BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Nguyễn Quốc Tuấn

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ HÌNH HỌC
(H/D VÀ L/T) ĐẾN HIỆU SUẤT CỦA TUA BIN TRỰC GIAO PHÙ
HỢP VỚI DÒNG CHẢY TRÊN SÔNG VÀ VEN BIỂN Ở VIỆT NAM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

HÀ NỘI - 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Nguyễn Quốc Tuấn

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ HÌNH HỌC
(H/D VÀ L/T) ĐẾN HIỆU SUẤT CỦA TUA BIN TRỰC GIAO PHÙ
HỢP VỚI DÒNG CHẢY TRÊN SÔNG VÀ VEN BIỂN Ở VIỆT NAM

Ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực
Mã số: 9520116

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. GS. TS Nguyễn Thế Mịch.
2. TS. Đỗ Huy Cương


Người hướng dẫn khoa học

Nghiên cứu sinh

GS. TS. Nguyễn Thế Mịch

Nguyễn Quốc Tuấn

TS. Đỗ Huy Cương

i

năm 2018


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
n - Số vòng quay quay tua bin (v/ph)
nmf – Số vòng quay máy phát điện (v/ph)
i – Tỷ số truyền (không thứ nguyên)
Z - Số lá cánh bánh công tác của tua bin
P - Công suất trên trục tua bin (kW)
Ptm – Công suất định mức của tổ máy (kW)
S – Số tổ máy (tổ)
PB – Công suất trên một cánh bánh công tác (kW)
η - Hiệu suất tua bin (%)
ηmf - Hiệu suất máy phát (%)
ηol - Hiệu suất ổ lăn (%)
ηck - Hiệu suất cơ khí (%)
ρ - Khối lượng riêng chất lỏng (kg/m3)

 - Góc phương vị của cánh (độ)
a - Hệ số thu hẹp dòng chảy (không thứ nguyên)
m – Khối lượng chất lỏng qua bánh công tác trong một đơn vị thời gian (kg/s)
l - Ðộ dài của profile lá cánh bánh công tác tua bin (m)
t – Bước cánh (m)
CP – Hệ số công suất tua bin (không thứ nguyên).
CL - Hệ số lực nâng (không thứ nguyên).
CD - Hệ số lực cản (không thứ nguyên).
Cn – Hệ số thành phần lực theo phương pháp tuyến
Ct – Hệ số thành phần lực theo phương tiếp tuyến
Fn – Thành phần lực theo phương pháp tuyến (N)
Ft – Thành phần lực theo phương tiếp tuyến (N)
dN – Thành phần lực pháp tuyến tác dụng lên một phân tố cánh (N)
dT – Thành phần lực tiếp tuyến tác dụng lên một phân tố cánh (N)
Lp - Lực nâng trên cánh (N)
FD – Lực cản trên cánh (N)
TB - Mô men của bánh công tác (N.m)
Cm – Hệ số mô men bánh công tác (không thứ nguyên)
 - Hệ số cứng vững cánh bánh công tác (không thứ nguyên)
b - Chiều dày của profile lá cánh bánh công tác tua bin (m)
Re – Số Reynolds (không thứ nguyên)
Sh – Số Strouhal (không thứ nguyên)

iii


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
TT

Nội dung các bảng biểu


13

6

Bảng 1.6. Bảng các giá trị Cpmax và Cpmax của các trường hợp nghiên cứu

19

7

Bảng 1.7. Bảng tổng hợp các loại tua bin trực giao của hãng New Energy
Corporation

21

8

Bảng 2.1. Tọa độ biên dạng cánh NACA 0018

35

9

Bảng 2.2. Kết quả tính toán các thông số kỹ thuật bánh công tác tua bin với
l/t = 0.13

38

10

l/t = 0.45

41

15

Bảng 3.1. Kết quả mô phỏng cho trường hợp l/t = 0.13 với dải vận tốc dòng chảy
thay đổi

54

16

Bảng 3.2. Kết quả mô phỏng cho trường hợp l/t = 0.19 với dải vận tốc dòng chảy
thay đổi

