS CORE 300 32

Bảng 3.5 Thông số sử dụng cho lựa chọn và tính toán 51

Bảng 3.6 Thông số lập trình gia công hai lỗ định vị 59

Bảng 3.7 Thông số lập trình gia công biên dạng mặt 1 61

Bảng 4.1 Kết quả quét kiểm tra 14 lá cánh của bánh công tác số 1 71

Bảng 4.2 Kết quả quét kiểm tra 14 lá cánh của bánh công tác số 2 72

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Cho đến nay, thủy điện đóng vai trò rất lớn trong biểu đồ cân bằng năng lượng quốc gia, chiếm khoảng 40% điện lượng cả nước Trong đó, thủy điện nhỏ, nguồn năng lượng tái tạo đạt hiệu quả nhất, chiếm phần quan trọng không thể thiếu đối với kinh tế năng lượng nói chung

Theo báo cáo của Cục Kỹ thuật An toàn và Môi trường Công nghiệp (Bộ Công thương), tính đến năm 2017 cả nước có 330 công trình thuỷ điện được đưa vào khai thác, với 194 công trình thuỷ điện nhỏ (Công suất lắp đặt nhỏ hơn hoặc bằng 30 MW), tương đương với 500-600 tổ máy đồng bộ đang hoạt động Sau thời gian hoạt động 5 – 10 năm hầu hết các thiết bị cần được sửa chữa, đại tu Cộng thêm việc hầu hết các thiết bị của các công trình thuỷ điện nhỏ được nhập từ Trung Quốc với chất lượng đa dạng tuy nhiên với đặc điểm là xuống cấp nhanh Do đó để tránh gây những tổn hại về kinh tế cũng như các hoạt động của xã hội do phải ngừng các tổ máy vì hỏng hóc là một nhu cầu vô cùng cấp thiết

Một trong những thành phần quan trọng trong phần cơ khí động lực của các tổ máy cần kể đến là bánh công tác tuabin, có vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi năng lượng dòng chảy thành năng lượng điện Theo thời gian các tuabin có thể bị mòn, hư hỏng, bị xâm thực dẫn đến giảm công suất hoặc hư hỏng cần được thay thế mới

Hiện nay, kỹ thuật gia công cơ khí trên các máy điều khiển số CNC đang được ứng dụng và phát triển mạnh mẽ tại Việt Nam cũng như các nước trên thế giới Ngành công nghệ gia công, chế tạo có những bước phát triển vượt bậc với những máy CNC có khả năng gia công đạt độ chính xác rất cao đáp ứng nhu cầu đa dạng của sản xuất, hạ giá thành sản phẩm Cùng với đó, kỹ thuật quét 3D và thiết kế ngược ra đời đã tạo ra những lợi thế vượt bậc trong ngành chế tạo nói chung và phục chế cơ khí nói riêng

Nắm bắt được nhu cầu cơ hội trên, cùng với những lợi thế hợp tác giữa khoa Cơ khí Đại học Thuỷ Lợi và viện Thuỷ điện & Năng lượng tái tạo Tác giả đã chọn và thực hiện

đề tài:

“Nghiên cứu công nghệ chế tạo phục hồi bánh công tác tuabin”

2 Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tương, phạm vi nghiên cứu

- Thiết kế, chế tạo đồ gá, thiếp lập thông số gia công phù hợp trên máy phay CNC

3 trục khi gia công bánh công tác tuabin

2.2 Đối tượng nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu là bánh công tác tuabin thuỷ điện Cốc San Hạ - Lào Cai, với vật liệu chống gỉ và mài mòn OCr13Ni4Mo, công suất 700 kW

- Máy phay 3 trục CNC VMC-850 Kamioka, dao cầu Ø16 WIDIN DB512160

- Máy quét Gom Scan ACTOS Core, tích hợp ứng dụng Gom Scan và Gom

Inspection

2.3 Phạm vi nghiên cứu

Xây dựng quy trình gia công chế tạo bánh công tác tuabin ứng dụng công nghệ quét 3D và công nghệ CAD/CAM/CNC

3 Tóm tắt nội dung thực hiện và đóng góp mới của tác giả

Nội dung nghiên cứu gồm:

Tổng quan về công nghệ chế tạo bánh công tác tuabin và phục hồi bánh công tác

4 Phương pháp nghiên cứu

- Ứng dụng các công cụ quét 3D, công nghệ CAD/CAM/CNC để đưa ra quy trình thực nghiệm gia công bánh công tác tuabin

