Tài liệu Nghiên cứu đặc tính năng lượng của tua bin tâm trục với bánh công tác có dãy cánh ngắn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐINH MINH HẢI NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH NĂNG LƢỢNG CỦA TUA BIN TÂM TRỤC VỚI BÁNH CÔNG TÁC CÓ DÃY CÁNH NGẮN Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Mã số: 62520116 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: 1. GS. TS Nguyễn Thế Mịch. 2. PGS. TS Trƣơng Việt Anh. HÀ NỘI - 2014 LỜI CẢM ƠN Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án tiến sĩ với đề tài: “Nghiên cứu đặc tính năng lƣợng của tua bin tâm trục với bánh công tác có dãy cánh ngắn” tác giả đã nhận đƣợc nhiều sự giúp đỡ từ các tổ chức và cá nhân. Tác giả xin trân trọng cảm ơn: 1. Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Đào tạo sau Đại học, Viện Cơ khí Động lực, Bộ môn Máy và tự động thuỷ khí đã tạo điều kiện về mặt thời gian cũng nhƣ công tác chuyên môn để tác giả tập trung vào công việc nghiên cứu; 2. Hội Cơ học Việt Nam, Hội cơ học Thuỷ khí, Viện Nghiên cứu cơ khí, các tạp chí trong và ngoài nƣớc đã hỗ trợ kinh phí, tạo điều kiện để tác giả báo cáo công trình nghiên cứu; 3. Viện Thuỷ điện và Năng lƣợng tái tạo – Viện Khoa học Thuỷ lợi Việt Nam đã hỗ trợ kinh phí và giúp đỡ tác giả hoàn thành phần thực nghiệm; 4. Tập thể cán bộ hƣớng dẫn: GS.TS Nguyễn Thế Mịch; PGS.TS Trƣơng Việt Anh đã định hƣớng, hƣớng dẫn để tác giả hoàn thiện luận án; 5. Gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã động viên, khích lệ để tác giả hoàn thành luận án. Tác giả Đinh Minh Hải LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận án “Nghiên cứu đặc tính năng lƣợng của tua bin tâm trục với bánh công tác có dãy cánh ngắn” đều do tôi tự thực hiện hoặc đồng thực hiện dƣới sự hƣớng dẫn của tập thể cán bộ hƣớng dẫn GS.TS Nguyễn Thế Mịch; PGS.TS Trƣơng Việt Anh. Để hoàn thành luận án này, tôi chỉ dùng những tài liệu đã ghi trong mục tài liệu tham khảo mà không dùng bất cứ một tài liệu nào khác. Không hề có sự sao chép, gian lận kết quả của bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác. Tác giả Đinh Minh Hải MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................................. i DANH MỤC CÁC BẢNG .................................................................................................... v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ................................................................................ v LỜI NÓI ĐẦU ....................................................................................................................... 1 Chƣơng 1. Tổng quan .......................................................................................................... 2 1.1 Phân loại tua bin và phạm vi sử dụng .......................................................................... 2 1.2 Giới thiệu chung về tua bin tâm trục ........................................................................... 3 1.2.1 Buồng dẫn tua bin ................................................................................................ 4 1.2.2 Bánh công tác ....................................................................................................... 4 1.2.3 Ống xả .................................................................................................................. 5 1.3 Nghiên cứu tua bin tâm trục có dãy cánh ngắn trong, ngoài nƣớc .............................. 5 1.3.1 Nghiên cứu tua bin tâm trục có dãy cánh ngắn ở nƣớc ngoài .............................. 7 1.3.1.1 Tại Trung Quốc ............................................................................................. 7 1.3.1.2 Tại Nhật Bản ................................................................................................. 9 1.3.2 Tại Việt Nam ...................................................................................................... 12 1.4 Phạm vi nghiên cứu của luận án ................................................................................ 12 1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu ........................................................................................... 12 1.6 Kết luận ..................................................................................................................... 12 Chƣơng 2. Lý thuyết tính toán thiết kế tua bin tâm trục [2,4,7] ................................... 13 2.1 Buồng xoắn ................................................................................................................ 13 2.1.1 Nhiệm vụ và các thông số đặc trƣng .................................................................. 13 2.1.2 Ảnh hƣởng của buồng xoắn đến đặc tính của tua bin ........................................ 13 2.1.3 Tính toán các thông số hình học ........................................................................ 