Báo cáo chuyên đề Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột nước cao

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 tæ m¸y

thñy ®iÖn cùc nhá cét n−íc cao

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

5817-7

16/5/2006

hµ néi – 5/2006

nghiªn cøu, thiÕt kÕ vµ chÕ t¹o tæ m¸y thñy ®iÖn cùc nhá cét n−íc cao

§Ò tµi KC07 - 04

Ch−¬ng I.

Më ®Çu

1

7

1.1. §Æt vÊn ®Ò.

1.2. Tæng quan vÒ T§SN.

1.3. Néi dung b¸o c¸o.

Ch−¬ng II. Ph¹m vi sö dông vµ c¸c th«ng sè c¬ b¶n cña tæ m¸y

8

2.1. T×nh h×nh nghiªn cøu chÕ t¹o T§CN.

2.2. Ph¹m vi sö dông.

9

2.3. C¸c th«ng sè c¬ b¶n.

D₁

2.3.1. Tû sè

d₀

9

d_m

2.3.2. Tû sè

.

10

d₀

2.3.3. HiÖu suÊt tæ m¸y.

11

13

14

2.3.4. X¸c ®Þnh c¸c th«ng sè c¬ b¶n cña tæ m¸y.

2.4. Lùa chän kÕt cÊu cho tæ m¸y.

Ch−¬ng III. tÝnh to¸n, thiÕt kÕ c¸c bé phËn chÝnh

3.1. Tiªu chuÈn hãa c¸c bé phËn chÝnh.

3.2. Vá tua bin.

16

3.3. Kho¶ng c¸ch tõ vßi phun ®Õn b¸nh c«ng t¸c.

3.4. ThiÕt kÕ b¸nh c«ng t¸c.

17

18

19

20

3.4.1. Ph−¬ng h−íng thiÕt kÕ b¸nh c«ng t¸c.

3.4.2. X¸c ®Þnh c¸c kÝch th−íc c¬ b¶n cña c¸nh BCT.

3.4.3. X¸c ®Þnh c¸c gãc vµo cña c¸nh g¸o.

3.4.4. X¸c ®Þnh c¸c kÝch th−íc c¬ b¶n cña BCT.

3.4.5. X¸c ®Þnh sè c¸nh Z.

ViÖn Khoa häc Thñy lîi

nghiªn cøu, thiÕt kÕ vµ chÕ t¹o tæ m¸y thñy ®iÖn cùc nhá cét n−íc cao

§Ò tµi KC07 - 04

3.5. TÝnh to¸n, thiÕt kÕ vßi phun.

3.5.1. Lý thuyÕt tÝnh to¸n.

21

22

24

25

26

27

29

30

31

33

34

3.5.2. TÝnh to¸n vßi phun cho tæ m¸y T§SN.

3.5.3. VÞ trÝ vßi phun.

3.6. TÝnh to¸n thiÕt kÕ trôc.

3.6.1. C¸c th«ng sè ®Ó tÝnh to¸n thiÕt kÕ.

3.6.2. BiÓu ®å néi lùc.

3.6.3. TÝnh s¬ bé ®−êng kÝnh c¸c ®o¹n trôc.

3.6.4. ThiÕt kÕ kÕt cÊu trôc.

3.6.5. TÝnh to¸n ®é bÒn mái cña trôc.

3.6.6. TÝnh to¸n trôc tua bin vÒ dao ®éng.

3.6.7. KiÓm nghiÖm ®é bÒn dËp cña then.

3.7. TÝnh to¸n lùa chän æ l¨n.

3.8. TÝnh to¸n tæn thÊt thñy lùc vµ lùa chän ®−êng èng.

3.8.1. Tæn thÊt cét ¸p qua l−íi ch¾n r¸c.

3.8.2. Tæn thÊt cét ¸p ë cöa vµo cña èng dÉn.

3.8.3. Tæn thÊt ¸p lùc ®−êng èng.

Ch−¬ng IV. ThÝ nghiÖm vµ x©y dùng ®Æc tÝnh vËn hµnh

4.1. HÖ thèng thÝ nghiÖm.

35

36

42

4.2. Qui tr×nh thÝ nghiÖm vµ ®Æc tÝnh vËn hµnh.

4.3. C¸c kÕt luËn rót ra tõ thùc nghiÖm.

Ch−¬ng V. HÖ thèng ®o l−êng vµ ®iÒu khiÓn

5.1. Ph©n lo¹i ®iÒu tèc t¶i gi¶ vµ nguyªn lý lµm viÖc.

5.1.1. HÖ thèng phô t¶i cè ®Þnh.

43

44

5.1.2. HÖ thèng phô t¶i thay ®æi.

5.2. ThiÕt bÞ ®iÒu khiÓn t¶i gi¶ cho tæ m¸y c«ng suÊt nhá h¬n 1kW.

48

ViÖn Khoa häc Thñy lîi

nghiªn cøu, thiÕt kÕ vµ chÕ t¹o tæ m¸y thñy ®iÖn cùc nhá cét n−íc cao

§Ò tµi KC07 - 04

5.2.1. Nguyªn lý.

48

49

50

5.2.2. Khèi t¶i gi¶.

5.3. ThiÕt bÞ ®iÒu khiÓn t¶i gi¶ tæ m¸y thñy ®iÖn siªu nhá.

Ch−¬ng VI. C«ng tr×nh tr¹m vµ qu¶n lý vËn hµnh

6.1. Lùa chän vÞ trÝ l¾p ®Æt tæ m¸y.

6.1.1. Ph−¬ng ph¸p x¸c ®Þnh cét n−íc.

6.1.2. X¸c ®Þnh l−u l−îng cña nguån n−íc.

6.1.3. Chän vÞ trÝ l¾p ®Æt m¸y.

53

54

55

56

57

59

6.2. C«ng tr×nh tr¹m tæ m¸y T§SN.

6.2.1. BÓ ¸p lùc.

6.2.2. §−êng èng ¸p lùc.

6.2.3. Van tr−íc tua bin.

6.2.4. Tæ m¸y T§SN.

6.2.5. Mãng m¸y.

59

61

6.3. C«ng t¸c qu¶n lý vËn hµnh.

6.3.1. L¾p ®Æt vµ vËn hµnh.

61

62

6.3.2. Qu¶n lý vµ b¶o d−ìng söa ch÷a.

Ch−¬ng VII.

KÕt luËn vµ kiÕn nghÞ

64

65

66

7.1. C¸c kÕt qu¶ mµ ®Ò tµi ®· ®¹t ®−îc.

7.2. KiÕn nghÞ.

Tµi liÖu tham kh¶o

Phô lôc

ViÖn Khoa häc Thñy lîi

nghiªn cøu, thiÕt kÕ vµ chÕ t¹o tæ m¸y thñy ®iÖn cùc nhá cét n−íc cao

§Ò tµi KC07 - 04

Ch−¬ng I.

Më ®Çu

1.1. §Æt vÊn ®Ò.