- Phân tích và đưa ra phương án gia công cắt gọt tối ưu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN THIẾT KẾ VÀ CÔNG CHẾ TẠO BÁNH CÔNG TÁC TUABIN THỦY ĐIỆN

1.1 Nhu cầu về sử dụng bánh công tác tuabin trong các nhà máy thủy điện ở Việt Nam

Tính đến năm 2016 nguồn năng lượng từ thủy điện của cả nước đạt gần 17.000MW, với hang trăm công trình thủy điện được đưa vào sử dụng Trong Quyết định số 428/QĐ-TTG về “phê duyệt điều chỉnh Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2011-2020 có xét đến năm 2030” chỉ rõ ưu tiên phát triển nguồn điện sử dụng năng lượng tái tạo, trong đó có thủy điện Hình 1-1 thể hiện nhu cầu và định hướng phát triển sản lượng điện qua các năm từ 2020 đến 2030 [7] Hình 1-2 về quy hoạch phát triển nguồn năng lượng thủy điện theo các năm từ 2020 đến 2030 Như vậy có thể thấy rõ thủy điện đã và đang duy trì vai trò quan trọng, đóng góp rất lớn vào các hoạt động của xã hội cũng như sự phát triển của đất nước

Hinh 1-1 Quy hoạch phát triển sản lượng điện 2020 đến 2030

Hinh 1-2 Quy hoạch phát triển năng lượng thủy điện 2020 đến 2030

Hinh 1-3 Sơ đồ hoạt động nhà máy thủy điện

Như vậy để đáp ứng cho nhu cầu về điện năng trong những năm tới thủy điện tiếp tục được đẩy mạnh phát triển Bên cạnh việc xây dựng các công trình mới, việc thay thế sửa chữa trong các công trình đang hoạt động là một điều cấp thiết Một trong những thành phần quan trọng của các tổ máy đó chính là bánh công tác tuabin Tuabin là bộ phận quan trọng chuyển hóa năng lượng nước thành năng lượng điện (Hình 1-4) Chỉ tính các nhà máy thủy điện cỡ nhó (dưới 30MW) Việt Nam hiện tại đã có hơn 300

2030 2025

2020 2015

17000

30000

25000

20000

Hình 1.4 Cụm công tác tuabin kiểu FranciPhân loại bánh công tác tuabin

Tùy theo công suất phục vụ, Tuabin được sử dụng rất đa dạng bao gồm một số loại như: kiểu Francis, kiểu Pelton, kiểu Kaplan, kiểu Crossflow, kiểu Turgo (Hình 1-5) Hình 1-6

Kiểu Pelton (cánh gáo) Kiểu Turgo

Kiểu Francis (tâm trục) Kiểu Kaplan (hướng trục)

Kiểu Crossflow Kiểu Fixed pitch propeller

Hình 1-5 Các loại bánh công tác tuabin thông dụng

với hiệu suất cao (lên đến trên 90%) và có thể cho công suất từ vài chục kW đến hàng trăm MW nên được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy có công suất từ nhỏ đến lớn

1.2 Công dụng, phân loại, các dạng hỏng của bánh công tác tuabin

Nước từ các bể chứa áp lực của nhà máy sẽ đi vào buồng xoắn tuabin, sau đó làm cho

cơ năng được truyề trực tiếp cho máy phát điện Tại đây điện năng được xử lý và truyền tải và phân phối đến các nơi tiêu thụ Như vậy có thể thấy bánh công tác tuabin đóng vai trò chính để chuyển năng lượng của dòng nước chảy thành năng lượng điện

+) Hỏng do mài mòn: trong dòng nước chảy qua bánh công tác luôn chứa những hạt có

thể làm mòn bề mặt bánh công tác như: cát, hạt kim loại, khoáng… có trong tự nhiên

Sự kết hợp với nước dòng chảy khiến chúng giống như các hạt mài và làm mòn bánh công tác một cách liên tục Do vậy ở những nơi nước có nhiều cát, bánh công tác sẽ mòn và hỏng nhanh chóng

