Nghiên cứu, thiết kế quy trình công nghệ chế tạo cánh turbine bulb trong nhà máy Thủy điện.PDF

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA --- HỌ VÀ TÊN: LÊ THANH HUYỀN NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO CÁNH TURBINE BULB TRONG NHÀ MÁY... Bên cạnh đó, các nhà thiết kế

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

HỌ VÀ TÊN: LÊ THANH HUYỀN

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO CÁNH TURBINE BULB TRONG NHÀ MÁY

Công trình được hoàn thành tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS LƯU ĐỨC BÌNH

Phản biện 1: TS Hoàng Văn Thạnh Phản biện 2: PGS.TS Phạm Đăng Phước

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ (ghi ngành của học vị được công nhận) họp tại Trường Đại học Bách khoa vào ngày 08 tháng 07 năm 2020

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Học liệu và Truyền thông - Trường Đại học Bách khoa – Đại Học Đà Nẵng

- Thư viện Khoa Cơ Khí, Trường Đại học Bách khoa – Đại Học

Đà Nẵng.

DUT.LRCC

MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ ĐỀ TÀI

Trong phân bố ngành năng lượng ở Việt Nam thì thủy điện nhỏ chiếm một vai trò khá quan trọng trong lĩnh vực an ninh năng lượng Turbine bulb là dạng turbine cột nước thấp, toàn bộ khối tổ máy bao gồm Turbine và máy phát được đặt dưới dưới nước, thường có công suất lắp máy nhỏ dưới 10MW

Hiện nay, các nhà máy thủy điện nhỏ đang hoạt động tại Việt Nam thường không có đội ngũ chuyên gia kỹ thuật để thực hiện việc bảo trì sửa chữa tại chỗ Công việc này thường được thuê đơn vị sửa chữa chuyên nghiệp từ các nhà máy thủy điện vừa và lớn thực hiện

Bên cạnh đó, các nhà thiết kế và sản xuất turbine bao giờ cũng bảo mật công nghệ, không cung cấp bản vẽ chi tiết về biên dạng cánh turbine Nhà sản xuất chỉ cung cấp bản vẽ lắp hoặc nếu có bản vẽ chi tiết thì chỉ ghi các kích thước căn bản để phục

vụ công tác lắp đặt và hiệu chỉnh tổ máy

Do đó, trong quá trình bảo dưỡng sửa chữa đối với nhà máy thủy điện nhỏ khi cánh turbine bị vật cứng va đập hoặc bị xâm thực gây ra nứt, gãy, ăn mòn… dẫn đến hiệu suất turbine giảm, phải dừng máy sửa chữa Việc thay thế sửa chữa cánh turbine thường phải phù thuộc vào chuyên gia nước ngoài hoặc cung cấp từ nước ngoài mà chủ yếu là thị trường Trung Quốc Dẫn đến chi phí thực hiện cao, tiến độ chậm, giá thành bị chi phối độc quyền của đơn vị cung cấp, thời gian dừng máy sửa chữa kéo dài làm thiệt hại về mặt kinh tế cho nhà sản xuất điện

Vì vậy, việc nghiên cứu thiết kế chế tạo cánh turbine nói chung và cánh Turbine Bulb là việc làm rất cấp thiết có tình ứng dụng cao, đáp ứng được yêu cầu của thị trường sửa chữa, thay thế và phục hồi cánh turbine cho các nhà máy thủy điện nhỏ

ở Việt Nam

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Thiết kế được bản vẽ chế tạo của turbine bulb trên cở sở các thông số kỹ thuật của Turbine nhà máy Thủy điện Bảo Lâm 3A Từ đó làm cơ sở tính toán thiết kế bản vẽ chế tạo cánh turbine cho các nhà máy khác khi có yêu cầu thực hiện việc sửa

DUT.LRCC

Đưa ra được qui trình công nghệ chế tạo cánh turbine bulb có công suất nhỏ phù hợp với điều kiện công nghệ tại Việt Nam

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

3.1 Đối tượng nghiên cứu:

Turbine bulb kiểu: GZTF07B-WP-360 sản xuất tại Công ty TNHH turbine nước Trùng Khánh - Trung Quốc, thuộc Dự án thủy điện Bảo Lâm 3A, được Công ty

cổ phần thủy điện Đăk R’tih lắp đặt, thí nghiệm và hiệu chỉnh Địa điểm xây dựng tại:

Xã Đức Hạnh và xã Lý Bôn huyện Bảo Lâm, tỉnh Cao Bằng

Với thông số kỹ thuật cơ bản như sau:

TT Các thông số kỹ thuật cơ bản Đơn vị Trị số Ghi chú

Thiết kế qui trình công nghệ chế tạo cánh turbine bulb

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với quá trình kiểm tra nghiệm thu kích thước sản phầm bằng máy scan 3D, kết hợp phương pháp thiết kế ngược để xây dựng qui trình chế tạo thu nhỏ mẫu thực nghiệm

5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN

4.1 Ý nghĩa khoa học

Việc nghiên cứu thiết kế bản vẽ chế tạo phục hồi cánh turbine bulb sẽ góp phần cho việc hoàn thiện làm chủ công nghệ chế tạo turbine bulb cũng như làm cơ sở cho

DUT.LRCC

việc nghiên cứu chế tạo phục hồi các loại turbine khác trong lĩnh vực thủy điện ở Việt Nam

4.2 Ý nghĩa thực tiễn

Đề tài có tính ứng dụng trong thực tiễn sản xuất nhằm mục đích sửa chữa, thay thế và phục hồi các biên dạng cánh turbine cho các nhà máy thủy điện nhỏ sử dụng turbine bulb tại Việt Nam

6 CẤU TRÚC LUẬN VĂN

Ngoài phần mở đầu và kết luận cấu trúc luận văn gồm có 3 chương

Chương 1: Tổng quan về turbine nhà máy thủy điện

Chương 2: Qui trình chế tạo turbine bulb và thiết kế lại cánh turbine bulb

Chương 3: Thiết kế qui trình công nghệ chế tạo mô hình turbine bulb thu nhỏ

DUT.LRCC

CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN VỀ TURBINE THỦY ĐIỆN

1.1 Tổng quan về thủy điện tại việt nam

1.1.1 Nhu cầu năng lượng tại Việt Nam

1.1.2 Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia

a Quy hoạch phát triển nguồn điện:

b Cơ cấu nguồn điện năm 2020:

c Cơ cấu nguồn điện năm năm 2025:

1.1.3 Tổng quan về thủy điện tại Việt Nam

1.2 Các vấn đề cơ bản về tuabine thủy lực

Nhà máy thủy điện là một tập hợp gồm có công trình thủy lợi, thiết bị điện và thiết bị cơ khí trong đó chủ yếu là tuabin để biến năng lượng của dòng nước thành

cơ năng kéo máy phát điện

Hình: 1.2: Cấu trúc khối tổ máy của nhà máy thủy điện

1.2.1 Ưu điểm của nhà máy thủy điện

1.2.2 Nhược điểm của nhà máy thủy điện

DUT.LRCC

1.3 Phân loại tuabine thủy lực

1.3.1 Phân loại tuabin áp dụng cho dự án thủy điện có cột nước địa hình cao

Hình 1.3: Turbine Penllton Hình 1.4: Turbine francis

1.3.2 Phân loại tuabin áp dụng cho dự án Thủy điện nhỏ và vừa có cột nước địa

1.3.3 Biểu đồ phân loại turbine và đường đặc tính Turbine Bulb

a Biểu đồ phân loại turbine

DUT.LRCC

Bảng 1.2: Biểu đồ phạm vi sử dụng của các kiểu turbine

b Đường đặc tính Turbine bulb

Bảng 1.3: Đường đặc tính của turbine cột nước thấp (Turbine bulb)

Bảng 1.4: Đường đặc tính tổng hợp turbine cột nước thấp (turbine bulb)

