Báo cáo chuyên đề Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thử nghiệm tua bin thủy điện cột nước thấp

bé n«ng nghiÖp vµ ph¸t triÓn n«ng th«n

viÖn khoa häc thñy lîi

b¸o c¸o tæng kÕt chuyªn ®Ò

nghiªn cøu, thiÕt kÕ, chÕ t¹o thö nghiÖm tua bin

thñy ®iÖn cét n−íc thÊp

thuéc ®Ò tµi kc 07.04:

“nghiªn cøu, lùa chän c«ng nghÖ vµ thiÕt bÞ ®Ó khai th¸c vµ

sö dông c¸c lo¹i n¨ng l−îng t¸i t¹o trong chÕ biÕn n«ng,

l©m, thñy s¶n, sinh ho¹t n«ng th«n vµ b¶o vÖ m«i tr−êng”

Chñ nhiÖm chuyªn ®Ò: ThS nguyÔn vò viÖt

5817-2

16/5/2006

hµ néi – 5/2006

Môc lôc

Trang

Më ®Çu

1

Ch−¬ng I. Tæng quan vÒ thuû ®iÖn nhá cét n−íc thÊp.

1.1 Ph¹m vi lµm viÖc cña tuabin h−íng trôc:

1.2. Nghiªn cøu vµ s¶n xuÊt tua bin h−íng trôc thñy ®iÖn nhá cña c¸c

n−íc.

2

3

1.2.1. Tuabin h−íng trôc thñy ®iÖn nhá cña Trung Quèc:

1.2.2. Tuabin h−íng trôc thñy ®iÖn nhá cña TiÖp kh¾c (cò).

1.2.3. Tuabin h−íng trôc cña Liªn X« (cò).

3

4

1.2.4. TBHT cña h·ng Kushiro (NhËt) [34].

5

1.2.5. TBHT cña h·ng Toshiba (NhËt) [34].

6

1.2.6. Gam TBHT cña h·ng Turboatom (Nga).

8

1.2.7. Gam tuabin h−íng trôc cña h·ng Sulzer (Thôy SÜ )

1.2.8. Mét sè lo¹i kÕt cÊu ®Æc biÖt kh¸c:

9

11

14

16

17

1.3. Nghiªn cøu vµ s¶n suÊt tuabin h−íng trôc ë ViÖt Nam:

1.4 Tæng kÕt vÒ c¸c nghiªn cøu TBHT.

1.5 ¦u ®iÓm cña tæ m¸y tua bin h−íng trôc kiÓu dßng ch¶y th¼ng trôc

ngang.

1.6 NhiÖm vô nghiªn cøu khoa häc cña ®Ò tµi nh¸nh.

Ch−¬ng II. NC lý thuyÕt thiÕt kÕ tbht cét n−íc thÊp.

2.1. Chän ph−¬ng ph¸p thiÕt kÕ tua bin m« h×nh.

2.1.1. Tæng quan vÒ ph−¬ng ph¸p thiÕt kÕ tua bin h−íng trôc.

2.1.2. ThiÕt kÕ tua bin h−íng trôc theo ph−¬ng ph¸p ph©n bè xo¸y.

2.2. C¬ së lý thuyÕt cña ph−¬ng ph¸p ph©n bè xo¸y.

2.3. X¸c ®Þnh täa ®é ®−êng nh©n profile vµ x©y dùng profile cã ®é

dµy:

17

19

23

25

31

2.4. X¸c ®Þnh ph©n bè vËn tèc vµ ¸p suÊt trªn profile c¸nh:

2.5. §¸nh gi¸ tæn thÊt vµ hiÖu suÊt cña tua bin:

32

37

42

2.6. TÝnh to¸n b¸nh c«ng t¸c trªn m¸y vi tÝnh:

2.6.1 Ch−¬ng tr×nh tÝnh to¸n thiÕt kÕ profile c¸nh:

2.6.2. TÝnh to¸n profile c¸nh theo ph−¬ng ph¸p ph©n bè xo¸y.

42

43

46

2.6.3. X©u c¸nh (xÕp c¸c profile) theo ph−¬ng chiÕu ®øng vµ ph−¬ng

chiÕu b»ng.

46

49

2.6.4. Ch−¬ng tr×nh tÝnh to¸n ph©n bè vËn tèc vµ ¸p suÊt trªn profile

c¸nh.

2.6.5 Ch−¬ng tr×nh tÝnh to¸n tæn thÊt vµ hiÖu suÊt cña b¸nh c«ng t¸c:

2.7. KÕt luËn

49

52

Ch−¬ng III. ThiÕt kÕ, chÕ t¹o vµ thö nghiÖm tua bin m«

h×nh.

3.1.Chän kÕt cÊu tæ m¸y.

52

53

3.1.1. Tua bin d¹ng capxun:

3.1.2 Tua bin dßng nöa th¼ng:

3.1.3. PhÇn dÉn dßng cña tua bin thÝ nghiÖm:

3.2. ThiÕt kÕ BXCT tuabin m« h×nh.

3.2.1. X¸c ®Þnh c¸c th«ng sè cña l−íi c¸nh vµ c¸c thµnh phÇn vËn tèc

cña dßng ch¶y qua BCT tua bin (cho mÉu c¸nh 4K84)

3.2.2. X¸c ®Þnh c¸c th«ng sè cña l−íi c¸nh vµ c¸c thµnh phÇn vËn tèc

cña dßng ch¶y qua BCT(cho mÉu c¸nh ΠΛΓ9a1).

3.2.3. TÝnh to¸n, thiÕt kÕ profile c¸nh:

53

57

58

60

62

3.2.4.TÝnh to¸n hiÖu suÊt c¸c mÉu c¸nh.

3.3. Thö nghiÖm tua bin m« h×nh.

62

3.3.1. §−êng ®Æc tÝnh tæng hîp chÝnh cña tua bin vµ c¸c th«ng sè cÇn

ph¶i ®o ®¹c.

63

65

68

3.3.2.Gi¸ thö nghiÖm tua bin.

3.3.2.1 M« t¶ chung hÖ thèng.

3.3.2.2. C¸c th«ng sè chÝnh cña c¸c bé phËn trong hÖ thèng.

3.3.3. X¸c ®Þnh c¸c th«ng sè cña tua bin m« h×nh cét n−íc thÊp vµ hÖ

thèng thÝ nghiÖm.

68

69

70

3.3.3.1 Chän ®−êng kÝnh b¸nh c«ng t¸c tua bin mÉu.

3.3.3.2 Chän c¸c th«ng sè chÝnh cña hÖ thèng thÝ nghiÖm.

3.3.4. Ph−¬ng ph¸p thùc nghiÖm Tua bin.

3.3.4.1. C¸c sè liÖu thùc nghiÖm.

3.3.4.2. Qu¸ tr×nh ®o.

3.3.4.3. Xö lý d÷ liÖu thÝ nghiÖm.

70

71

3.3.4.4 Xö lý bé d÷ liÖu.

B¸o c¸o nghiªn cøu, tk, chÕ t¹o thö nghiÖm tbt® cét n−íc thÊp

§Ò tµi KC07 - 04

PhÇn më ®Çu

ViÖc sö dông c¸c nguån n¨ng l−îng míi vµ t¸i t¹o ®· vµ ®ang ®−îc nghiªn cøu

vµ triÓn khai ë ViÖt nam. N¨ng l−îng thuû ®iÖn cã nh÷ng −u ®iÓm næi bËt nh− hiÖu

suÊt cao, gi¸ thµnh thÊp vµ ®¶m b¶o vÖ sinh m«i tr−êng.

Tua bin thuû ®iÖn lµ bé phËn quan träng cña tr¹m thuû ®iÖn, kiÓu lo¹i tua bin

phô thuéc vµo ®iÒu kiÖn thuû n¨ng nh− cét n−íc, l−u l−îng. C¸c vÞ trÝ cã ®iÒu kiÖn

thuû n¨ng thuËn lîi víi cét n−íc ®Þa h×nh cao cho c¸c tr¹m thuû ®iÖn nhá ®· ®−îc

khai th¸c nhiÒu. Cßn l¹i phæ biÕn lµ c¸c ®iÓm cã cét n−íc thÊp, l−u l−îng lín. MÆt

kh¸c x©y dùng c¸c tr¹m thuû ®iÖn cùc nhá cét n−íc thÊp lµ rÊt cÇn thiÕt phôc vô cho

nhu cÇu sinh ho¹t vµ s¶n xuÊt cña ®ång bµo vïng nói cao, xa l−íi ®iÖn quèc gia.

Tõ nh÷ng n¨m 1980 trë l¹i ®©y ®· cã nhiÒu c¬ së s¶n xuÊt vµ nghiªn cøu tham

gia vµo viÖc thiÕt kÕ chÕ t¹o thiÕt bÞ thuû ®iÖn nhá. Song kÕt cÊu vµ c¸c mÉu c¸nh

tua bin cét n−íc thÊp míi chØ ®−îc nghiªn cøu rÊt s¬ bé, chñ yÕu lµ viÖc sao chÐp tõ

c¸c b¶n vÏ n−íc ngoµi, nªn viÖc øng dông tua bin cét n−íc thÊp cßn rÊt h¹n chÕ.