+ Hỏng do xâm thực: hiện tượng xảy ra do áp suất nước trên toàn bộ biên dạng cánh

có sự thay đổi phức tạp từ áp suất cao đến áp suất rất thấp (tại giá trị khiến nước đạt đến trạng thái bay hơi) Do xảy ra quá trình thay đổi liên tục áp suất sự va đập mạnh với tần số cao của nước với bánh công tác, đồng thời sự gia tăng nhiệt độ tại một số vùng cánh làm cho cánh bị rỗ ở thời gian đầu Các vết rỗ xuất hiện càng tạo điều kiện cho quá trình này xảy ra mạnh mẽ hơn, dần dần trên cánh xuất hiện các hốc to hơn dẫn đến mòn và hỏng bánh công tác

Hiện tượng hỏng do mòn và xâm thực được minh hoạt trên Hình 1-7 Sau thời gian sử dụng từ 5 đến 7 năm, hầu hết cánh turbin sẽ bị hỏng, do đó không đạt đủ công suất và thậm chí hỏng hẳn nếu không được phục hồi và thay thế Biện pháp khắc phục các dạng hỏng trên được dựa theo tình trạng của cánh và có thể phân chia làm các dạng sau:

 Dạng mòn có thể phục hồi: với loại cánh này hầu hết chiều dày trên toàn bộ

cánh đã không còn đủ như ban đầu, đòng thời công suất cũng đã bị giảm so với thiết

kế Với dạng này việc phục hồi được thực hiện bằng cách đắp kim loại có cùng tính

phương pháp này cánh có thể phục hồi khả năng hoạt động của bánh công tác và kéo dài thời gian hoạt động thêm từ 2-3 năm

 Dạng mòn không thể phục hồi: cần thay thế cánh công tác mới, có xuất xứ từ

nước ngoài hoặc trong nước Tuy nhiên hiện tại năng lực chế tạo của các doanh nghiệp trong nước còn hết sức hạn chế, phương pháp chế tạo còn thủ công chưa thể đáp ứng được nhu cầu cấp thiết của hiện tại đặt ra

Hỏng do xâm thực

Hỏng do mài mòn

Hình 1-7 Các dạng hỏng của cánh turbin

1.3 Vấn đề gia công chế tạo bánh công tác turbin trong và ngoài nước

Do đặc thù bánh công tác tuabin có cấu tạo phức tạp nên hiện tại đa số được nhập từ nước ngoài như các nước châu Âu, Trung Quốc Trong đó Trung Quốc vẫn là lựa chọn của đại đa số các công trình do đặc thù giá rẻ và chế tạo nhanh chóng Tại Việt Nam việc phục hồi và sửa chữa mới chỉ được thực hiện ở một vài cơ sở với năng xuất thấp và thủ công chưa thể đáp ứng nhu cầu thực tế của các công trình

liệu tốt bánh công tác loại này có thời gian phục vụ có thể lên đến 10 năm tuy nhiên hạn chế đó là giá thành đo đó ít được lựa chọn cho các công trình

+ Bánh công tác tuabin được chế tạo từ Trung Quốc: đa số bánh công tác tuabin chế tạo

có nguồn gốc xuất xứ từ Trung Quốc thường có giá rẻ, tuy nhiên xuống cấp nhanh và sau thời gian từ 3-5 năm đã cần phải phục hồi hoặc thay thế Nguyên nhân của vấn đề này có thể xuất phát từ một số yếu tố như: công nghệ chế tạo, vật liệu, và chất lượng hoàn thiện của bánh công tác tuabin

+ Bánh công tác tuabin phục hồi chế tạo trong nước: do đặc điểm hạn chế về công

nghệ, đặc biệt là thiếu tính liên kết giữa các bên liên quan dẫn đến việc chế tạo trong nước còn hết sức khó khăn và nhỏ lẻ Thậm chí do được chế tạo thủ công dẫn đến năng xuất thấp và độ đảm bảo về yêu cầu kỹ thuật còn chưa cao

1.4 Sử dụng kỹ thuật CAD/CAM/CNC trong gia công chế tạo bánh công tác tuabin thủy điện

Ngày nay với sự phát triển của CAD/CAM/CNC các máy gia công được lập trình có thể gia công các chi tiết phức tạp với độ chính xác cao, với chất lượng ổn định Điều này không chỉ góp phần nâng cao năng xuất, giải phóng sức lao động của con người

mà còn góp phần giảm giá thành và khẳng định năng lực của các đơn vị sản xuất

Tại Việt Nam máy gia công CNC hầu hết đã được sử dụng trong các nhà máy, các đơn

vị sản xuất với tính linh hoạt cao Các máy CNC có thể kể đến như máy CNC 3 trục, máy CNC 4 trục và máy CNC 5 trục đảm bảo khả năng gia công hầu hết các chi tiết có

