bộ nông nghiệp và phát triển nông thôn
viện khoa học thủy lợi
báo cáo tổng kết chuyên đề
nghiên cứu, thiết kế, chế tạo tổ máy
thủy điện cực nhỏ cột nớc cao thuộc đề tài kc 07.04:
nghiên cứu, lựa chọn công nghệ và thiết bị để khai thác và
sử dụng các loại năng lợng tái tạo trong chế biến nông,
lâm, thủy sản, sinh hoạt nông thôn và bảo vệ môi trờng
Chủ nhiệm chuyên đề: ThS nguyễn vũ việt 5817-7
16/5/2006
3.3. Khoảng cách từ vòi phun đến bánh công tác. 16
3.4. Thiết kế bánh công tác. 17
3.4.1. Phơng hớng thiết kế bánh công tác. 17
3.4.2. Xác định các kích thớc cơ bản của cánh BCT. 18
3.4.3. Xác định các góc vào của cánh gáo. 18
3.4.4. Xác định các kích thớc cơ bản của BCT. 19
3.4.5. Xác định số cánh Z. 20
nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột nớc cao Đề tài KC07 - 04
Viện Khoa học Thủy lợi
3.5. Tính toán, thiết kế vòi phun. 21
3.5.1. Lý thuyết tính toán. 21
3.5.2. Tính toán vòi phun cho tổ máy TĐSN. 22
3.5.3. Vị trí vòi phun. 24
3.6. Tính toán thiết kế trục. 24
3.6.1. Các thông số để tính toán thiết kế. 25
3.6.2. Biểu đồ nội lực. 25
3.6.3. Tính sơ bộ đờng kính các đoạn trục. 26
3.6.4. Thiết kế kết cấu trục. 27
3.6.5. Tính toán độ bền mỏi của trục. 27
3.6.6. Tính toán trục tua bin về dao động. 29
3.6.7. Kiểm nghiệm độ bền dập của then. 30
3.7. Tính toán lựa chọn ổ lăn. 31
3.8. Tính toán tổn thất thủy lực và lựa chọn đờng ống. 33
3.8.1. Tổn thất cột áp qua lới chắn rác. 33
3.8.2. Tổn thất cột áp ở cửa vào của ống dẫn. 33
3.8.3. Tổn thất áp lực đờng ống. 34
Chơng IV. Thí nghiệm và xây dựng đặc tính vận hành 35
4.1. Hệ thống thí nghiệm. 35
4.2. Qui trình thí nghiệm và đặc tính vận hành. 36
4.3. Các kết luận rút ra từ thực nghiệm. 42


nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột nớc cao Đề tài KC07 - 04
Viện Khoa học Thủy lợi
1
Chơng I. Mở đầu
1.1. Đặt vấn đề.
Mặc dù lới và nguồn điện quốc gia phát triển mạnh, nhng ở nớc ta, một bộ
phận rất lớn ngời dân ở vùng sâu, vùng xa do sống quá phân tán, sẽ không có cơ hội
đợc sử dụng nguồn điện này. Chơng trình phát triển nguồn năng lợng tái tạo
(REAP) của chính phủ với sự tài trợ của các tổ chức quốc tế nh UB, ADB, JICA
đang nỗ lực hỗ trợ kỹ thuật, tàI chính nhằm phát triển các dạng năng lợng táI tạo
(NLTT) nh: thủy điện nhỏ, năng lợng gió, năng lợng mặt trời, với mục tiêu cung
cấp điện cho hơn 400 xã ở vùng sâu [1], [2].
Thiết bị thủy điện siêu nhỏ (TĐSN) đã đợc sử dụng rộng rãi ở Việt nam từ
nhiều năm nay, theo số liệu của Viện Năng lợng, tới năm 2002, cả nớc đã lắp đặt
khỏang 120.000 tổ máy TĐSN, phần lớn các thiết bị nhập khẩu từ Trung Quốc. ở
trong nớc, một số cơ quan cũng đã chế tạo thiết bị TĐSN nh: Viện Vật liệu thuộc
Trung tâm Khoa học Tự nhiên Quốc gia, Trờng Đại học Bách khoa Hà nội.
Trong đề tài KC07 - 04, với mục tiêu nghiên cứu thiết kế và chế tạo các thiết bị
thủy điện nhỏ và siêu nhỏ phục vụ cho sinh họat và sản xuất, chế biến nông, lâm,
thủy sản đã nghiên cứu thiết kế, chế tạo và hòan thiện nhằm nâng cao hiệu quả và
giảm giá thành chế tạo thiết bị TĐSN. Đồng thời phát triển thủy điện nhỏ và siêu nhỏ
thành một hệ thống hòan chỉnh đáp ứng rộng rãi nhu cầu thực tiễn sản xuất.
1.2. Tổng quan về TĐSN.
Nhiều nớc trên thế giới đã nghiên cứu và chế tạo thiết bị TĐSN, sử dụng 4
loại tua bin chủ yếu: tua bin hớng trục (TBHT), tua bin gáo (TBG), tua bin tia
nghiêng (TBTN), tua bin xung kích hai lần TBXK2L. Các tổ máy TĐSN đợc chia
thành hai loại cơ bản là: tổ máy TĐSN cột nớc cao và tổ máy TĐSN cột nớc thấp.
Với các tổ máy TĐSN cột nớc cao (H>10m), ngời ta thờng sử dụng một
trong hai loại tua bin: Tua bin tia nghiêng và tua bin gáo. Ngoài yêu cầu về kỹ thuật,

suất siêu nhỏ.
Từ năm 1993, các thiết bị TĐSN của Trung Quốc đã bán rộng rãi trên thị
trờng Việt Nam với qui mô công suất thực từ 100W đến 1000W, phạm vi cột nớc
10 ữ 25m. ở trong nớc cũng đã nghiên cứu chế tạo lọai 200W và 500W. Một số kết
quả khảo sát nh sau:
nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột nớc cao Đề tài KC07 - 04
Viện Khoa học Thủy lợi
3
* TĐSN do Trung Quốc chế tạo:
Khảo sát các nhà máy sản xuất TĐSN ở tỉnh Quảng Tây-Trung Quốc chúng tôi
nhận thấy đây là các cơ sở sản xuất nhỏ, phân bố ở vùng nông thôn. Sản phẩm đợc
sao chép lại từ các mẫu nghiên cứu trớc đây, việc sao chép đã biến dạng do vậy
hiệu suất rất thấp. Bù lại với nguyên liệu tự sản xuất đợc trong nớc (nh nam châm
cho máy phát) và chi phí nhân công rẻ, tổ chức sản xuất tốt làm cho giá thành cuat
thiết bị rất rẻ (250.000đồng/tổ). Trong chơng trình hợp tác cung cấp thiết bị thủy
điện (ODA) giai đọan 1995 ữ 2000, phía đối tác Trung Quốc đặt hàng các cơ sở sản
xuất này sản xuất loại thiết bị có chất lợng cao hơn (đủ công suất) thì giá thành
thiết bị cũng tăng rất cao (720.000VNĐ cho tổ máy 300W).
Đặc điểm của thiết bị do Trung Quốc sản xuất là sử dụng nam châm Baki
Ferit lọai chất lợng thấp để chế tạo máy phát nên kích thớc máy khá lớn. Tiêu hao
các nguyên liệu khác cũng vì thế tăng theo. Bánh công tác chế tạo từng lá cánh có
biên dạng hình cầu nên hiệu suất thấp.
và tiêu chuẩn hóa đợc hai lọai tua bin tia nghiêng là MHG-200HH và MHG-
500HH.

Hình 5. Tổ máy MHG500, 200 do Viện Vật liệu chế tạo.
HS=f(n)
H=7m
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
7
0
0
8
0
0
9
0
0
1
0

- Hiệu suất tua bin còn thấp.
Kết quả thí nghiệm các tổ máy MHG-200HH và MHG-500HH nh hình 6 và hình7
Hình 6. Kết quả thí nghiệm TĐSN cột nớc cao MHG - 200HH
do Viện vật liệu chế tạo.