MÆc dï l−íi vµ nguån ®iÖn quèc gia ph¸t triÓn m¹nh, nh−ng ë n−íc ta, mét bé

phËn rÊt lín ng−êi d©n ë vïng s©u, vïng xa do sèng qu¸ ph©n t¸n, sÏ kh«ng cã c¬ héi

®−îc sö dông nguån ®iÖn nµy. Ch−¬ng tr×nh ph¸t triÓn nguån n¨ng l−îng t¸i t¹o

(REAP) cña chÝnh phñ víi sù tµi trî cña c¸c tæ chøc quèc tÕ nh− UB, ADB, JICA …

®ang nç lùc hç trî kü thuËt, tµI chÝnh nh»m ph¸t triÓn c¸c d¹ng n¨ng l−îng t¸I t¹o

(NLTT) nh−: thñy ®iÖn nhá, n¨ng l−îng giã, n¨ng l−îng mÆt trêi,.. víi môc tiªu cung

cÊp ®iÖn cho h¬n 400 x· ë vïng s©u [1], [2].

ThiÕt bÞ thñy ®iÖn siªu nhá (T§SN) ®· ®−îc sö dông réng r·i ë ViÖt nam tõ

nhiÒu n¨m nay, theo sè liÖu cña ViÖn N¨ng l−îng, tíi n¨m 2002, c¶ n−íc ®· l¾p ®Æt

kháang 120.000 tæ m¸y T§SN, phÇn lín c¸c thiÕt bÞ nhËp khÈu tõ Trung Quèc. ë

trong n−íc, mét sè c¬ quan còng ®· chÕ t¹o thiÕt bÞ T§SN nh−: ViÖn VËt liÖu thuéc

Trung t©m Khoa häc Tù nhiªn Quèc gia, Tr−êng §¹i häc B¸ch khoa Hµ néi.

Trong ®Ò tµi KC07 - 04, víi môc tiªu nghiªn cøu thiÕt kÕ vµ chÕ t¹o c¸c thiÕt bÞ

thñy ®iÖn nhá vµ siªu nhá phôc vô cho sinh häat vµ s¶n xuÊt, chÕ biÕn n«ng, l©m,

thñy s¶n ®· nghiªn cøu thiÕt kÕ, chÕ t¹o vµ hßan thiÖn nh»m n©ng cao hiÖu qu¶ vµ

gi¶m gi¸ thµnh chÕ t¹o thiÕt bÞ T§SN. §ång thêi ph¸t triÓn thñy ®iÖn nhá vµ siªu nhá

thµnh mét hÖ thèng hßan chØnh ®¸p øng réng r·i nhu cÇu thùc tiÔn s¶n xuÊt.

1.2. Tæng quan vÒ T§SN.

NhiÒu n−íc trªn thÕ giíi ®· nghiªn cøu vµ chÕ t¹o thiÕt bÞ T§SN, sö dông 4

lo¹i tua bin chñ yÕu: tua bin h−íng trôc (TBHT), tua bin g¸o (TBG), tua bin tia

nghiªng (TBTN), tua bin xung kÝch hai lÇn TBXK2L. C¸c tæ m¸y T§SN ®−îc chia

thµnh hai lo¹i c¬ b¶n lµ: tæ m¸y T§SN cét n−íc cao vµ tæ m¸y T§SN cét n−íc thÊp.

Víi c¸c tæ m¸y T§SN cét n−íc cao (H>10m), ng−êi ta th−êng sö dông mét

trong hai lo¹i tua bin: Tua bin tia nghiªng vµ tua bin g¸o. Ngoµi yªu cÇu vÒ kü thuËt,

viÖc lùa chän lo¹i tua bin nµo cßn phô thuéc vµo chØ tiªu gi¸ thµnh thiÕt bÞ. Mét sè

n−íc cã ®iÒu kiÖn tù nhiªn cho phÐp x©y dùng c¸c tr¹m T§SN cét n−íc rÊt cao th×

th−êng thiªn vÒ h−íng chän tua bin g¸o. H·ng IREM (Italia) ®· ®−a ra ý t−ëng kÕt

ViÖn Khoa häc Thñy lîi

1

nghiªn cøu, thiÕt kÕ vµ chÕ t¹o tæ m¸y thñy ®iÖn cùc nhá cét n−íc cao

§Ò tµi KC07 - 04

cÊu rÊt ®éc ®¸o vÒ tua bin g¸o cã buång xo¾n víi tæ hîp 2 ®Õn 6 mòi phun ®¬n gi¶n

(h×nh 1). §ång thêi viÖc chÕ t¹o c¸nh g¸o b»ng c«ng nghÖ gia c«ng ¸p lùc cã thÓ s¶n

xuÊt hµng läat c¸nh g¸o víi ®é chÝnh x¸c cao th× gi¶i ph¸p chän tua bin g¸o lµ phï

hîp.

Theo h−íng nµy cßn cã c¸c n−íc ven nói Himalaya nh−: Ên ®é, Nª pan,...

nh−ng nh×n chung, cét n−íc cho T§SN kh«ng dÔ dµng cã ®−îc trÞ sè qu¸ cao.

H×nh 1. Tæ m¸y T§SN cña h·ng IREM

Kh¶o s¸t thùc tÕ ë ViÖt Nam, t¹i c¸c tØnh nh− Hßa B×nh, NghÖ An, Hµ Giang

cho thÊy, cét n−íc phæ biÕn ë trong kho¶ng 5 ÷ 50 m (trõ c¸c tr¹m cét n−íc thÊp).

Do vËy ¸p dông tua bin tia nghiªng cho T§SN lµ phï hîp v× c¸c −u ®iÓm sau:

- KÕt cÊu ®¬n gi¶n, dÔ chÕ t¹o, ®é bÒn cao, gi¸ thµnh h¹.

- §Æc tÝnh n¨ng l−îng tèt.

Vµ tua bin tia nghiªng hoµn toµn c¹nh tranh tua bin xung kÝch 2 lÇn ë d¶i c«ng

suÊt siªu nhá.

Tõ n¨m 1993, c¸c thiÕt bÞ T§SN cña Trung Quèc ®· b¸n réng r·i trªn thÞ

tr−êng ViÖt Nam víi qui m« c«ng suÊt thùc tõ 100W ®Õn 1000W, ph¹m vi cét n−íc

10 ÷ 25m. ë trong n−íc còng ®· nghiªn cøu chÕ t¹o läai 200W vµ 500W. Mét sè kÕt

qu¶ kh¶o s¸t nh− sau:

ViÖn Khoa häc Thñy lîi

2

nghiªn cøu, thiÕt kÕ vµ chÕ t¹o tæ m¸y thñy ®iÖn cùc nhá cét n−íc cao

§Ò tµi KC07 - 04

* T§SN do Trung Quèc chÕ t¹o:

Kh¶o s¸t c¸c nhµ m¸y s¶n xuÊt T§SN ë tØnh Qu¶ng T©y-Trung Quèc chóng t«i

nhËn thÊy ®©y lµ c¸c c¬ së s¶n xuÊt nhá, ph©n bè ë vïng n«ng th«n. S¶n phÈm ®−îc

sao chÐp l¹i tõ c¸c mÉu nghiªn cøu tr−íc ®©y, viÖc sao chÐp ®· biÕn d¹ng do vËy

hiÖu suÊt rÊt thÊp. Bï l¹i víi nguyªn liÖu tù s¶n xuÊt ®−îc trong n−íc (nh− nam ch©m

cho m¸y ph¸t) vµ chi phÝ nh©n c«ng rÎ, tæ chøc s¶n xuÊt tèt lµm cho gi¸ thµnh cuat

thiÕt bÞ rÊt rÎ (250.000®ång/tæ). Trong ch−¬ng tr×nh hîp t¸c cung cÊp thiÕt bÞ thñy

®iÖn (ODA) giai ®äan 1995 ÷ 2000, phÝa ®èi t¸c Trung Quèc ®Æt hµng c¸c c¬ së s¶n

xuÊt nµy s¶n xuÊt lo¹i thiÕt bÞ cã chÊt l−îng cao h¬n (®ñ c«ng suÊt) th× gi¸ thµnh

thiÕt bÞ còng t¨ng rÊt cao (720.000VN§ cho tæ m¸y 300W).

