bộ nông nghiệp và phát triển nông thôn
viện khoa học thủy lợi
báo cáo tổng kết chuyên đề

nghiên cứu tua bin nghiêng phục vụ phát
triển thủy điện nhỏ ở việt nam

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 đề tài: TS Hoàng Văn thắng

5817-1
16/5/2006

Chơng IV. Nghiên cứu thực nghiệm tBTN 43
4.1. Hớng nghiên cứu TBTN. 43
Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04
Viện Khoa học Thủy lợi
4.1.1. Vòi phun. 43
4.1.2. Bánh xe công tác. 43
4.1.3. Tơng quan giữa vòi phun và bánh công tác. 43
4.2. Thiết kế TBTN mô hình. 44
4.2.1. Lựa chọn kết cấu. 44
4.2.2. Lựa chọn kích thớc, thông số cơ sở TBTN mô hình. 44
4.2.3. Tính toán các thông số cơ bản của TBTN mô hình. 44
4.2.4. Thiết kế bánh xe công tác. 45
4.2.5. Lựa chọn vòi phun. 46
4.3. Mô hình hoá tua bin. 47
4.4. Thực nghiệm tua bin mô hình. 49
4.4.1. Hệ thống thí nghiệm. 49
4.4.2. Thí nghiệm tua bin mô hình 53
4.5. Xây dựng đặc tính tổng hợp chính của tua bin mô hình. 60
4.6. Các kết luận rút ra từ thực nghiệm. 63
Kết luận 65
Tài liệu tham khảo 67
Phụ lục 68
Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04
Viện Khoa học Thủy lợi

Tua bin tia nghiêng (TBTN) thuộc nhóm tua bin có tỷ tốc thấp, nằm giữa tua
bin gáo và tua bin XK2L. Trong thực tế chế tạo tua bin, nhiều trờng hợp phảI lựa
chọn TBTN hoặc tua bin gáo nhiều vòi phun, vì nếu sử dụng các lọai tua bin khác là
không kinh tế hoặc hiệu suất thấp. ở Việt Nam, một số trạm thủy điện đã nhập thiết
bị TBTN của nớc ngoài nh Trạm thuỷ điện Kỳ Sơn - Hà Tĩnh với hai tổ máy
250kW, Trạm thuỷ điện Nà Chá - Mộc Châu - Sơn La một tổ máy 130kW của hãng
GILKES (Anh) và đã nhập hàng ngàn tổ máy thủy điện siêu nhỏ (TĐSN) có công
suất 200 ữ 300W của Trung Quốc. Thực tế cho thấy rằng các tổ máy này có kết cấu
đơn giản, độ bền cao và hiệu quả năng lợng tốt. Do vậy đề tài đã đặt vấn đề nghiên
cứu TBTN cho thủy điện nhỏ trong giới hạn bớc đầu là các tua bin có công suất
dới 200kW với các nội dung:
- Nghiên cứu lý thuyết và mô hình để xây dựng biên dạng cánh, phần dẫn
dòng.
- Xây dựng gam tua bin
- ứng dụng để thiết kế một số tổ máy: 200W, 500W, 1000W, 5kW và 10kW.
- Làm cơ sở cho thiết kế các tổ máy có công suất tới 200kW.
1.2. Phơng pháp nghiên cứu.
Khi bắt đầu bớc vào nghiên cứu TBTN, đề tài gặp phải các khó khăn lớn là:
- Cơ sở lý thuyết về TBTNT là không hòan chỉnh, dựa trên lý thuyết đơn giản
với rất nhiều giả thiết làm đơn giản hóa bài tóan.
- Tài liệu nớc ngòai cũng rất thiếu.
Do vậy đề tài sử dụng các phơng pháp nghiên cứu sau:
- Nghiên cứu lý thuyết: Dựa vào lý thuyết đơn giản của TBTN, các nghiên cứu
về tua bin gáo có thể ứng dụng cho TBTN.
- Nghiên cứu theo mẫu: Lựa chọn các mẫu có chất lợng tốt, đo đạc và phân
tích các số liệu mẫu.
- Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm trên mô hình, xử lý số liệu.
- Thử nghiệm hiện trờng.
- Xây dựng các chỉ tiêu thiết kế chung để nhân rộng từ mô hình ra tua bin thực.


