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
thủy điện cột nớc thấp
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
5817-2
16/5/2006
2.2. Cơ sở lý thuyết của phơng pháp phân bố xoáy. 25
2.3. Xác định tọa độ đờng nhân profile và xây dựng profile có độ
dày:
31
2.4. Xác định phân bố vận tốc và áp suất trên profile cánh: 32
2.5. Đánh giá tổn thất và hiệu suất của tua bin: 37
2.6. Tính toán bánh công tác trên máy vi tính:
42
2.6.1 Chơng trình tính toán thiết kế profile cánh:
42
2.6.2. Tính toán profile cánh theo phơng pháp phân bố xoáy.
43
2.6.3. Xâu cánh (xếp các profile) theo phơng chiếu đứng và phơng
chiếu bằng.
46
2.6.4. Chơng trình tính toán phân bố vận tốc và áp suất trên profile
cánh.
46
2.6.5 Chơng trình tính toán tổn thất và hiệu suất của bánh công tác: 49
2.7. Kết luận 49
Chơng III. Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm tua bin mô
hình.
52
3.1.Chọn kết cấu tổ máy. 52
3.1.1. Tua bin dạng capxun: 52
3.1.2 Tua bin dòng nửa thẳng: 52
3.1.3. Phần dẫn dòng của tua bin thí nghiệm: 53
3.2. Thiết kế BXCT tuabin mô hình. 53
3.2.1. Xác định các thông số của lới cánh và các thành phần vận tốc
69
3.3.4.2. Quá trình đo.
70
3.3.4.3. Xử lý dữ liệu thí nghiệm. 70
3.3.4.4 Xử lý bộ dữ liệu. 71
Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột nớc thấp Đề tài KC07 - 04
Viện khoa học Thuỷ Lợi
1
Phần mở đầu
Việc sử dụng các nguồn năng lợng mới và tái tạo đã và đang đợc nghiên cứu
và triển khai ở Việt nam. Năng lợng thuỷ điện có những u điểm nổi bật nh hiệu
suất cao, giá thành thấp và đảm bảo vệ sinh môi trờng.
Tua bin thuỷ điện là bộ phận quan trọng của trạm thuỷ điện, kiểu loại tua bin
phụ thuộc vào điều kiện thuỷ năng nh cột nớc, lu lợng. Các vị trí có điều kiện
thuỷ năng thuận lợi với cột nớc địa hình cao cho các trạm thuỷ điện nhỏ đã đợc
khai thác nhiều. Còn lại phổ biến là các điểm có cột nớc thấp, lu lợng lớn. Mặt
khác xây dựng các trạm thuỷ điện cực nhỏ cột nớc thấp là rất cần thiết phục vụ cho
nhu cầu sinh hoạt và sản xuất của đồng bào vùng núi cao, xa lới điện quốc gia.
Từ những năm 1980 trở lại đây đã có nhiều cơ sở sản xuất và nghiên cứu tham
gia vào việc thiết kế chế tạo thiết bị thuỷ điện nhỏ. Song kết cấu và các mẫu cánh
tua bin cột nớc thấp mới chỉ đợc nghiên cứu rất sơ bộ, chủ yếu là việc sao chép từ
các bản vẽ nớc ngoài, nên việc ứng dụng tua bin cột nớc thấp còn rất hạn chế.
Xuất phát từ nhu cầu thực tế đó phần đề tài nhánh của đề tài KC07 - 04 đề cập
đến các nội dung sau:
- Nghiên cứu tổng quan về ứng dụng tua bin cột nớc thấp. Phần này đề cập
một cách khái quát đến nhu cầu khai thác năng lợng cột nớc thấp ở nớc ta,
tóm tắt quá trình nghiên cứu và ứng dụng các tổ máy cột nớc thấp của các
nớc trên thế giới và ở Việt Nam.
Hệ số tỉ tốc của tua bin hớng trục.