§Æc ®iÓm cña thiÕt bÞ do Trung Quèc s¶n xuÊt lµ sö dông nam ch©m Baki

Ferit läai chÊt l−îng thÊp ®Ó chÕ t¹o m¸y ph¸t nªn kÝch th−íc m¸y kh¸ lín. Tiªu hao

c¸c nguyªn liÖu kh¸c còng v× thÕ t¨ng theo. B¸nh c«ng t¸c chÕ t¹o tõng l¸ c¸nh cã

biªn d¹ng h×nh cÇu nªn hiÖu suÊt thÊp.

H×nh 2. L¸ c¸nh BCT cã biªn d¹ng chám cÇu

ViÖn Khoa häc Thñy lîi

3

nghiªn cøu, thiÕt kÕ vµ chÕ t¹o tæ m¸y thñy ®iÖn cùc nhá cét n−íc cao

§Ò tµi KC07 - 04

HS=f(n)

HS

0.30

0.25

H=7m

0.20

0.15

0.10

0.05

0.00

H=7m

Poly. (H=7m)

0

7

8

9

1

2

3

4

1

n(v/ph)

H×nh .3. KÕt qu¶ thÝ nghiÖm T§SN cét n−íc cao do Trung Quèc chÕ t¹o.

* S¶n xuÊt T§SN ë ViÖn Nam:

ViÖn VËt liÖu (thuéc Trung t©m Khoa häc Tù Nhiªn vµ C«ng NghÖ quèc gia)

®· nghiªn cøu chÕ t¹o T§SN vµ ®¹t ®−îc nh÷ng kÕt qu¶ rÊt tèt. ViÖn ®· sö dông nam

ch©m ®Êt hiÕm ®Ó chÕ t¹o r« to m¸y ph¸t ®iÖn lµm thu nhá kÝch th−íc, t¨ng tuæi thä

m¸y ph¸t. §ång thêi viÖn nµy còng ®· nghiªn cøu c«ng nghÖ dËp l¸ c¸nh BCT tèt

h¬n, l¸ c¸nh kh«ng bÞ cong vªnh, n©ng cao chÊt l−îng gia c«ng, chÊt l−îng kim läai

vµ tiªu chuÈn hãa ®−îc hai läai tua bin tia nghiªng lµ MHG-200HH vµ MHG-

500HH.

H×nh 5. Tæ m¸y MHG500, 200 do ViÖn VËt liÖu chÕ t¹o.

ViÖn Khoa häc Thñy lîi

4

nghiªn cøu, thiÕt kÕ vµ chÕ t¹o tæ m¸y thñy ®iÖn cùc nhá cét n−íc cao

§Ò tµi KC07 - 04

§i kÌm víi c¸c tæ m¸y, viªn VËt liÖu còng ®· nghiªn cøu, s¶n xuÊt thiÕt ph©n

t¶i, t¶i gi¶ ®Ó ®iÒu chØnh, æn ®Þnh ®iÖn ¸p cho tæ m¸y.

Tuy nhiªn c¸c thiÕt bÞ nµy cßn mét sè h¹n chÕ sau:

- Ph¹m vi lµm viÖc cét n−íc kh¸ cao, trong khi nhu cÇu thùc tÕ cã cét n−íc thÊp

h¬n.

- HiÖu suÊt tua bin cßn thÊp.

KÕt qu¶ thÝ nghiÖm c¸c tæ m¸y MHG-200HH vµ MHG-500HH nh− h×nh 6 vµ h×nh7

HS=f(n)

HS

0.33

0.32

0.31

H=5m

0.30

H=5m

H=6.2m

H=8m

0.29

0.28

0.27

0.26

0.25

H=7m

Poly. (H=5m)

Poly. (H=6.2m)

Poly. (H=8m)

H=6.2m

n(v/ph)

0

7

8

9

1

2

3

4

1

H×nh 6. KÕt qu¶ thÝ nghiÖm T§SN cét n−íc cao MHG - 200HH

do ViÖn vËt liÖu chÕ t¹o.

HS=f(n)

HS

0.55

0.50

H=8m

H=10m

0.45

H=10m

H=9m

H=8m

0.40

0.35

0.30

0.25

Poly. (H=10m)

Poly. (H=9m)

Poly. (H=8m)

H=9m

0

7

8

9

0

1

2

3

4

1

n(v/ph)

H×nh 7. KÕt qu¶ thÝ nghiÖm T§SN cét n−íc cao MHG - 500HH

do ViÖn vËt liÖu chÕ t¹o.

ViÖn Khoa häc Thñy lîi

5

nghiªn cøu, thiÕt kÕ vµ chÕ t¹o tæ m¸y thñy ®iÖn cùc nhá cét n−íc cao

§Ò tµi KC07 - 04

§èi víi c¸c tæ m¸y T§SN cã cét n−íc thÊp ( H ≤ 2÷5 m ) ng−êi ta th−êng sö

dông TBHT buång hë hoÆc buång kÝn d¹ng èng, mét sè n−íc tiªn tiÕn chÕ t¹o TBHT

cã m¸y ph¸t ng©m trong n−íc (lo¹i tua bin ch×m).

1.3. Néi dung b¸o c¸o.

Trong b¸o c¸o nµy tr×nh bµy c¸c nghiªn cøu tßan diÖn vÒ tæ m¸y T§SN cét

n−íc cao sö dông TBTN nh»m hßan thiÖn c¸c s¶n phÈm T§SN vµ x©y dùng gam tua

bin T§SN mét c¸ch cã hÖ thèng, ®¸p øng réng r·i nhu cÇu cña nh©n d©n miÒn nói

mµ ®Ò tµi KC07 ®· ®−a ra.

ViÖn Khoa häc Thñy lîi

6

nghiªn cøu, thiÕt kÕ vµ chÕ t¹o tæ m¸y thñy ®iÖn cùc nhá cét n−íc cao

§Ò tµi KC07 - 04

Ch−¬ng II. Ph¹m vi sö dông vµ c¸c th«ng sè c¬

b¶n cña tæ m¸y

2.1. T×nh h×nh nghiªn cøu chÕ t¹o T§CN.

Mét ®Æc ®iÓm c¬ b¶n cña thñy ®iÖn lµ c¸c th«ng sè c¬ b¶n nh− cét ¸p H, c«ng

suÊt P lu«n kh¸c nhau, phô thuéc vµo ®iÒu kiÖn tù nhiªn vµ nhu cÇu sö dông tõng

tr¹m. Thùc tiÔn cho thÊy T§SN ®−îc sö dông réng r·i trong ph¹m vi H = 0,5 ÷20 m.