57

17

Bảng 3.3. Kết quả mô phỏng cho trường hợp l/t = 0.25 với dải vận tốc dòng chảy
thay đổi

61

18

Bảng 3.4. Kết quả mô phỏng cho trường hợp l/t = 0.32 với dải vận tốc dòng chảy
thay đổi



74

23

Bảng 3.9. Kết quả tính toán các thông số kỹ thuật bánh công tác tua bin với
H/D = 0.9

76

24

Bảng 3.10. Kết quả mô phỏng cho trường hợp H/D = 0.9 với dải vận tốc dòng
chảy thay đổi

78

25

Bảng 3.11. Kết quả tính toán các thông số kỹ thuật bánh công tác tua bin với
H/D = 1.1

79

26

Bảng 3.12. Kết quả mô phỏng cho trường hợp H/D = 1.1 với dải vận tốc dòng
chảy thay đổi

82


Bảng 4.1. Các thông số đo thực nghiệm cho mẫu bánh công tác với l/t = 0.13
(Z = 4 cánh)

100

32

Bảng 4.2. Các thông số đo thực nghiệm cho mẫu bánh công tác với l/t = 0.19
(Z = 6 cánh)

101

33

Bảng 4.3. Các thông số đo thực nghiệm cho mẫu bánh công tác với l/t = 0.25
(Z = 8 cánh)

102

34
35

Bảng 4.4. Các thông số đo thực nghiệm cho mẫu bánh công tác với l/t = 0.32
(Z = 10 cánh)
Bảng 4.5. Các thông số đo thực nghiệm cho mẫu bánh công tác với l/t = 0.38
(Z = 12 cánh)

v


4

Hình 1.4. Hệ thống cửa sông ven biển khu vực Vũng Tàu

6

5

Hình 1.5. Hệ thống cửa sông ven biển khu vực Trà Vinh

6

6

Hình 1.6. Trường dòng chảy trên Biển Đông và ven bờ Việt Nam

7

7

Hình 1.7. Khảo sát dòng chảy tại khu vực bến Việt Hải

8

8

Hình 1.8. Khảo sát dòng chảy tại khu vực hòn Tùng Gấu

11



14

Hình 1.14. Lắp đặt tua bin trực giao khai thác năng lượng dòng chảy tại cửa biển

16

15

Hình 1.15. Lắp đặt tua bin trực giao dưới gầm cầu để khai thác năng lượng dòng
chảy

16

16

Hình 1.16. Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa hệ số công suất Cp và hệ số vận tốc


18

17

Hình 1.17. Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa Cp và vận tốc gió ứng với các giá trị
H/D

20

18


25

22

Hình 2.4. Sự thay đổi áp suất và vận tốc dòng chảy khi qua bánh công tác

26

23

Hình 2.5. Các thành phần vận tốc dòng chảy qua bánh công tác

28

24

Hình 2.6. Hệ số các lực thành phần theo phương pháp tuyến và phương tiếp
tuyến

29

25

Hình 2.7. Các thông số hình học bánh công tác tua bin trực giao

33

26

Hình 2.8. Biên dạng cánh NACA 0018


Hình 3.3. Sơ đồ các bước áp dung phần mềm Ansys Fluent

44

32

Hình 3.4. Điều kiện biên mô hình bài toán

51

33

Hình 3.5 Mô hình chia lưới bài toán

52

34

Hình 3.6. Phân bố vận tốc dòng chảy qua bánh công tác có l/t = 0.13 với trường
hợp hệ số mô men lớn nhất Cm = 0.13, tỷ số vận tốc  = 2.6

53

35

Hình 3.7. Phân bố vận tốc dòng chảy trên mặt phẳng cắt qua cánh bánh công tác
tua bin có l/t = 0.13

53


56

41

Hình 3.13. Đường quan hệ  =f1() và Cm = f2() với l/t = 0.19

58

42

Hình 3.14. Phân bố vận tốc dòng chảy qua bánh công tác có l/t = 0.25 với trường
hợp hệ số mô men lớn nhất Cm = 0.171, tỷ số vận tốc  = 2.10