14 2.2 Cột trụ ........................................................................................................................ 15 2.2.1 Nhiệm vụ và đặc điểm........................................................................................ 15 2.2.2 Thiết kế biên dạng cánh cột trụ .......................................................................... 16 2.3 Cánh hƣớng ............................................................................................................... 17 2.3.1 Nhiệm vụ và các thông số đặc trƣng .................................................................. 18 2.3.2 Thiết kế biên dạng profile cánh hƣớng .............................................................. 18 2.4 Ống xả ....................................................................................................................... 19 2.4.1 Nhiệm vụ vai trò của ống xả .............................................................................. 19 2.4.1.1 Tua bin không có ống xả............................................................................. 19 2.4.1.2 Tua bin có ống xả........................................................................................ 20 2.4.2 Tổn thất năng lƣợng của ống xả ......................................................................... 21 2.4.2.1 Tổn thất nội bộ ............................................................................................ 21 2.4.2.2 Tổn thất động năng ở cửa ra ống xả............................................................ 21 2.4.3 Hệ số phục hồi của ống xả ................................................................................. 22 2.4.4 Thiết kế ống xả ................................................................................................... 22 2.4.4.1 Đoạn chóp cụt (đoạn loe thẳng) .................................................................. 22 2.4.4.2 Đoạn khuỷu cong B .................................................................................... 23 2.4.4.3 Đoạn mở rộng nằm ngang........................................................................... 24 2.5 Bánh công tác ............................................................................................................ 25 2.5.1 Phƣơng pháp xây dựng đƣờng dòng đẳng thế.................................................... 26 2.5.2 Phƣơng pháp BHBG ứng dụng trong thiết kế cánh bánh công tác .................... 27 2.5.2.1 Biến hình bảo giác lên mặt trụ .................................................................... 27 2.5.2.2 Biến hình bảo giác lên mặt nón .................................................................. 29 2.5.3 Phƣơng pháp xây dựng biên dạng cánh BCT tua bin tâm trục .......................... 30 2.5.3.1 Phƣơng pháp dòng một chiều ..................................................................... 31 2.5.3.2 Phƣơng pháp hai toạ độ (Phƣơng pháp Bauersfelder) ................................ 36 2.6 Kết luận ..................................................................................................................... 42 Chƣơng 3. Tính toán thiết kế tua bin mô hình ................................................................ 43 3.1 Cơ sở mô hình hoá và chọn tua bin mô hình ............................................................. 43 3.2 Tính toán thiết kế phần dẫn dòng tua bin mô hình .................................................... 44 3.3 Tính toán thiết kế bánh công tác tua bin mô hình ..................................................... 46 3.4 Kết luận ..................................................................................................................... 54 Chƣơng 4. Khảo sát đặc tính thuỷ động BCT mô hình bằng Ansys Fluent ................. 54 4.1 Giới thiệu về phần mềm Ansys Fluent [10] .............................................................. 55 4.1.1 Định nghĩa về CFD ............................................................................................ 55 4.1.2 Ƣu điểm và hạn chế của CFD ............................................................................ 55 4.1.3 Các lĩnh vực áp dụng CFD hiện nay .................................................................. 55 4.1.4 Giới thiệu phần mềm Ansys Fluent và Gambit .................................................. 55 4.1.5 Cấu trúc của bộ phần mềm Ansys Fluent........................................................... 55 4.1.6. Khả năng của Ansys Fluent............................................................................... 56 4.1.7 Vai trò của tạo lƣới trong CFD .......................................................................... 56 4.1.8 Chọn lựa mô hình lƣới ....................................................................................... 56 4.1.9 Các điều kiện biên .............................................................................................. 