Hình 7. Kết quả thí nghiệm TĐSN cột nớc cao MHG - 500HH
do Viện vật liệu chế tạo.
HS=f(n)
H=5m
H=6.2m
H=7m
0.25

3
0
0
1
4
0
0
n(v/ph)
HS
H=5m
H=6.2m
H=8m
Poly. (H=5m)
Poly. (H=6.2m)
Poly. (H=8m)
HS=f(n)

H=10m
H=9m
H=8m
0.25
0.30
0.35
0.40
0.45
0.50
0.55
7
0
0

H=8m
Poly. (H=10m)
Poly. (H=9m)
Poly. (H=8m)
nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột nớc cao Đề tài KC07 - 04
Viện Khoa học Thủy lợi
6
Đối với các tổ máy TĐSN có cột nớc thấp ( H 2ữ5 m ) ngời ta thờng sử
dụng TBHT buồng hở hoặc buồng kín dạng ống, một số nớc tiên tiến chế tạo TBHT
có máy phát ngâm trong nớc (loại tua bin chìm).
1.3. Nội dung báo cáo.
Trong báo cáo này trình bày các nghiên cứu tòan diện về tổ máy TĐSN cột
nớc cao sử dụng TBTN nhằm hòan thiện các sản phẩm TĐSN và xây dựng gam tua
bin TĐSN một cách có hệ thống, đáp ứng rộng rãi nhu cầu của nhân dân miền núi
mà đề tài KC07 đã đa ra.
nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột nớc cao Đề tài KC07 - 04
Viện Khoa học Thủy lợi
7
Chơng II. Phạm vi sử dụng và các thông số cơ
bản của tổ máy
2.1. Tình hình nghiên cứu chế tạo TĐCN.
Một đặc điểm cơ bản của thủy điện là các thông số cơ bản nh cột áp H, công
suất P luôn khác nhau, phụ thuộc vào điều kiện tự nhiên và nhu cầu sử dụng từng
trạm. Thực tiễn cho thấy TĐSN đợc sử dụng rộng rãi trong phạm vi H = 0,5 ữ20 m.
Với tập quán sử dụng, các trạm thủy điện có H = 1 ữ 2 m thờng sử dụng
TBHT. ở vùng cột nớc thấp H 1 m có thể sử dụng TBHT, guồng nớc (Water
Well), tua bin kiểu XK2L hoặc nhân dân miền núi sáng tạo lọai guồng hớng trục
(ảnh), có hiệu suất thấp. Nhìn chung, cho tới nay, vùng H < 1 m và H = 2 ữ5 m, vẫn
cha có giải pháp công nghệ nào phù hợp (hiệu suất chấp nhận, giá rẻ). Phần lớn các
tổ máy đang sử dụng có H = 1 ữ 2 m.

Nam, có hiệu suất rất thấp
max
= 25% (hình 1.3), nguyên nhân chính là chất
lợng của cả tua bin và máy phát đều thấp.
2. Thiết bị TĐSN do Viện vật liệu sản xuất đã có những cải tiến đáng kể, đặc
biệt là máy phát đã sử dụng nam châm đất hiếm có chất lợng cao, nên giảm
kích thớc và tăng công suất tổ máy, hiệu suất đã tăng lên (
max
= 45%).
3. Vùng làm việc của tổ máy hẹp và cha đáp ứng nhu cầu đa dạng của thực
tiễn.
Từ nhận xét trên, hớng giải quyết của đề tài bao gồm:
1. Nâng cao hiệu suất của tổ máy.
2. Phân tích hệ thống để xác định phạm vi làm việc của từng thiết bị.
3. Giảm giá thành của sản phẩm.
2.2. Phạm vi sử dụng.
Kết quả nghiên cứu trong phần gam thủy điện nhỏ và cực nhỏ đã gam hóa một
số loại TBTN cỡ nhỏ với D
1
= 10 cm và D
1
= 15 cm. Phạm vi và thông số làm việc cơ
bản của TBTN có D
1
= 10 cm cho TĐSN nh bảng 2.
Bảng 2
Cột nớc H (m) 6,5
6,5 ữ 7 10 ữ 12 10 ữ 15 18 ữ 25
Lu lợng Q (l/s) 6 12
7 ữ 8