Để lựa chọn tua bin thủy lực cần dựa vào các thông số công suất (N), cột nớc
(H), số vòng quay (n). Ngời ta dùng N
s
làm đại lợng đặc trng tổng hợp cho 3
thông số kể trên.
Hệ số tỷ tốc N
s
đợc định nghĩa là số vòng quay của một tuabin mẫu có đờng
kính bánh xe công tác D
1
= 1m, làm việc với cột nớc là H=1m và phát ra công suất
một mã lực.
4
1
. HHD
Nn
N
S
=
(1.1)
Tính theo các thông số quy dẫn:
1
'
1
'
.65,3 QnNs
=
(1.2)
Kiểu
BCT
Đờng
kính
BCT
mô
hình
Chiều
cao
cánh
hớng
nớc
bo/D1
Tỷ số
bầu
do/D1
Số lá
cánh
Z
1
Bảng 3
H(m) b/D
1
d
b
/D
1
Z
1
n
1
'
(v/ph) Q
1
'
(l/s)
< 7 0,4 0,35 3 172 - 175 1600 - 2800
< 12 0,35 0,40 4 150 - 155 1300 - 2400
< 18 0,32 0,43
5 135 - 142 1250 - 2000
1.2.2. Tua bin hớng trục thủy điện nhỏ của Tiệp khắc (cũ).
Tua bin hớng trục thủy điện nhỏ của Tiệp Khắc chỉ gồm 4 mẫu cánh trong đó
Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột nớc thấp Đề tài KC07 - 04
Viện khoa học Thuỷ Lợi
4
có hai mẫu cánh dùng cho các loại tuabin có kết cấu trục đứng và trục ngang cổ điển
là 4K84 và 4K69, có hai mẫu cánh dùng cho tuabin hớng trục có phần dẫn dòng
hình chữ S là 4PK - 10 và 4PK - 26.
1.2.3. Tua bin hớng trục của Liên Xô (cũ).
hớng trục trục ngang chủ yếu dùng kết cấu capxun bao gồm các mẫu cánh
- gaI, - 11a, - 16, - 16 - 1 có các thông số của chế độ tối u
nh ở bảng 5:
Bảng 5.
BXCT N
1
(v/ph) Q
1
(l/s)
(%)
kp
- gaI
173 1680 88,5 1,3
- 11a
175 1550 86,5 1,5
- 16
158 1760 87,5 1,17
- 16 - 1
157 1730 87,5 1,23
Để trình bày rõ hơn những thay đổi trong kết cấu gam TBHT, trong phần này
giới thiệu một số hãng tiêu biểu về TĐN sau:
Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột nớc thấp Đề tài KC07 - 04
Viện khoa học Thuỷ Lợi
5
1.2.4. TBHT của hng Kushiro (Nhật) [34].
Hình 3. Biểu đồ lựa chọn sản phẩm tua bin của hãng Kushiro.
Phạm vi làm việc:
Cột nớc H
1 ữ 35 m
Lu lợng Q
0,3 ữ 15 m
3
/s
Công suất P
10 ữ 1000 kW
TB này cũng sử dụng 2 loại BCT có phạm vi nh trên, toàn bộ tổ máy đặt trong
ống kín, nối trực tiếp vào ống áp lực và ống xả.
1.2.5. TBHT của hng Toshiba (Nhật) [34].
Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột nớc thấp Đề tài KC07 - 04
Viện khoa học Thuỷ Lợi
8
Phạm vi làm việc:
Cột nớc H
1 ữ 50 m
Lu lợng Q
0,1 ữ 4 m
3
/s
Công suất P
5 ữ 200 kW
Tuabin này cũng sử dụng 3 mẫu với cùng phạm vi cột nớc nhng có phạm vi
lu lợng và công suất khác nhau.
1.2.6. Gam TBHT của hng Turboatom (Nga).
Hình 7. Cấu tạo cơ bản của tua bin Turboatom.