57 4.1.10 Vật liệu ............................................................................................................. 58 4.2 Khảo sát đặc tính thuỷ động BCT mô hình bằng Ansys Fluent ................................ 58 4.2.1 Xây dựng bài toán 2D ........................................................................................ 59 4.2.2 Kết quả khảo sát 2D bánh công tác tua bin ........................................................ 60 4.2.2.1 Phân bố áp suất tĩnh .................................................................................... 60 4.2.2.2 Phân bố vận tốc ........................................................................................... 67 4.3 Kết luận ..................................................................................................................... 71 Chƣơng 5. Nghiên cứu thực nghiệm tua bin trên hệ thống thí nghiệm ........................ 71 5.1 Đƣờng đặc tính tua bin .............................................................................................. 72 5.1.1 Cơ sở xây dựng đƣờng đặc tính lý thuyết của tua bin tâm trục ......................... 72 5.1.2 Phƣơng pháp xây dựng đƣờng đặc tính tổng hợp chính .................................... 72 5.2 Hệ thống thí nghiệm tua bin ...................................................................................... 72 5.2.1 Mô tả chung hệ thống ......................................................................................... 72 5.2.2 Các hạng mục và thiết bị trong hệ thống............................................................ 74 5.3 Phƣơng pháp thực nghiệm tua bin ............................................................................. 76 5.3.1 Số liệu thực nghiệm ........................................................................................... 76 5.3.2 Quá trình đo........................................................................................................ 76 5.3.3 Xử lý dữ liệu thí nghiệm .................................................................................... 77 5.3.4 Xác định sai số đo .............................................................................................. 77 5.3.4.1 Sai số xác định theo cấp chính xác của thiết bị đo ..................................... 79 5.3.4.2 Sai số do mạch động các thông số đo: ........................................................ 79 5.3.5.3 Sai số tổng cộng .......................................................................................... 80 5.4 Kết quả thực nghiệm.................................................................................................. 80 5.5 Kết luận ..................................................................................................................... 83 Chƣơng 6. Kết quả ............................................................................................................. 83 KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ ................................................................................................... 84 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................... 86 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............................... 88 Phụ lục 1: Số liệu thiết kế profile bánh công tác ................................................................. 89 Phụ lục 2: Bản vẽ thiết kế tua bin mô hình .......................................................................... 91 Phụ lục 3: Kết quả khảo sát mô hình 2D trên phần mềm Ansys Fluent .............................. 98 Phụ lục 4: Số liệu thí nghiệm mô hình trên hệ thống thí nghiệm, đƣờng đặc tính làm việc, xây dựng đặc tính tổng hợp chính các mẫu cánh................................. 100 i DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT BCT Bánh công tác CHD Cánh hƣớng dòng Co Hằng số tích phân cx Hệ số lực cản cy Hệ số lực nâng cxp Hệ số lực cản profile cxp Hệ số tổn thất khe hở tƣơng đối D1 Đƣờng kính lối vào Bánh công tác (mm) D2 ̅ Đƣờng kính lối ra Bánh công tác (mm) db Đƣờng kính bầu BCT E Năng lƣợng đơn vị (j/kg) F Diện tích (m2) H Cột áp của tua bin (m) Hlth Cột áp lý thuyết (m) Hthực Cột áp thực tế (m) hc ̅ Sức cản thuỷ lực (m) ̅ Tổn thất thuỷ lực tƣơng đối (không thứ nguyên) ̅ Tổn thất tƣơng đối bánh công tác (không thứ nguyên) ̅ Tổn thất tƣơng đối ống xả (không thứ nguyên) ̅ Tổn thất tƣơng đối profile (không thứ nguyên) H Sai số giới hạn tƣơng đối của cột áp (%) g Gia tốc trọng trƣờng (m/s2) L Chiều dài dây cung của prôfin (m) Lz Hình chiếu dây cung theo phƣơng hƣớng trục (m) Lu Hình chiếu dây cung theo phƣơng hƣớng vòng (m) LTBBCT Chiều dài trung bình bánh công tác l/t Độ mau của dãy cánh M Mô men (Nm) Ntd Số lƣợng tiết diện tính toán N Công suất (W) Ntl Công suất thuỷ lực (W) Ntr Công suất trên trục (W) Nms Công suất tổn thất do ma sát (W) Tỷ số bầu tƣơng đối của BCT Tổn thất tƣơng đối (không