độ phức tạp từ đơn giản đến phức tạp Tuy nhiên để tiếp cận với công nghệ sản xuất tuabin yêu cầu đặt ra không chỉ với máy gia công CNC mà kèm theo đó còn rất nhiều những khó khăn như: cơ sở lý thuyết để mô hình hóa dữ liệu 3D cánh, dụng cụ gá và đo lường, lập trình gia công, quy trình công nghệ chế tạo… Với những hạn chế đó khiến cho việc thiết kế chế tạo bánh công tác tuabin còn gặp nhiều hạn chế tại Việt Nam

Hình 1-9 Gia công Bánh công tác tuabin Francis trên máy phay CNC 5 trục

1.5 Công nghệ quét 3D và ứng dụng trong sản xuất cơ khí

Phương pháp đo 3D đã từ lâu được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực trong đó ứng dụng này càng ngày càng được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực cơ khí:

+ Đo 3D bằng phương pháp đo tiếp xúc: có thể kể đến như máy đo layout, máy đo

CMM, máy đo Faro với độ chính xác cao ((Hình 1-10), tuy nhiên thao tác đo tương đối phức tạp và mất khá nhiều thời gian để thao tác với những vật thể có hình dạng phức tạp

liệu 3D dạng STL, và điều đặc biệt là máy có khẳ năng ghép nhiều ảnh nhanh chóng

để đưa ra dữ liệu của vật thể đo hoàn toàn tự động Bằng phương pháp này mô hình của vật thể được dựng lại có độ chính xác tương đối cao và có thể dựng được các chi tiết phức tạp mà phương pháp đo tiếp xúc không thể thực hiện được (Hình 1-11) Bằng phương pháp đo này việc đo kiểm và đánh giá sản phẩm, gá đặt sản phẩm trong quá trình gia công trở nên đơn giản hơn và tiết kiệm thời gian rất nhiều

Nắm bắt được xu thế trên các nước trên thế giới đã từ lâu ứng dụng vào trong chế tạo

cơ khí để tạo ra những sản phẩm có tính kỹ thuật cao, trong số đó có Trung Quốc Tại nhiều nhà máy ở Trung Quốc máy đo 3D (công nghệ không tiếp xúc, tiếp xúc) đã từ lâu được ứng dụng trong gia công Bánh công tác tuabin đáp ứng nhu cầu trong nước

và xuất khẩu Tuy nhiên, những máy đo quét 3D thường có giá thành còn tương đối cao với các đơn vị sản xuất có quy mô vừa và nhỏ, do đó tại Việt Nam việc ứng dụng còn ít

và tồn tại nhiều hạn chế

Hình 1-10 Phương pháp đo 3D tiếp xúc

Kết luận chương 1

Chương 1 đã chỉ ra được những phân tích bao gồm:

 Nhu cầu phát triển thủy điện của Việt Nam trong tương lai trong giai đoạn

 Ứng dụng công nghệ quét 3D, công nghệ gia công bằng CAD/CAM/CNC

là một trong những lợi thế và tiền đề cho việc gia công chế tạo những mặt hàng có tính

kỹ thuật cao ở Việt Nam, trong đó là bánh công tác tuabin thủy điện

CHƯƠNG 2 QUY TRÌNH THIẾT KẾ VÀ PHỤC HỒI BÁNH CÔNG TÁC TUABIN

Hình 2-1 Quy trình thiết kế Bánh công tác tuabin mới

2.1 Quy trình thiết kế mới Bánh công tác tuabin

Thông thường bánh công tác tuabin mới (Hình 1-11) được thiết kế đồng bộ và xuất phát từ yêu cầu thực tế như: công suất sản sinh điện năng (MW), điều kiện về địa hình,