Hãng Turboatom đa ra mẫu tổ máy hình chữ S có thể di chuyển cơ động
đợc. Kết cấu tổ máy rất gọn nhẹ, dùng máy phát không đồng bộ 3 pha và điều tốc
tải giả. Đặc tính của tổ máy đợc thể hiện ở hình 8.
không đổi, tuabin nối với máy phát qua bộ truyền động.
Hình 9. TBHT buồng benton của hãng Sulzer
Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột nớc thấp Đề tài KC07 - 04
Viện khoa học Thuỷ Lợi
10
2,5 ữ 45m
3
/s
Công suất P
0,1 ữ 2,6MW
Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột nớc thấp Đề tài KC07 - 04
Viện khoa học Thuỷ Lợi
11 Hình 11. Bố trí công trình TBHT do hãng Sulzer chế tạo.
Bộ truyền đai đợc sử dụng trong phạm vi công suất P < 600KW.
1.2.8. Một số loại kết cấu đặc biệt khác:
1. Tua bin ống của hãng Neyrpic(Pháp)
Hình 13. Phạm vi làm việc của TB Neyrpic
Phạm vi làm việc:
Cột nớc H
5 ữ 20m
Lu lợng Q
3 ữ 33m
3
/s
Công suất P
0,2 ữ 3MW
Đặc biệt là TB của Neyrpic đa ra 5 kích thớc bầu BCT tiêu chuẩn, mỗi bầu
tơng ứng với 2 BCT khác nhau nh ở bảng 6.
Bảng 6. Kích thớc bầu và đờng kính BCT trong TB ống của Neyrpic
D
1
(mm) 750,850 950,1060 1180,1320 1500,1700 1900,2120
D.db(mm) 320 405 500 640 810
Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột nớc thấp Đề tài KC07 - 04
Viện khoa học Thuỷ Lợi
13
2. Tua bin hớng trục kiểu cáp xun buồng hở và buồng xi phông.
Để sử dụng cho các TTD cột nớc thấp, hãng ESAC (pháp) đa ra ba kiểu kết
cấu: TBHT kiểu bóng đèn, buồng hở.
Phạm vi làm việc:
Cột nớc H
TBHT buồng Xiphông, TB này có thể lắp đặt mà không cần phá vỡ cấu trúc của
công trình thủy công có sẵn, cấu tạo của phần trạm rất đơn giản.
Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột nớc thấp Đề tài KC07 - 04
Viện khoa học Thuỷ Lợi
14
Hình 15. TBHT buồng xiphông
1.3. Nghiên cứu và sản suất tuabin hớng trục ở Việt Nam:
TBHT đợc chế tạo từ những năm 60. Lúc đầu chỉ là những tua bin hết sức
đơn giản, nh tua bin gỗ, tua bin với cánh bằng thép tấm có bề dầy không đổi, hàn
với bầu cánh.
Vào đầu những năm 80, do nhu cầu phát triển TĐN, phục vụ cho phát triển
kinh tế - xã hội khu vực miền núi, đã thúc đẩy nhanh chóng phát triển TĐN.
Bộ đồ án thiết kế thủy điện Kẻ Gỗ có công suất 1000KW là bản thiết kế hoàn
chỉnh đầu tiên do Viện Thiết Kế Thủy Lợi - Thủy Điện thực hiện. Sau đó hàng loạt
cơ quan đã thiết kế, chế tạo hàng trăm tổ máy có công suất 5-1000 KW. TTĐ Phú
Ninh là công trình cỡ lớn đầu tiên đợc lắp đặt tuabin và điều tốc sản suất trong
nớc. Trờng đại học Bách Khoa Hà Nội cũng nghiên cứu và đa ra BCT mới nh
mẫu BCT của TBHT có N
s
600 vào năm 1982,
Các TBHT sản suất trong nớc, sơ bộ đợc thống kê nh sau:
Bảng 7. Một số TBHT sản suất trong nớc.