XuÊt ph¸t tõ nhu cÇu thùc tÕ ®ã phÇn ®Ò tµi nh¸nh cña ®Ò tµi KC07 - 04 ®Ò cËp

®Õn c¸c néi dung sau:

- Nghiªn cøu tæng quan vÒ øng dông tua bin cét n−íc thÊp. PhÇn nµy ®Ò cËp

mét c¸ch kh¸i qu¸t ®Õn nhu cÇu khai th¸c n¨ng l−îng cét n−íc thÊp ë n−íc ta,

tãm t¾t qu¸ tr×nh nghiªn cøu vµ øng dông c¸c tæ m¸y cét n−íc thÊp cña c¸c

n−íc trªn thÕ giíi vµ ë ViÖt Nam.

- TÝnh to¸n thiÕt kÕ tua bin h−íng trôc. Trong phÇn nµy chóng t«i tr×nh bµy c¬

së lý thuyÕt cña ph−¬ng ph¸p thiÕt kÕ tua bin h−íng trôc, ®¸nh gi¸ tæn thÊt vµ

hiÖu suÊt cña tua bin. Còng nh− tæng kÕt viÖc ¸p dông c«ng cô m¸y tÝnh vµ

khai th¸c c¸c ch−¬ng tr×nh tÝnh to¸n ®· ®−îc thiÕt lËp.

- ThiÕt kÕ, chÕ t¹o vµ thö nghiÖm tæ m¸y thuû ®iÖn nhá cét n−íc thÊp. Víi

môc ®Ých thiÕt lËp mét qui tr×nh thiÕt kÕ chÕ t¹o tæ m¸y thuû ®iÖn cét n−íc thÊp

vµ ®¸p øng nhu cÇu cô thÓ vÒ tæ m¸y thuû ®iÖn cùc nhá, sau khi ph©n tÝch vµ

lùa chän kÕt cÊu chóng t«i thiÕt kÕ c¸nh b¸nh xe c«ng t¸c cã øng dông ph−¬ng

ph¸p tÝnh to¸n víi trî gióp cña m¸y tÝnh. C¸c kÕt qu¶ cña viÖc chÕ t¹o vµ thö

nghiÖm tæ m¸y cho phÐp kiÓm tra ®¸nh gi¸ qu¸ tr×nh tÝnh to¸n thiÕt kÕ tæ m¸y

vµ kiÓm tra kh¶ n¨ng øng dông thùc tÕ cña tæ m¸y thuû ®iÖn nhá.

1

ViÖn khoa häc Thuû Lîi

B¸o c¸o nghiªn cøu, tk, chÕ t¹o thö nghiÖm tbt® cét n−íc thÊp

§Ò tµi KC07 - 04

Ch−¬ng I. Tæng quan vÒ thuû ®iÖn nhá cét n−íc thÊp.

1.1. Ph¹m vi lµm viÖc cña tua bin h−íng trôc:

§Ó x¸c ®Þnh ph¹m vi lµm viÖc cña tuabin h−íng trôc, tr−íc hÕt cÇn ph¶i ph©n

lo¹i tua bin. Cã hai ph−¬ng ph¸p chÝnh ®Ó ph©n lo¹i tuabin hiÖn nay lµ:

- Ph©n lo¹i theo cét n−íc.

- Ph©n lo¹i theo hÖ sè tØ tèc N_s.

Ph©n lo¹i tuabin theo cét n−íc chØ ®−îc ¸p dông cho c¸c tæ m¸y lín. ë c¸c

tr¹m thñy ®iÖn nhá viÖc ph©n lo¹i tuabin theo N_slµ hîp lÝ v× víi cïng mét cét n−íc

sÏ cã sù trïng lÆp c¸c vïng lµm viÖc cña c¸c tuabin kh¸c nhau vµ c¸ch ph©n lo¹i nµy

thÓ hiÖn ®Æc tÝnh x©m thùc, kh¶ n¨ng tho¸t, kh¶ n¨ng quay nhanh cña tuabin.

HÖ sè tØ tèc cña tua bin h−íng trôc.

§Ó lùa chän tua bin thñy lùc cÇn dùa vµo c¸c th«ng sè c«ng suÊt (N), cét n−íc

(H), sè vßng quay (n). Ng−êi ta dïng N_slµm ®¹i l−îng ®Æc tr−ng tæng hîp cho 3

th«ng sè kÓ trªn.

HÖ sè tû tèc N_s®−îc ®Þnh nghÜa lµ sè vßng quay cña mét tuabin mÉu cã ®−êng

kÝnh b¸nh xe c«ng t¸c D₁= 1m, lµm viÖc víi cét n−íc lµ H=1m vµ ph¸t ra c«ng suÊt

mét m· lùc.

n N

D₁.H ⁴H

N_S=

(1.1)

TÝnh theo c¸c th«ng sè quy dÉn:

Ns = 3,65n^'₁η.Q^'₁

(1.2)

B¶ng 1. Ph©n lo¹i tuabin theo tû tèc N_S

Tû tèc thÊp Tû tèc trung b×nh Tû tèc cao

STT

Lo¹i tuabin

Tuabin h−íng trôc

Tuabin t©m trôc

Tuabin XK2 lÇn

Tuabin g¸o

1

2

3

4

5

270 - 500

60 - 150

42 - 80

19

500 - 750

150 - 220

80 - 120

35

750 - 1000

220 - 350

120 - 170

60

Tuabin tia nghiªng

20

40

70

Nh− vËy tuabin h−íng trôc cã tû tèc N_Sn»m trong kho¶ng tõ 270 - 1000v/ph,

tuabin h−íng trôc cét n−íc thÊp cã tû tèc N_S= 750 - 1000v/ph.

2

ViÖn khoa häc Thuû Lîi

B¸o c¸o nghiªn cøu, tk, chÕ t¹o thö nghiÖm tbt® cét n−íc thÊp

§Ò tµi KC07 - 04

1.2. Nghiªn cøu vµ s¶n xuÊt tua bin h−íng trôc thñy ®iÖn nhá cña c¸c n−íc.

1.2.1. Tua bin h−íng trôc thñy ®iÖn nhá cña Trung Quèc:

Gam tua bin thuû ®iÖn nhá cña Tung Quèc bao gåm 5 lo¹i tuabin: ZZ760,

ZZ600, ZZ560, ZZ500, ZZ450 cã tû tèc t−¬ng øng: 760, 600, 560, 500, 450. C¸c

chØ tiªu kü thuËt ®−îc tr×nh bµy trªn b¶ng sau:

B¶ng .2. C¸c th«ng sè c¬ b¶n trong gam tua bin h−íng trôc cña Trung Quèc

Ph¹m

vi cét

n−íc

KiÓu §−êng ChiÒu

Tû sè

bÇu

Sè l¸

c¸nh

ChÕ ®é tèi −u

L−u HiÖu suÊt

l−îng

BCT

kÝnh

BCT

m«

cao

Vßng

quay

quy

c¸nh

h−íng

n−íc

quy

h×nh

dÉn

(v/ph) (m³/s)

(%)

(m)

bo/D1

do/D1

Z₁

ZD760

ZZ600

ZZ560

ZZ500

ZZ450

250

0,45

0,35

4

5

6

3 - 8

195

460

350

142

140

128

120

1,03

1,06

1,08

0,98

0,92

85,5

6 - 15

15-22

18-30

25-40

0,40 0,33/0,38

0,40 0,35/0,40

0,40 0,40/0,44

0,375 0,45/0,50

89,0

88,3

89,5

90,5

KÕt cÊu cña c¸c lo¹i tua bin ë b¶ng trªn cã kÕt cÊu cæ ®iÓn lµ buång xo¾n bª

t«ng hoÆc buång xo¾n kim lo¹i, trôc ®øng, èng hót th¼ng hoÆc cong.

Tua bin h−íng trôc ®−îc bæ xung thªm mét sè mÉu c¸nh cét n−íc thÊp. C¸c

th«ng sè c¬ b¶n cña tua bin h−íng trôc kiÓu èng ®−îc nghiªn cøu ë Trung Quèc nh−

b¶ng 3.

B¶ng 3

'

n₁(v/ph)

'

Q₁(l/s)

H(m)

< 7

b/D₁

0,4

d_b/D₁

0,35

0,40

0,43

Z₁

3

172 - 175

150 - 155

135 - 142

1600 - 2800

1300 - 2400

1250 - 2000

< 12

< 18

0,35

0,32

4

5

1.2.2. Tua bin h−íng trôc thñy ®iÖn nhá cña TiÖp kh¾c (cò).

Tua bin h−íng trôc thñy ®iÖn nhá cña TiÖp Kh¾c chØ gåm 4 mÉu c¸nh trong ®ã

3

ViÖn khoa häc Thuû Lîi

B¸o c¸o nghiªn cøu, tk, chÕ t¹o thö nghiÖm tbt® cét n−íc thÊp

§Ò tµi KC07 - 04

cã hai mÉu c¸nh dïng cho c¸c lo¹i tuabin cã kÕt cÊu trôc ®øng vµ trôc ngang cæ ®iÓn

lµ 4K84 vµ 4K69, cã hai mÉu c¸nh dïng cho tuabin h−íng trôc cã phÇn dÉn dßng

h×nh ch÷ S lµ 4PK - 10 vµ 4PK - 26.

1.2.3. Tua bin h−íng trôc cña Liªn X« (cò).

Tua bin h−íng trôc cña Liªn X« n¨m 1962 cho T§N, cã 3 lo¹i BCT, sö dông

trong ph¹m vi cét n−íc H < 30m. Cã sè hiÖu ΠΛ70, ΠΛ510, ΠΛ587. Sau ®ã b¸nh

c«ng t¸c ΠΛ510 ®−îc thay thÕ bëi b¸nh c«ng t¸c ΠΛ20/661, c¸c chØ tiªu kü thuËt

nh− ë b¶ng 4.