Víi tËp qu¸n sö dông, c¸c tr¹m thñy ®iÖn cã H = 1 ÷ 2 m th−êng sö dông

TBHT. ë vïng cét n−íc thÊp H ≤ 1 m cã thÓ sö dông TBHT, guång n−íc (Water

Well), tua bin kiÓu XK2L hoÆc nh©n d©n miÒn nói s¸ng t¹o läai guång h−íng trôc

(¶nh), cã hiÖu suÊt thÊp. Nh×n chung, cho tíi nay, vïng H < 1 m vµ H = 2 ÷5 m, vÉn

ch−a cã gi¶i ph¸p c«ng nghÖ nµo phï hîp (hiÖu suÊt chÊp nhËn, gi¸ rÎ). PhÇn lín c¸c

tæ m¸y ®ang sö dông cã H = 1 ÷ 2 m.

ë vïng cét n−íc cao, c¸c tæ m¸y do Trung Quèc s¶n xuÊt ®−îc sö dông trong

ph¹m vi H = 10 ÷ 20 m, ViÖn vËt liÖu cã s¶n xuÊt lo¹i 200 W, H = 6 m, c¸c th«ng sè

c¬ b¶n nh− b¶ng 1.

B¶ng 1

Ph¹m vi sö dông

STT

Lo¹i TB

Ghi chó

H (m)

Q (l/s)

P(W)

TBTN do Trung Quèc

s¶n xuÊt

1

2

HiÖu suÊt thÊp

10 ÷ 20

100 ÷ 500

5

6

6,3

6,4

7,4

7,9

8,4

8,9

9,1

100

200

275

325

390

460

520

MHG - 200HH

7

8

3

MHG - 500HH

9

10

11

Nguån: Cataloge cña Asian Phoenex Resources Ltd.

ViÖn Khoa häc Thñy lîi

7

nghiªn cøu, thiÕt kÕ vµ chÕ t¹o tæ m¸y thñy ®iÖn cùc nhá cét n−íc cao

§Ò tµi KC07 - 04

Mét sè nhËn xÐt:

1. C¸c thiÕt bÞ T§SN do Trung Quèc s¶n xuÊt ®ang b¸n t¹i thÞ tr−êng ViÖt

Nam, cã hiÖu suÊt rÊt thÊp η_max= 25% (h×nh 1.3), nguyªn nh©n chÝnh lµ chÊt

l−îng cña c¶ tua bin vµ m¸y ph¸t ®Òu thÊp.

2. ThiÕt bÞ T§SN do ViÖn vËt liÖu s¶n xuÊt ®· cã nh÷ng c¶i tiÕn ®¸ng kÓ, ®Æc

biÖt lµ m¸y ph¸t ®· sö dông nam ch©m ®Êt hiÕm cã chÊt l−îng cao, nªn gi¶m

kÝch th−íc vµ t¨ng c«ng suÊt tæ m¸y, hiÖu suÊt ®· t¨ng lªn (η_max= 45%).

3. Vïng lµm viÖc cña tæ m¸y hÑp vµ ch−a ®¸p øng nhu cÇu ®a d¹ng cña thùc

tiÔn.

Tõ nhËn xÐt trªn, h−íng gi¶i quyÕt cña ®Ò tµi bao gåm:

1. N©ng cao hiÖu suÊt cña tæ m¸y.

2. Ph©n tÝch hÖ thèng ®Ó x¸c ®Þnh ph¹m vi lµm viÖc cña tõng thiÕt bÞ.

3. Gi¶m gi¸ thµnh cña s¶n phÈm.

2.2. Ph¹m vi sö dông.

KÕt qu¶ nghiªn cøu trong phÇn gam thñy ®iÖn nhá vµ cùc nhá ®· gam hãa mét

sè lo¹i TBTN cì nhá víi D₁= 10 cm vµ D₁= 15 cm. Ph¹m vi vµ th«ng sè lµm viÖc c¬

b¶n cña TBTN cã D₁= 10 cm cho T§SN nh− b¶ng 2.

B¶ng 2

Cét n−íc H (m)

6,5

6

6,5 ÷ 7

10 ÷ 12

10 ÷ 15

18 ÷ 25

L−u l−îng Q (l/s)

12

7 ÷ 8

1000

1

Sè vßng quay (v/ph)

Sè mòi phun Z

1000

1

1000

2

1000

1

1500

1

C«ng suÊt P(W)

200

500

200

500

500 ÷ 1000

2.3. C¸c th«ng sè c¬ b¶n.

D₁

2.3.1. Tû sè

.

d₀

D₁: §−êng kÝnh b¸nh c«ng t¸c (BCT)

d₀: §−êng kÝnh dßng tia t¹i chç co hÑp nhÊt.

ViÖn Khoa häc Thñy lîi

8

nghiªn cøu, thiÕt kÕ vµ chÕ t¹o tæ m¸y thñy ®iÖn cùc nhá cét n−íc cao

§Ò tµi KC07 - 04

D₁

Tû sè

rÊt quan träng v× nã quyÕt ®Þnh kÝch th−íc vµ hiÖu suÊt cña tæ m¸y.

d₀

Trong TBTN, l−u l−îng qui dÉn x¸c ®Þnh theo c«ng thøc:

d₀

2

Q₁^'= 3,41*Z *(

)

(2.1)

D₁

D

’

ViÖc t¨ng ¹, sÏ lµm t¨ng Q₁, t¨ng c«ng suÊt tæ m¸y.

d₀

D₁

KÕt qu¶ nghiªn cøu [8] cho thÊy

=3.5 ÷ 9.5

d₀

D₁

d₀

Trong ®Ò tµi, ®Ó t¨ng c«ng suÊt tæ m¸y ®· chän

= 3.5 vµ 4 ®Ó thö nghiÖm.

d_m

2.3.2. Tû sè

.

d₀

d_m: §−êng kÝnh miÖng ra cña mòi phun

d_m

ViÖc lùa chän

cã ¶nh h−ëng quan träng tíi kh¶ n¨ng lµm viÖc vµ hiÖu suÊt

d₀

d_m

cña tua bin, víi c¸c mòi phun tiªu chuÈn, tû sè

= 1,1 ÷ 1,25. Nh−ng trong thiÕt

d₀

kÕ T§SN, ®Ó gi¶m kÝch th−íc cho tæ m¸y trong ®iÒu kiÖn ®é gi¶m hiÖu suÊt trong

giíi h¹n cho phÐp, nªn c¸c chi tiÕt ®−îc lùa chän cã mét sè thay ®æi, cÇn ph¶i kiÓm

tra l¹i c¸c hÖ sè tÝnh to¸n. §Ò tµi ®· tiÕn hµnh thÝ nghiÖm thuû lùc dßng phun, ®Ó x¸c

®Þnh l¹i hÖ sè K_mnh− h×nh 8.

KÕt qu¶ thö nghiÖm cho mét sè nhËn xÐt sau:

1. Thö nghiÖm c¸c mòi phun cña TBTN ®· s¶n xuÊt cho thÊy: do lùa chän kÕt

cÊu ®¬n gi¶n, nªn kim phun th−êng bÞ lÖch, dßng tia kh«ng ®èi xøng trôc. Mét

sè dßng tia bÞ ph¸ vì cÊu tróc, g©y tæn thÊt cho tua bin víi hai nguyªn nh©n:

- XuÊt hiÖn dßng ngang, tiªu hao mét phÇn n¨ng l−îng

- Dßng tia bÞ lÖch, mét phÇn dßng kh«ng ch¶y qua c¸nh BCT, mµ phun lªn bÇu

vµ vµnh BCT g©y tæn thÊt thÓ tÝch.

2. ë kho¶ng c¸ch nhá L ≤ 4 do ®é loe cña dßng tia b»ng 1,17 ÷ 1,2 d₀.