1.4 Nguyên lý làm việc của turbine

1.4.1 Tuabin xung kích:

Là dạng turbine lợi dụng phần động năng của dòng chảy tác dụng lên bánh xe công tác còn phần thế năng bằng không Ở dạng turbine này toàn bộ thế năng của dòng chảy

DUT.LRCC

sau khi ra khỏi vòi phun biến thành động năng truyền năng lượng cho bánh xe công tác

Bảng 1.5: Sơ đồ nguyên lý làm việc của turbine

1.4.2 Turbine phản kích

Là dạng turbine lợi dụng cả thế năng và động năng dòng chảy, mà chủ yếu là thế năng Nó chuyển động là phản lực của dòng nước tác dụng lên cánh bánh xe công tác hình thành moment quay làm cho turbine quay Trong quá trình làm việc bánh xe công tác ngập toàn bộ trong dòng chảy có áp lực xung quanh là buồng xoắn

DUT.LRCC

Dự án thủy điện Bảo Lâm 3A sử dụng Turbine bulb kiểu:

GZTF07B-WP-360 sản xuất tại Công ty TNHH Turbin nước Trùng Khánh - Trung Quốc có thông số

kỹ thuật như Bảng: 1.1

2.1.2 Quy trình chế tạo turbine bulb tại nhà máy sản xuất

Hình 2.1: Trình tự chế tạo turbine bulb

a Quá trình tạo phôi

QUÁ TRÌNH TẠO PHÔI

ĐÚC TỪNG CÁNH TURBINE

GIA CÔNG CƠ

PHAY TRÊN MÁY CNC 5 TRỤC

- Đúc cánh turbine theo biên dạng đã thiết kế, bổ sung thêm lượng dư gia công

- Tạo phôi bằng phương pháp dập nóng

Đối với turbine bulb tại Nhà máy thủy điện Bảo Lâm 3A thì nhà sản xuất sử dụng công nghệ đúc

Hình 2.2: Cánh turbine bulb sau khi đúc tạo hình

b Gia công cơ biên dạng cánh turbine

Tại nhà sản xuất cánh turbine được phay trên máy phay CNC 5 trục

Hình 2.3: Gia công biên dạng cánh Turbine trên máy phay CNC 5 trục

c Xử lý nhiệt

DUT.LRCC

Hình 2.4: Cánh turbine đã được xử lý nhiệt đạt cơ tính

d Hàn cánh turbine vào thân

Hình 2.5: Cánh turbine hoàn chỉnh sau khi hàn

e Mài và đánh bóng

Hình 2.6: Mài và đánh bóng cánh turbine

DUT.LRCC

f Tổ hợp tất cả các cánh turbine và kiểm tra chất lượng

Từng cánh turbine sẽ được tổ hợp vào trục chính, cân bằng tĩnh tại nhà máy được kiểm tra nghiệm thu theo tiêu chuẩn GB/T10969-2008 của Trung Quốc

Tại nhà sản xuất đối với turbine loại nhỏ sẽ được tổ hợp và nối trục với rotor máy phát điện, được nhà sản xuất tổ chức cân bằng động, kiểm tra độ rung, độ đảo trục đảm bảo theo đúng yêu cầu kỹ thuật cho phép

Hình 2.7 Tổ hợp rotor và turbine đưa vào cân bằng động

Hình 2.8: Turbine Bulb đã được lắp đặt tổ hợp hoàn chỉnh

2.1 Thiết kế biên dạng cánh turbine bulb

Sử dụng kỹ thuật thiết kế ngược theo 3 công đoạn sau đây:

 Quét biên dạng cánh turbine thực: Sử dụng máy quét 3D cầm tay Einscan Pro để quét toàn bộ biên dạng cánh turbine