thứ nguyên) ii N Sai số giới hạn tƣơng đối của công suất (%) N Sai số mạch động của công suất (%) N Sai số tổng cộng của công suất (%) t/l Bƣớc lƣới tƣơng đối (không thứ nguyên) n Vòng quay (vg/phút) ns Số vòng quay đặc trƣng (vg/ph) n’I Vòng quay quy dẫn (không thứ nguyên) P Áp suất (kg/cm2) Pa Áp suất khí quyển (kg/cm2) Q Lƣu lƣợng (m3/s) Qd Lƣu lƣợng dò rỉ (m3/s) Qtt Lƣu lƣợng thực tế (m3/s) Qlth Lƣu lƣợng lý thuyết (m3/s) Q’I Lƣu lƣợng quy dẫn (không thứ nguyên) Q Sai số giới hạn tƣơng đối của lƣu lƣợng (%) Q* Sai số mạch động của lƣu lƣợng (%) Q Sai số tổng cộng của lƣu lƣợng (%) Ri Bán kính tính toán của các tiết diện (m) Rx Lực cản Ry Lực nâng Re Số râynôn (không thứ nguyên) s Chiều dày lá cánh t Bƣớc cánh TB Tua bin TBTT Tua bin tâm trục TTĐ Trạm thuỷ điện u Tọa độ theo phƣơng quay V Vận tốc tuyệt đối (m/s) Vz Vận tốc dọc trục (m/s) Vu Vận tốc xoáy (m/s) V2u Vận tốc xoáy tại lối ra khỏi BCT (m/s) V2UGT Giả thiết vận tốc xoáy tại lối ra khỏi BCT (m/s) V0z Thành phần vận tốc dòng không nhiễu tại điểm z=0 V0u Thành phần vận tốc dòng không nhiễu tại điểm u=0 U Vận tốc vòng (m/s) XM Giá trị đo tới hạn X Giá trị đo thực * iii W Vận tốc tƣơng đối (m/s) W1 Vận tốc tƣơng đối ở lối vào của lƣới (m/s) W2 Vận tốc tƣơng đối ở lối ra của lƣới (m/s) W Vận tốc của dòng song phẳng không nhiễu (m/s) z Toạ độ vuông góc với phƣơng u ZCT Số lá cánh của bánh công tác  Lƣu số vận tốc  Trọng lƣợng riêng (N/m3) (s) Hàm xoáy  Khối lƣợng riêng (kg/m3)  Hệ số nhớt động học (m2/s)  Góc đặt cánh (độ) 1 Góc của dòng chảy khi vào (độ) 2 Góc của dòng chảy khi ra (độ) 0 Góc đặc trƣng cho độ cong của profile (độ)  Góc của dòng song phẳng không nhiễu (độ)  Góc ngoặt của dòng chảy (độ)  chiều rộng tƣơng đối của máng dẫn  Vận tốc góc (rad/s) 0 Hàm dòng của dòng thế không nhiễu 1 Hàm dòng cảm ứng tạo bởi các xoáy liên hợp (t) Hàm dòng tổng cộng (s) Hàm dòng cảm ứng tạo bởi các xoáy (s) bên trong prôfin (u,z) Hàm dòng tổng cộng /L Hàm dòng trên chu tuyến prôfin  Tổn thất thủy lực tƣơng đối tổng cộng (không thứ nguyên)  Khoảng cách giữa hai lƣới (m) max Độ dày (m) max/l Độ dày tƣơng đối (không thứ nguyên) x Sai số tƣơng đối của giá trị đo y Sai số giới hạn tƣơng đối của kết quả đo m Cấp chính xác của thiết bị đo * Chiều dầy dịch chuyển (bị ép) của lớp biên ** Chiều dầy tổn thất xung lực của lớp biên y Sai số giới hạn tuyệt đối  Hệ số xâm thực iv  Hiệu suất chung (không thứ nguyên) tl Hiệu suất thuỷ lực (không thứ nguyên) tt Hiệu suất thể tích (không thứ nguyên) ck Hiệu suất cơ khí (không thứ nguyên) BCT Hiệu suất bánh công tác (không thứ nguyên)  BHBG Sai số giới hạn tƣơng đối của hiệu suất (%) Biến hình bảo giác v DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Phân loại tua bin theo ns ......................................................................................... 2 Bảng 1.2 Một số trạm thủy điện sử dụng tua bin tâm trục có dãy cánh ngắn........................ 6 Bảng 1.3 Thông số tua bin tâm trục có dãy cánh ngắn tại Trung Quốc ................................ 8 Bảng 1.4 So sánh kết quả chạy mô phỏng với mô hình S-A và k- tại Trung Quốc ............. 9 Bảng 1.5 Thông số tua bin tổ máy 3 nhà máy thuỷ điện KANSAI, Nhật Bản .................... 10 Bảng 2.1 Kích thƣớc cơ bản của khuỷu số 4 (m) ................................................................ 24 Bảng 2.2 Kích thƣớc cơ bản ống xả (m) .............................................................................. 24 Bảng 2.3. Profile khí động. .................................................................................................. 35 Bảng 3.1 Các giá trị vận tốc kinh tuyến tại mép vào và ra của cánh trên các đƣờng dòng . 48 Bảng 3.2 Góc đặt của profile cánh tại mép vào và ra .......................................................... 49 Bảng 3.3 Góc bao của các tiết diện ứng với các đƣờng dòng .............................................. 50 Bảng 4.1 Kết quả tính toán từ Ansys Fluent với mô hình 2D ............................................. 70 Bảng 5.1 Bảng so sánh thông số thực nghiệm các mẫu cánh .............................................. 82 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Phạm vi sử dụng các loại tua bin của Escher-Wyss................................................ 3 Hình 1.2 Phạm vi sử dụng tua bin của VATECH (Ấn Độ) ................................................... 3 Hình 1.3 Phạm vi sử dụng tua bin của hãng GILKES ........................................................... 3 Hình 1.4 Cấu tạo cơ bản của tua bin tâm trục ........................................................................ 4 Hình 1.5 Bánh công tác tua bin tâm trục cột nƣớc thấp......................................................... 5 Hình 1.6 Bánh công tác tua bin tâm trục cột nƣớc cao .......................................................... 5 Hình 1.7 Tua bin Model SIMENS trên giàn thử tại Trung Quốc .......................................... 