ViÖn Khoa häc Thñy lîi

9

nghiªn cøu, thiÕt kÕ vµ chÕ t¹o tæ m¸y thñy ®iÖn cùc nhá cét n−íc cao

§Ò tµi KC07 - 04

H×nh 8. Thö nghiÖm vßi phun tæ m¸y T§SN

2.3.3. HiÖu suÊt tæ m¸y.

§Ó phôc vô cho giai ®o¹n tÝnh to¸n s¬ bé, cÇn x¸c ®Þnh hiÖu suÊt s¬ bé cña

tua bin vµ m¸y ph¸t. KÕt qu¶ thÝ nghiÖm cho m¸y ph¸t T§SN do phßng thÝ nghiÖm

thiÕt bÞ ®iÖn, Tr−êng §¹i häc B¸ch khoa Hµ Néi thùc hiÖn nh− h×nh 9 vµ h×nh 10.

800

Pc¬

600

P f

400

Uf

200

η

0

980

990

1000 1010 1020 1030

H×nh 9. §Æc tÝnh m¸y ph¸t 200W do ViÖn Khoa häc Thñy lîi chÕ t¹o

ViÖn Khoa häc Thñy lîi

10

nghiªn cøu, thiÕt kÕ vµ chÕ t¹o tæ m¸y thñy ®iÖn cùc nhá cét n−íc cao

§Ò tµi KC07 - 04

350

Uf

300

Pc¬

250

Pf

200

150

η

100

50

0

1150

1200

1250

1300

1350

1400

H×nh 10. §Æc tÝnh m¸y ph¸t 500W do ViÖn Khoa häc Thñy lîi chÕ t¹o

HiÖu suÊt cña tua bin phô thuéc vµo hiÖu suÊt cña dßng ch¶y qua vßi phun vµ

qua BCT. KÕt qu¶ nghiªn cøu cña I.N.XMIRNOP [7] cho thÊy, khi d₀< 55mm trÞ sè

hiÖu suÊt tua bin gi¶m kh¸ nhanh (víi TB g¸o). KÕt qu¶ nµy cã thÓ sö dông cho

TBTN:

H×nh 11. §é suy gi¶m hiÖu suÊt khi ®−êng kÝnh dßng tia < 55mm

Theo kÕt qu¶ trªn, ∆η₁= 2 ÷ 3%.

HiÖu suÊt cßn bÞ ¶nh h−ëng cña c«ng nghÖ do TBTN T§SN cã kÝch cì nhá.

Tuy nhiªn trªn thùc tÕ, ¶nh h−ëng c«ng nghÖ tíi hiÖu suÊt TBTN cì nhá cã kh¶ n¨ng

lín v×:

ViÖn Khoa häc Thñy lîi

11

nghiªn cøu, thiÕt kÕ vµ chÕ t¹o tæ m¸y thñy ®iÖn cùc nhá cét n−íc cao

§Ò tµi KC07 - 04

- ChÊt l−îng mòi phun kh«ng tèt, cã kh¶ n¨ng xÈy ra hiÖn t−îng lÖch hoÆc

khuyÕch t¸n dßng tia.

- Biªn d¹ng c¸nh kh«ng ®¶m b¶o.

- §é chÝnh x¸c gia c«ng kh«ng cao, g©y lÖch dßng phun vµo c¸nh.

Dùa vµo kÕt qu¶ nghiªn cøu tua bin t©m trôc, cã thÓ lÊy ®é suy gi¶m hiÖu suÊt

do c«ng nghÖ ∆η₂= 3 ÷ 4%.

Do vËy hiÖu suÊt thuû lùc cña BCT η = η_tb- ∆η₁- ∆η₂

ë chÕ ®é tèi −u: η_tu= 84% - 4% – 3% = 77%

ë chÕ ®é Q_{i max}: η = 81% - 4% – 3% = 74%

C«ng suÊt tua bin ®−îc x¸c ®Þnh:

P = 9,81. Q.H. η_tb. η_mf= 9,81.Q.H.0,77.0,7 ≈ 5,3 .Q.H

2.3.4. X¸c ®Þnh c¸c th«ng sè c¬ b¶n cña tæ m¸y.

C¸c c«ng thøc tÝnh to¸n:

πd₀²

4

Q = v.F = ϕ . 2gH

(2.2)

ϕ: HÖ sè vËn tèc mòi phun ϕ = 0,96 ÷ 0,98, chän ϕ = 0,96.

g: gia tèc träng tr−êng, g = 9,81 m/s²

KÕt qu¶ tÝnh to¸n s¬ bé nh− b¶ng 3.

B¶ng 3

H

d₀

Q

6,5

2,5

5,3

12

2,5

7,2

20

2,5

9,3

P

183

458

985

d₀

Q

2,6

7,8

2,6

10

5,75

P

d₀

Q

P

198

496

1,8

3,8

237

1060

1,8

4,8

512

KÕt luËn: Tæ hîp c¸c th«ng sè c¬ b¶n:

ViÖn Khoa häc Thñy lîi

12

nghiªn cøu, thiÕt kÕ vµ chÕ t¹o tæ m¸y thñy ®iÖn cùc nhá cét n−íc cao

§Ò tµi KC07 - 04

D₁= 10cm

d_{0 =}2,6 vµ 1,8 cm

n = 1000 vµ 1500 v/ph

P = 200, 500, 1000 W

Tõ ®ã tiªu chuÈn hãa ®−îc 05 läai thiÕt bÞ T§SN sö dông TBTN nh− b¶ng 4.

B¶ng 4

STT Lo¹i thiÕt bÞ T§SN

C«ng suÊt (W)

200W

Cét ¸p (m)

L−u l−îng (l/s)

1

2

3

4

5

TN200 - 10/1x2,6

TN500 - 10/1x2,6

TN200 - 10/1x1,8

TN1000 - 10/1x2,6

TN500 - 10/1x1,8

6,5

12

20

5,8

7,8

3,8

10

500W

200W

1000W

500W

4,8

2.4. Lùa chän kÕt cÊu cho tæ m¸y.

Víi TBTN cã 2 kÕt cÊu:

+ KÕt cÊu trôc ngang, th−êng sö dông cho c¸c tæ m¸y cã sè mòi phun 1 vµ 2,

cã m¸y ph¸t ®iÖn s¶n xuÊt ®éc lËp. KÕt cÊu nµy dÔ l¾p ®Æt, söa ch÷a, nh−ng cã

kÝch cì lín h¬n kÕt cÊu trôc ®øng.

+ KÕt cÊu trôc ®øng: Th−êng sö dông cho c¸c tæ m¸y cã m¸y ph¸t ®−îc thiÕt

kÕ, chÕ t¹o riªng theo ý ®å cña nhµ thiÕt kÕ, cã thÓ dïng cho tæ m¸y siªu nhá

vµ mét sè h·ng (nh− Newmill - Anh) dïng cho tæ m¸y c«ng suÊt lín vµ cã sè

mòi phun Z > 2.

+ Víi thuû ®iÖn siªu nhá: Do tÝnh chÊt s¶n xuÊt hµng lo¹t, ®Ó gi¶m nhÑ kÝch

th−íc tæ m¸y vµ h¹ gi¸ thµnh th× ®Òu dïng kÕt cÊu trôc ®øng (h×nh 12).

