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
Chơng III. tính toán, thiết kế các bộ phận chính 16
3.1. Tiêu chuẩn hóa các bộ phận chính. 16
3.2. Vỏ tua bin. 16
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
6.2.4. Tổ máy TĐSN. 59
6.2.5. Móng máy. 59
6.3. Công tác quản lý vận hành. 61
6.3.1. Lắp đặt và vận hành. 61
6.3.2. Quản lý và bảo dỡng sửa chữa. 62
Chơng VII. Kết luận và kiến nghị 64
7.1. Các kết quả mà đề tài đã đạt đợc. 64
7.2. Kiến nghị.
64
Tài liệu tham khảo 65
Phụ lục 66
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
nhng nhìn chung, cột nớc cho TĐSN không dễ dàng có đợc trị số quá cao. Hình 1. Tổ máy TĐSN của hãng IREM
Khảo sát thực tế ở Việt Nam, tại các tỉnh nh Hòa Bình, Nghệ An, Hà Giang
cho thấy, cột nớc phổ biến ở trong khoảng 5 ữ 50 m (trừ các trạm cột nớc thấp).
Do vậy áp dụng tua bin tia nghiêng cho TĐSN là phù hợp vì các u điểm sau:
- Kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, độ bền cao, giá thành hạ.
- Đặc tính năng lợng tốt.
Và tua bin tia nghiêng hoàn toàn cạnh tranh tua bin xung kích 2 lần ở dải công
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
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
4
Hình .3. Kết quả thí nghiệm TĐSN cột nớc cao do Trung Quốc chế tạo.
* Sản xuất TĐSN ở Viện Nam:
Viện Vật liệu (thuộc Trung tâm Khoa học Tự Nhiên và Công Nghệ quốc gia)
đã nghiên cứu chế tạo TĐSN và đạt đợc những kết quả rất tốt. Viện đã sử dụng nam
châm đất hiếm để chế tạo rô to máy phát điện làm thu nhỏ kích thớc, tăng tuổi thọ
máy phát. Đồng thời viện này cũng đã nghiên cứu công nghệ dập lá cánh BCT tốt
hơn, lá cánh không bị cong vênh, nâng cao chất lợng gia công, chất lợng kim lọai
và tiêu chuẩn hóa đợc hai lọai tua bin tia nghiêng là MHG-200HH và MHG-
500HH.
0
1
2
0
0
1
3
0
0
1
4
0
0
n(v/ph)
HS
H=7m
Poly. (H=7m)
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
5
Đi kèm với các tổ máy, viên Vật liệu cũng đã nghiên cứu, sản xuất thiết phân
tải, tải giả để điều chỉnh, ổn định điện áp cho tổ máy.
Tuy nhiên các thiết bị này còn một số hạn chế sau:
- Phạm vi làm việc cột nớc khá cao, trong khi nhu cầu thực tế có cột nớc thấp
hơn.
- Hiệu suất tua bin còn thấp.
Kết quả thí nghiệm các tổ máy MHG-200HH và MHG-500HH nh hình 6 và hình7
0.28
0.29
0.30
0.31
0.32
0.33
7
0
0
8
0
0
9
0
0
1
0
0
0
1
1
0
0
1
2
0
0
1
3
0
9
0
0
1
0
0
0
1
1
0
0
1
2
0
0
1
3
0
0
1
4
0
0
n(v/ph)
HS
H=10m
H=9m
H=8m
Poly. (H=10m)
Poly. (H=9m)
(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.
ở vùng cột nớc cao, các tổ máy do Trung Quốc sản xuất đợc sử dụng trong
phạm vi H = 10 ữ 20 m, Viện vật liệu có sản xuất loại 200 W, H = 6 m, các thông số
cơ bản nh bảng 1.
Bảng 1
Phạm vi sử dụng
STT Loại TB
H (m) Q (l/s) P(W)
Ghi chú
1
TBTN do Trung Quốc
sản xuất
10 ữ 20
100 ữ 500
Hiệu suất thấp
5 6,3 100
2 MHG - 200HH
6 6,4 200
7 7,4 275
8 7,9 325
9 8,4 390
10 8,9 460
3 MHG - 500HH
11 9,1 520
Nguồn: Cataloge của Asian Phoenex Resources Ltd.
nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột nớc cao
= 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
Số vòng quay (v/ph) 1000 1000 1000 1000 1500
Số mũi phun Z 1 2 1 1 1
Công suất P(W) 200 500 200 500
500 ữ 1000
2.3. Các thông số cơ bản.
2.3.1. Tỷ số
0
1
d
D
.
D
1
: Đờng kính bánh công tác (BCT)
d
0
: Đờng kính dòng tia tại chỗ co hẹp nhất.
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
9
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
0
m
d
d
.
d
m
: Đờng kính miệng ra của mũi phun
Việc lựa chọn
0
m
d
d
có ảnh hởng quan trọng tới khả năng làm việc và hiệu suất
của tua bin, với các mũi phun tiêu chuẩn, tỷ số
0
m
d
d
= 1,1 ữ 1,25. Nhng trong thiết
kế TĐSN, để giảm kích thớc cho tổ máy trong điều kiện độ giảm hiệu suất trong
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 9. Đặc tính máy phát 200W do Viện Khoa học Thủy lợi chế tạo
0
200
400
600
800
980 990 1000 1010 1020 1030
Pcơ
P f
Uf
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
Viện Khoa học Thủy lợi
12
- Chất lợng mũi phun không tốt, có khả năng xẩy ra hiện tợng lệch hoặc
khuyếch tán dòng tia.
- Biên dạng cánh không đảm bảo.
- Độ chính xác gia công không cao, gây lệch dòng phun vào cánh.
Dựa vào kết quả nghiên cứu tua bin tâm trục, có thể lấy độ suy giảm hiệu suất
do công nghệ
2
= 3 ữ 4%.
Do vậy hiệu suất thuỷ lực của BCT =
tb
-
1
-
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
Q 3,8 4,8
P 237 512
Kết luận: Tổ hợp các thông số cơ bản:
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
13
D
1
= 10cm
d
0 =
2,6 và 1,8 cm
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
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).
Hình 13. Vị trí của vòi phun so với BCT
Theo kết quả thử nghiệm các mũi phun tại phòng thí nghiệm HPC, do kết cấu
và công nghệ chế tạo vòi phun đơn giản nên cho thấy chọn L 3,5 d
0
tơng ứng các
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:
1
= 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
arctg
i
i
=
(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
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. Hình 19. Vòi phun tiết diện tròn cho khả năng làm việc tốt nhất
Vòi phun có thể có các kết cấu, hình dạng tiết diện dòng tia khác nhau, nhng
cho đến nay, loại vòi phun hình côn có tiết diện tròn với van kim đồng trục dịch
chuyển theo hớng trục của vòi phun (kết cấu nh hình 19) cho khả năng làm việc
tốt nhất.
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
Copyright: Tài liệu đại học ©