DUT.LRCC

Hình 2.9: Quá trình quét biên dạng cánh turbine

 Xử lý dữ liệu số sau khi quét: Từ dữ liệu số sau khi quét, xuất dữ liệu vào phần mềm SolidWorks, sử dụng các lệnh sửa bề mặt, làm cong hóa và trơn các bề mặt để có

dữ liệu của chi tiết cánh turbine

Hình 2.10: Biên dạng cánh Turbine sau khi quét scan 3D

 Xuất bản vẽ chế tạo: Từ bản vẽ 3D trên SolidWorks xuất ra phần mềm Autocad

để tạo bản vẽ chế tạo chi tiết turbine Bulb Bản vẽ chế tạo turbin bulb (dạng 2D) như sau:

DUT.LRCC

Hình 2.11: Bản vẽ chế tạo turbine Bulb

DUT.LRCC

CHƯƠNG: 3 THIẾT KẾ QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÔ HÌNH TURBINE BULB

THU NHỎ

3.1 Bản vẽ chế tạo mô hình turbine bulb

3.1.1 Thiết kế chi tiết

Vì Turbine Bulb thực của nhà máy quá lớn nên tác giả xây dựng mô hình thu nhỏ có điều chỉnh lại kết cấu tỉ lệ bằng 1:10 Turbine thực

Hình 3.1: Bản vẽ chế tạo mô hình turbine thu nhỏ

3.1.2 Thiết kế cánh Turbine

 Thiết kế thân turbine

Hình 3.2: Thiết kế thân bằng lệnh revolved

DUT.LRCC

 Thiết kế cánh Turbine:

Hình 3.3: Vẽ phác tạo biên dạng cánh turbine

Sau khi vẽ phác xong ta có hai biên dạng như sau:

Hình 3.4: Kết quả vẽ phác tạo biên dạng cánh turbine

Tạo hình cánh turbine bằng lệnh lofte Boss-Base để tạo liên kết của biên dang cánh

Hình 3.5: Dựng hình cánh Turbine

DUT.LRCC

Hình 3.6: Cánh turbine cắt bỏ phần thừa

Hình 3.7: Hình bo góc bằng lệnh Fillet

 Thiết kế mayơ

Hình 3.8: Mayơ turbine bulb

 Lắp ghép cánh turbine vào mayơ

Hình 3.9: Mô hình Turbine Bulb hoàn chỉnh

3.2 Chế tạo mô hình turbine bulb

Trên máy phay phay CNC 3 trục model: MORI SEIKI MV-55

Ứng dụng phần mềm Pro Engineer để lập trình gia công chế tạo turbine Bulb

DUT.LRCC

3.2.1 Chọn máy CNC MORI SEIKI MV-55

Thông số kỹ thuật của máy CNC MORI SEIKI MV-55

- Loại đầu dao: BT 50

- Động cơ trục chính (AC/DC): AC

- Công suất động cơ trục chính: 11 KW

a Chọn phôi và thao tác chuẩn bị

- Phôi chọn làm sản phẩm mô hình làm bằng nhôm nguyên khối

- Kích thước phôi là: 380x380x114,7mm

DUT.LRCC

Từ file chi tiết thiết kế ở trên, chuyển vào phần mềm Pro/E để thực hiện các bước trong quá trình gia công: Thiết lập phôi, chọn dao, chọn chế độ cắt; mô phỏng

gia công và xuất file gia công

Hình 3.11: Tạo lỗ kẹp chặt chi tiết gia công

Hình 3.13: Mô phỏng gia công bước 1 nguyên công 1

 Bước 2 :

Lật phôi lại, kẹp bằng êtô

Phay phá (lệnh volume) bằng dao D35R5, chiều sâu cắt 2mm, vòng quay 2000v/p, bước tiến dao 2000mm/phút

Phay tinh (lệnh volume profile) D25R0.8, chiều sâu cắt 0,5mm, vòng quay 3000v/p, bước tiến dao 2000mm/phút, lượng dư chừa lại để phay tinh 0.2mm

Phay tinh (lệnh volume profile) lỗ bằng dao trụ 10

Hình 3.14: Mô phỏng gia công bước 2 nguyên công 1

Vét góc (lệnh volume) bằng dao trụ 10, chiều sâu cắt 0,5mm, vòng quay 2000v/p, bước tiến dao 2000mm/phút, lượng dư chừa lại để phay tinh 0.2mm