ViÖn Khoa häc Thñy lîi

13

nghiªn cøu, thiÕt kÕ vµ chÕ t¹o tæ m¸y thñy ®iÖn cùc nhá cét n−íc cao

§Ò tµi KC07 - 04

H×nh 12. KÕt cÊu tæ m¸y T§SN dïng TBTN

KÕt cÊu nh− vËy cã mét sè −u ®iÓm nh− sau:

- Th©n æ kÐo dµi xuèng phÝa d−íi nh»m lµm gi¶m ®é c«ng son cña c¸nh. T¨ng

æn ®Þnh cho BCT vµ rotor cña m¸y ph¸t.

- Tæ m¸y gän nhÑ, dÔ l¾p ®Æt vµ sö dông.

ViÖn Khoa häc Thñy lîi

14

nghiªn cøu, thiÕt kÕ vµ chÕ t¹o tæ m¸y thñy ®iÖn cùc nhá cét n−íc cao

§Ò tµi KC07 - 04

Ch−¬ng III. tÝnh to¸n, thiÕt kÕ c¸c bé phËn chÝnh

3.1. Tiªu chuÈn hãa c¸c bé phËn chÝnh.

Tæ m¸y T§SN sö dông TBTN gåm 3 bé phËn chÝnh: th©n tua bin, côm mòi

phun vµ c¬ cÊu kim phun, m¸y ph¸t vµ trôc, ®Ó tæ hîp thµnh 4 lo¹i tua bin víi ph¹m

vi sö dông kh¸c nhau nh− d· tr×nh bµy trong ch−¬ng II, cã mét sè chi tiÕt dïng

chung vµ cã mét sè chi tiÕt ph¶i thay ®æi.

3.2. Vá tua bin.

Víi chøc n¨ng b¶o ®¶m tho¸t n−íc sau khi ra khái BCT víi D₁= 10 cm vµ lµ

gi¸ ®ì cho c¸c côm chi tiÕt kh¸c nh− m¸y ph¸t, mòi phun. KÕt qu¶ thùc tÕ vá tua bin

nh− sau:

- Tæ m¸y TN200 - 10/1x2,6 vµ TN200-10/1x1,8 lo¹i vá nhá

- Tæ m¸y TN500 - 10/1x2,6 vµ TN1000-10/1x2,6 vµ TN500-10/1x1,8 cã kÝch

th−íc vá lín h¬n.

3.3. Kho¶ng c¸ch tõ vßi phun ®Õn b¸nh c«ng t¸c.

Kho¶ng c¸ch L phô thuéc vµo kÕt cÊu cña vá tuabin vµ cÊu tróc dßng ch¶y

sau khi ra khái mòi phun. Kho¶ng c¸ch L cµng lín, dßng ch¶y cµng bÞ loe, dÉn tíi

kh¶ n¨ng gi¶m hiÖu suÊt thñy lùc cña tæ m¸y. Theo kÕt qu¶ nghiªn cøu [8], L ≤ 5d₀

(h×nh 13).

L

H×nh 13. VÞ trÝ cña vßi phun so víi BCT

Theo kÕt qu¶ thö nghiÖm c¸c mòi phun t¹i phßng thÝ nghiÖm HPC, do kÕt cÊu

vµ c«ng nghÖ chÕ t¹o vßi phun ®¬n gi¶n nªn cho thÊy chän L ≤3,5 d₀t−¬ng øng c¸c

yÕu tè ®Æt ra (h×nh 14).

ViÖn Khoa häc Thñy lîi

15

nghiªn cøu, thiÕt kÕ vµ chÕ t¹o tæ m¸y thñy ®iÖn cùc nhá cét n−íc cao

§Ò tµi KC07 - 04

H×nh 14. ThÝ nghiÖm x¸c ®Þnh ®−êng kÝnh dßng tia t¹i c¸c mÆt c¾t

ngang kh¸c nhau t¹i HPC

3.4. ThiÕt kÕ b¸nh c«ng t¸c.

3.4.1. Ph−¬ng h−íng thiÕt kÕ b¸nh c«ng t¸c.

HiÖn nµy cã 2 xu h−íng thiÕt kÕ vµ chÕ t¹o BCT cho TBTN cì nhá:

+ L¸ c¸nh BCT cã d¹ng mÆt cÇu. D¹ng c¸nh nµy dÔ chÕ t¹o, gi¸ thµnh thÊp.

Th−êng chÕ t¹o b»ng ph−¬ng ph¸p Ðp nguéi. Nh−îc ®iÓm c¬ b¶n cña ph−¬ng

ph¸p nµy lµ hiÖu suÊt thñy lùc nhá do n¨ng l−îng kh«ng truyÒn ®−îc hÕt cho

BCT.

+ L¸ c¸nh cã biªn d¹ng theo ®óng thiÕt kÕ cña TBTN cì lín. D¹ng c¸nh nµy

cã −u ®iÓm lµ hiÖu suÊt cao nh−ng khã chÕ t¹o. §Ó n©ng cao hiÖu suÊt tæ m¸y,

®Ò tµi ®i theo h−íng thiÕt kÕ, chÕ t¹o c¸nh BCT cã biªn d¹ng theo ®óng tÝnh

to¸n, thiÕt kÕ nh−ng trªn gi¶i ph¸p c«ng nghÖ ®Ó h¹ gi¸ thµnh chÕ t¹o.

Biªn d¹ng ®−îc thiÕt kÕ theo mÉu BCT cña TBTN (®−îc tr×nh bµy trong phÇn

b¸o c¸o kÕt qu¶ nghiªn cøu TBTN) nh−ng ®−îc ®¬n gi¶n hãa ë mét sè chi tiÕt:

- Thay thÕ vµnh ngoµi b»ng vµnh thÐp ®ai cã mÆt c¾t trßn hoÆc vu«ng. Nhê

D₁

gi¶i ph¸p nµy, cã thÓ gi¶m

tõ 4 xuèng 3,5

d₀

- L¸ c¸nh cã ®é dµy biÕn ®æi ®−îc thay thÕ bëi l¸ c¸nh cã ®é dµy kh«ng ®æi

(®−îc chÐ t¹o b»ng ph−¬ng ph¸p Ðp nguéi)

ViÖn Khoa häc Thñy lîi

16

nghiªn cøu, thiÕt kÕ vµ chÕ t¹o tæ m¸y thñy ®iÖn cùc nhá cét n−íc cao

§Ò tµi KC07 - 04

- Mét sè mÆt c¾t s¸t vµnh vµ bÇu ®−îc söa theo ®iÒu kiÖn c«ng nghÖ.

