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

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

104

35

Bảng 4.5. Các thông số đo thực nghiệm cho mẫu bánh công tác với l/t = 0.38


5

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

công nghiệp

16

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


Hình 2.3. Vận tốc và góc tới phụ thuộc vào hệ số vận tốc

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


44

31

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

40

Hình 3.12. Phân bố vận tốc qua từng profile cánh bánh công tác với l/t = 0.19

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


49

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

58

Hình 3.30. Phân bố vận tốc dòng chảy qua bánh công tác có H/D = 0.8 với
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

80

67

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



76

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

cho trường hợp l/t = 0.13 (Z = 4 cánh)

101

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


2.2. Sự trao đổi năng lượng dòng chảy khi qua bánh công tác .................................... 25
2.3. Tính toán, thiết kế bánh công tác tua bin trực giao dựa trên các kết quả nghiên
cứu lý thuyết ............................................................................................................................ 32
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

lượng thủy triều.
Ở Việt Nam, tua bin trực giao là loại sản phẩm mới, do đó có rất ít tài liệu kỹ thuật
cũng như công trình nghiên cứu về loại tua bin này. Với mong muốn đưa ra được mẫu tua
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


3. Phạm vi nghiên cứu của đề tài
Tiềm năng về năng lượng dòng chảy trên sông, ven biển ở Việt Nam là tương đối
lớn. Tua bin trực giao là thiết bị thủy lực khai thác hiệu quả loại năng lượng dòng chảy
này. Tuy nhiên, hiện nay ở Việt Nam vẫn rất ít nghiên cứu, phát triển và ứng dụng tua bin
trực giao. Phạm vi nghiên cứu của luận án là 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

dòng chảy trên sông, ven biển để phát điện phục vụ nhu cầu dân sinh. Tua bin trực giao là
loại tua bin mới ở Việt Nam và là loại tua bin phù hợp nhất để khai thác các nguồn năng
lượng này;
2


- Ứng dụng thành công phần mềm mô phỏng số Ansys-Fluent vào nghiên cứu mô
phỏng quá trình làm việc của tua bin trực giao;
- Đánh giá được ảnh hưởng của mật độ dãy cánh (l/t) và tỷ số hình học (H/D) tới đặc
tính hiệu suất của tua bin trực giao;
- Bổ sung tư liệu cho việc tính toán thiết kế chế tạo tua bin trực giao, góp phần đẩy
mạnh ứng dụng tua bin trực giao trong khai thác tiềm năng năng lượng dòng chảy trên
sông, ven biển và thủy triều.
7. Cấu trúc của luận án
Nội dung chính của luận án gồm Lời mở đầu và 4 chương:
Chương 1 Tổng quan và nhiệm vụ nghiên cứu của luận án;
Chương 2 Cơ sở lý thuyết dòng chảy qua tua bin trực giao và ảnh hưởng của các
thông số hình học bánh công tác tua bin đến hiệu suất tua bin trực giao;
Chương 3 Khảo sát, đánh giá sự ảnh hưởng của các thông số hình học bánh công tác
tua bin đến hiệu suất tua bin trực giao bằng phần mềm mô phỏng số;
Chương 4 Nghiên cứu thực nghiệm tua bin trực giao tại hiện trường. Kết quả đạt
được, bàn luận và kết luận, kiến nghị

3


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU
CỦA LUẬN ÁN
1.1. Tiềm năng về năng lượng dòng chảy sông, suối, ven biển và thủy triều ở
Việt Nam

chảy để phát điện.

Hình 1.3. Hệ thống cửa sông ven biển khu vực Quảng Nam

5


Khu vực ven biển Quảng Nam có rất nhiều nhánh sông đổ ra biển như hình 1.3. Hệ
thống các cửa sông ra biển tập trung chủ yếu ở khu vực biển Cửa Đại, cửa sông Thu Bồn.
Riêng hệ thống sông Vu Gia - Thu Bồn có tổng lưu lượng dòng chảy ở khu vực hạ lưu là
12,834.109 m3 [3]. Với lưu lượng dòng chảy như vậy, kết hợp với hệ thống cửa sông đổ ra
biển, cho nên tại các khu vực này, có thể khai thác, sử dụng được năng lượng dòng chảy.