59

vii


43

Hình 3.15. Phân bố vận tốc dòng chảy trên mặt phẳng cắt qua cánh bánh công tác
tua bin có l/t = 0.25

59

44

Hình 3.16. Phân bố vận tốc qua từng profile cánh bánh công tác với l/t = 0.25


Hình 3.21. Đường quan hệ  =f1() và Cm = f2() với l/t = 0.32

65

50

Hình 3.22. Phân bố vận tốc dòng chảy qua bánh công tác có l/t = 0.38 với trường
hợp hệ số mô men lớn nhất Cm = 0.21, tỷ số vận tốc  = 1.9

65

51

Hình 3.23. Phân bố vận tốc dòng chảy trên mặt phẳng qua cánh bánh công tác tua
bin có l/t = 0.38

66

52

Hình 3.24. Phân bố vận tốc qua từng profile cánh bánh công tác với l/t = 0.38

68

53

Hình 3.25. Đường quan hệ  =f1() và Cm = f2() với l/t = 0.38

69


trường hợp hệ số mô men lớn nhất Cm = 0.2, tỷ số vận tốc  = 1.91

73

59

Hình 3.31. Phân bố vận tốc dòng chảy trên mặt phẳng qua cánh bánh công tác tua
bin có H/D=0.8

73

60

Hình 3.32. Phân bố vận tốc qua các profile cánh bánh công tác với H/D = 0.8

74

61

Hình 3.33. Đường quan hệ  = f1() và Cm = f2() với H/D = 0.8

75

62

Hình 3.34. Phân bố vận tốc dòng chảy qua bánh công tác có H/D = 0.9 với
trường hợp hệ số mô men lớn nhất Cm = 0.2, tỷ số vận tốc  = 1.98

76



Hình 3.39. Phân bố vận tốc dòng chảy trên mặt phẳng qua cánh bánh công tác tua
bin có H/D = 1.1

81

68

Hình 3.40. Phân bố vận tốc qua từng profile cánh bánh công tác với H/D = 1.1

82

69

Hình 3.41. Đường quan hệ  =f1() và Cm = f2() với H/D = 1.1

83

70

Hình 3.42. Phân bố vận tốc dòng chảy qua bánh công tác có H/D = 1.2 với
trường hợp hệ số mô men lớn nhất Cm = 0.17, tỷ số vận tốc  = 2.20

84

71

Hình 3.43. Phân bố vận tốc dòng chảy trên mặt phẳng qua cánh bánh công tác tua
bin có H/D = 1.2


Hình 3.48. Phân bố vận tốc qua từng profile cánh bánh công tác với H/D = 1.3

89

77

Hình 3.49. Đường quan hệ  =f1() và Cm = f2() với H/D = 1.3

90

78

Hình 3.50. Đường quan hệ giữa  =f1() cho các mẫu bánh công tác thay đổi tỷ
số H/D; l/t = 0.32

91

79

Hình 3.51. Đường quan hệ giữa  =f(H/D) cho các mẫu bánh công tác thay đổi tỷ
số H/D ứng với mật độ dãy cánh l/t = 0.32

91

80

Hình 4.1. Bản vẽ lắp tua bin trực giao thực nghiệm

93



ix


86

Hình 4.7. Đường đặc tính thực nghiệm và đường đặc tính lý thuyết mô phỏng
cho trường hợp l/t = 0.19 (Z = 6 cánh)

102

87

Hình 4.8. Đường đặc tính thực nghiệm và đường đặc tính lý thuyết mô phỏng
cho trường hợp l/t = 0.25 (Z = 8 cánh)

103

88

Hình 4.9. Đường đặc tính thực nghiệm và đường đặc tính lý thuyết mô phỏng
cho trường hợp l/t = 0.32 (Z = 10 cánh)

104

89

Hình 4.10. Đường đặc tính thực nghiệm và đường đặc tính lý thuyết mô phỏng
cho trường hợp l/t = 0.38 (Z = 12 cánh)