B¶ng 4

Lo¹i b¸nh c«ng t¸c

C¸c chØ tiªu kü thuËt

ΠΛ70

ΠΛ510

ΠΛ587

HÖ sè tû tèc N_S

Q_I^’Max (l/s)

b_O/D₁

810

670

600

2150

0,415

0,35

1850

0,4

1700

0,4

d_b/D₁

0,4

0,45

Ph¹m vi cét n−íc (m)

Ph¹m vi c«ng suÊt

(KW)

2 - 7

4 - 16

16 - 30

5000

10 - 3000 10 - 5000

Vµo nh÷ng n¨m thËp kû 70 - thÕ kû XX Liªn X« (cò) ®· x©y dùng gam tua bin

h−íng trôc trôc ngang chñ yÕu dïng kÕt cÊu capxun bao gåm c¸c mÉu c¸nh

ΠΛΓ - gaI, ΠΛΓ - 11a, ΠΛΓ - 16, ΠΛΓ - 16 - 1 cã c¸c th«ng sè cña chÕ ®é tèi −u

nh− ë b¶ng 5:

B¶ng 5.

BXCT

ΠΛΓ - gaI

ΠΛΓ - 11a

ΠΛΓ - 16

N’₁(v/ph)

173

Q’₁(l/s)

1680

η (%)

88,5

86,5

87,5

σ_kp

1,3

175

1550

1,5

158

1760

1,17

1,23

157

1730

ΠΛΓ - 16 - 1

§Ó tr×nh bµy râ h¬n nh÷ng thay ®æi trong kÕt cÊu gam TBHT, trong phÇn nµy

giíi thiÖu mét sè h·ng tiªu biÓu vÒ T§N sau:

4

ViÖn khoa häc Thuû Lîi

B¸o c¸o nghiªn cøu, tk, chÕ t¹o thö nghiÖm tbt® cét n−íc thÊp

§Ò tµi KC07 - 04

1.2.4. TBHT cña h∙ng Kushiro (NhËt) [34].

H×nh 1. Tua bin h−íng trôc hoµn thiÖn cña h·ng Kushiro.

H·ng Kushiro ®−a ra mét mÉu kÕt cÊu chung cho tua bin èng dïng cho c¸c

tr¹m thuû ®iÖn mini vµ micro. S¶n phÈm cña h·ng dïng c«ng nghÖ cao: dïng bé

b¸nh r¨ng hµnh tinh ®Ó dïng m¸y ph¸t cã vßng quay cao. Toµn bé tua bin, hép b¸nh

r¨ng hµnh tinh vµ m¸y ph¸t ®−îc ®Æt trong n−íc vµ ®−îc thÓ hiÖn ë h×nh 2.

H×nh 2. CÊu t¹o c¬ b¶n cña tua bin Kushiro.

5

ViÖn khoa häc Thuû Lîi

B¸o c¸o nghiªn cøu, tk, chÕ t¹o thö nghiÖm tbt® cét n−íc thÊp

§Ò tµi KC07 - 04

H×nh 3. BiÓu ®å lùa chän s¶n phÈm tua bin cña h·ng Kushiro.

Ph¹m vi lµm viÖc:

Cét n−íc H

L−u l−îng Q

C«ng suÊt P

1 ÷ 35 m

0,3 ÷ 15 m³/s

10 ÷ 1000 kW

TB nµy còng sö dông 2 lo¹i BCT cã ph¹m vi nh− trªn, toµn bé tæ m¸y ®Æt trong

èng kÝn, nèi trùc tiÕp vµo èng ¸p lùc vµ èng x¶.

1.2.5. TBHT cña h∙ng Toshiba (NhËt) [34].

H×nh 4. Tua bin h−íng trôc hoµn thiÖn cña h·ng Toshiba.

6

ViÖn khoa häc Thuû Lîi

B¸o c¸o nghiªn cøu, tk, chÕ t¹o thö nghiÖm tbt® cét n−íc thÊp

§Ò tµi KC07 - 04

H×nh 5. CÊu t¹o c¬ b¶n cña tua bin Toshiba.

H·ng Toshiba ®−a ra mÉu tua bin c¸p xun cã phÇn tua bin n»m trong n−íc

nh−ng m¸y ph¸t l¹i n»m ngoµi vµ dïng ®ai truyÒn ®éng. Lo¹i m¸y nµy cã thÓ l¾p rÊt

linh ho¹t, trªn bÊt kú mét ®−êng ång dÉn n−íc nµo cã thÕ n¨ng. BiÓu ®å lùa chän

s¶n phÈm tua bin cña h·ng thÓ hiÖn trªn h×nh 6

H×nh 6. BiÓu ®å lùa chän s¶n phÈm tua bin cña h·ng Toshiba.

7

ViÖn khoa häc Thuû Lîi

B¸o c¸o nghiªn cøu, tk, chÕ t¹o thö nghiÖm tbt® cét n−íc thÊp

§Ò tµi KC07 - 04

Ph¹m vi lµm viÖc:

Cét n−íc H

1 ÷ 50 m

0,1 ÷ 4 m³/s

L−u l−îng Q

C«ng suÊt P

5 ÷ 200 kW

Tuabin nµy còng sö dông 3 mÉu víi cïng ph¹m vi cét n−íc nh−ng cã ph¹m vi

l−u l−îng vµ c«ng suÊt kh¸c nhau.

1.2.6. Gam TBHT cña h∙ng Turboatom (Nga).

H×nh 7. CÊu t¹o c¬ b¶n cña tua bin Turboatom.

H·ng Turboatom ®−a ra mÉu tæ m¸y h×nh ch÷ S cã thÓ di chuyÓn c¬ ®éng

®−îc. KÕt cÊu tæ m¸y rÊt gän nhÑ, dïng m¸y ph¸t kh«ng ®ång bé 3 pha vµ ®iÒu tèc

t¶i gi¶. §Æc tÝnh cña tæ m¸y ®−îc thÓ hiÖn ë h×nh 8.

η

η=η η

H×nh 8. §Æc tÝnh cña tuabin Turboatom.

8

ViÖn khoa häc Thuû Lîi

B¸o c¸o nghiªn cøu, tk, chÕ t¹o thö nghiÖm tbt® cét n−íc thÊp

§Ò tµi KC07 - 04

Ph¹m vi lµm viÖc:

Cét n−íc H

2 ÷ 5m

0,1 ÷ 4m³/s

L−u l−îng Q

C«ng suÊt P

1,5 ÷ 5,5 kW

1.2.7. Gam tuabin h−íng trôc cña h∙ng Sulzer (Thôy SÜ )

1. TBHT trôc ®øng, buång kÝn benton:

So víi c¸c lo¹i TBHT buång xo¾n benton kiÓu cò, lo¹i TB nµy cã kÝch th−íc

gän nhÑ vµ buång TB ®¬n gi¶n h¬n, cho phÐp gi¶m gi¸ thµnh cña thiÕt bÞ, x©y dùng,

l¾p ®Æt vµ b¶o d−ìng. Buång xo¾n ®−îc thay thÕ b»ng lo¹i buång cã ¸p, chiÒu cao

kh«ng ®æi, tuabin nèi víi m¸y ph¸t qua bé truyÒn ®éng.

H×nh 9. TBHT buång benton cña h·ng Sulzer

9

ViÖn khoa häc Thuû Lîi

B¸o c¸o nghiªn cøu, tk, chÕ t¹o thö nghiÖm tbt® cét n−íc thÊp

§Ò tµi KC07 - 04

H×nh 10. Ph¹m vi lµm viÖc TBHT h·ng Sulzer

2. Tua bin èng trôc ®øng vµ xiªn:

Ph¹m vi lµm viÖc:

Cét n−íc H

2 ÷ 3 m

2 ÷ 100 m³/s

L−u l−îng Q

C«ng suÊt P

0,1 ÷ 10 MW

Víi ph−¬ng thøc truyÒn ®éng trùc tiÕp hoÆc th«ng qua bé truyÒn ®éng b¸nh

r¨ng.

3. Tua bin dßng th¼ng sö dông bé truyÒn ®ai hoÆc b¸nh r¨ng vu«ng gãc.

Ph¹m vi lµm viÖc:

Cét n−íc H

2 ÷ 12m

2,5 ÷ 45m³/s

L−u l−îng Q

C«ng suÊt P

0,1 ÷ 2,6MW

10

ViÖn khoa häc Thuû Lîi

B¸o c¸o nghiªn cøu, tk, chÕ t¹o thö nghiÖm tbt® cét n−íc thÊp

§Ò tµi KC07 - 04

H×nh 11. Bè trÝ c«ng tr×nh TBHT do h·ng Sulzer chÕ t¹o.

Bé truyÒn ®ai ®−îc sö dông trong ph¹m vi c«ng suÊt P < 600KW.

1.2.8. Mét sè lo¹i kÕt cÊu ®Æc biÖt kh¸c:

1. Tua bin èng cña h·ng Neyrpic(Ph¸p)

§Ó h¹ thÊp cao tr×nh l¾p m¸y, n©ng cao hiÖu suÊt tæ m¸y vµ gi¶m kÝch th−íc

Neyrpic ®· ®−a ra kÕt cÊu TB èng nh− h×nh 11.