TT Tên thiết bị Cơ quan sản suất
D
1
(cm)
N
(kW)
TBHT buồng hở
trục ngang
Đại học Bách Khoa 95 200 6 - 8
Các thiết bị TBHT sản suất trong các kiểu kết cấu nh sau:
TBHT, buồng hở, trục đứng, đờng kính BCT D
1
= 12; 15; 20; 25; 30; 40;
60; 80cm, với công suất từ 200W-90 kW, Viện Nghiên cứu máy chế tạo tổ
máy có D
1
= 120cm, công suất 150KW với cột nớc H = 4,5m.
TBHT, buồng hở, trục ngang: một số trạm thủy điện đã sử dụng kết cấu
này, trạm có công suất lớn nhất tại Quảng Ninh do Trờng Đại Học Bách Khoa
nghiên cứu, chế tạo với D
1
= 95cm, cột nớc H = 6 - 8m và công suất
P
max
= 200 kW.
Tổ máy TBHT buồng xoắn + kim loại trục đứng do nhiều cơ quan chế tạo:
Tổ máy có khối lợng lớn theo mẫu GANZ của Hungari, có công suất P = 12 -
20KW, cột nớc H = 10 - 20m. Tổ máy lớn nhất tại TTĐ Phú Ninh với D
1
=
132cm, công suất tới 1000kW.
Tổ máy TB ống do nhiều cơ quan chế tạo nh:Đại Học Bách Khoa, Viện
Khoa học Thủy Lợi, Viện Nghiên cứu máy, Công ty TB điện Đông Anh. Quy
mô lớn nhất đạt tới 100 kW với D
1
= 80cm.
= 800 - 900.
Nh vậy, trong điều kiện cụ thể của nớc ta hiện nay, có thể lựa chọn hai loại
BCT để hoàn thiện, trở thành 2 loại BCT của gam TBHT là BCT kiểu 4K - 84 và
20/661. Để mở rộng cho phạm vi làm việc của tuabin, có thể xem xét hai vùng
phụ: - Vùng có tỷ tốc thấp: BCT 30/587
- Vùng có tỷ tốc cao: Vùng này cha có BCT nào
Tổng kết rất nhiều xu hớng nghiên cứu và sản suất cho thấy trong TBHT
có một số dạng kết cấu nh ở bảng sau:
Bảng 8.
TT Loại kết cấu
Phạm vi
cột nớc
(m)
Phạm vi
công suất
(KW)
Đặc điểm
1
Kết cấu buồng hở trục
đứng
2 - 6 300
Công trình trạm lớn, trục dài dễ
chế tạo
2
Kết cấu buồng hở trục
ngang
Hiện nay ít sử dụng
3
Buồng xoắn benton,
tua bin trục ngang dòng thẳng có thể giảm nhỏ đến 7 8%.
- Tua bin hớng trục dòng thẳng không cần dùng đến buồng xoắn vì thế
khoảng cách giữa các tổ máy nhỏ, giảm đợc diện tích nhà trạm, khác với kiểu
tổ máy trục đứng, chiều cao của cầu trục không cần phải cao bằng tổng chiều
cao của tổ máy phát điện, mà chỉ cần bằng đờng kính tua bin. Nh vậy, so với
tổ máy kiểu trục đứng chiều cao nhà xởng giảm đi rất nhiều.
- Do tua bin kiểu dáng thẳng có trục máy nằm ngang, hình dạng khối tổ máy
đơn giản, giảm đợc nhiều khối lợng đào đất đá khi xây dựng công trình xét
về hiệu ích kinh tế việc đầu t cho trạm thuỷ địên kiểu này so với tổ máy trục
đứng giảm khoảng 20%.
1.6. Nhiệm vụ nghiên cứu khoa học của đề tài nhánh.
Dựa vào tổng quan đã nêu trên ta thấy có rất nhiều vấn đề cần nghiên cứu để
ứng dụng có hiệu quả tua bin hớng trục cột nớc thấp với kết cấu trục ngang với
công suất từ 5 đến 200kW. Các công việc chính cần phải làm trong thiết kế, thử
nghiệm tua bin thuỷ lực là:
- Nghiên cứu các phơng pháp thiết kế, chọn các thông số phù hợp để nâng cao
hiệu suất thuỷ lực của cánh công tác.
