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 thử nghiệm tua bin
xung kích 2 lần kiểu Cink
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 tùng phong 5817-5
16/5/2006 hà nội 5/2006
15
2.1. Cột nớc, lu lợng, công suất và hiệu suất
15
2.2. Tác dụng tơng hỗ giữa dòng tia và tấm bản
18
Chơng III.
tổng quan nghiên cứu lý thuyết tua bin XK2L
và XK2L kiểu CINK
26
3.1. Lý thuyết đơn giản của tua bin XK2L
26
3.1.1. Mô tả tua bin XK2L
26
3.1.2. Chuyển động của dòng chảy qua BCT:
27
3.1.3. Lý thuyết cơ bản của tua bin XK2L
31
3.2. Mở rộng nghiên cứu lý thuyết cơ bản tua bin XK2L
36
3.2.1. Mở rộng lý thuyết tua bin XK2L
36
3.2.2. Góc đặt cánh
39
3.2.3. Bề rộng đĩa cánh và góc ở tâm đĩa cánh.
40
3.2.4. Đờng kính bánh xe và trục BCT
44
3.2.5. Mở rộng lý thuyết dòng chảy tuyệt đối qua tua bin XK2L.
45
Chơng IV
68
4.5 Thực nghiệm tua bin mô hình
70
4.5.1 Hệ thống thí nghiệm
70
4.5.2 Thí nghiệm tua bin mô hình
74
4.6. Xây dựng đặc tính tổng hợp chính của tua bin mô hình
80
4.7. Các kết luận rút ra từ thực nghiệm
82
Chơng V.
Kết luận
84
5.1 Các kết quả đề tài đã đạt đợc
84
2. Hớng nghiên cứu tiếp theo
85
Phụ lục
86
NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04
Viện khoa học thuỷ lợi
1
Mở đầu
Nớc ta có một nguồn thuỷ năng vô cùng phong phú. Với khoảng 3/4 diện tích
lãnh thổ là đồi núi, địa hình cao, bị chia cắt mạnh cùng với lợng ma trung bình năm
Viện khoa học thuỷ lợi
2
từ 5-60kW. Đây là loại tua bin có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, quản lý vận hành và
phù hợp với điều kiện và trình độ ngời dân ở miền núi . Tuy nhiên, với tình trạng
chung ở giai đoạn trớc nên cũng không tồn tại đợc lâu.
Nhận thấy những u điểm nổi bật của loại tua bin này, từ năm 1992 Trung tâm
thuỷ điện - Viện khoa học thuỷ lợi đã đã tập trung nghiên cứu, chế tạo và lắp đặt
khoảng hơn 100 trạm thuỷ điện với công suất từ 5kW đến 200 kW ở các tỉnh miền núi.
Kết quả thực tế cho thấy rằng các tua bin đều làm việc ổn định, độ bền khá cao và phát
huy rất hiệu quả vào mục tiêu phục vụ sản xuất và sinh hoạt cho ngời dân ở miền núi .
Trung tâm cũng không ngừng nghiên cứu hoàn thiện lý thuyết, kết cấu, kiểu dáng và
quy trình công nghệ chế tạo để nânng cao chất lợng của tua bin XK2L. Trong đó, việc
nghiên cứu nâng cao hiệu suất và mở rộng phạm vi hoạt động cho loại tua bin này là
một trong những mục tiêu cần nghiên cứu giải quyết.
Để giải quyết mục tiêu đó, nhóm nghiên cứu trong đề tài đã tập trung ngiên cứu
những nội dung chính nh sau:
1. Phân tích và đánh giá phạm vi sử dụng tua bin XK2L;
2. Nghiên cứu lý thuyết tua bin xung kích và tua bin XK2L kiểu CINK;
3. Nghiên cứu, thiết kế tua bin XK2L kiểu CINK;
4. Xây dựng và hoàn thiện phần mềm tính toán, thiết kế tua bin XK2L;
5. Nghiên cứu thực nghiệm và xây dựng đặc tính năng lợng của tua bin XK2L
kiểu CINK;
6. Đánh giá kết quả nghiên cứu thực nghiệm và kiến nghị.
NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04Viện khoa học thuỷ lợi
3
Chơng I. tổng quan và phạm vi ứng dụng Tua bin XK2L
máy theo mẫu GANZ của Hungari với cột nớc H = 10-20m, công suất N 20KW
đợc sản xuất hàng loạt tại Nhà máy Công cụ số I, hoặc các tổ máy theo mẫu HL 360 -
WG-30, 42 (tua bin tâm trục kiểu buồng chính diện)... là những tổ máy có kích thớc
lớn, khó chế tạo và giá thành cao.
Từ những năm 1980, những thông tin về tua bin XK2L do một số hãng của
Nhật, Đức, CH Séc, Trung Quốc, Mỹ... giới thiệu đã đợc các cán bộ khoa học của
Trung tâm thuỷ điện (TTTĐ), Viện khoa học thuỷ lợi đặc biệt quan tâm. Nhận thấy đây
là loại tua bin rất thích hợp cho thuỷ điện nhỏ nhng cha có cơ quan nào quan tâm
nghiên cứu và chế tạo loại thiết bị này, TTTĐ đã tiến hành tập hợp các tài liệu nghiên
cứu lý thuyết, tiến hành thực nghiệm và chế tạo thử. Các tổ máy XK2L sau khi chế tạo,
lắp đặt và vận hành ở các trạm thuỷ điện đã khẳng định đợc kết quả nghiên cứu và
tính toán lý thuyết và công nghệ chế tạo loại tua bin này. Phần nghiên cứu tính toán lý
thuyết, phần dẫn dòng và biên dạng cánh BCT đã đợc đa vào nghiên cứu trong một
đề tài KHCN cấp Nhà nớc và một số kết quả nghiên cứu đã đợc nghiệm thu.
1.2. Phạm vi sử dụng của tua bin XK2L:
NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04Viện khoa học thuỷ lợi
5
Hình 2. Biểu đồ sử dụng tua bin XK2L của hãng Meiden (Nhật bản)
NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04Viện khoa học thuỷ lợi
6
Hình 3. Biểu đồ sử dụng tua bin XK2L của Công ty KUBOTA (Nhật bản) Hình 6. Biểu đồ sử dụng tua bin XK2L của Fuji Electric Corp. (Nhật Bản)
NC, thiÕt kÕ, chÕ t¹o & thö nghiÖm tua bin XK2L kiÓu CINK ®Ò tµi Kc07-04ViÖn khoa häc thuû lîi
9
dụ nh tua bin tâm trục (Francis) nhng bù lại là phạm vi của vùng hiệu suất cao rất
rộng, do vậy mà điện lợng thu đợc của tua bin XK2L cao hơn so với tua bin tâm
trục. Các kết quả nghiên cứu gần đây nhất của hãng Entec (Thụy sĩ) cho thấy hiệu suất
lớn nhất của tua bin XK2L có thể đạt max = 86%, tuy hiệu suất đỉnh có thấp hơn một
vài loại tua bin khác (max = 87 ữ 89%). Nhng do phạm vi vùng hiệu suất cao rộng
hơn nên tổng điện lợng thu đợc của tua bin XK2L cao hơn so với tua bin tâm trục.
NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04Viện khoa học thuỷ lợi
11
Hình 8. So sánh đờng hiệu suất của tua bin XK2L và tua bin tâm trục.
Nhìn vào Hình 1-8 và Hình 1-9 ta thấy rằng tua bin tâm trục có hiệu suất đỉnh
cao hơn tua bin XK2L, tuy nhiên vùng hiệu suất cao khá hẹp nên hiệu suất sẽ giảm rất
Hình 9. Quan hệ về điện lợng - thời gian trong năm của tua bin XK2L và
tua bin tâm trục.
NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04Viện khoa học thuỷ lợi
12
nhanh khi lu lợng giảm. Để giải thích phạm vi rộng của vùng hiệu suất cao, xem
Hình 1-10
Tổng kết quá trình chế tạo cho thấy, giá thành chế tạo tua-bin XK2L bằng 50%
ữ 70% so với tua bin khác cùng công suất.
Kết cấu vỏ bằng thép hàn dễ dàng cho chế tạo đơn chiếc. Việc sử dụng ổ bi cho
các tổ máy công suất lớn cũng làm giảm đáng kể giá thành chế tạo và lắp ráp.
Với kết cấu gọn nhẹ và dễ tháo, lắp nên việc vận chuyển thuận lợi, đặc biệt cho
những vùng giao thông còn khó khăn.