H×nh 12. H×nh d¸ng hoµn thiÖn cña TB Neyrpic.

11

ViÖn khoa häc Thuû Lîi

B¸o c¸o nghiªn cøu, tk, chÕ t¹o thö nghiÖm tbt® cét n−íc thÊp

§Ò tµi KC07 - 04

H×nh 13. Ph¹m vi lµm viÖc cña TB Neyrpic

Ph¹m vi lµm viÖc:

Cét n−íc H

5 ÷ 20m

3 ÷ 33m³/s

L−u l−îng Q

C«ng suÊt P

0,2 ÷ 3MW

§Æc biÖt lµ TB cña Neyrpic ®−a ra 5 kÝch th−íc bÇu BCT tiªu chuÈn, mçi bÇu

t−¬ng øng víi 2 BCT kh¸c nhau nh− ë b¶ng 6.

B¶ng 6. KÝch th−íc bÇu vµ ®−êng kÝnh BCT trong TB èng cña Neyrpic

D₁(mm)

750,850

320

950,1060

405

1180,1320 1500,1700 1900,2120

500 640 810

D.db(mm)

12

ViÖn khoa häc Thuû Lîi

B¸o c¸o nghiªn cøu, tk, chÕ t¹o thö nghiÖm tbt® cét n−íc thÊp

§Ò tµi KC07 - 04

2. Tua bin h−íng trôc kiÓu c¸p xun buång hë vµ buång xi ph«ng.

§Ó sö dông cho c¸c TTD cét n−íc thÊp, h·ng ESAC (ph¸p) ®−a ra ba kiÓu kÕt

cÊu: TBHT kiÓu bãng ®Ìn, buång hë.

Ph¹m vi lµm viÖc:

Cét n−íc H

1,5 ÷ 8m

3 ÷ 9m³/s

L−u l−îng Q

C«ng suÊt P

37 ÷ 1272MW

H×nh 14. Bè trÝ tæng thÓ cña tuabin kiÓu bãng ®Ìn buång hë.

• TBHT kiÓu bãng ®Ìn buång kÝn, ph¹m vi lµm viÖc víi cét n−íc lín h¬n.

Ph¹m vi lµm viÖc:

Cét n−íc H

8 ÷ 15m

4,5 ÷ 13,5m³/s

L−u l−îng Q

C«ng suÊt P

0,4 ÷ 1,6MW

CÊu tróc gièng nh− TB bãng ®Ìn cña h·ng Fuji Electric

• TBHT buång kÝn kiÓu Xiph«ng.

§Ó sö dông cho c¸c c«ng tr×nh ®Ëp cã sµn, nhiÒu h·ng ®· ®−a ra cÊu tróc

TBHT buång Xiph«ng, TB nµy cã thÓ l¾p ®Æt mµ kh«ng cÇn ph¸ vì cÊu tróc cña

c«ng tr×nh thñy c«ng cã s½n, cÊu t¹o cña phÇn tr¹m rÊt ®¬n gi¶n.

13

ViÖn khoa häc Thuû Lîi

B¸o c¸o nghiªn cøu, tk, chÕ t¹o thö nghiÖm tbt® cét n−íc thÊp

§Ò tµi KC07 - 04

H×nh 15. TBHT buång xiph«ng

1.3. Nghiªn cøu vµ s¶n suÊt tuabin h−íng trôc ë ViÖt Nam:

TBHT ®−îc chÕ t¹o tõ nh÷ng n¨m 60. Lóc ®Çu chØ lµ nh÷ng tua bin hÕt søc

®¬n gi¶n, nh− tua bin gç, tua bin víi c¸nh b»ng thÐp tÊm cã bÒ dÇy kh«ng ®æi, hµn

víi bÇu c¸nh.

Vµo ®Çu nh÷ng n¨m 80, do nhu cÇu ph¸t triÓn T§N, phôc vô cho ph¸t triÓn

kinh tÕ - x· héi khu vùc miÒn nói, ®· thóc ®Èy nhanh chãng ph¸t triÓn T§N.

Bé ®å ¸n thiÕt kÕ thñy ®iÖn KÎ Gç cã c«ng suÊt 1000KW lµ b¶n thiÕt kÕ hoµn

chØnh ®Çu tiªn do ViÖn ThiÕt KÕ Thñy Lîi - Thñy §iÖn thùc hiÖn. Sau ®ã hµng lo¹t

c¬ quan ®· thiÕt kÕ, chÕ t¹o hµng tr¨m tæ m¸y cã c«ng suÊt 5-1000 KW. TT§ Phó

Ninh lµ c«ng tr×nh cì lín ®Çu tiªn ®−îc l¾p ®Æt tuabin vµ ®iÒu tèc s¶n suÊt trong

n−íc. Tr−êng ®¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi còng nghiªn cøu vµ ®−a ra BCT míi nh−

mÉu BCT cña TBHT cã N_s≈ 600 vµo n¨m 1982,…

C¸c TBHT s¶n suÊt trong n−íc, s¬ bé ®−îc thèng kª nh− sau:

B¶ng 7. Mét sè TBHT s¶n suÊt trong n−íc.

D₁

N

Cét ¸p

(m)

TT

Tªn thiÕt bÞ

C¬ quan s¶n suÊt

(cm)

132

(kW)

1000

1

2

3

4

5

6

4K - 69

Nhµ m¸y c«ng cô I

“

8 - 13,6

14 - 18

ΠΛ30/587

CCQ - DK - 25

BT - 40

“

25

40

16 - 20

10 - 30

150

8 - 18

2 - 4

4

NhiÒu c¬ quan

CC70 - 120

4K84 - DH - 75

ViÖn nghiªn cøu m¸y 120

ViÖn KH thñy lîi 75

70

4,5

14

ViÖn khoa häc Thuû Lîi

B¸o c¸o nghiªn cøu, tk, chÕ t¹o thö nghiÖm tbt® cét n−íc thÊp

§Ò tµi KC07 - 04

7

8

CCQ661 - K - N - 80

COQ587 - ON - 60

4K84 - H - 30,40,60

“

80

60

135

9,5

80

9 - 12

2 - 4

NhiÒu c¬ quan

30 -

60

10 - 40

9

Tuèc bin èng

D₁= 20 - 40

TBHT buång hë

trôc ngang

§H B¸ch Khoa vµ

nhiÒu c¬ quan

20 -

40

2 - 10

200

1 - 40

6 - 8

10

11

§¹i häc B¸ch Khoa

95

C¸c thiÕt bÞ TBHT s¶n suÊt trong c¸c kiÓu kÕt cÊu nh− sau:

• TBHT, buång hë, trôc ®øng, ®−êng kÝnh BCT D₁= 12; 15; 20; 25; 30; 40;

60; 80cm, víi c«ng suÊt tõ 200W-90 kW, ViÖn Nghiªn cøu m¸y chÕ t¹o tæ

m¸y cã D₁= 120cm, c«ng suÊt 150KW víi cét n−íc H = 4,5m.

• TBHT, buång hë, trôc ngang: mét sè tr¹m thñy ®iÖn ®· sö dông kÕt cÊu

nµy, tr¹m cã c«ng suÊt lín nhÊt t¹i Qu¶ng Ninh do Tr−êng §¹i Häc B¸ch Khoa

nghiªn cøu, chÕ t¹o víi D₁= 95cm, cét n−íc H = 6 - 8m vµ c«ng suÊt

P _max= 200 kW.

• Tæ m¸y TBHT buång xo¾n + kim lo¹i trôc ®øng do nhiÒu c¬ quan chÕ t¹o:

Tæ m¸y cã khèi l−îng lín theo mÉu GANZ cña Hungari, cã c«ng suÊt P = 12 -

20KW, cét n−íc H = 10 - 20m. Tæ m¸y lín nhÊt t¹i TT§ Phó Ninh víi D₁=

132cm, c«ng suÊt tíi 1000kW.

• Tæ m¸y TB èng do nhiÒu c¬ quan chÕ t¹o nh−:§¹i Häc B¸ch Khoa, ViÖn

Khoa häc Thñy Lîi, ViÖn Nghiªn cøu m¸y, C«ng ty TB ®iÖn §«ng Anh. Quy

m« lín nhÊt ®¹t tíi 100 kW víi D₁= 80cm.

• C¸c tæ m¸y sö dông BCT ®−îc nhËp tõ rÊt nhiÒu nguån bao gåm: Πp70,

ΠΛ20/661, ΠΛ30/587, ΠΛ10 tõ Liªn X«. 4K - 84, 4K - 69 tõ TiÖp kh¾c, mÉu

CCQ - 25 sao tõ tæ m¸y cña Hungari.

VÒ tû tèc, c¸c BCT nµy cã thÓ ph©n lµm ba nhãm:

- Nhãm tû tèc cao: 4K - 84, Πp70, ΠΛ10.

- Nhãm tû tèc trung b×nh: ΠΛ20/661, 4K - 69.

- Nhãm tû tèc thÊp: ΠΛ30/587.

• C¸c cÊp BCT rÊt ®a d¹ng: D₁= 12, 13, 15, 18, 20, 25, 30, 60, 75, 80, 95,

15

ViÖn khoa häc Thuû Lîi

B¸o c¸o nghiªn cøu, tk, chÕ t¹o thö nghiÖm tbt® cét n−íc thÊp

§Ò tµi KC07 - 04

100, 120, 132cm.