0
'
1
)(**41,3
D
d
ZQ =
(2.1)
Việc tăng
0
1
d
D
, sẽ làm tăng Q
1

, tăng công suất tổ máy.
Kết quả nghiên cứu [8] cho thấy
0
1
d
D
=3.5 ữ 9.5
Trong đề tài, để tăng công suất tổ máy đã chọn
0
1
d
D
= 3.5 và 4 để thử nghiệm.
2.3.2. Tỷ số

- Xuất hiện dòng ngang, tiêu hao một phần năng lợng
- Dòng tia bị lệch, một phần dòng không chảy qua cánh BCT, mà phun lên bầu
và vành BCT gây tổn thất thể tích.
2. ở khoảng cách nhỏ L 4 do độ loe của dòng tia bằng 1,17 ữ 1,2 d
0
.
nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột nớc cao Đề tài KC07 - 04
Viện Khoa học Thủy lợi
10

Hình 8. Thử nghiệm vòi phun tổ máy TĐSN
2.3.3. Hiệu suất tổ máy.
Để phục vụ cho giai đoạn tính toán sơ bộ, cần xác định hiệu suất sơ bộ của
tua bin và máy phát. Kết quả thí nghiệm cho máy phát TĐSN do phòng thí nghiệm
thiết bị điện, Trờng Đại học Bách khoa Hà Nội thực hiện nh hình 9 và hình 10.


Hình 11. Độ suy giảm hiệu suất khi đờng kính dòng tia < 55mm
Theo kết quả trên,
1
= 2 ữ 3%.
Hiệu suất còn bị ảnh hởng của công nghệ do TBTN TĐSN có kích cỡ nhỏ.
Tuy nhiên trên thực tế, ảnh hởng công nghệ tới hiệu suất TBTN cỡ nhỏ có khả năng
lớn vì:
0
50
100
150
200
250
300
350
1150 1200 1250 1300 1350 1400
Uf
Pc
ơ
Pf


nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột nớc cao Đề tài KC07 - 04

2.3.4. Xác định các thông số cơ bản của tổ máy.
Các công thức tính toán:
Q = v.F = .
4
d
gH2
2
0

(2.2)
: Hệ số vận tốc mũi phun = 0,96 ữ 0,98, chọn = 0,96.
g: gia tốc trọng trờng, g = 9,81 m/s
2

Kết quả tính toán sơ bộ nh bảng 3.
Bảng 3
H 6,5 12 20
d
0
2,5 2,5 2,5
Q 5,3 7,2 9,3
P 183 458 985
d
0
2,6 2,6 2,6
Q 5,75 7,8 10
P 198 496 1060
d
0
1,8 1,8

200W
1000W
500W
6,5
12
12
20
20
5,8
7,8
3,8
10
4,8
2.4. Lựa chọn kết cấu cho tổ máy.
Với TBTN có 2 kết cấu:
+ Kết cấu trục ngang, thờng sử dụng cho các tổ máy có số mũi phun 1 và 2,
có máy phát điện sản xuất độc lập. Kết cấu này dễ lắp đặt, sửa chữa, nhng có
kích cỡ lớn hơn kết cấu trục đứng.
+ Kết cấu trục đứng: Thờng sử dụng cho các tổ máy có máy phát đợc thiết
kế, chế tạo riêng theo ý đồ của nhà thiết kế, có thể dùng cho tổ máy siêu nhỏ
và một số hãng (nh Newmill - Anh) dùng cho tổ máy công suất lớn và có số
mũi phun Z > 2.
+ Với thuỷ điện siêu nhỏ: Do tính chất sản xuất hàng loạt, để giảm nhẹ kích
thớc tổ máy và hạ giá thành thì đều dùng kết cấu trục đứng (hình 12). nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột nớc cao Đề tài KC07 - 04
Viện Khoa học Thủy lợi
14