- Nghiên cứu thiết kế phần dẫn dòng của tua bin.
Trong khuôn khổ của đề tài chúng tôi nghiên cứu chọn mẫu phần dẫn dòng tua
Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột nớc thấp Đề tài KC07 - 04
Viện khoa học Thuỷ Lợi
18
bin trục ngang và tập trung nghiên cứu ảnh hởng của các thông số kết cấu BCT tới
đặc tính làm việc của tua bin hớng trục.
Phơng pháp luận của đề tài là:
Bằng lý thuyết xây dựng mẫu cánh có dựa trên một số thông số tham khảo của
BCT của nớc ngoài, Nghiên cứu ảnh hởng của các thông số kết cấu BCT đến tổn
thất thuỷ lực. Dùng thực nghiệm để kiểm chứng các kết quả tính toán lý thuyết, từ
đó vẽ đợc đờng đặc tính tổng hợp của BCT và xác định đợc ảnh hởng của các
thông số kết cấu của BCT đến đặc tính làm việc cuẩ tua bin, cuối cùng đa ra nhận
chia toàn phần dẫn dòng ra khoảng 3000 phần tử) do vậy cần có máy tính và các
phần mềm mạnh. Cùng với điều đó là các số liệu thí nghiệm trên mô hình để giúp
cho việc mô tả toán học sự tơng tác giữa các phần tử đợc chính xác. Hiện nay
việc thực hiện xu hớng này chỉ có đợc tại các trung tâm tính toán mạnh gắn liền
với phòng thí nghiệm máy thuỷ lực có lịch sử hoạt động đủ dài để có đợc một
chuỗi số liệu thí nghiệm đủ lớn. Do vậy dới đây chỉ đi sâu về đặc tính không gian
của dòng và các bài toán thiết kế có liên quan.
Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột nớc thấp Đề tài KC07 - 04
Viện khoa học Thuỷ Lợi
20
Đặc tính không gian của dòng chảy trong phần dẫn dòng.
Kết cấu dòng trong phần dẫn dòng tua bin rất phức tạp do các nguyên nhân
sau:
- Phần dẫn dòng có độ cong thay đổi dọc theo dòng rất đáng kể dẫn tới sự
không đều của vận tốc và áp suất ở các tiết diện khác nhau của dòng.
- Số lợng hữu hạn của cánh hớng dòng và cánh bánh công tác gây ra sự thay
đổi vận tốc và áp suất theo toạ độ và thời gian ở các tiết diện của dòng.
- Kết cấu của dòng phức tạp do ảnh hởng của độ nhớt, đặc biệt ở trong các
chế độ khác với chế độ tính toán. Sự phát triển của lớp biên và sự tách lớp biên
khỏi mặt chảy bao dẫn tới phức tạp hoá mặt dòng do đó làm thay đổi rất đáng
kể mặt dòng so với mặt dòng đối xứng trục.
Để nghiên cứu dòng không gian trong phần dẫn dòng ngời ta thờng sử dụng
hệ toạ độ cong địa phơng q
1
, q
2
, q
3
. Trục q
1
toán máy turbo thì bài toán thuận đợc sử dụng để tính toán kiểm tra chảy bao
hệ cánh đã có với mục đích đánh giá các chỉ số của chúng còn bài toán nghịch
dùng để thiết kế cánh trong các điều kiện đã cho.
- Nghiên cứu dòng chảy thứ cấp : Là sự nghiên cứu dòng chảy có dạng mặt
dòng khác với chuyển động đối xứng trục đợc thừa nhận.