1.4. Tæng kÕt vÒ c¸c nghiªn cøu TBHT.

• Trong T§N, TBHT giíi h¹n trong ph¹m vi cét n−íc H< 20m. Trong ph¹m

vi nµy, tïy theo ®Æc ®iÓm cña tæ m¸y ®Ó x¸c ®Þnh tû sè N_scña BCT kh¸c nhau: Víi

c¸c lo¹i TB cã kÕt cÊu truyÒn thèng nh− TB buång hë buång xo¾n trôc ®øng.. cã thÓ

dïng BCT víi 2 cÊp:

- Vïng cét n−íc H ≤ 8m : N_s= 750 - 800

- Vïng cét n−íc H = 8 - 20m : N_s= 550 - 600

Mét sè kÕt cÊu míi cho phÐp h¹ thÊp cao tr×nh ®Æt m¸y nh−: TB kiÓu capxun,

TB èng cña h·ng Neyrpic (h×nh 10)…cã thÓ sö dông BCT cã N_s= 800 - 900.

Nh− vËy, trong ®iÒu kiÖn cô thÓ cña n−íc ta hiÖn nay, cã thÓ lùa chän hai lo¹i

BCT ®Ó hoµn thiÖn, trë thµnh 2 lo¹i BCT cña gam TBHT lµ BCT kiÓu 4K - 84 vµ

ΠΛ20/661. §Ó më réng cho ph¹m vi lµm viÖc cña tuabin, cã thÓ xem xÐt hai vïng

phô:

- Vïng cã tû tèc thÊp: BCT ΠΛ30/587

- Vïng cã tû tèc cao: Vïng nµy ch−a cã BCT nµo

• Tæng kÕt rÊt nhiÒu xu h−íng nghiªn cøu vµ s¶n suÊt cho thÊy trong TBHT

cã mét sè d¹ng kÕt cÊu nh− ë b¶ng sau:

B¶ng 8.

Ph¹m vi

TT

Lo¹i kÕt cÊu

cét n−íc c«ng suÊt

§Æc ®iÓm

(m)

(KW)

KÕt cÊu buång hë trôc

®øng

C«ng tr×nh tr¹m lín, trôc dµi dÔ

chÕ t¹o

1

2

3

2 - 6

300

KÕt cÊu buång hë trôc

ngang

HiÖn nay Ýt sö dông

Buång xo¾n benton,

trôc ®øng

§ang ®−îc sö dông, mét sè

n−íc ®· c¶i tiÕn

6 - 20

5000

4

5

Buång kiÓu ch÷ S

Tuabin èng trôc ®øng

TB dßng th¼ng sö dông

bé truyÒn

3 - 18

5 - 18

5000

2000

RÊt hay ®−îc sö dông

C¸c n−íc c«ng nghiÖp tiªn tiÕn

6

7

TB kiÓu bãng ®Ìn

16

ViÖn khoa häc Thuû Lîi

B¸o c¸o nghiªn cøu, tk, chÕ t¹o thö nghiÖm tbt® cét n−íc thÊp

§Ò tµi KC07 - 04

KÕt cÊu phÇn dÉn dßng cña tuabin thñy ®iÖn nhá rÊt phong phó, kh¸c víi c¸c

lo¹i tua bin h−íng trôc trôc ®øng kiÓu cò cã kh¶ n¨ng tho¸t kh«ng cao vµ cã kÕt cÊu

x©y dùng rÊt nÆng nÒ, tèn kÐm, mét sè tuabin h−íng trôc cã kÕt cÊu míi hiÖn nay,

cho phÐp t¨ng kh¶ n¨ng tho¸t vµ gi¶m ®¸ng kÓ gi¸ thµnh x©y dùng.

Do vËy trong ®Ò tµi chóng t«i tËp trung nghiªn cøu c¸c lo¹i tua bin trôc ngang

kiÓu míi: Nghiªn cøu tua-bin phÇn dÉn dßng TBHT kiÓu èng vµ tua bin c¸p xun.

1.5. ¦u ®iÓm cña tæ m¸y tua bin h−íng trôc kiÓu dßng ch¶y th¼ng trôc ngang.

Tua bin thuû lùc h−íng trôc kiÓu dßng ch¶y th¼ng trôc ngang do nã cã nhiÒu

−u ®iÓm:

- Cã kh¶ n¨ng qua n−íc lín, cã tû tèc cao, vïng hiÖu suÊt cao réng.

- So víi tæ m¸y h−íng trôc trôc ®øng truyÒn thèng cã cïng ®−êng kÝnh b¸nh

c«ng t¸c, cïng cét n−íc th× c«ng suÊt cã thÓ cao h¬n tíi 20 – 25%.

- Khi cã cïng c«ng suÊt, cïng cét n−íc th× ®−êng kÝnh b¸nh c«ng t¸c cña lo¹i

tua bin trôc ngang dßng th¼ng cã thÓ gi¶m nhá ®Õn 7 – 8%.

- Tua bin h−íng trôc dßng th¼ng kh«ng cÇn dïng ®Õn buång xo¾n v× thÕ

kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c tæ m¸y nhá, gi¶m ®−îc diÖn tÝch nhµ tr¹m, kh¸c víi kiÓu

tæ m¸y trôc ®øng, chiÒu cao cña cÇu trôc kh«ng cÇn ph¶i cao b»ng tæng chiÒu

cao cña tæ m¸y ph¸t ®iÖn, mµ chØ cÇn b»ng ®−êng kÝnh tua bin. Nh− vËy, so víi

tæ m¸y kiÓu trôc ®øng chiÒu cao nhµ x−ëng gi¶m ®i rÊt nhiÒu.

- Do tua bin kiÓu d¸ng th¼ng cã trôc m¸y n»m ngang, h×nh d¹ng khèi tæ m¸y

®¬n gi¶n, gi¶m ®−îc nhiÒu khèi l−îng ®µo ®Êt ®¸ khi x©y dùng c«ng tr×nh xÐt

vÒ hiÖu Ých kinh tÕ viÖc ®Çu t− cho tr¹m thuû ®Þªn kiÓu nµy so víi tæ m¸y trôc

®øng gi¶m kho¶ng 20%.

1.6. NhiÖm vô nghiªn cøu khoa häc cña ®Ò tµi nh¸nh.

Dùa vµo tæng quan ®· nªu trªn ta thÊy cã rÊt nhiÒu vÊn ®Ò cÇn nghiªn cøu ®Ó

øng dông cã hiÖu qu¶ tua bin h−íng trôc cét n−íc thÊp víi kÕt cÊu trôc ngang víi

c«ng suÊt tõ 5 ®Õn 200kW. C¸c c«ng viÖc chÝnh cÇn ph¶i lµm trong thiÕt kÕ, thö

nghiÖm tua bin thuû lùc lµ:

- Nghiªn cøu c¸c ph−¬ng ph¸p thiÕt kÕ, chän c¸c th«ng sè phï hîp ®Ó n©ng cao

hiÖu suÊt thuû lùc cña c¸nh c«ng t¸c.

- Nghiªn cøu thiÕt kÕ phÇn dÉn dßng cña tua bin.

Trong khu«n khæ cña ®Ò tµi chóng t«i nghiªn cøu chän mÉu phÇn dÉn dßng tua

17

ViÖn khoa häc Thuû Lîi

B¸o c¸o nghiªn cøu, tk, chÕ t¹o thö nghiÖm tbt® cét n−íc thÊp

§Ò tµi KC07 - 04

bin trôc ngang vµ tËp trung nghiªn cøu ¶nh h−ëng cña c¸c th«ng sè kÕt cÊu BCT tíi

®Æc tÝnh lµm viÖc cña tua bin h−íng trôc.

Ph−¬ng ph¸p luËn cña ®Ò tµi lµ:

B»ng lý thuyÕt x©y dùng mÉu c¸nh cã dùa trªn mét sè th«ng sè tham kh¶o cña

BCT cña n−íc ngoµi, Nghiªn cøu ¶nh h−ëng cña c¸c th«ng sè kÕt cÊu BCT ®Õn tæn

thÊt thuû lùc. Dïng thùc nghiÖm ®Ó kiÓm chøng c¸c kÕt qu¶ tÝnh to¸n lý thuyÕt, tõ

®ã vÏ ®−îc ®−êng ®Æc tÝnh tæng hîp cña BCT vµ x¸c ®Þnh ®−îc ¶nh h−ëng cña c¸c

th«ng sè kÕt cÊu cña BCT ®Õn ®Æc tÝnh lµm viÖc cuÈ tua bin, cuèi cïng ®−a ra nhËn

xÐt vÇ kÕt luËn cña ®Ò tµi nh¸nh.

18

ViÖn khoa häc Thuû Lîi

B¸o c¸o nghiªn cøu, tk, chÕ t¹o thö nghiÖm tbt® cét n−íc thÊp

§Ò tµi KC07 - 04

Ch−¬ng II. Nghiªn cøu lý thuyÕt thiÕt kÕ tbht

cét n−íc thÊp.