7 Hình 1.8 Tua bin Model Alstom trên giàn thử tại Trung Quốc ............................................. 7 Hình 1.9 Nghiên cứu bánh công tác tua bin bằng CFD tại Trung Quốc................................ 8 Hình 1.10 Mô hình 3D bánh công tác có dãy cánh ngắn tại Trung Quốc ............................. 8 Hình 1.11 Phân bố vận tốc, cánh ngắn quay góc α so với cánh dài mô hình tại Nhật Bản ... 9 Hình 1.12 Đồ thị so sánh hiệu suất hai loại bánh công tác mô hình tại Nhật Bản................. 9 Hình 1.13 Bản vẽ 3D, mô phỏng dòng chảy qua bánh công tác tổ máy 3 KANSAI........... 10 Hình 1.14 Quan hệ tỉ số giữa đƣờng kính lối vào ra với ns tua bin ..................................... 10 Hình 1.15 Đồ thị so sánh hiệu suất, độ rung tổ máy giữa 2 loại bánh công tác .................. 11 Hình 1.16 Bánh công tác có dãy cánh ngắn lắp tại nhà máy thuỷ điện Kannagawa PSPP . 11 Hình 1.17 Đồ thị so sánh phạm vi làm việc, hiệu suất tua bin, dao động áp suất ............... 11 Hình 2.1 Các thông số hình học buồng xoắn ....................................................................... 14 Hình 2.2 Dữ liệu để tính thông số hình học buồng xoắn .................................................... 15 Hình 2.3 Thông số tính toán cột trụ ..................................................................................... 16 vi Hình 2.4 Dựng đƣờng tâm profile và sơ đồ sắp xếp cánh cột trụ ........................................ 17 Hình 2.5 Các thông số hình học đặc trƣng và các dạng Profile cánh hƣớng ....................... 18 Hình 2.6 Dựng Profile cánh hƣớng theo phƣơng pháp 1 toạ độ .......................................... 19 Hình 2.7 Sơ đồ phần dẫn dòng tua bin tâm trục .................................................................. 20 Hình 2.8 Ống xả cong của tua bin ....................................................................................... 23 Hình 2.9 Sơ đồ tính toán đƣờng dòng trong buồng dẫn tua bin tâm trục ............................ 26 Hình 2.10 Biểu đồ vận tốc kinh tuyến ................................................................................. 27 Hình 2.11a Xây dựng biên dạng cánh bánh công tác trong mặt chiếu đứng và chiếu bằng 28 Hình 2.11b Sơ đồ xây dựng biên dạng cánh trên mặt trụ BHBG ........................................ 28 Hình 2.12 Đƣờng cong quan hệ y = f(l) để thực hiện BHBG .............................................. 29 Hình 2.13 Sơ đồ xây dựng biên dạng cánh trên mặt nón BHBG......................................... 30 Hình 2.14 Chọn mặt ánh xạ ................................................................................................. 32 Hình 2.15 Lƣới ánh xạ ......................................................................................................... 34 Hình 2.16 Đắp độ dày cánh ................................................................................................. 35 Hình 2.17 Bản vẽ thiết kế cánh bánh công tác tua bin tâm trục .......................................... 36 Hình 2.18 Dựng profile trong mặt cắt kinh tuyến ................................................................ 42 Hình 3.1 Bản vẽ lắp tua bin mô hình ................................................................................... 46 Hình 3.2 Sơ đồ đƣờng dòng trong mặt cắt kinh tuyến ......................................................... 48 Hình 3.3 Đồ thị phân bố vận tốc kinh tuyến theo đƣờng dòng ............................................ 48 Hình 3.4 Xây dựng các profile cánh trên các mặt trụ BHBG .............................................. 51 Hình 3.5 Xây dựng lá cánh bánh công tác trên mặt chiếu đứng và chiếu bằng ................... 51 Hình 3.6 Xây dựng bản vẽ dƣỡng chế tạo cánh ................................................................... 52 Hình 3.7 Bản vẽ chế tạo Bánh công tác ............................................................................... 53 Hình 3.8 Chế tạo, mài lá cánh bánh công tác theo dƣỡng ................................................... 53 Hình 3.9 Hàn lá cánh lên vành ............................................................................................. 54 Hình 3.10 Đồ gá cân bằng bánh công tác ............................................................................ 54 Hình 3.11 Hoàn thiện các mẫu Bánh công tác ..................................................................... 54 Hình 4.1 Cấu trúc của bộ phần mềm Ansys Fluent ............................................................. 56 Hình 4.2 Các bƣớc xây dựng mô hình 2D chạy Ansys Fluent ............................................ 59 Hình 4.3 Mô hình bài toán ................................................................................................... 59 Hình 4.4 Phân bố áp suất tĩnh trên lá cánh TH1 .................................................................. 