độ chênh áp giữa đầu và cuối nguồn, lưu lượng dòng chảy… Từ các thông số đầu vào của công trình như: N (MW), H (m), Q (m3/s)… thiết kế bắt đầu từ việc

tiến hành tính toán các thông số cơ bản của bánh công tác: tốc độ quay của tuabin, đường kính bánh công tác, số lá cánh Tiếp đó là thiết kế biên dạng cánh thông qua các mặt cắt của lá cánh và dùng chuyển vị ma trận hệ tọa độ để hình thành biên dạng 3D của lá cánh công tác Kết quả thiết kế 3D sau đó được mô phỏng tính toán và điều chỉnh

để đưa ra kết quả tối ưu trước khi ra đưa ra thiết kế hoàn chỉnh Thiết kế hoàn chỉnh sau đó được đem đi chế tạo và thử nghiệm, kết quả đạt được đối chiếu với tính toán thiết kế để đưa ra quyết định việc áp dụng trong thực tế

Như vậy có thể thấy việc thiết kế bánh công tác tuabin mới là vô cùng phức tạp, đòi hỏi

có trình độ thiết kế rất cao và cơ sở vật chất tốt để triển khai thực nghiệm Cũng vì lý

do trên mà tại Việt Nam và các nước đang phát triển, việc thiết kế mới bánh công tác vẫn chưa thể thực hiện, thay vào đó là xử lý bánh công tác tuabin cũ hỏng bằng cách phục hồi hoặc chế tạo thay thế bánh công tác tuabin với thiết kế tương tự bánh công tác cần thay thế (quy trình thiết kế ngược)

2.2 Quy trình phục hồi bánh công tác tuabin

Quy trình phục hồi bánh công tác tuabin được áp dụng cho bánh công tác tuabin đã bị phá hủy và mòn tuy nhiên chưa hoàn toàn, có nguy cơ hỏng nếu tiếp tục sử dụng Ngoài ra do cánh bị mòn nên biên dạng không còn đúng với thiết kế dẫn đến việc ảnh hưởng đến hiệu suất sản sinh của bánh công tác bị giảm đi so với thiết kế Dạng mòn thường rất đa dạng bao gồm:

+ Mòn nhẹ ở biên dạng cánh, chân cánh và moay ơ: ở dạng này về cơ bản chưa xuất

hiện những phá hủy quá lớn tuy nhiên có nhiều vết lõm, mòn có thể nhìn thấy bằng mắt thường (Hình 2-2.a)

+ Mòn nhiều, có nhiều vết lõm và rách sâu: cánh xuất hiện nhiều vết mòn sâu, thậm

chí có nhiều vết rách từ nhỏ đến lớn Với dạng này hiệu suất giảm rõ rệt và có nguy cơ hỏng cao (Hình 2-2.b)

a Mòn nhẹ ở biên dạng cánh, chân cánh và moay ơ

b Mòn nhiều xuất hiện nhiều vết lõm, rách

Hình 2-2 Dạng hỏng bánh công tác tuabin

Các bước phục hồi bánh công tác tuabin được minh họa Hình 2-3 Xuất phát từ hiện trạng của bánh công tác việc đánh giá và quyết định phương án xử lý phục hồi là rất quan trọng, điều này ảnh hưởng lớn đến kết quả sau phục hồi Tuy nhiên về cơ bản việc phục hồi được tiến hành theo các bước như sau:

+) Lấy mẫu bánh công tác tuabin: bánh công tác tuabin sau khi được tháo khỏi tổ máy

sẽ được đánh giá bởi đội ngũ chuyên môn để tìm nguyên nhân hư hỏng, đồng thời máy quét 3D (Hình 2-4) được sử dụng để lấy dữ liệu cánh cần phục hồi dưới dạng STL Dữ liệu này sau đó được sử dụng để chuyển đổi thành dữ liệu 3D bằng các phần mềm chuyên dùng (Rapid Form, Geomagic Design X, …)

+) Thiết kế phục hồi bánh công tác: dữ liệu 3D quét được từ bánh công tác tuabin hư

hỏng rõ ràng không còn đúng với biên dạng nguyên bản, do đó cần phải được thiết kế chỉnh sửa lại sao cho biên dạng gần với nguyên bản nhất đồng thời đảm bảo công suất của tổ máy Bằng những kỹ thuật về dòng chảy và thủy lực, các lá cánh

của tuabin được chia ra và thiết kế theo nhiều mặt cắt Các mặt cắt này sau đó bằng kỹ thuật chuyển gốc tọa độ (matrix transformation) để tạo thành biên dạng 3D có sự nối tiếp mượt mà từ các mặt cắt Sau cùng biên dạng cánh 3D thiết kế được hoàn thiện và lắp ghép với các chi tiết khác để tạo thành bánh công tác hoàn chỉnh (Hình 2-5)