2.1. Chän ph−¬ng ph¸p thiÕt kÕ tua bin m« h×nh.

2.1.1. Tæng quan vÒ ph−¬ng ph¸p thiÕt kÕ tua bin h−íng trôc.

Ngµy nay khi hiÖu suÊt chung cña nh÷ng tæ m¸y thuû ®iÖn cì lín v−ît qu¸

90% trong ®ã hiÖu suÊt cña c¸c tua bin thñy lùc ®¹t tíi 93 - 95% t¹i ®iÓm tÝnh to¸n

th× kh«ng thÓ kh«ng kÓ ®Õn nh÷ng ®ãng gãp cña nh÷ng nghiªn cøu tÝnh to¸n vµ thÝ

nghiÖm phÇn dÉn dßng tua bin thuû lùc. Ngay tõ nh÷ng n¨m 60 ng−êi ta thÊy r»ng

cã 4 ph−¬ng h−íng ®Ó lµm tèt h¬n n÷a c¸c chØ sè thñy lùc cña tua bin lµ :

- TÝnh to¸n tíi ®Æc tr−ng kh«ng gian cña dßng ch¶y vµ tæn thÊt kh«ng profile.

- ThiÕt kÕ b¸nh c«ng t¸c trªn dßng thùc ®−îc t¹o lËp bëi c¸nh h−íng dßng

nh−ng víi sù tÝnh tíi ¶nh h−ëng cña b¸nh c«ng t¸c lªn dßng tr−íc nã.

- Tæ chøc hîp lý dßng tr−íc b¸nh c«ng t¸c ®Ó ®¶m b¶o tæn thÊt nhá nhÊt trong

èng hót.

- TÝnh to¸n b¸nh c«ng t¸c trong tæng thÓ cña toµn phÇn dÉn dßng.

Nh− vËy ®Ó n©ng cao hiÖu suÊt vµ chÊt l−îng x©m thùc cña tua bin ngoµi viÖc

tÝnh tíi ®Æc tÝnh kh«ng gian cña dßng ng−êi ta cÇn chó ý tíi sù t−¬ng t¸c gi÷a c¸c

phÇn tö cña phÇn dÉn dßng. Xu h−íng 2,3 vµ ®Æc biÖt lµ xu h−íng 4 ®Æt viÖc thiÕt kÕ

tÝnh to¸n b¸nh c«ng t¸c trong tæng thÓ toµn phÇn dÉn dßng. V× c¸c ph−¬ng tr×nh m«

t¶ dßng ch¶y trong tua bin cã d¹ng eliptic nªn sù lµm viÖc cña bÊt kú phÇn tö nµo

®Òu chÞu ¶nh h−ëng cña c¸c phÇn tö kh¸c trong phÇn dÉn dßng mét c¸ch trùc tiÕp

hay gi¸n tiÕp nªn ®©y lµ xu h−íng hiÖn ®¹i nhÊt vµ còng chØ ph¸t triÓn trong nh÷ng

n¨m 90 khi nh÷ng ph−¬ng ph¸p gi¶i sè nh− ph−¬ng ph¸p phÇn tö h÷u h¹n hoÆc

ph−¬ng ph¸p phÇn tö biªn cã nh÷ng thµnh c«ng nhÊt ®Þnh. C¸c ph−¬ng ph¸p nµy ®ßi

hái ph¶i gi¶i lÆp nhiÒu lÇn hÖ ph−¬ng tr×nh cã Èn sè lªn tíi hµng chôc ngµn (nÕu

chia toµn phÇn dÉn dßng ra kho¶ng 3000 phÇn tö) do vËy cÇn cã m¸y tÝnh vµ c¸c

phÇn mÒm m¹nh. Cïng víi ®iÒu ®ã lµ c¸c sè liÖu thÝ nghiÖm trªn m« h×nh ®Ó gióp

cho viÖc m« t¶ to¸n häc sù t−¬ng t¸c gi÷a c¸c phÇn tö ®−îc chÝnh x¸c. HiÖn nay

viÖc thùc hiÖn xu h−íng nµy chØ cã ®−îc t¹i c¸c trung t©m tÝnh to¸n m¹nh g¾n liÒn

víi phßng thÝ nghiÖm m¸y thuû lùc cã lÞch sö ho¹t ®éng ®ñ dµi ®Ó cã ®−îc mét

chuçi sè liÖu thÝ nghiÖm ®ñ lín. Do vËy d−íi ®©y chØ ®i s©u vÒ ®Æc tÝnh kh«ng gian

cña dßng vµ c¸c bµi to¸n thiÕt kÕ cã liªn quan.

19

ViÖn khoa häc Thuû Lîi

B¸o c¸o nghiªn cøu, tk, chÕ t¹o thö nghiÖm tbt® cét n−íc thÊp

§Ò tµi KC07 - 04

§Æc tÝnh kh«ng gian cña dßng ch¶y trong phÇn dÉn dßng.

KÕt cÊu dßng trong phÇn dÉn dßng tua bin rÊt phøc t¹p do c¸c nguyªn nh©n

sau:

- PhÇn dÉn dßng cã ®é cong thay ®æi däc theo dßng rÊt ®¸ng kÓ dÉn tíi sù

kh«ng ®Òu cña vËn tèc vµ ¸p suÊt ë c¸c tiÕt diÖn kh¸c nhau cña dßng.

- Sè l−îng h÷u h¹n cña c¸nh h−íng dßng vµ c¸nh b¸nh c«ng t¸c g©y ra sù thay

®æi vËn tèc vµ ¸p suÊt theo to¹ ®é vµ thêi gian ë c¸c tiÕt diÖn cña dßng.

- KÕt cÊu cña dßng phøc t¹p do ¶nh h−ëng cña ®é nhít, ®Æc biÖt ë trong c¸c

chÕ ®é kh¸c víi chÕ ®é tÝnh to¸n. Sù ph¸t triÓn cña líp biªn vµ sù t¸ch líp biªn

khái mÆt ch¶y bao dÉn tíi phøc t¹p ho¸ mÆt dßng do ®ã lµm thay ®æi rÊt ®¸ng

kÓ mÆt dßng so víi mÆt dßng ®èi xøng trôc.

§Ó nghiªn cøu dßng kh«ng gian trong phÇn dÉn dßng ng−êi ta th−êng sö dông

hÖ to¹ ®é cong ®Þa ph−¬ng q₁, q₂, q₃. Trôc q₁lµ giao tuyÕn gi÷a mÆt kinh tuyÕn vµ

mÆt dßng ®èi xøng trôc vµ h−íng theo dßng ch¶y. Trôc q₃lµ giao tuyÕn gi÷a mÆt

ph¼ng vu«ng gãc víi ®−êng t©m trôc tua bin vµ mÆt dßng ®èi xøng trôc. Trªn mÆt

ph¼ng kinh tuyÕn trôc q₂lµ nh÷ng ®−êng vu«ng gãc víi ®−êng dßng cña dßng kinh

tuyÕn.

Kh¸i niÖm vÒ c¸c bµi to¸n trong lý thuyÕt m¸y turbo.

C¸c nghiªn cøu tÝnh to¸n lý thuyÕt c¸c qu¸ tr×nh c«ng t¸c cña tua bin thuû lùc

(tÝnh to¸n sù trao ®æi n¨ng l−îng gi÷a dßng vµ b¸nh c«ng t¸c trong phÇn dÉn dßng

víi viÖc tÝnh tíi c¸c tæn thÊt thuû lùc ) liªn quan tíi viÖc sö dông ph−¬ng tr×nh

chuyÓn ®éng, n¨ng l−îng, ®éng l−îng trong dßng tuyÖt ®èi còng nh− t−¬ng ®èi. C¸c

nghiªn cøu tÝnh to¸n vµ thiÕt kÕ phÇn dÉn dßng tua bin dùa trªn viÖc sö dông c¸c s¬

®å thuû lùc víi c¸c gi¶ thiÕt lµm ®¬n gi¶n ho¸ h×nh ¶nh thùc tÕ cña dßng ch¶y ®Ó cã

thÓ m« t¶ b»ng c¸c ph−¬ng tr×nh to¸n häc.

Trong lý thuyÕt tua bin thuû lùc th−êng nghiªn cøu c¸c vÊn ®Ò sau:

- Nghiªn cøu tÝnh to¸n dßng chÊt láng lý t−ëng trong phÇn dÉn dßng ®· cho vµ

thiÕt kÕ c¸nh khi ®· biÕt d¹ng dßng (th−êng gäi lµ bµi to¸n thiÕt kÕ tÝnh to¸n

d·y c¸nh trªn mÆt dßng ®èi xøng trôc). Phô thuéc vµo ®iÒu kiÖn cô thÓ mµ

ng−êi ta chia ra thµnh bµi to¸n thuËn vµ nghÞch.

+ Trong bµi to¸n thuËn gi¶ thiÕt r»ng ®· biÕt d¹ng cña vËt bÞ ch¶y bao vµ cho

c¸c ®iÒu kiÖn biªn cÇn thiÕt, x¸c ®Þnh ph©n bè vËn tèc, ¸p suÊt trong vïng ®−îc

20

ViÖn khoa häc Thuû Lîi

B¸o c¸o nghiªn cøu, tk, chÕ t¹o thö nghiÖm tbt® cét n−íc thÊp

§Ò tµi KC07 - 04

kh¶o s¸t.

+ Trong bµi to¸n nghÞch th× cho biÕt c¸c sè liÖu nµo ®ã vÒ ®Æc tÝnh cña dßng ®ñ

®Ó gi¶i bµi to¸n x¸c ®Þnh ®−îc h×nh d¸ng vËt ch¶y bao. Trong lý thuyÕt tÝnh

to¸n m¸y turbo th× bµi to¸n thuËn ®−îc sö dông ®Ó tÝnh to¸n kiÓm tra ch¶y bao

hÖ c¸nh ®· cã víi môc ®Ých ®¸nh gi¸ c¸c chØ sè cña chóng cßn bµi to¸n nghÞch

dïng ®Ó thiÕt kÕ c¸nh trong c¸c ®iÒu kiÖn ®· cho.