Để xác định gần đúng dạng dòng trong bánh công tác với các giả thiết đợc
thừa nhận ngời ta sử dụng bài toán thuận mặt dòng đối xứng trục. Sự làm chính xác
mặt dòng trong quá trình giải bài toán thuận cho phép tìm ra hớng để làm tốt hình
dạng hình học phần dẫn dòng và làm giảm tổn thất năng lợng phụ.
Bài toán nghịch thì cho biết trớc phân bố rcu
n
tại các mép vào và ra của cánh
tiến hành xác định dòng kinh tuyến.
- Nghiên cứu dòng chất lỏng thực và tổn thất thuỷ lực nhờ lý thuyết lớp biên.
Giai đoạn đầu tiên là thực hiện các tính toán đối với dòng chất lỏng lý tởng trong
phần dẫn dòng, cho phép tính gần đúng phân bố vận tốc và áp suất trên bề mặt cánh.
Giai đoạn thứ hai là tính toán lớp biên và tổn thất profil cánh cho khả năng trên cơ
sở phân tích các số liệu tính toán nhận đợc để chọn lựa phơng án tối phần dẫn
dòng.
Nhng để có sự lựa chọn cuối cùng cần phải có những thí nghiệm trên mô hình
vì các tính toán đều phải dựa trên các giả thiết gần đúng mô tả quá trình công tác
của tua bin. Các thí nghiệm còn cho các số liệu cho phép làm chính xác và hoàn
thiện hơn các phơng pháp tính toán phần dẫn dòng.
Sự nghiên tính toán lý thuyết dòng chảy chỉ có khi thừa nhận một số giả thiết,
từ đó có thể mô tả và phân tích dòng nhờ công cụ toán học. Thông thờng thừa nhận
giả thiết sau: dòng trong phần dẫn dòng là không nhớt, không nén đợc, dòng trung
bình là ổn định, chuyển động của các phần tử chất lỏng xảy ra dọc theo mặt dòng
tròn quay. Trong lý thuyết máy tuabin phụ thuộc và số toạ độ mà sự thay đổi của các
thông số của dòng đợc tính mà chia ra dòng một chiều, dòng hai chiều, dòng ba
chiều.
không trùng với mặt cánh S
c
. Sự tính toán dòng không gian có
khó khăn lớn về mặt toán học. Để đơn giản thờng sử dụng phơng pháp tựa ba
chiều. Khi đó việc giải bài toán ba chiều đợc chia ra thành hai bài toán hai chiều:
xác định mặt dòng đối xứng trục S
m
; tính dãy cánh profil của bánh công tác trên mặt
dòng đối xứng trục trong lớp chiều dày biến thiên và xác định dạng mặt dòng S
2
trong kênh giữa các cánh.
Đối với Tua bin hớng trục: Thờng thừa nhận mặt dòng đối xứng trục là các
mặt trụ có trục trùng với trục tua bin. Cánh trên mặt trụ đợc tính theo các phơng
pháp sau.
- Phơng pháp phân bố xoáy: Đợc sử dụng để tính cánh mỏng vô cùng có độ
cong nhỏ. Sự tác động của cánh lên dòng đợc thay thế bằng các xoáy phân bố theo
một quy luật nhất định trên đờng nhân profil. Bớc đầu tiên thì xoáy đợc đặt dọc
dây cung profil và trong quá trình tính toán tiếp theo xác định dạng của đờng nhân.
Sự xây dựng profil dầy thực hiện theo phơng pháp không tính toán nghĩa là đắp
profil theo một trong những profil đối xứng sau khi biết độ dày cánh lớn nhất từ tính
toán bền cánh
- Phơng pháp phân bố xoáy nguồn (phơng pháp Lêxônkin): Sử dụng để tính
dãy cánh profil có chiều dày. Sự tác động của cánh lên dòng đợc thay thế bằng một
hệ thống các xoáy, nguồn, hút phân bố theo một quy luật nhất định trên đờng nhân
profil. Đờng dòng kín của dòng hợp thành từ hệ thống các xoáy, nguồn hút nói trên
Copyright: Tài liệu đại học ©