+) Phục hồi bánh công tác tuabin bằng các biện pháp công nghệ: từ dữ liệu quét ban

đầu và dữ liệu thiết kế phục hồi, bánh công tác được phân tích và lên phương án phục hồi nguyên dạng ban đầu Với các vị trí còn đảm bảo độ dày sẽ được hàn đắp để đạt độ dày, với những vị trí không thể hàn đắp sẽ được cắt bỏ và sử dụng các tấm kim loại có cùng mác thép và hàn đắp vào biên dạng Cũng từ bản vẽ thiêt kế phục hồi các dưỡng kiểm được chế tạo sao cho có thể kiểm tra bề mặt trong và ngoài của cánh có phù hợp với thiết kế Các dưỡng này sau đó được sử dụng để kiểm tra bề mặt cánh sau khi hàn

và mài để đạt biên dạng mong muốn Bên việc phục hồi các lá cánh, phần moay ơ, lỗ trục, then cũng sẽ được phục hồi bằng các biện pháp tương tự và tiện để đạt kích thước như thiết kế (Hình 2-6)

+) Gia công tinh bánh công tác: sau khi bánh công tác được gia công cho gần với biên

dạng thiết kế bao gồm việc hàn đắp, mài và tiện gia công vành moay ơ của bánh công tác, các la cánh sẽ được mài tinh để biên dạng đảm bảo đúng với dưỡng kiểm, đồng thời bề mặt các lá cánh đạt độ nhẵn theo yêu cầu của bánh công tác

+) Cân bằng tĩnh: bánh công tác được đặt trên đồ gá chuyên dùng, sau đó các lá cánh

tiếp tục được mài sửa sao cho vừa đảm bảo độ chính xác và độ cân bằng trên toàn bộ cánh Thao tác này đảm bảo tránh phát sinh ra lực ly tâm khi bánh công tác làm việc

+ Lắp đặt, vận hành, đo kiểm dữ liệu: bánh công tác được vận chuyển đến nơi sử dụng,

lắp đặt vào tổ máy và vận hành Kết quả sau đó được đo lại để đánh giá công suất có đạt như yêu cầu Trường hợp cần chỉnh sửa cánh sẽ được đưa về phân tích, đánh giá để hiệu chỉnh cho đến khi đạt được công suất thiết kế

Hình 2-4 Quét lấy mẫu bánh công tác hư hỏng

Hình 2-5 Thiết kế dữ liệu 3D bánh công tác tuabin

Hình 2-6 Phục hồi bánh công tác bằng các biện pháp công nghệ

2.3 Quy trình thiết kế, chế tạo bánh công tác thay thế mới

Quy trình được áp dụng cho các bánh công tác không có khả năng phục hồi, hoặc mất nhiều thời gian để phục hồi nhưng đem lại hiệu quả không cao và dễ xảy ra những hỏng hóc Trong trường hợp này cũng giống như khi phục hồi bánh công tác để có đầy đủ

dữ liệu phục vụ cho việc gia công chế tạo việc tiếp cận ban đầu cũng được tiến hành tương tự Hình 2-7 thể hiện quá trình chế tạo bánh công tác thay thế mới Cụ thể các bước bao gồm:

+) Lấy mẫu bánh công tác tuabin cũ hỏng: tương tự như trong quy trình phục hồi, dữ

liệu cánh được thu lại bằng máy quét 3D sau đó chuyển thành dạng mô hình 3D từ dạng file quét STL

+) Thiết kế phục hồi bánh công tác tuabin: kết hợp dữ liệu 3D của bánh công tác và

các kỹ thuật về thủy lực, bánh công tác được thiết kế lại để đảm bảo gần với nguyên bản thiết kế ban đầu

+) Lên quy trình đúc phôi lá cánh: từ bản vẽ các lá cánh của bánh công tác, áp dụng kỹ

thuật về gia công chế tạo để xác định lương dư cần thiết và lập được bản vẽ phôi lá cánh Lượng dư cần được thiết lập sao cho phải đảm bảo đủ lượng dư gia công và khử được hết sai số do quá trình đúc để lại Phôi đúc sau đó được kiểm tra chất lượng, kiểm tra ngoại quan đảm bảo trước khi đưa đi gia công tiếp theo