- Nghiªn cøu dßng ch¶y thø cÊp : Lµ sù nghiªn cøu dßng ch¶y cã d¹ng mÆt

dßng kh¸c víi chuyÓn ®éng ®èi xøng trôc ®−îc thõa nhËn.

§Ó x¸c ®Þnh gÇn ®óng d¹ng dßng trong b¸nh c«ng t¸c víi c¸c gi¶ thiÕt ®−îc

thõa nhËn ng−êi ta sö dông bµi to¸n thuËn mÆt dßng ®èi xøng trôc. Sù lµm chÝnh x¸c

mÆt dßng trong qu¸ tr×nh gi¶i bµi to¸n thuËn cho phÐp t×m ra h−íng ®Ó lµm tèt h×nh

d¹ng h×nh häc phÇn dÉn dßng vµ lµm gi¶m tæn thÊt n¨ng l−îng phô.

Bµi to¸n nghÞch th× cho biÕt tr−íc ph©n bè rcu_nt¹i c¸c mÐp vµo vµ ra cña c¸nh

tiÕn hµnh x¸c ®Þnh dßng kinh tuyÕn.

- Nghiªn cøu dßng chÊt láng thùc vµ tæn thÊt thuû lùc nhê lý thuyÕt líp biªn.

Giai ®o¹n ®Çu tiªn lµ thùc hiÖn c¸c tÝnh to¸n ®èi víi dßng chÊt láng lý t−ëng trong

phÇn dÉn dßng, cho phÐp tÝnh gÇn ®óng ph©n bè vËn tèc vµ ¸p suÊt trªn bÒ mÆt c¸nh.

Giai ®o¹n thø hai lµ tÝnh to¸n líp biªn vµ tæn thÊt profil c¸nh cho kh¶ n¨ng trªn c¬

së ph©n tÝch c¸c sè liÖu tÝnh to¸n nhËn ®−îc ®Ó chän lùa ph−¬ng ¸n tèi phÇn dÉn

dßng.

Nh−ng ®Ó cã sù lùa chän cuèi cïng cÇn ph¶i cã nh÷ng thÝ nghiÖm trªn m« h×nh

v× c¸c tÝnh to¸n ®Òu ph¶i dùa trªn c¸c gi¶ thiÕt gÇn ®óng m« t¶ qu¸ tr×nh c«ng t¸c

cña tua bin. C¸c thÝ nghiÖm cßn cho c¸c sè liÖu cho phÐp lµm chÝnh x¸c vµ hoµn

thiÖn h¬n c¸c ph−¬ng ph¸p tÝnh to¸n phÇn dÉn dßng.

Sù nghiªn tÝnh to¸n lý thuyÕt dßng ch¶y chØ cã khi thõa nhËn mét sè gi¶ thiÕt,

tõ ®ã cã thÓ m« t¶ vµ ph©n tÝch dßng nhê c«ng cô to¸n häc. Th«ng th−êng thõa nhËn

gi¶ thiÕt sau: dßng trong phÇn dÉn dßng lµ kh«ng nhít, kh«ng nÐn ®−îc, dßng trung

b×nh lµ æn ®Þnh, chuyÓn ®éng cña c¸c phÇn tö chÊt láng x¶y ra däc theo mÆt dßng

trßn quay. Trong lý thuyÕt m¸y tuabin phô thuéc vµ sè to¹ ®é mµ sù thay ®æi cña c¸c

th«ng sè cña dßng ®−îc tÝnh mµ chia ra dßng mét chiÒu, dßng hai chiÒu, dßng ba

chiÒu.

- Dßng mét chiÒu chØ tÝnh tíi sù thay ®æi cña c¸c th«ng sè däc theo mÆt dßng

21

ViÖn khoa häc Thuû Lîi

B¸o c¸o nghiªn cøu, tk, chÕ t¹o thö nghiÖm tbt® cét n−íc thÊp

§Ò tµi KC07 - 04

tøc lµ däc theo to¹ ®é q₁.

- Dßng hai chiÒu tÝnh tíi sù thay ®æi cña c¸c th«ng sè theo hai to¹ ®é q₁vµ q₂.

Dßng ®−îc coi lµ ®èi xøng trôc nghÜa lµ kh«ng tÝnh tíi sù thay ®æi vËn tèc vµ ¸p suÊt

dßng kinh tuyÕn. Ph−¬ng ph¸p nµy ®−îc sö dông kh¸ phæ biÕn trong thùc tÕ v× nã

m« t¶ t×nh h×nh dßng ch¶y chÝnh x¸c h¬n dßng mét chiÒu vµ còng ®ñ ®¬n gi¶n ®Ó

cho phÐp tÝnh b»ng tay.

- Dßng ba chiÒu: Trong dßng thùc cña m¸y turbo vËn tèc vµ ¸p suÊt thay ®æi

theo c¶ ba to¹ ®é. V× r»ng vËn tèc vµ ¸p suÊt thay ®æi theo khi gi÷a c¸c c¸nh nªn mÆt

dßng thùc tÕ kh«ng ph¶i lµ mÆt trßn quay. Do ®ã sù ch¶y bao x¶y ra kh«ng ph¶i trªn

mÆt ®èi xøng trôc S_mmµ theo mÆt dßng bËc S₁. Ngoµi ra ë phÇn gi÷a cña kªnh gi÷a

c¸c c¸nh mÆt dßng S₂kh«ng trïng víi mÆt c¸nh S_c. Sù tÝnh to¸n dßng kh«ng gian cã

khã kh¨n lín vÒ mÆt to¸n häc. §Ó ®¬n gi¶n th−êng sö dông ph−¬ng ph¸p tùa ba

chiÒu. Khi ®ã viÖc gi¶i bµi to¸n ba chiÒu ®−îc chia ra thµnh hai bµi to¸n hai chiÒu:

x¸c ®Þnh mÆt dßng ®èi xøng trôc S_m; tÝnh d·y c¸nh profil cña b¸nh c«ng t¸c trªn mÆt

dßng ®èi xøng trôc trong líp chiÒu dµy biÕn thiªn vµ x¸c ®Þnh d¹ng mÆt dßng S₂

trong kªnh gi÷a c¸c c¸nh.

§èi víi Tua bin h−íng trôc: Th−êng thõa nhËn mÆt dßng ®èi xøng trôc lµ c¸c

mÆt trô cã trôc trïng víi trôc tua bin. C¸nh trªn mÆt trô ®−îc tÝnh theo c¸c ph−¬ng

ph¸p sau.

profil theo mét trong nh÷ng profil ®èi xøng sau khi biÕt ®é dµy c¸nh lín nhÊt tõ tÝnh

to¸n bÒn c¸nh

d·y c¸nh profil cã chiÒu dµy. Sù t¸c ®éng cña c¸nh lªn dßng ®−îc thay thÕ b»ng mét

profil. §−êng dßng kÝn cña dßng hîp thµnh tõ hÖ thèng c¸c xo¸y, nguån hót nãi trªn

22

ViÖn khoa häc Thuû Lîi

B¸o c¸o nghiªn cøu, tk, chÕ t¹o thö nghiÖm tbt® cét n−íc thÊp

§Ò tµi KC07 - 04

víi dßng t−¬ng ®èi ®−îc coi nh− profil c¸nh.

Ph−¬ng ph¸p nµy ngµy nay Ýt ®−îc sö dông v× phô thuéc vµo kinh nghiÖm cña ng−êi

thiÕt kÕ khi lùa chän c¸c hÖ sè trong tÝnh to¸n.

- Ph−¬ng ph¸p ¸nh x¹ b¶o gi¸c: ¸nh x¹ dßng trong d·y c¸nh lªn mÆt ph¼ng phô

bè vËn tèc, ¸p suÊt.

cho viÖc tÝnh to¸n b»ng m¸y tÝnh tay vµ lËp tr×nh trªn m¸y vi tÝnh. NÕu biÕt chän

®óng c¸c th«ng sè tÝnh to¸n, c¸c hÖ sè ¶nh h−ëng cña l−íi c¸nh cã chiÒu dµy h÷u

h¹n, ph−¬ng ph¸p nµy còng sÏ cho c¸c profile c¸nh phï hîp t¹o nªn c¸c b¸nh xe

to¸n lý thuyÕt:

- Ch−¬ng tr×nh tÝnh to¸n tæn thÊt trong b¸nh c«ng t¸c tua bin.

biÕn thiªn.

TÝnh to¸n tua bin h−íng trôc bao gåm: TÝnh to¸n thiÕt kÕ phÇn dÉn dßng nh−

trôc.

B¸nh c«ng t¸c (BCT) lµ bé phËn quan träng nhÊt cña tua bin h−íng trôc, thùc

hiÖn chøc n¨ng biÕn ®æi n¨ng l−îng cña dßng chÊt láng thµnh c¬ n¨ng vµ ®iÖn n¨ng.

BCT cã ¶nh h−ëng quyÕt ®Þnh tíi hiÖu suÊt vµ chÊt l−îng cña m¸y. V× vËy thiÕt kÕ

häc.