Hiệu suất cao nhất đợc đánh giá vào khỏang 86 ữ 87%.
Một số nhà nghiên cứu nổi tiếng về TBTN nh: y . (I. F.
Sipulin);
Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04
Viện Khoa học Thủy lợi
4
ở Anh, hãng GILKES là hãng nghiên cứu hàng đầu về TBTN. Từ năm 1993,
hãng TANAKA (Nhật Bản) trên cơ sở nghiên cứu của GILKES cũng đã xây dựng
gam TBTN của mình. ở Trung Quốc, TBTN cũng đợc sử dụng từ lâu nhng gần
đây, viện nghiên cứu TRIED (Thiên Tân - Trung Quốc) cũng đã nghiên cứu tiêu
chuẩn hóa TBTN cho trạm thủy điện có cột áp nhỏ hơn 180m.
Một số thông tin về TBTN trên thế giới nh sau:
2.1. TBTN của hãng GILKES.
Hãng GILKES sản xuất tua bin thủy lực từ năm 1856 và đã bán sản phẩm ra
hơn 80 nớc trên thế giới. Gam TBTN do hãng giới thiệu có phạm vi làm việc:
H = 20 ữ 300 m
P = 50 ữ 10.000kW
Với kết cấu trục ngang (hình 2), bánh công tác đợc lắp công sôn trên trục tua
bin. Cấp đờng kính bánh công tác D
1
= 30, 33, 36, 40, 44, 48, 53, 58, 64, 71, 78, 88,
94, 104, 114cm. Phạm vi sử dụng nh ở hình 3.
Viện Khoa học Thủy lợi
6
2.2. TBTN do Trung Quốc sản xuất.
Trung quốc sử dụng rộng rãI TBTN cho thủy điện vừa và nhỏ với kết cấu trục
ngang, 1 vòi phun (hình 5). Hình 5. Kết cấu TBTN do Trung Quốc chế tạo
TBTN đợc tiêu chuẩn hóa thành 2 mẫu XJ
13
và XJ
02
với phạm vi làm việc:
H = 30 ữ 150 m
P = 5 ữ 1250 kW.
Cấp đờng kính bánh công tác D
1
= 12, 20, 25, 32, 40, 50cm
Đờng kính dòng tia d
0
= 5, 6, 7, 9, 11 và 12,5cm.

Hình 6. Biểu đồ sử dụng sản phẩm TBTN XJ
02
do Trung Quốc sản xuất
Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04
Viện Khoa học Thủy lợi
8
2.3. Một số thông tin khác.
Ngoài hai đại diện trên, hãng NEWMILLS HYDRO (Anh) giới thiệu lọai
TBTN trục đứng có nhiều mũi phun (hình 7). Hình 7. Sơ đồ kết cấu TBTN nhiều vòi phun của hãng
NEWMILLS HYDRO
2.4. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng TBTN ở Việt Nam.
ở nớc ta mới chỉ có một số trạm thuỷ điện nhỏ sử dụng loại tua bin này (đã

Hình 9. Sơ đồ dòng tia chảy lên tấm bản cong đối xứng đặt cố định.
Với giả thiết chất lỏng là lý tởng, áp dụng phơng trình động lợng, ta có
lực P do chất lỏng tác động lên tấm bản là:

x
f
V
2
V
1
V
2
f
1


Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04
Viện Khoa học Thủy lợi
10

)cos1(

)cos1(

2
11
== f
g
v
g

p
h
p
==

(3.3)
vì
g
v
Hh
p
2
2
1
=
suy ra f
1
4f (3.4)
Từ đây ta thấy rằng để đạt yêu cầu tác dụng của dòng chảy lên tấm bản, diện
tích hình chiếu của bản lên phơng vuông góc dòng tia phải lớn hơn 4 lần diện tích
tiết diện dòng tia. Nguyên tắc lý thuyết này đợc sử dụng để lựa chọn kích thớc
của BCT tua bin xung kích.
3.1.1.2. Tấm bản cong đối xứng chuyển động theo trục dòng tia.
Trên đây ta đã nói đến lực tác dụng tơng hỗ giữa dòng tia và tấm bản. Khi
tấm bản đứng yên sẽ không có trao đổi năng lợng. Muốn cho tấm bản nhận đợc
năng lợng từ dòng tia, nó phải chuyển động với vận tốc u nào đó (sơ đồ trên hình
10).
Lúc này vận tốc của dòng tia so với tấm bản:
w = c - u (3.5)
Trong đó: u - vận tốc theo