Do cấu trúc đối xứng 2 đầu trục, nên bố trí thiết bị tốn ít diện tích và làm giảm
giá thành xây dựng nhà trạm.
Do lực đóng mở cánh hớng nhỏ, cũng làm giảm đáng kể giá thành của điều tốc
tự động.
NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04Viện khoa học thuỷ lợi
14
1.3.4. Hạn chế của tua bin XK2L
Theo cách phân loại truyền thống thì tua bin XK2L là loại tua bin xung kích tỷ
tốc thấp nên số vòng quay thấp. ở những trạm có cột nớc thấp phải có bộ truyền
động, do vậy làm tăng giá thành chế tạo tổ máy. ở các nớc công nghiệp tiên tiến, các
trạm thuỷ điện cột nớc thấp dùng tua bin XK2L đều sử dụng bộ truyền bánh răng nối
với máy phát tiêu chuẩn có vòng quay n = 1000-1500 v/phút.
Do có nhiều u điểm so với các loại tua bin khác nên những năm gần đây, tua
bin XK2L ngày càng đợc sử dụng rộng rãi cho thuỷ điện nhỏ và thuỷ điện cực nhỏ.
Nhìn chung, các trạm thuỷ điện nhỏ sử dụng tua bin XK2L đều vận hành ổn định và
góp phần đáng kể vào việc nâng cao đời sống vật chất và tinh thần cho đồng bào các
tỉnh vùng sâu, vùng xa của cả nớc. Hiện nay, nhiều phòng thí nghiệm và các cơ quan
nghiên cứu ở một số nớc vẫn tiếp tục nghiên cứu để nâng cao hiệu quả và mở rộng
phạm vi sử dụng loại tua bin này.
1.4. Kết luận
b
Z
g
CP
E ++=
2
2
(2.1)
ở cao trình mực nớc hạ lu:
H
HH
H
Z
g
CP
E ++=
2
2
(2.2)
Trong đó: Z
b
, Z
H
- cao độ mực nớc thợng lu và hạ lu so với mặt chuẩn so
sánh . 0- 0.
- Trọng lợng riêng của nớc.
Hiệu số năng lợng E
b
CC
Do đó cột nớc toàn phần H
(2.3) thực tế bằng hiệu số mực nớc thợng lu và
hạ lu.
HbHb
ZZEEH ==
Nhng tua bin không thể sử dụng toàn bộ cột nớc toàn phần H
. Một phần
năng lợng H
n
tiêu hao do tổn thất dọc đờng và tổn thất cục bộ trên đờng dẫn và
đờng ống áp lực mà trong trờng hợp tua bin phản kích cột nớc cao chúng có chiều
dài lớn, và tiêu hao trên các bộ phận dẫn dòng mà những bộ phận này không thuộc vào
các bộ phận của tua bin. Một phần khác H
n
(chỉ đối với tua bin xung kích) bị mất đi
do độ cao đặt BXCT cao hơn mực nớc hạ lu.
Nh vậy cột nớc mà tua bin sử dụng có thể viết dới dạng.
nn
HHHH =
(2.4)
Cột nớc tốt nhất là trực tiếp xác định bằng hiệu tỷ năng dòng chảy trớc và sau
tua bin. Trớc tua bin ở tiết diện cửa vào 1:
1
1
đợc đo bằng áp kế. Nếu áp kế đặt cao hơn tâm tiết diện 1 một
khoảng a
1
thì:
NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04
Viện khoa học thuỷ lợi
17
1
1
1
a
P
P
m
+=
(2.7)
Trong đó: P
m1
- chỉ số của áp kế.
Tỷ năng dòng chảy sau tua bin phản kích đợc xác định tại tiết diện cửa ra của
ống hút. Vì trị số động năng của dòng chảy khi ra khỏi tua bin phụ thuộc vào kết cấu
tua bin (tua bin càng hoàn thiện thì đại lợng này càng nhỏ) nếu tỷ năng của dòng chảy
ra khỏi tua bin chỉ tính phần thế năng còn toàn bộ phần động năng đợc tính là tổn
thất của tua bin. Đối với tua bin phản kích tính nh vậy ở mức độ nhất định chỉ là giả
định bởi vì vận tốc cửa ra ngay cả về mặt lý thuyết cũng không thể bằng không.