61 Hình 4.5 Phân bố áp suất tĩnh trên lá cánh TH2 .................................................................. 62 Hình 4.6 Phân bố áp suất tĩnh trên lá cánh TH3 .................................................................. 63 Hình 4.7 Phân bố áp suất tĩnh trên lá cánh TH4 .................................................................. 64 Hình 4.8 Phân bố áp suất tĩnh trên lá cánh TH5 .................................................................. 65 Hình 4.9 Phân bố áp suất tĩnh trên lá cánh TH6 .................................................................. 66 vii Hình 4.10 Phân bố vận tốc trên lá cánh TH1 ....................................................................... 67 Hình 4.11 Phân bố vận tốc trên lá cánh TH2 ....................................................................... 68 Hình 4.12 Phân bố vận tốc Bánh công tác TH3................................................................... 68 Hình 4.13 Phân bố vận tốc Bánh công tác TH4................................................................... 69 Hình 4.14 Phân bố vận tốc Bánh công tác TH5................................................................... 69 Hình 4.15 Phân bố vận tốc Bánh công tác TH6................................................................... 69 Hình 4.16 Biến thiên vận tốc lối vào và ra tại đƣờng trung bình giữa 2 lá cánh ................. 70 Hình 5.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống thí nghiệm tua bin ....................................................... 73 Hình 5.2 Bơm nguồn và bể tạo áp thí nghiệm ..................................................................... 73 Hình 5.3 Phòng thu thập số liệu và kênh xả ........................................................................ 74 Hình 5.4 Lắp đặt tua bin trên hệ thống thí nghiệm .............................................................. 74 Hình 5.5 Chạy mô hình trên hệ thống thí nghiệm ............................................................... 74 Hình 5.6 Sơ đồ hệ thống đo và xử lý số liệu ........................................................................ 76 Hình 5.7 Đƣờng đặc tính thực nghiệm mẫu cánh 1 (l=0) .................................................... 80 Hình 5.8 Đƣờng đặc tính thực nghiệm mẫu cánh 2 (l=1/3L) .............................................. 81 Hình 5.9 Đƣờng đặc tính thực nghiệm mẫu cánh 3 (l=1/2L) .............................................. 81 Hình 5.10 Đƣờng đặc tính thực nghiệm mẫu cánh 4 (l=2/3L) ............................................ 82 1 LỜI NÓI ĐẦU Việt Nam nằm ở vùng nhiệt đới gió mùa, lƣợng mƣa tƣơng đối lớn. Cùng với điều kiện địa hình có nhiều dãy núi cao, tạo ra một nguồn thuỷ năng dồi dào. Nguồn thuỷ năng này đã và đang đƣợc chú trọng khai thác biến thành năng lƣợng điện phục vụ cho việc phát triển kinh tế của đất nƣớc. Tua bin thủy lực là bộ phận quan trọng của trạm thuỷ điện. Lựa chọn kiểu loại tua bin phụ thuộc vào cột nƣớc và lƣu lƣợng của từng trạm. Trong biểu đồ sử dụng tua bin của các hãng chế tạo có sự chồng lấn phạm vi sử dụng ở dải cột nƣớc cao giữa tua bin tâm trục và tua bin gáo. Về mặt lý thuyết, hiệu suất của tua bin gáo và tua bin tâm trục là ngang nhau. Khi có cùng cột nƣớc địa hình và lƣu lƣợng, dùng tua bin tâm trục sẽ lợi hơn vì: Tua bin tâm trục có cột áp hút, do vậy có công suất đạt cao hơn, tua bin tâm trục độ ồn thấp và độ bền cao hơn, điều khiển dễ hơn so với tua bin gáo. Tuy nhiên, với tua bin tâm trục cột nƣớc cao, bánh công tác có chênh lệch về đƣờng kính lối vào và ra lớn, lối vào có đƣờng kính rộng, lối ra đƣờng kính hẹp, chất lỏng vào bánh công tác dễ dàng nhƣng khi ra thì khó vì bị chèn dòng, giảm hiệu suất, để giải quyết vấn đề này một số hãng đã nghiên cứu chế tạo bánh công tác tua bin tâm trục có dãy cánh ngắn. Tại Việt Nam đã có một số Nhà máy thuỷ điện sử dụng tua bin tâm trục với kết cấu bánh công tác có dãy cánh ngắn, tuy nhiên thiết bị là nhập ngoại trọn gói 100% từ nhà cung cấp ở nƣớc ngoài, nên chƣa có một nghiên cứu nào đề cập tới loại bánh công tác với kết cấu mới này, với mong muốn đƣa ra đƣợc phạm vi làm việc của tua bin tâm trục có dãy cánh ngắn, chiều dài tối ƣu của dãy cánh ngắn trong bánh công tác phục vụ cho việc lựa chọn tua bin, thiết kế chế tạo bánh công tác thay thế và sản xuất mới cho các trạm thuỷ điện tại Việt Nam, tác giả đã đi sâu nghiên cứu vấn đề trên tại luận văn: “Nghiên cứu đặc tính năng lượng của tua bin tâm trục với bánh công tác có dãy cánh ngắn” với phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp chạy phần mềm mô phỏng và mô hình thực trong phòng thí nghiệm sẽ là kết quả bƣớc đầu tại Việt Nam về nghiên cứu kết cấu bánh công tác mới. Với kết quả nghiên cứu này tác giả hy vọng sẽ là tài liệu phục vụ cho giảng dạy, cho lựa chọn loại tua bin khi sử dụng tại Nhà máy thuỷ điện có cân nhắc giữa tua bin gáo và tua bin tâm trục, đồng thời kết quả nghiên cứu cũng là tài liệu cho việc sửa chữa các