= uc
g
f
P
(3.7)
Công suất do lực P sinh ra:

)cos1()(

.
2

== uuc
g
f
uPN
n
(3.8)
Công suất của dòng tia:

f
g
c
Q
g
c
N
z
2

max

=
th
(3.11)
Hiệu suất cực đại
th max
có giá trị lớn nhất khi = 180
01
27
16
max
<<=
th

(3.12)
Điều này đợc giải thích rằng khi tấm bản dịch chuyển ra xa nơi xuất phát
dòng tia, chỉ có một phần chất lỏng tác dụng đợc lên nó, lu lợng của phần chất
u
x
f
W

C

W


== uucfc
g
PuN
n
(3.15)
Hiệu suất thủy lực:

2
)cos1()(2
c
uuc
th



=
(3.16)
cũng tơng tự nh trên ta tìm đợc u tối u:
2
c
u
tu
=
(3.17)
Hiệu suất cực đại lúc này là:
)cos1(
2
1
max


u

2

1

c
1
u
w
1
u Hình 11. Sơ đồ dòng tia tác động lên tấm bản cong đang chuyển động
dới một góc so với trục của dòng tia
Để thoả mãn yêu cầu về điều kiện chảy vào của dòng tia, hớng của w phải
trùng với tiếp tuyến của tấm bản. Góc
1
biểu thị hớng của vận tốc tơng đối w
1

Q
uPN
n
+==
(3.21)
Hiệu suất thủy lực sẽ là:

2
22
2
th
)cos...2-cos-cos..(.2

c
ucucucu
+
=
(3.22)
Lực tác động theo hớng vuông góc với chuyển động cũng xác định tơng tự:

)cos...2sinsin.(

22
2
ucucc
g
Q
P
+=
(3.23)

phía ngoài BCT do đó phía ngoài BCT cho phép dùng một vành néo, các cánh của
bánh xe. Đây cũng là u điểm về kết cấu BCT so với tua bin gáo. Cánh có hình dạng
gáo với cạnh cửa vào không lớn lắm và để ra khỏi cánh thuận lợi đòi hỏi cạnh cửa ra
kéo dài hơn nhiều so với cạnh cửa vào. Tuy vậy trong lý thuyết đơn giản về TBTN
nó đợc giả thiết là quá trình chảy trên cánh xảy ra trên các mặt phẳng song song
với trục BCT và trục dòng tia. Sơ đồ chảy lên BCT thể hiện trên hình 12.
Hình 12. Sơ đồ dòng chảy vào BCT TBTN
c
2
u
w
2
c
u2

2

2

1


r
2
) (3.24)
Trong đó: r
1
= r
2
=
2
1
D
và .r
1
= .r
2
=u
c
u1
= c
1
cos
1
= w
1
cos
1
+ u (3.25)
c
u2
= c

với vec tơ vận tố theo u.
Từ đây hiệu suất sẽ là:
)]180cos([cos
2
)]}180cos([]cos{[

2
0
1
2
1
1
2
2
0
211
TL
+=
=
+
=
c
uw
gH
wuuwu

(3.27)
Trong đó:
1
2

=
TL
(3.29)
Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04
Viện Khoa học Thủy lợi
16
Nh vậy hiệu suất thuỷ lực của TBTN phụ thuộc vào các góc
1
,
1
,
2
. Ta
cần phải xác định các giá trị tối u của các góc này. ở công thức (3.29) ta thấy
TL

đạt max khi cos
2
= -1 hay
2
= 180
0
.
Để tìm giá trị tối u của
1
ta cần tìm đạo hàm riêng của theo
1
.
0
sin

sin
2/sin
2
21
1
2
1
2
2
max
th
=

(3.31)
Sau khi biến đổi ta có:

1
21
2
max
cos1
coscos



+

=
th
(3.31a)

1
= 0;
2
= 180
0

(3.33)
Lúc đó:
2
1
2
max


+
=
th
(3.34)
Nếu giả thiết chất lỏng là lý tởng thì = 1; = 1 ta có:
th max
= 1
Nh vậy về mặt lý thuyết, hiệu suất thủy lực của TBTN có thể bằng 1. Nhng
để đạt đợc điều này cần phải thoả mãn điều kiện
1
=
1
= 0 và
2
=180
0