ở các tua bin xung kích, tỷ năng dòng chảy ở cửa ra đợc xác định khi dòng
chảy ra khỏi cánh BXCT, ở đó vận tốc tuyệt đối về lý thuyết có thể bằng không. Vì vậy
thực tế cũng thay đổi. Do đó cao độ điểm cửa ra tính toán đợc lấy ở một điểm trung
bình nào đó: ở tua bin trục ngang lấy ở giao điểm của trục dòng phun với đờng bán
kính BXCT vuông góc với nó.
Công suất của dòng chảy qua tua bin:
QH
QH
N
H
81,9
102
==
KW (2.10)
Trong đó: = 100 Kg/m
3
; Q - m
3
/s.
Công suất của tua bin:
N = N
H
. = 9,81.QH (2.11)
NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04
Viện khoa học thuỷ lợi
18
Trong đó: - hiệu suất tua bin.
Bánh xe công tác của tua bin xung kích chỉ sử dụng động năng của chất lỏng.
Do đó cơ cấu hớng nớc tua bin cần phải biến đổi thế năng của chất lỏng thành động
năng. Xem tổn thất trong bộ phận phân dòng là H
=
- hệ số lu tốc
Vòi phun của tua bin XK2L có dạng hình chữ nhật và dòng phun sẽ có tiết diện
hình chữ nhật, điều đó sẽ phù hợp hơn với hình dạng của cánh.
Trong các thí nghiệm trớc đây cho thấy rằng những dòng phun từ các vòi nh
vậy biến dạng nhiều trên đoạn chảy tự do trong khí quyển vì chịu ảnh hởng của lực
kéo mặt. Tiết diện dòng phun bị thu nhỏ theo chiều chuyển động và do đó sẽ bị mất
một phần năng lợng. Sự chuyển động vòng của chất lỏng trong cánh sẽ xấu đi. Mặc
dù vậy, ở các tua bin XK2L và các loại tua bin phản kích khác, tiết diện dòng phun
phải có dạng hình chữ nhật.
2.2. Tác dụng tơng hỗ giữa dòng tia và tấm bản
Tác dụng tơng hỗ của dòng tia lên bản phẳng cố định vuông góc với dòng tia:
Giả thiết chất lỏng là lý tởng, có thể coi trị số tuyệt đối của chất lỏng khi ra
khỏi bản (v
2
) bằng trị số vận tốc tuyệt đối của vận tốc dòng tia ban đầu(v
1
). Dòng tia
tác dụng lên bản phẳng với lực P. Ta có phơng trình biến thiên động lợng:
NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04
Viện khoa học thuỷ lợi
19
fv
g
x
v
x
Hình 11: Sơ đồ dòng tia chảy lan trên mặt bản cố định
kích thớc không giới hạn đặt vuông góc với trục dòng tia.
Trong trờng hợp tổng quát hơn xét bản cong có kích thớc hạn chế đối
xứng nh sơ đồ Hình 12.
Nh trên ta có:
)(
21 xx
vv
g
Q
P =
(2.15)
0
P x
f
0.991V
1
2
/2g
.cos
Do đó:
)cos1(
)cos1(
2
11
== f
g
v
g
Qv
P
(2.16)
Từ công thức này ta thấy rằng lực P sẽ lớn nhất khi
= 180
0
và trong trờng hợp
này:
f
g
v
P
2
1
2
suy ra f
1
4f (2.19)
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.
x
f
V
2
V
1
V
2
f
1
NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04
Viện khoa học thuỷ lợi
21
Trên đây ta đã nói đến lực tác dụng tơng hỗ giữa dòng tia và tấm bản. Sự
tác động này sẽ đơn thuần là lực và không có sự trao đổi năng lợng nếu nh tấm
bản đứng yên. 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 13).
Lúc này vận tốc của dòng tia so với tấm bản:
c
2
=u + w.cos
(2.23)
u
x
f
W
C
W
f
1
NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04
Viện khoa học thuỷ lợi
22
Động lợng cuối cùng là:
)cos(
2
wufw
g
(2.26)
Công suất của dòng tia:
f
g
c
Q
g
c
N
z
2
2
22
==
(2.27)
Hiệu suất thủy lực:
3
2
)cos1()(2
c
uuc
N
N
z
n
th
có giá trị lớn nhất khi
= 180
01
27
16
max
<<=
th
(2.31)
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
Copyright: Tài liệu đại học ©