Trong tÝnh to¸n tua bin h−íng trôc th−êng thõa nhËn mÆt dßng ®èi xøng trôc lµ

23

ViÖn khoa häc Thuû Lîi

B¸o c¸o nghiªn cøu, tk, chÕ t¹o thö nghiÖm tbt® cét n−íc thÊp

§Ò tµi KC07 - 04

c¸c mÆt trô cã trôc trïng víi trôc tua bin. C¸nh trªn mÆt trô ®−îc tÝnh theo c¸c

ph−¬ng ph¸p sau:

cong nhá.

®iÓm kú dÞ, dïng ®Ó thiÕt kÕ c¸c profile cã chiÒu dµy h÷u h¹n.

®iÒu kiÖn ®· cho. Ph−¬ng ph¸p nµy ngµy nay Ýt ®−îc øng dông v× phô thuéc

nhiÒu vµo kinh nghiÖm cña ng−êi thiÕt kÕ khi lùa chän c¸c hÖ sè trong tÝnh

to¸n.

- Ph−¬ng ph¸p biÕn h×nh b¶o gi¸c b»ng ¸nh x¹ dßng trong d·y c¸nh lªn mÆt

ph¼ng phô trî nhê c¸c hµm ¸nh x¹ ®Æc biÖt råi tiÕn hµnh c¸c tÝnh to¸n vÒ lùc

Trong thùc tÕ thiÕt kÕ chÕ t¹o tua bin h−íng trôc, ng−êi ta th−êng sö dông hai

trong c¸c lÇn tÝnh tr−íc. Profile cã chiÒu dµy h÷u h¹n sÏ nhËn ®−îc b»ng ph−¬ng

së chiÒu dµy cùc ®¹i chän tr−íc cña profile thiÕt kÕ.

xo¸y. Trong ph−¬ng ph¸p nµy t¸c ®éng cña profile lªn dßng chÊt láng thay thÕ bëi

céng khÐp kÝn cña chuyÓn ®éng t−¬ng ®èi chÝnh lµ chu tuyÕn cña propil cã chiÒu,

d·y h÷u h¹n. ViÖc tÝnh to¸n thiÕt kÕ c¸nh tua bin h−íng trôc b»ng ph−¬ng ph¸p c¸c

®iÓm k× dÞ ®ßi hái mét khèi l−îng tÝnh to¸n rÊt lín cÇn nhiÒu thêi gian vµ c«ng søc.

Víi sù ph¸t triÓn cña kÜ thuËt tÝnh to¸n trªn m¸y tÝnh, ph−¬ng ph¸p nµy ngµy cµng

®−îc øng dông réng r·i.

24

ViÖn khoa häc Thuû Lîi

B¸o c¸o nghiªn cøu, tk, chÕ t¹o thö nghiÖm tbt® cét n−íc thÊp

§Ò tµi KC07 - 04

ph¸p c¸c ®iÓm k× dÞ thuËn tiÖn cho viÖc tÝnh to¸n b»ng m¸y tÝnh tay vµ lËp tr×nh trªn

m¸y vi tÝnh. NÕu biÕt chän ®óng c¸c th«ng sè tÝnh to¸n, c¸c hÖ sè ¶nh h−ëng cña

l−íi c¸nh cã chiÒu dµy h÷u h¹n, ph−¬ng ph¸p nµy còng sÏ cho c¸c profile c¸nh phï

hîp t¹o nªn c¸c b¸nh xe c«ng t¸c cã chÊt l−îng cao.

Trong chuyÓn ®éng cña dßng chÊt láng, c¸c profile cã ®é cong nhá trong l−íi

profile.

Khi kh¶o s¸t chuyÓn ®éng cña chÊt láng tiÕp xóc trùc tiÕp víi bÒ mÆt c¸nh ta

cÇn ph¶i tÝnh tíi t¸c ®éng cña lùc nhít ë líp biªn, trªn bÒ mÆt c¸nh vËn tèc dßng

chÊt láng thay ®æi tõ kh«ng tíi gi¸ trÞ x¸c ®Þnh cña dßng ch¶y. Sù thay ®æi ®ét ngét

bè liªn tôc däc theo bÒ mÆt c¸nh.

BÒ mÆt c¸nh ®−îc t¹o nªn bëi tËp hîp c¸c ®−êng dßng cña chuyÓn ®éng t−¬ng

®èi vµ c¸c xo¸y liªn hîp. V× vËy, ®Ó x¸c ®Þnh c¸c profile c¸nh cÇn ph¶i t×m ®−êng

dßng tæng hîp cña chuyÓn ®éng t−¬ng ®èi.

VËn tèc tæng hîp cña dßng t−¬ng ®èi ë mét ®iÓm bÊt kú cã thÓ x¸c ®Þnh b»ng

trªn tÊt c¶ c¸c profile t¹i ®iÓm ®ã. VËn tèc tæng hîp nµy ph¶i tiÕp tuyÕn víi cung.

Nãi c¸ch kh¸c, cung máng v« cïng ph¶i lµ mét trong c¸c ®−êng dßng W = W_∞+V

H×nh 16. S¬ ®å bè trÝ l−íi profile

25

ViÖn khoa häc Thuû Lîi

B¸o c¸o nghiªn cøu, tk, chÕ t¹o thö nghiÖm tbt® cét n−íc thÊp

§Ò tµi KC07 - 04

Trong ®ã:

W : VËn tèc t−¬ng ®èi cña dßng chÊt láng.

W_∞: VËn tèc dßng kh«ng nhiÔu cña dßng ch¶y, x¸c ®Þnh tõ ®iÒu kiÖn biªn.

ChiÕu lªn hai ph−¬ng x vµ y:

Wx = W∞x+Vx

Wy = W∞y+Vy

(2.1)

(2.2)

VËn tèc c¶m øng t¹o nªn bëi tÊt c¶ c¸c xo¸y trong l−íi t¹i mét ®iÓm bÊt kú täa

®é x₀, y₀trªn profile tÝnh to¸n ®−îc x¸c ®Þnh b»ng c«ng thøc:

⎡ 2π

⎤

⎛

⎞

⎟

l

(

)

Sh

−

y γ s ds

( )

⎜

⎢

+

y

⎥

2

0

t

1

⎝

⎣

⎠

⎦

=

(2.3)

(2.4)

V _x

V _y

∫

2t

⎡

⎤

2π

t

2π

t

⎛

⎞

l

−

Ch

(

− y

)

−Cos(

− x)

⁾⁽x₀

⎜

⎟

⎠

y

⎢

⎥

0

⎝

⎣

⎦

⎡ 2π

⎤

⎛

⎞

l

Sh

(

− x

)

γ (s)ds

⎜

⎢

^⎟_⎠x₀

⎥

+

−

2

t

1

⎝

⎣

⎦

∫

2t

⎡

⎤

2π

t

2π

t

⎛

⎞

l

2

(

y₀− y

)

−Cos(

⁾⁽x₀

⎜

⎟

⎠

⎢

⎥

⎝

⎣

⎦

Víi : x₀, y₀: Täa ®é ®iÓm tÝnh to¸n trªn profile.

§Ó tÝnh vËn tèc c¶m øng t¹i c¸c ®iÓm tÝnh to¸n cña profile cÇn ph¶i cho tr−íc

1+σ

1−σ

2

1− ²+ 2

+

4

²− 1−

⎛

⎞

⎟

⎠

(2.5)

+ ....

^{γ (θ) =}A₀

⁺A σ

A₂^{σ 1−}σ A₃σ ¹⁻σ

σ

⎜

1

⎝

Trong ®ã:

®Þnh däc theo profile ®−îc x¸c ®Þnh b»ng:

L

+

2

Γ = γ (s)ds

(2.6)

∫

L

−

2

26

ViÖn khoa häc Thuû Lîi

B¸o c¸o nghiªn cøu, tk, chÕ t¹o thö nghiÖm tbt® cét n−íc thÊp

§Ò tµi KC07 - 04

η

γ

ζ

?

+

?

H×nh 17. S¬ ®å bè trÝ profile trong l−íi

thÕ biÓu thøc l−îng gi¸c cña γ(s) vµo biÓu thøc l−u sè ta ®−îc:

L ^π

θ

2

⁽A₀^{Ctg( ) +}A ^{Sinθ +}A₂^{Sin2θ +}A₃^{Sin3θ + ... +}A_k^{Sinkθ )Sinθdθ =}

Γ =

∫

1

2

0

(2.7)

(2.8)

π

⎡

⎢

⎤

⎥

⎦

L

θ

2

=

Ctg( )Sinθdθ +

inkSinkθSinθdθ

∑

A

∫

0

k

2

k=1

0

⎣

π

θ

Ctg( )Sinθdθ =

(

1+ Cosθ dθ = π

)

∫

2

0

dông tÝnh chÊt trùc giao cña hµm l−îng gi¸c:

⎧

⎪

⎨

⎪

0;khi k ≠ n

π

Sinkθ sinnθdθ =

(2.9)

∫

π

0

;khi k = n

⎩ 2

Do vËy, ta cã l−u sè vËn tèc bao quanh profile b»ng:

πL

2

1

Γ =

(A + A ) = Γ + Γ

(2.10)

0

1

α

s

2

Tõ biÓu thøc nµy ta thÊy r»ng l−u sè vËn tèc bao quanh profile ®−îc t¹o nªn

bëi gãc va α.Γ(α) = f(A₀) vµ ®é cong cña profile f. Γ_s=f(A₁).

theo profile mµ kh«ng lµm thay ®æi l−u sè vËn tèc bao quanh profile ®ã.

27

ViÖn khoa häc Thuû Lîi