, tam giác vận tốc tại cửa vào sẽ là tam giác
cân (u = w
1
) và vận tốc cửa ra là nhỏ nhất vì w
2
w
1
= u.
Vận tốc tối u đợc xác định:
1
1
cos2

c
u
tu
=
(3.35)
suy ra
1
cos2
1


=
tu
(3.36)
Các thí nghiệm tại viện nghiên cứu máy thủy lực Liên Xô cũ () cho thấy
rằng
tu

)cos21cos(cos2
1
2
21

+=
(3.39).
3.2. Thiết kế TBTN.
Các bộ phận và tham số cơ bản trong TBTN bao gồm:

Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04
Viện Khoa học Thủy lợi
18
+ Các bộ phận chính:
- Vòi phun, kim phun và bộ phận chuyển tiếp từ ống dẫn.
- Bánh công tác ua bin
- Buồng tua bin
+ Các tham số cơ bản:
- Tỷ số:
0
1
d
D

- Khỏang cách mũi phun đến bánh công tác, chất lợng dòng tia.
- Chuyển động của dòng tia qua BCT và sau BCT, hệ số co hẹp và giãn nở
của dòng tia.
Để nâng cao chất lợng làm việc của TBTN, cần tập trung nghiên cứu các bộ
phận và tham số trên.
3.2.1. Biên dạng phần dẫn dòng của TBTN.

0
= (13ữ17,6)V
od
Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04
Viện Khoa học Thủy lợi
19
Hay: K
0
=(170ữ300)K
od

Trong đó: K
0
: động năng dòng chảy tại mũi phun
K
od
: động năng dòng chảy trong ống dẫn
Do tổn thất thủy lực trong ống dẫn tỷ lệ thuận với thành phần động năng
dòng chảy nên với lựa chọn trên, tổn thất trong ống dẫn là rất nhỏ.
Từ công thức xác định vận tốc của dòng chảy qua mũi phun:
V
0
=
gH2*

với = 0,96 ữ 0,98, chọn với = 0,7
Suy ra: V
od
=(0,075ữ0,055)*
gH2

D
phù hợp để không gây
hiện tợng dòng tia phun lên vành và bầu BCT.

(a)
Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04
Viện Khoa học Thủy lợi
20


20,15
20,72

33
36
31

37
43
45

a
b
c

20
16,86
16,6
16,86

30
31
31

31
38
38

a
b

Hình 14. Vòi phun tiết dện tròn điều chỉnh độ mở bằng van kim
Về mặt kết cấu nên làm sao cho hành trình cực đại của van kim nhỏ tới mức
tối thiểu. Thực tế vòi phun đợc chế tạo tơng ứng với các thông số cơ bản (đờng
kính cửa vào và cửa ra), với kết cấu bộ phận điều khiển van kim và số liệu vận hành
của các vòi phun đã sử dụng. Hình 15. Sơ đồ dòng chảy thế của đờng dẫn trong vòi phun
Về nguyên tắc khi xem xét một số phơng án biên dạng vòi phun. Để cho
từng phơng án, ta xây dựng hình chiếu đờng kinh tuyến của ống dẫn khi độ mở
Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04
Viện Khoa học Thủy lợi
22
của bộ phận hớng dòng khác nhau (hình 15). Sau đó đa lên hình chiếu kinh tuyến
của ống dẫn các đờng dòng và các đờng đẳng thế xuất phát từ các giả thiết dòng
chảy thế đối xứng. Dòng chảy thế theo kinh tuyến đợc xác định bằng phơng pháp
đồ giải kết hợp giải tích gần đúng. Cơ sở lý thuyết và phơng pháp xây dựng đờng
đờng dòng đẳng thế nh sau:

m
nrCQ

2
(3.43)
Trong đó: r bán kính trong phần dẫn dòng của vòi phun
R bán kính biên dạng ngoài phần dẫn dòng của vòi phun.
Lu lợng nguyên tố Q qua một diện tích vành khăn giữa hai đờng dòng là:
Q = 2r
1
C
m1
n
1
= 2r
2
C
m2
n
2
=...= const
Nếu gọi là độ chênh thế giữa 2 đờng vuông góc đứng cạnh nhau, cách
nhau khoảng S, thì theo toán học đã chứng minh vận tốc C
m
tính theo dòng đẳng
thế bằng công thức:
SdS
d
C
m


=
R
r
n
S
r
F

2
(3.45)
ta có: Q = 2F. (3.46)

Trích đoạn Bộ phận lái, cắt dòng Hệ thống thí nghiệm

---