trạm đang sử dụng và là tiền đề cho các nghiên cứu sâu hơn về kết cấu loại bánh công tác tua bin tâm trục có dãy cánh ngắn sau này. 2 Chương 1. Tổng quan 1.1 Phân loại tua bin và phạm vi sử dụng Để xác định phạm vi làm việc của tua bin, trƣớc hết cần phải phân loại tua bin. Có hai cách để phân loại tua bin hiện nay là: [7] - Phân loại theo cột nƣớc. - Phân loại theo số vòng quay đặc trƣng ns. Phân loại tua bin theo cột nƣớc chỉ cho biết sơ bộ vùng ứng dụng các loại tua bin theo điều kiện địa hình. Nhƣng với cùng một cột nƣớc có thể sẽ có sự trùng lặp các vùng làm việc của các tua bin khác nhau nên sự phân loại theo số vòng quay đặc trƣng ns sẽ giúp nhận biết sâu hơn về các đặc tính thuỷ lực của tua bin nhƣ: đặc tính xâm thực, khả năng thoát, số vòng quay của tua bin. Số vòng quay đặc trƣng của tua bin tâm trục ns Khi lựa chọn tua bin thủy lực cần dựa vào các thông số công suất (N), cột nƣớc (H), số vòng quay (n). Ngƣời ta dùng ns làm đại lƣợng đặc trƣng tổng hợp cho 3 thông số kể trên. Số vòng quay đặc trƣng ns của một tua bin đƣợc xác định theo công thức: √ (1.1) Tính theo các thông số quy dẫn: (1.2) √ Với: nI'- số vòng quay quy dẫn (v/ph) QI'- Lƣu lƣợng quy dẫn (m3/s) Bảng 1.1 Phân loại tua bin theo ns TT Loại tua bin Giới hạn theo ns Theo H (m) 1 Hƣớng trục cánh quay ns cao 950759 512 2 Hƣớng trục cánh quay ns trung bình 750550 1222 3 Hƣớng trục cánh quay ns thấp 553350 2240 4 Tâm trục ns cao 400250 2050 5 Tâm trục ns trung bình 250150 50120 6 Tâm trục ns thấp 15070 1203000 7 Gáo 5010 2002000 Nhƣ vậy tua bin tâm trục có số vòng quay đặc trƣng nS nằm trong khoảng từ 70400vg/ph, trong đó cột nƣớc cao có số vòng quay đặc trƣng nS = 15070 vg/ph. Tuy nhiên tuỳ từng hãng đã chế tạo và đƣa ra phạm vi sử dụng có khác nhau: 3 Hình 1.1 Phạm vi sử dụng các loại tua bin của Escher-Wyss Hình 1.2 Phạm vi sử dụng tua bin của VATECH (Ấn Độ) Hình 1.3 Phạm vi sử dụng tua bin của hãng GILKES 1.2 Giới thiệu chung về tua bin tâm trục Tua bin tâm trục là hệ tua bin phản kích đƣợc sử dụng rộng rãi nhất (chiếm tới 60% trong tổng số các loại tua bin đã lắp đặt), hãng Asltom thì gọi tua bin tâm trục là "Chìa khoá của lợi nhuận" [25], điều này chứng tỏ rằng đây là loại tua bin có hiệu quả kinh tế nhất trong các loại tua bin. Tua bin tâm trục có 2 loại: trục đứng và trục ngang, trục ngang thƣờng dùng cho công suất <5 MW và hiệu suất thƣờng thấp hơn trục đứng từ 2 đến 5%. Cấu tạo cơ bản tua bin tâm trục Chuyển động của chất lỏng trong bánh công tác tua bin tâm trục (ở tất cả các điểm) lúc đầu theo hƣớng xuyên tâm khi đi qua các khe giữa các cánh dòng nƣớc bị chuyển hƣớng 900 và ra khỏi bánh công tác để vào ống xả theo hƣớng dọc trục. Các bộ phận chính của tua bin tâm trục. [2,7] Trong tua bin tâm trục, bộ phận ảnh hƣởng lớn đến hiệu suất đó là phần dẫn dòng. Phần dẫn dòng gồm 3 bộ phận chính: - Buồng dẫn tua bin; - Bánh công tác; 4 - Ống xả tua bin. Buồng xoắn Cánh hƣớng Bánh công tác Ống xả Hình 1.4 Cấu tạo cơ bản của tua bin tâm trục 1.2.1 Buồng dẫn tua bin Làm nhiệm vụ dẫn nƣớc từ ống nƣớc qua kênh dẫn đến bánh công tác với tổn thất nhỏ nhất và sự phân bố vận tốc đi vào bánh công tác phải đều (đối xứng qua trục). Buồng dẫn tua bin cỡ trung bình và lớn gồm có: Buồng xoắn, cột trụ và cánh hƣớng nƣớc. Buồng xoắn tua bin có tiết diện ngang (tiết diện cắt chứa trục tua bin) giảm dần từ tiết diện vào đến tiết diện cuối. Nhờ sự thay đổi tiết diện này mà kích thƣớc buồng xoắn nhỏ hơn so với các loại buồng có tiết diện ngang không đổi, và đảm bảo dòng chất lỏng vào bánh công tác đều hơn (đối xứng qua trục tua bin), tạo điều kiện dòng ổn định qua bánh công tác. ở tua bin cột nƣớc cao buồng xoắn thƣờng làm bằng kim loại. Tiết diện kinh tuyến buồng xoắn kim loại thƣờng là hình tròn hay elip. Cột trụ, còn gọi là stato tua bin có nhiệm vụ chính là truyền tải trọng phía trên tua bin xuống móng nhà máy (với tua bin trục đứng). Stato phải đủ bền và không làm ảnh hƣởng tới đến dòng chảy. Cột trụ thƣờng có tiết diện khí động. Cánh hƣớng (bộ phận hƣớng dòng) nằm sau cột trụ gồm nhiều cánh có tiết diện khí động nằm cách đều nhau. Cánh hƣớng làm nhiệm vụ hƣớng dòng chảy vào bánh công tác ở một góc thích hợp và phân bố vận tốc dòng chảy vào bánh công tác đều. Ngoài ra cánh hƣớng còn làm nhiệm vụ thay đổi lƣu lƣợng vào bánh công tác cho phù hợp với phụ tải của máy phát điện. Cánh hƣớng cũng làm nhiệm vụ dừng và mở tua bin. Để điều chỉnh lƣu lƣợng, cánh hƣớng quay xung quanh trục cố định nhờ thiết bị điều khiển (bộ điều tốc). Khi cánh hƣớng quay thì khoảng cách giữa chúng (gọi là độ mở cánh hƣớng a0) thay đổi. Lƣu lƣợng qua cánh hƣớng vào bánh công tác thay đổi và thay đổi luôn cả hƣớng dòng chảy vào bánh công tác. Để điều chỉnh độ mở a0 ngƣời ta dùng cơ cấu điều chỉnh cánh hƣớng. Cơ cấu này gồm vành điều chỉnh qua hệ thống thanh truyền. Vành điều chỉnh đƣợc dẫn động bằng các xy lanh thuỷ lực. Khi có tín hiệu điều chỉnh, các xy lanh thuỷ lực chuyển động tịnh tiến, kéo vành điều chỉnh quay đi một góc nào đó. Qua hệ thống thanh truyền dẫn tới quay tất cả cánh hƣớng với một góc nhƣ nhau, nghĩa là làm thay đổi độ mở cánh hƣớng a0. 