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

Mật độ các cửa sông, các đoạn eo hẹp tập trung rất nhiều tại khu vực ven biển Vũng
Tàu như trên hình 1.4. Theo kết quả đo đạc, biên độ triều tại đây khá lớn, khoảng 3m 4m[6], do đó vận tốc dòng chảy tự nhiên tại khu vực ven bờ và khu vực cửa sông, cửa biển
cũng rất lớn, có thể khai thác được năng lượng dòng chảy tại đây để phát điện.

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

Qua khảo sát, khu vực ven biển khu vực Trà Vinh tập trung nhiều các cửa sông ra
biển như trên hình 1.5, do biên độ triều ở khu vực này cũng tương đối lớn, khoảng 1.5m 6


4m [6] nên vận tốc dòng chảy tại khu vực này cao, có thể khai thác để phát điện. Tiềm
năng về năng lượng dòng chảy tại các cửa sông, cửa biển và các khu vực ven biển ở nước
ta là tương đối lớn, có thể khai thác các nguồn năng lượng này để phát điện.
Mạng lưới các dòng sông của nước ta được phân bố suốt dọc chiều dài đất nước. Tại
khu vực Hải Phòng, Theo Báo cáo khảo sát thủy văn đợt 2 thuộc Dự án Nghiên cứu giải

Trà Vinh, Vàm Kênh và Tân An.
Các thông số đo chi tiết của một số trạm điển hình được thể hiện tại các bảng triều
PL 3.1; PL 3.2; PL 3.3; PL 3.4; PL 3.5; PL 3.6 và PL 3.7 trong phần Phụ lục do Viện kỹ
thuật biển và do Tổng cục biển và hải đảo Việt Nam công bố.
1.1.3. Khảo sát thực tế dòng chảy ven biển Hải Phòng
Như đã trình bày ở trên, khu vực vùng biển Hải Phòng có nhiều tiềm năng để khai
thác năng lượng dòng chảy sông, suối, dòng chảy ven biển. Trong khoảng thời gian từ
ngày 30/10/2015 đến ngày 03/11/2015 (tức ngày 18/9/2015 đến ngày 22/9/2015 Âm lịch),
nhóm khảo sát của Viện Thủy điện và năng lượng tái tạo đã tiến hành khảo sát thực tế
dòng chảy tại 03 khu vực ven quần đảo Cát Bà – Hải Phòng, cụ thể là: Khu vực bến Việt
Hải, khu vực Hòn Tùng Gấu và khu vực Hòn Tai Kéo
1.1.2.1. Khu vực bến Việt Hải
Tại khu vực bến Việt Hải, nhóm khảo sát tiến hành đo đạc tại 02 vị trí có địa hình co
hẹp là A và B như được thể hiện trên bản đồ hình 1.7. Tọa độ của 2 vị trí A và B được xác
định là:
Điểm A:

20°46'59.7"N 107°03'53.7"E

Điểm B:

20°46'57.5"N 107°04'21.9"E

Sau khi tiến hành khảo sát, đo đạc, nhóm khảo sát thu được bảng số liệu về vận tốc
dòng chảy qua 02 vị trí A và B như theo bảng 1.1 và bảng 1.2

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

8



1,17

5

7.200

1,54

6

9.000

1,87

7

10.800

2,17

8

12.600

2,44

9

14.400


3,06

15

25.200

2,98

16

27.000

2,85

17

28.800

2,67

18

30.600

2,45

19

32.400


0,42

25

43.200

0,02

Vận tốc trung bình

1,89

Qua bảng thống kê khảo sát (bảng 1.1) ta thấy, vận tốc trung bình của dòng chảy tại
vị trí A là 1,89 (m/s). Ta tiến hành đo 25 lần, mỗi lần cách nhau 30 (ph), tổng cộng thời

9


gian đo là 12 (h) và số thời gian có vận tốc dòng chảy lớn hơn 2 m/s là 6,5 (h). Như vậy,
nếu đo 24 (h) thì sẽ có khoảng 10 - 12 (h) dòng chảy duy trì ở vận tốc trên 2 m/s.
Bảng 1.2. Vận tốc dòng chảy tại vị trí điểm B

STT

T (s)

U (m/s)

1


9.000

1,84

7

10.800

2.14

8

12.600

2,39

9

14.400

2,62

10

16.200

2,79

11


27.000

2,80

17

28.800

2,63

18

30.600

2,40

19

32.400

2,15

20

34.200

1,86

21


1,85

10