Phay tinh (lệnh surface mill, bám theo mặt sản phẩm) bằng dao cầu 6, vòng quay 4000v/p, bước tiến dao 2000mm/phút, bước dịch ngang 0.3mm

Hình 3.15: Định vị kẹp chắt trước khi chế tạo nguyên công 2

Hình 3.16: Mô phỏng quá trình gia công bước 1 của nguyên công 2

 Bước 2

Quay phôi 120o và tiếp tục như bước 1 của nguyên công 2:

Dựng phôi đứng, chuẩn kẹp êtô là 2 mặt đầu của chi tiết, rà ngang là chuẩn đã tạo lỗ ở bước 1

Phay phá (lệnh volume) bằng dao D25R0.8, chiều sâu cắt 1mm, vòng quay 2000v/p, bước tiến dao 2000mm/phút, lượng dư chừa lại để chạy tinh 0.2mm

DUT.LRCC

Vét góc (lệnh volume) bằng dao trụ 10, chiều sâu cắt 0,5mm, vòng quay 2000v/p, bước tiến dao 2000mm/phút, lượng dư chừa lại để chạy tinh 0.2mm

Chạy tinh (lệnh surface mill, bám theo mặt sản phẩm) bằng dao cầu 6, vòng quay 4000v/p, bước tiến dao 2000mm/phút, bước dịch ngang 0.3mm

 Bước 3

Quay phôi 120o và tiếp tục như bước 1 của nguyên công 2:

Dựng phôi đứng, chuẩn kẹp êtô là 2 mặt đầu của chi tiết, rà ngang là chuẩn đã tạo lỗ ở bước 1

Phay phá (lệnh volume) bằng dao D25R0.8, chiều sâu cắt 1mm, vòng quay 2000v/p, bước tiến dao 2000mm/phút, lượng dư chừa lại để chạy tinh 0.2mm

Vét góc (lệnh volume) bằng dao trụ 10, chiều sâu cắt 0,5mm, vòng quay 2000v/p, bước tiến dao 2000mm/phút, lượng dư chừa lại để chạy tinh 0.2mm

Chạy tinh (lệnh surface mill, bám theo mặt sản phẩm) bằng dao cầu 6, vòng quay 4000v/p, bước tiến dao 2000mm/phút, bước dịch ngang 0.3mm

c Quá trình gia công trên máy

Hình 3.17: Quá trình chế tạo mô hình

DUT.LRCC

Hình 3.18: Mô hình hoàn thiện sau khi chế tạo

DUT.LRCC

- Việc thiết kế chép hình biên dạng cánh turbine nhờ công nghệ Scan 3D và qui trình thiết kế ngược thì chúng ta có thể chép hình biên dạng các loại turbine cánh rời như turbine bulb một cách dễ dàng với thời gian rất nhanh

2 Hướng phát triển của đề tài

- Để thực hiện khắc phục sửa chữa được cánh turbine khi bị xâm thực, móp, gãy do va đập vv được một cách chính xác thì hướng phát triển tiếp tục nghiên cứu công nghệ chép hình biên dạng các loại cánh turbine khác như: Turbine Penllton, Turbine francis, Turbin Kaplan của nhà máy thủy điện

- Sau khi chế tạo phục hồi sửa chữa được cánh turbine bulb, trên cơ sở đó chúng ta có thể phục hồi sửa chữa được các loại cánh turbine khác mà không cần phụ thuộc đến công nghệ và kỹ thuật chuyên gia nước ngoài

- Ngoài ra trên cơ sở chế tạo làm chủ công nghệ chế tạo, chúng ta có thể thiết

kế chế tạo các mô hình turbine máy phát nhỏ phục vụ công tác thí nghiệm

mô hình, nhằm mục đích tính toán thiết kế tối ưu để tạo ra biên dạng cánh turbine có hiệu suất cao, từ đó làm cơ sở thiết kế biên dạng cánh turbine phục vụ sản xuất

DUT.LRCC