3.4.2. X¸c ®Þnh c¸c kÝch th−íc c¬ b¶n cña c¸nh BCT.

Dùa vµo kÝch th−íc c¬ b¶n BCT mÉu, x¸c ®Þnh ®−îc c¸c kÝch th−íc c¬ b¶n

cña BCT víi D₁= 10 cm nh− sau:

H×nh 15. C¸c th«ng sè h×nh häc c¬ b¶n cña BCT TBTN

- §−êng kÝnh bÇu ë lèi vµo:

- §−êng kÝnh bÇu ë lèi ra:

d_bV= 0,734D₁= 73,3mm

d_bR= 0,507D₁= 50,7mm

R_b= 0,487D₁= 48,7mm

H = 0,330D₁= 33mm

D_v= 1,440D₁= 14,4mm

D₃= 1,750D₁= 17,5mm

D₂= 0,283D₁= 28,3mm

B₁= 0,373D₁= 37,3mm

B₂= 0,303D₁= 30,3mm

B₃= 0,174D₁= 17,4mm

D_N= 1,824D₁= 18,2mm

h= 0,113D₁= 11,3mm

- B¸n kÝnh cong cña bÇu:

- ChiÒu cao cña bÇu:

- §−êng kÝnh vµnh ë lèi vµo:

- §−êng kÝnh lèi ra lín nhÊt:

- §−êng kÝnh lèi ra nhá nhÊt:

- ChiÒu réng cña c¸nh:

- ChiÒu réng c¸nh ë lèi ra nhá nhÊt:

- ChiÒu réng c¸nh ë lèi ra lín nhÊt:

- §−êng kÝnh ngoµi cña vµnh:

- ChiÒu cao cña vµnh:

3.4.3. X¸c ®Þnh c¸c gãc vµo cña c¸nh g¸o.

C¸c gãc vµo ë mÐp vµo cña c¸nh g¸o x¸c ®Þnh theo c«ng thøc:

ViÖn Khoa häc Thñy lîi

17

nghiªn cøu, thiÕt kÕ vµ chÕ t¹o tæ m¸y thñy ®iÖn cùc nhá cét n−íc cao

§Ò tµi KC07 - 04

sin 2α₁

R_i

2cos²α₁−

R₀

β_1i= arctg

(3.1)

Trong ®ã:

β_1ilµ gãc t¹i cöa vµo cña c¸nh g¸o ë vÞ trÝ cã b¸n kÝnh lµ R_i

R₀lµ b¸n kÝnh danh nghÜa cña b¸nh xe c«ng t¸c (R₀= D₁/2).

C¸c gãc β_1i®−îc x¸c ®Þnh t¹i mÆt c¾t trô cã b¸n kÝnh R_ivµ trÞ sè cña nã ®−îc

ghi trong b¶ng 5.

B¶ng 5

βi

MÆt c¾t

Ri

32

34

36

38

40

42

44

46

48

50

52

MÆt c¾t

11

Ri

54

56

58

60

62

64

66

68

70

72

βi

0

1

37,34866

38,48008

39,67056

40,92373

42,24339

43,63344

45,09792

46,64088

48,26638

49,97841

51,78074

53,67687

55,66982

57,76202

59,95506

62,24953

64,64476

67,13864

69,72737

72,40532

75,16493

12

2

13

3

14

4

15

5

16

6

17

7

18

8

19

9

20

10

3.4.4. X¸c ®Þnh c¸c kÝch th−íc c¬ b¶n cña BCT.

Biªn d¹ng profin c¸nh bao gåm: gãc vµo, ra, thay ®æi ®é cong cña profin

c¸nh, chiÒu dµi l¸ c¸nh, ®−îc x¸c ®Þnh theo mÉu. KÕt qu¶ tÝnh to¸n biªn d¹ng l¸ c¸nh

BCT vµ mÆt c¾t ngang BCT nh− h×nh 16.

ViÖn Khoa häc Thñy lîi

18

nghiªn cøu, thiÕt kÕ vµ chÕ t¹o tæ m¸y thñy ®iÖn cùc nhá cét n−íc cao

§Ò tµi KC07 - 04

H×nh 16. Biªn d¹ng c¸c mÆt c¾t l¸ c¸nh

H×nh 17. MÆt b»ng ë mÐp vµo vµ mÐp ra cña l¸ c¸nh BCT

3.4.5. X¸c ®Þnh sè c¸nh Z.

- Sè l¸ c¸nh Z phô thuéc vµo ®−êng kÝnh BCT D₁, ®é dµy c¸nh. Theo ®iÒu

kiÖn c«ng nghÖ vµ ®iÒu kiÖn bÒn, ®é dµy c¸nh ®−îc chän δ = 3 mm.

ViÖn Khoa häc Thñy lîi

19

nghiªn cøu, thiÕt kÕ vµ chÕ t¹o tæ m¸y thñy ®iÖn cùc nhá cét n−íc cao

§Ò tµi KC07 - 04

S

- Sè c¸nh ®−îc chän theo mÉu, sao cho tû lÖ = const

L

S

L

H×nh 18. S¬ ®å dßng ch¶y vµo BCT TBTN

KÕt qu¶: sè l¸ c¸nh ®−îc x¸c ®Þnh Z = 20.

3.5. TÝnh to¸n, thiÕt kÕ vßi phun.

3.5.1. Lý thuyÕt tÝnh to¸n.

Vßi phun trong tua bin tia nghiªng còng gièng nh− vßi phun trong c¸c tua bin

ch¶y thµnh cét n−íc vËn tèc. Nã cßn cã t¸c dông ®iÒu chØnh l−u l−îng cña tua bin.

H×nh 19. Vßi phun tiÕt diÖn trßn cho kh¶ n¨ng lµm viÖc tèt nhÊt

Vßi phun cã thÓ cã c¸c kÕt cÊu, h×nh d¹ng tiÕt diÖn dßng tia kh¸c nhau, nh−ng

cho ®Õn nay, lo¹i vßi phun h×nh c«n cã tiÕt diÖn trßn víi van kim ®ång trôc dÞch

chuyÓn theo h−íng trôc cña vßi phun (kÕt cÊu nh− h×nh 19) cho kh¶ n¨ng lµm viÖc

tèt nhÊt.

ViÖn Khoa häc Thñy lîi

20

nghiªn cøu, thiÕt kÕ vµ chÕ t¹o tæ m¸y thñy ®iÖn cùc nhá cét n−íc cao

§Ò tµi KC07 - 04

ë vÞ trÝ kim phun s¸t vµo miÖng vßi, l−u l−îng qua vßi b»ng kh«ng. khi kim

dÞch chuyÓn ra, diÖn tÝch h×nh vµnh khuyªn cöa ra t¨ng lªn, l−u l−îng sÏ t¨ng. VÊn

®Ò lµ cÇn x¸c ®Þnh biªn d¹ngvßi phun sao cho l−u l−îng thay ®æi ®Òu theo hµnh tr×nh

cña kim vµ ë mçi vÞ trÝ cña kim vËn tèc sÏ t¨ng dÇn däc theo ®−êng dßng vµ ®¹t gi¸

trÞ lín nhÊt t¹i cöa ra. §Ó lµm ®−îc ®iÒu nµy, cÇn ph¶i xÐt mét sè ph−¬ng ¸n biªn

(gi÷a miÖng vßi vµ van kim) khi ®é më cña vßi kh¸c nhau. Sau ®ã ®−a lªn h×nh chiÕu

kinh tuyÕn cña èng dÉn c¸c ®−êng dßng vµ c¸c ®−êng ®¼ng thÕ xuÊt ph¸t tõ gi¶ thiÕt

dßng ch¶y thÕ ®èi xøng. Dßng ch¶y thÕ theo kinh tuyÕn ®−îc x¸c ®Þnh b»ng ph−¬ng

ph¸p ®å gi¶i kÕt hîp víi gi¶i tÝch gÇn ®óng.

dùng c¸c ®−êng cong cña sù thay ®æi diÖn tÝch tiÕt diÖn èng dÉn däc theo trôc cña

vßi phun khi c¸c ®é më kh¸c nhau. Do tr−êng vËn tèc däc theo ®−êng dßng lín h¬n

nhiÒu so víi ®−êng ®¼ng thÕ nªn sù thay ®æi diÖn tÝch tiÕt diÖn ph¶n ¸nh sù thay ®æi

vËn tèc trung b×nh cña dßng ch¶y sÏ cho ta ®−îc ®Æc tÝnh vßi phun ®ñ tin cËy trong

tÝnh to¸n gÇn ®óng. §iÒu nµy cã nghÜa lµ mét ph−¬ng ¸n biªn d¹ng ®−îc coi lµ tèt

khi ë mäi ®é më cña vßi phun, ®−êng biÓu diÔn quan hÖ gi÷a diÖn tÝch tiÕt diÖn vµ

chiÒu dµi däc theo chiÒu trôc vßi phun thay ®æi ®Òu.