2.4. Kết luận chương 2 ................................................................................................. 41
Chương 3: Khảo sát, đánh giá sự ảnh hưởng của một số thông số bánh công
tác đến đặc tính năng lượng của tua bin bằng phần mềm Ansys Fluent.......................... 42
3.1. Giới thiệu về phần mềm Ansys Fluent ................................................................. 42
3.2. Khảo sát, đánh giá sự ảnh hưởng các thông số bánh công tác tua bin trực giao
bằng phần mềm Ansys Fluent ................................................................................................. 51
3.2.1. Xây dựng bài toán .............................................................................................. 51
3.2.2. Kết quả khảo sát cho các trường hợp nghiên cứu .............................................. 53
3.3. Kết luận chương 3 ................................................................................................ 92
Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm mô hình tua bin trực giao ....................................... 93
4.1. Quy trình đo thực nghiệm tua bin trực giao ..................................................................... 93
4.1.1. Mẫu tua bin trực giao thực nghiệm .................................................................... 93
4.1.2. Mô tả chung ....................................................................................................... 94
4.1.3. Các hạng mục và thiết bị trong hệ thống ………………………………....…....96
4.2. Phương pháp đo thực nghiệm tua bin ............................................................................... 97
4.2.1. Số liệu đo thực nghiệm ...................................................................................... 97
4.2.2. Quá trình đo ....................................................................................................... 97
4.2.3. Xử lý dữ liệu thí nghiệm .................................................................................... 98
4.2.4. Xác định sai số đo .............................................................................................. 98
4.3. Kết quả thực nghiệm ........................................................................................................ 100
4.3.1. Mẫu 1: l/t = 0.13 (Z = 4 cánh) ........................................................................... 100
4.3.2. Mẫu 2: l/t = 0.19 (Z = 6 cánh) ........................................................................... 101
4.3.3. Mẫu 3: l/t = 0.25 (Z = 8 cánh) ........................................................................... 102
4.3.4. Mẫu 4: l/t = 0.32 (Z = 10 cánh) ......................................................................... 103
4.3.5. Mẫu 5: l/t = 0.38 (Z = 12 cánh) ......................................................................... 105
4.4. Kết luận chương 4 ............................................................................................................ 107
4.5. Kết quả và bình luận ......................................................................................................... 107

xi


bin trực giao phù hợp với điều kiện dòng chảy thực tế, phục vụ cho việc lựa chọn tua bin,
thiết kế chế tạo bánh công tác tua bin, tác giả đã đi sâu nghiên cứu luận án: “Nghiên cứu
ảnh hưởng của các thông số hình học (H/D và l/t) đến hiệu suất của tua bin trực giao phù
hợp với dòng chảy trên sông và ven biển ở Việt Nam” với phương pháp nghiên cứu lý
thuyết kết hợp chạy phần mềm mô phỏng và mẫu tua bin thực được tiến hành đo đạc thực
nghiệm sẽ là những kết quả quan trọng về việc nghiên cứu loại tua bin mới này. Các kết
quả nghiên cứu có thể dùng làm tài liệu phục vụ cho giảng dạy, thiết kế và lựa chọn loại
tua bin trực giao phục vụ khai thác năng lượng dòng chảy ven biển, năng lượng thủy triều,
đồng thời là cơ sở cho các nghiên cứu sâu hơn về các loại tua bin trực giao sau này.
2. Mục tiêu của đề tài
a) Về lý luận
Đóng góp cho chuyên ngành một số bổ sung về phương pháp tính toán, thiết kế tua
bin trực giao với sự thay đổi các thông số hình học H/D và l/t của bánh công tác tua bin.
b) Về thực tiễn
Cung cấp cơ sở khoa học trong công tác tính toán thiết kế tua bin trực giao, lựa chọn
được các thông số kích thước hình học bánh công tác phù hợp với điều kiện dòng chảy
thực tế.

1


Luận án đủ ở file: Luận án full