15
Chơng III. tính toán, thiết kế các bộ phận chính
3.1. Tiêu chuẩn hóa các bộ phận chính.
Tổ máy TĐSN sử dụng TBTN gồm 3 bộ phận chính: thân tua bin, cụm mũi
phun và cơ cấu kim phun, máy phát và trục, để tổ hợp thành 4 loại tua bin với phạm
vi sử dụng khác nhau nh dã trình bày trong chơng II, có một số chi tiết dùng
chung và có một số chi tiết phải thay đổi.
3.2. Vỏ tua bin.
Với chức năng bảo đảm thoát nớc sau khi ra khỏi BCT với D
1
= 10 cm và là
giá đỡ cho các cụm chi tiết khác nh máy phát, mũi phun. Kết quả thực tế vỏ tua bin
nh sau:
- Tổ máy TN200 - 10/1x2,6 và TN200-10/1x1,8 loại vỏ nhỏ
- Tổ máy TN500 - 10/1x2,6 và TN1000-10/1x2,6 và TN500-10/1x1,8 có kích
thớc vỏ lớn hơn.
3.3. Khoảng cách từ vòi phun đến bánh công tác.
Khoảng cách L phụ thuộc vào kết cấu của vỏ tuabin và cấu trúc dòng chảy
sau khi ra khỏi mũi phun. Khoảng cách L càng lớn, dòng chảy càng bị loe, dẫn tới
khả năng giảm hiệu suất thủy lực của tổ máy. Theo kết quả nghiên cứu [8], L 5d
0

(hình 13).


có u điểm là hiệu suất cao nhng khó chế tạo. Để nâng cao hiệu suất tổ máy,
đề tài đi theo hớng thiết kế, chế tạo cánh BCT có biên dạng theo đúng tính
toán, thiết kế nhng trên giải pháp công nghệ để hạ giá thành chế tạo.
Biên dạng đợc thiết kế theo mẫu BCT của TBTN (đợc trình bày trong phần
báo cáo kết quả nghiên cứu TBTN) nhng đợc đơn giản hóa ở một số chi tiết:
- Thay thế vành ngoài bằng vành thép đai có mặt cắt tròn hoặc vuông. Nhờ
giải pháp này, có thể giảm
0
1
d
D
từ 4 xuống 3,5
- Lá cánh có độ dày biến đổi đợc thay thế bởi lá cánh có độ dày không đổi
(đợc ché tạo bằng phơng pháp ép nguội)
nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột nớc cao Đề tài KC07 - 04
Viện Khoa học Thủy lợi
17
- Một số mặt cắt sát vành và bầu đợc sửa theo điều kiện công nghệ.
3.4.2. Xác định các kích thớc cơ bản của cánh BCT.
Dựa vào kích thớc cơ bản BCT mẫu, xác định đợc các kích thớc cơ bản
của BCT với D
1
= 10 cm nh sau:


= 14,4mm

- Đờng kính lối ra lớn nhất: D
3
= 1,750D
1
= 17,5mm

- Đờng kính lối ra nhỏ nhất: D
2
= 0,283D
1
= 28,3mm

- Chiều rộng của cánh: B
1
= 0,373D
1
= 37,3mm

- Chiều rộng cánh ở lối ra nhỏ nhất: B
2
= 0,303D
1
= 30,3mm

- Chiều rộng cánh ở lối ra lớn nhất: B
3
= 0,174D
1

=



(3.1)
Trong đó:

1i
là góc tại cửa vào của cánh gáo ở vị trí có bán kính là R
i

R
0
là bán kính danh nghĩa của bánh xe công tác (R
0
= D
1
/2).
Các góc
1i
đợc xác định tại mặt cắt trụ có bán kính R
i
và trị số của nó đợc
ghi trong bảng 5.
Bảng 5
Mặt cắt Ri
i
Mặt cắt Ri
i
0 32 37,34866 11 54 53,67687 Hình 16. Biên dạng các mặt cắt lá cánh
Kết quả xâu cánh, mặt bằng ở mép vào và mép ra nh hình 17. Hình 17. Mặt bằng ở mép vào và mép ra của lá cánh BCT
3.4.5. Xác định số cánh Z.
- Số lá cánh Z phụ thuộc vào đờng kính BCT D
1
, độ dày cánh. Theo điều
kiện công nghệ và điều kiện bền, độ dày cánh đợc chọn = 3 mm.
nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột nớc cao Đề tài KC07 - 04
Viện Khoa học Thủy lợi
20
- Số cánh đợc chọn theo mẫu, sao cho tỷ lệ const
L
S
=

nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột nớc cao Đề tài KC07 - 04
Viện Khoa học Thủy lợi
21
ở vị trí kim phun sát vào miệng vòi, lu lợng qua vòi bằng không. khi kim
dịch chuyển ra, diện tích hình vành khuyên cửa ra tăng lên, lu lợng sẽ tăng. Vấn
đề là cần xác định biên dạngvòi phun sao cho lu lợng thay đổi đều theo hành trình
của kim và ở mỗi vị trí của kim vận tốc sẽ tăng dần dọc theo đờng dòng và đạt giá
trị lớn nhất tại cửa ra. Để làm đợc điều này, cần phải xét một số phơng án biên
dạng vòi phun. Cho từng phơng án, xây dựng hình chiếu kinh tuyến của ống dẫn
(giữa miệng vòi và van kim) khi độ mở của vòi khác nhau. Sau đó đa lên hình chiếu
kinh tuyến của ống dẫn các đờng dòng và các đờng đẳng thế xuất phát từ giả thiết
dòng chảy thế đối xứng. Dòng chảy thế theo kinh tuyến đợc xác định bằng phơng
pháp đồ giải kết hợp với giải tích gần đúng.
Việc xây dựng dòng chảy thế của vòi phun là rất khó khăn và phức tạp. Để
đơn giản, khi đánh giá chất lợng một biên dạng vòi phun, ngời ta tính toán xây
dựng các đờng cong của sự thay đổi diện tích tiết diện ống dẫn dọc theo trục của
vòi phun khi các độ mở khác nhau. Do trờng vận tốc dọc theo đờng dòng lớn hơn
nhiều so với đờng đẳng thế nên sự thay đổi diện tích tiết diện phản ánh sự thay đổi
vận tốc trung bình của dòng chảy sẽ cho ta đợc đặc tính vòi phun đủ tin cậy trong
tính toán gần đúng. Điều này có nghĩa là một phơng án biên dạng đợc coi là tốt
khi ở mọi độ mở của vòi phun, đờng biểu diễn quan hệ giữa diện tích tiết diện và
chiều dài dọc theo chiều trục vòi phun thay đổi đều.
Qua nghiên cứu ngời ta đi đến khẳng định rằng khi dòng chảy ở cửa ra bị
nén sẽ cho dòng tia gọn và ít bị toé. Góc côn càng lớn, dòng chảy càng bị nén nhiều.
Nhng khi tăng góc côn của miệng vòi sẽ làm cong mạnh đờng dòng do đó gây
thêm tổn thất thuỷ lực và nh vậy kích thớc đờng kính của vòi phun phải tăng lên.
3.5.2. Tính toán vòi phun cho tổ máy TĐSN.
Hiện nay, các vòi phun đã đợc nghiên cứu t
ơng đối kỹ lỡng cả về lý thuyết
và thực nghiệm. Có 3 loại vòi phun cơ bản có hiệu suất khá cao để tính đổi cho các