1.2.2 Bánh công tác Là bộ phận quan trọng nhất trong tua bin, làm nhiệm vụ biến đổi thủy năng thành cơ năng. Bánh công tác gồm các lá cánh gắn trên 2 vành đĩa. Cánh có dạng cong không gian và số cánh tuỳ thuộc cột áp làm việc tua bin (từ 7 - 30 cánh). Ngƣời ta thƣờng chế tạo cánh và 2 vành đĩa sau đó hàn thành một chi tiết. Nếu trƣờng hợp đƣờng kính bánh công tác quá lớn, ngƣời ta chế tạo thành 2 nửa và khi ráp lại thì hàn hai khối đó thành một chi tiết. Tuỳ 5 theo cột nƣớc sử dụng bánh công tác có cấu tạo khác nhau. Đặc trƣng cho sự khác nhau đó là tỷ số giữa đƣờng kính mép ra D2 và đƣờng kính mép vào D1 của bánh công tác. Bánh công tác dùng cho tua bin có cột nƣớc trung bình (H <80 m) có tỷ số (hình 1.5) với cột nƣớc cao (H >80 m) thì (hình 1.6). Hình 1.5 Bánh công tác tua bin tâm trục cột nước thấp Hình 1.6 Bánh công tác tua bin tâm trục cột nước cao 1.2.3 Ống xả Nhiệm vụ của ống xả là dẫn nƣớc từ bánh công tác ra xuống hạ lƣu. Ống xả cho phép sử dụng phần năng lƣợng còn lại của dòng chảy sau khi ra khỏi bánh công tác. Ống xả có dạng ống loe thẳng hoặc ống loe cong. Độ cao của ống loe có ảnh hƣởng lớn đến chỉ tiêu kinh tế của trạm vì nó quyết định khối lƣợng đào sâu của công trình, tức là số vốn đầu tƣ xây dựng nhà máy thuỷ điện. Vì vậy trong thực tế ít sử dụng ống loe thẳng mà thƣờng sử dụng ống loe cong. 1.3 Nghiên cứu tua bin tâm trục có dãy cánh ngắn trong, ngoài nước Về mặt lý thuyết thì hiệu suất của tua bin gáo và tâm trục là ngang nhau, tuy nhiên khi có cùng cột áp địa hình và lƣu lƣợng, nếu dùng tua bin tâm trục sẽ lợi hơn vì: Tua bin tâm trục có cột áp hút nên có công suất cao hơn, tua bin tâm trục độ ồn thấp và độ bền hơn 6 tua bin gáo, điều khiển dễ hơn tua bin gáo; Tuy nhiên, với tua bin tâm trục cột nƣớc cao, bánh công tác có chênh lệch về đƣờng kính lối vào và ra lớn, lối vào có đƣờng kính rộng, lối ra đƣờng kính hẹp, chất lỏng vào bánh công tác thì dễ dàng nhƣng khi ra thì khó vì bị chèn dòng, giảm hiệu suất. Để tránh hiện tƣợng chèn dòng này, ngƣời ta đã cắt bớt chiều dài của một nửa số lá cánh bánh công tác ở phía chiều ra (những lá cánh bị cắt bớt này đƣợc gọi là dãy cánh ngắn), tăng khả năng thoát, tránh hiện tƣợng va đập, nâng cao hiệu suất tua bin. Trong thực tế nƣớc ngoài đã sản xuất và sử dụng kết cấu bánh công tác có dãy cánh ngắn, nhƣng chƣa có tài liệu nào công bố về kết cấu, biên dạng dãy cánh ngắn này, phạm vi sử dụng, cũng nhƣ đặc tính năng lƣợng. Qua xem xét các tua bin tâm trục gần đây nhập về Việt Nam cho thấy: Vùng cột nƣớc cao có thể dùng tua bin gáo và tâm trục thì các nhà cung cấp đã đề xuất dùng tua bin tâm trục với bánh công tác đã đƣợc cải tiến. Thực tế tại Việt Nam đã có 02 nhà máy thủy điện dùng tua bin tâm trục trong dải cột nƣớc cao: Bảng 1.2 Một số trạm thủy điện sử dụng tua bin tâm trục có dãy cánh ngắn TT Thông số Giá trị Ghi chú 1 Thuỷ điện Quảng Trị Kiểu tua bin (Francis trục đứng) HL (F) - LJ - 155A Cột nƣớc max (m) 376,24 Cột nƣớc tính toán (m) 334,12 Cột nƣớc min (m) 324,12 Công suất (MW) 33 Vòng quay (vg/ph) 750 Vòng quay lồng (vg/ph) 1.280 Lƣu lƣợng (m3/s) 10,8 D1 (mm) 1586 D2 (mm) 1.026,5 Số tổ máy 02 2 Thuỷ điện Bản Cốc (Nghệ An) Kiểu tua bin (Francis trục đứng) HL 100A - LJ - 120 Cột nƣớc max (m) 206,87 Cột nƣớc tính toán (m) 187 Cột nƣớc min (m) 187 Công suất (MW) 6,289 Vòng quay (vg/ph) 750 Vòng quay lồng (vg/ph) 1.110 Lƣu lƣợng (m3/s) 3,71 D1 (mm) 1.235 D2 (mm) 715 Số tổ máy 03 Việc nghiên cứu hoàn thiện lý thuyết tính toán, đƣa ra đƣợc mẫu bánh công tác phù hợp, có hiệu suất cao, ứng dụng để chế tạo đƣợc trong nƣớc là một nội dung cần thiết, nhằm nâng cao năng lực của các cơ quan nghiên cứu, thiết kế chế tạo, sửa chữa thiết bị thủy điện trong nƣớc. Ở nƣớc ngoài, tua bin tâm trục có dãy cánh ngắn đã đƣợc các hãng nổi tiếng nghiên cứu, với những phòng thí nghiệm hiện đại, xây dựng đƣợc nhiều mẫu cánh có hiệu suất cao, mở rộng phạm vi làm việc của tua bin. Một số kết quả nghiên cứu về tua bin tâm trục có dãy cánh ngắn đã đƣợc các nhà khoa học trên thế giới công bố nhƣ sau: 7 1.3.1 Nghiên cứu tua bin tâm trục có dãy cánh ngắn ở nước ngoài 1.3.1.1 Tại Trung Quốc Hình 1.7 Tua bin Model SIMENS trên giàn thử tại Trung Quốc Hình 1.8 Tua bin Model Alstom trên giàn thử tại Trung Quốc Năm 2008 tại hội thảo Quốc tế thông tin về nghiên cứu máy (International Symposium on Information Science and Engineering) nhóm tác giả Yi-hua; Hou Xue-yi; Qi Ren-nian; Li Jing Zhang đã công bố kết quả sử dụng phần mềm Fluent để nghiên cứu bánh công tác có dãy cánh ngắn trong bài báo: “Mô phỏng, tính toán dòng chảy 3D qua bánh công tác tua bin tâm trục có dãy cánh ngắn (Numerical Simulation of 3-D Flow in Low Specific Speed Francis Runner withSplitter Blades)". [18]