+) Phục hồi bánh công tác bằng các phương pháp công nghệ: việc gia công được bắt

đầu từ các lá cánh, moay ơ trên và dưới, lỗ lắp trục, rãnh then trên lỗ Trong đó việc gia công lá cánh được thực hiện hoàn toàn thủ công bằng phương pháp mài, sau đó được kiểm theo dưỡng để đảm bảo độ chính xác Phần moay ơ được gia công trên các máy công cụ như tiện, xọc để đảm bảo kích thước Moay ơ và các lá cánh sau đó được hàn lại với nhau để tạo thành bánh công tác Hình 2-8 minh họa biện pháp công nghệ gia công bánh công tác thay thế mới

+) Gia công tinh: bánh công tác sau khi hàn phần tiếp giáp giữa lá cánh và moay ơ xuất

hiện nhiều đường hàn với bề mặt cần được mài nhẵn, đồng thời vẫn đảm bảo độ chắc chắn liên kết giữa lá cánh bà moay ơ

+) Cân bằng tĩnh: được thực hiện trên đồ gá chuyên dùng, sau đó được mài sửa sao cho

độ cân bằng của cánh được đảm bảo

+) Lắp đặt vận hành, đo đạc thông số: bánh công tác sau khi hoàn thiện được chuyển đến tổ máy và tiến hành lắp đặt Theo sau đó là đo đạc và đánh giá công suất đạt được, khả năng đáp ứng so với nhu cầu thực tế Những vấn đề phát sinh sẽ được xử lý tại nơi

sử dụng hoặc chuyển về nơi sản xuất sao cho đảm bảo yêu cầu kỹ thuật đã đặt ra đối với bánh công tác

Như vậy quy trình chế tạo bánh công tác tuabin mới thay thế có tính phức tạp và yêu cầu kỹ thuật cao hơn nhiều so với quy trình phục hồi Đặc biệt với phương pháp tạo hình lá cánh thủ công bằng phương pháp mài càng đòi hỏi sức lao động của con người nhưng năng xuất đem lại vẫn còn rất nhiều hạn chế Điều này đòi hỏi cần có một phương pháp cho hiệu quả năng xuất cao hơn, đồng thời sự ổn định về mặt chất lượng càng trở nên cấp thiết

Hình 2-8 Phục hồi bánh công tác bằng các biện pháp công nghệ

2.4 Ứng dụng CAD/CAM/CNC trong gia công bánh công tác tuabin

Tùy vào điều kiện trang thiết bị công nghệ mà bánh công tác tuabin được gia công chế tạo theo một số cánh như sau:

+ Gia công trên máy CNC 5 trục từ phôi nguyên khối: bằng phương pháp này mô hình

3D được chuyển sang phần mềm lập trình gia công CNC để lập trình gia công, sau đó

dữ liệu lập trình được chuyển qua máy CNC 5 trục (Hình 2-9)

- Yêu cầu kỹ thuật cao trong việc gia công, đo kiểm

- Giá thành cao, tốn kém vật liệu do lượng dư lớn

- Khó khăn khi gia công các bánh công tác có kích thước lớn

Hình 2-9 Lập trình và gia công bánh công tác Tuabin trên máy CNC 5 trục

+ Gia công trên máy CNC 3 trục: với máy CNC 3 trục việc gia công cánh nguyên khối

là không thể thực hiện do biên dạng cánh rất phức tạp, do đó biện pháp được thực hiện bằng cánh gia công từng phần và ghép với nhau bằng phương pháp hàn Cụ thể được trình bày theo Hình 2-7, phương pháp đúc được áp dụng để tạo phôi các chi tiết trên bánh công tác (các lá cánh, moay ơ) Các chi tiết phôi này sau đó được gia công theo bản vẽ và hàn ghép lại với nhau Tiếp theo được mài và gia công tinh thành bánh công tác hoàn chỉnh

 Ưu diểm:

- Đầu tư trang thiết bị máy móc rẻ hơn

- Gia công được bánh công tác lớn do việc gia công được thực hiện từng phần

- Yêu cầu thấp hơn về kỹ thuật lập trình gia công

- Giảm thiểu lượng dư gia công => tiết kiệm vật liệu hơn

 Nhược điểm:

- Tốn nhiều thời gian cho công tác chuẩn bị, gia công

- Độ chính xác kém hơn do phải hàn ghép các chi tiết

- Phải xử lý để tránh lỗi phát sinh do các biện pháp công nghệ sinh ra (rỗ khí do đúc hay hàn, cong vênh biến dạng hàn, sai lệch do đồ gá hàn…)

Hình 2-10 Gia công bánh công tác sử dụng máy CNC 3 trục

2.5 Phân tích lựa chọn quy trình chế tạo bánh công tác

+ Đầu tư trang thiết bị đắt tiền

+ Vận hành tương đối đơn giản và đã được sử dụng một cách phổ biến

+ Có thể gia công được những bánh công tác lớn do máy 3 trục có phạm vi làm việc lớn hơn, đặc biệt nếu chế tạo kết hợp công nghệ hàn càng làm tăng kích thước bánh công tác mà máy có thể gia công

Dựa vào những điểm phân tích trên tác giả quyết định lựa chọn hướng sử dụng máy CNC 3 trục cho đề tài này nhằm đảm bảo tính kinh tế và hiệu quả trong quá trình thực hiện Quy trình được mô tả trong hình 2-7 và 2-8 trong đó việc gia công các lá cánh được thực hiện trên máy CNC 3 trục thay vì mài thủ công bằng tay (tốn kém về thời gian và công sức)

CHƯƠNG 3 CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG QUY TRÌNH GIA CÔNG CHẾ TẠO BÁNH CÔNG TÁC TUABIN 700KW CHO NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN CỐC SAN

HẠ - LÀO CAI

3.1 Thông số và yêu cầu kỹ thuật cánh tuabin

Đối tượng cần lập quy trình gia công trong đề tài này là bánh công tác được sử dụng trong nhà máy thủy điện Cốc San Hạ - Lào Cai, các thông số của bánh công tác được trình bày trong bảng 3.1

Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật bánh công tác

+ Độ cân bằng sau gia công ≤ 25g

+ Bánh công tác không bị cong vênh, biến dạng nhiệt do hàn, không bị khuyết tật đúc (rỗ, xỉ, …)

Bảng 3.2 Thành phần vật liệu bánh công tác

0.06 1.00 1.00 0.03 0.03 11.5 -14 4.5-5.5 0.1-1.0 0.63

Hiện trạng bánh công tác : do bánh công tác được sử dụng ở nơi có nhiều hạt mài trong nước nên bị mòn và hỏng nghiêm trọng, các lá cánh hầu như đã mòn gần hết đồng thời mỗi liên kết với moay ơ đã sắp đứt ở nhiều cánh Bên cạnh đó trên vành moay

ơ xuất hiện nhiều vết lõm sâu và không thể phục hồi Hình 3-1 mô tả hiện trạng bánh công tác cũ hỏng cần thay thế

Hình 3-1 Bánh công tác cũ hỏng cần thay thế

Hình 3-3 Bản vẽ 3D bánh công tác Tuabin

3.2 Trang thiết bị sử dụng phục vụ cho đề tài

Máy phay CNC sử dụng trong đề tài là máy phay CNC tự động 3 trục Kamioka

VMC-850 Máy có khả năng gia công biên dạng 2.5D và 3D tốt trên các vật liệu thép và gang Thông số kỹ thuật máy được trình bày trong bảng 3.2 Máy được trang bị cho trung

Bảng 3.3 Thông số máy phay CNC 3 trục VMC-850

Tốc độ chạy dao nhanh X/Y/Z (mm/ph) 30,000/30,000/24,000

Kích thước máy (Dài x Rỗng x Cao) 2,650x2,200x2,550

Hình 3-4 Máy phay CNC 3 trục Kamioka VMC-850

Để hỗ trợ quá trình gá đặt, đặc biệt là kiểm tra kích thước của lá cánh trước và sau quá trình gia công máy quét 3D được sử dụng mang thương hiệu GOM có xuất xứ từ Đức Máy hiện tại được trang bị cho phòng thí nghiệm Kỹ thuật đo, thuộc bộ môn Công nghệ Cơ khí – Trường Đại học Thủy Lợi Thông số kỹ thuật của máy được trình bày trong bảng 3.2

Bảng 3.4 Thông số kỹ thuật máy quét 3D ACTOS CORE 300