Qua nghiªn cøu ng−êi ta ®i ®Õn kh¼ng ®Þnh r»ng khi dßng ch¶y ë cöa ra bÞ

nÐn sÏ cho dßng tia gän vµ Ýt bÞ toÐ. Gãc c«n cµng lín, dßng ch¶y cµng bÞ nÐn nhiÒu.

thªm tæn thÊt thuû lùc vµ nh− vËy kÝch th−íc ®−êng kÝnh cña vßi phun ph¶i t¨ng lªn.

3.5.2. TÝnh to¸n vßi phun cho tæ m¸y T§SN.

HiÖn nay, c¸c vßi phun ®· ®−îc nghiªn cøu t−¬ng ®èi kü l−ìng c¶ vÒ lý thuyÕt

vµ thùc nghiÖm. Cã 3 lo¹i vßi phun c¬ b¶n cã hiÖu suÊt kh¸ cao ®Ó tÝnh ®æi cho c¸c

lo¹i tua bin kh¸c nhau ®ã lµ: lo¹i vßi phun ng¾n(85⁰/60⁰), lo¹i vßi phun trung

b×nh(80⁰/55⁰), vµ lo¹i vßi phun dµi(62⁰/45⁰).

Lo¹i vßi phun ng¾n cã −u ®iÓm lµ lùc ma s¸t nhá, hµnh tr×nh S vµ kÝch th−íc

tæ m¸y nhá, ®Æc biÖt víi tæ m¸y nhiÒu vßi phun cho kÝch th−íc kÕt cÊu cµng nhá.

ViÖn Khoa häc Thñy lîi

21

nghiªn cøu, thiÕt kÕ vµ chÕ t¹o tæ m¸y thñy ®iÖn cùc nhá cét n−íc cao

§Ò tµi KC07 - 04

Nh−ng do hµnh tr×nh cña kim phun biÕn ®æi kh«ng lín, l−u l−îng biÕn ®æi nhiÒu,

viÖc ®iÒu tiÕt ®ßi hái ph¶i nh¹y. Còng v× vßi phun ng¾n, dßng ch¶y quÆt gÊp, cã thªm

tæn thÊt do dßng rèi. §èi víi lo¹i vßi phun dµi th× kh¾c phôc ®−îc c¸c nh−îc ®iÓm

cña vßi phun ng¾n nh−ng vÒ mÆt kÝch th−íc kÕt cÊu sÏ rÊt lín nÕu tæ m¸y cã Ýt vßi

phun. Nh− vËy ta thÊy r»ng lo¹i vßi trung b×nh dung hoµ ®−îc c¸c −u nh−îc ®iÓm

trªn cña hai lo¹i vßi phun ng¾n vµ dµi, do ®ã víi tæ m¸y T§SN chóng t«i chän lo¹i

vßi phun trung b×nh. Thùc nghiÖm ®· x¸c ®Þnh biªn d¹ng vßi phun trung b×nh cã

kÝch th−íc nh− h×nh 20.

H×nh 20. Vßi phun 80⁰/54⁰

Theo c«ng thøc thùc nghiÖm:

d = (1,15 ÷ 1,25)d₀.

(3.2)

Chän d = 1,2d₀ta x¸c ®Þnh ®−îc ®−êng kÝnh dßng tia cña vßi phun m« h×nh:

d

100

d_oM

=

= 83,3

1,2 1,2

* TÝnh to¸n vßi phun cho tæ m¸y TN200 - 10/1x2,6.

§−êng kÝnh dßng tia cña tæ m¸y lµ d₀=26mm

VËy hÖ sè ®ång d¹ng cña vßi phun m« h×nh so víi vßi phun thùc cÇn thiÕt kÕ lµ:

d_o

26

λ =

=

≈ 0,32

d_0M83,3

C¨n cø vµo hÖ sè λ, ta x¸c ®Þnh ®−îc c¸c kÝch th−íc cña vßi phun thùc.

ViÖn Khoa häc Thñy lîi

22

nghiªn cøu, thiÕt kÕ vµ chÕ t¹o tæ m¸y thñy ®iÖn cùc nhá cét n−íc cao

§Ò tµi KC07 - 04

+ TÝnh to¸n hµnh tr×nh cña kim phun:

Hµnh tr×nh kim phun S cÇn ph¶i ®¶m b¶o ®−êng kÝnh dßng phun d₀vµ cÇn

®¶m b¶o sè d− lµ 5%.

S = 40mm.

* TÝnh tãan vßi phun cho c¸c tæ m¸y kh¸c.

§−êng kÝnh dßng tia cña tæ m¸y lµ d₀= 18mm

d_o

18

λ =

=

≈ 0,22

d_0M83,3

3.5.3 VÞ trÝ vßi phun:

MÆt dßng tia trô trßn c¾t mÆt ph¼ng cöa nhËn n−íc cã d¹ng h×nh « van (gäi lµ

h×nh « van dßng tia). Thùc nghiÖm cho thÊy vÞ trÝ « van dßng tia cã h−íng ng−îc víi

vÞ cña tua bin. §ång thêi gi¶m bít sù va ®Ëp

vµo vµnh bao ngoµi cña tua bin hoÆc cã thÓ

gi¶m bít sè c¸nh.

Thùc nghiÖm cho thÊy kho¶ng dÞch

chuyÓn hîp lý cña c¸c tæ m¸y T§SN lµ (4,5

x cotgα₁) ≈ 10mm.

H×nh 21. Thùc nghiÖm vÒ giao diÖn («

van) gi÷a dßng tia vµ BXCT

3.6. TÝnh to¸n thiÕt kÕ trôc:

C¸c tæ m¸y TBTN siªu nhá lµ c¸c tæ m¸y cã sè vßng quay cao (ë chÕ ®é tÝnh

to¸n n = 1000v/ph vµ 1500v/ph) do vËy d¹ng háng chñ yÕu lµ do mái, do t¸c ®éng

sè vßng quay t¨ng rÊt nhanh, trôc cßn cã thÓ bÞ háng do dao ®éng.

Nh− vËy, víi tæ m¸y TBTN siªu nhá cÇn tÝnh to¸n trôc vÒ ®é bÒn, ®é cøng vµ

ViÖn Khoa häc Thñy lîi

23

nghiªn cøu, thiÕt kÕ vµ chÕ t¹o tæ m¸y thñy ®iÖn cùc nhá cét n−íc cao

§Ò tµi KC07 - 04

kh¸c viÖc tÝnh to¸n t−¬ng tù.

3.6.1. C¸c th«ng sè ®Ó tÝnh to¸n thiÕt kÕ.

S¬ ®å chÞu lùc cña trôc nh− trªn h×nh 3.10.

- C«ng suÊt N = 1,15kW

- Vßng quay n = 1500v/ph

- Lùc däc trôc P x¸c ®Þnh theo c«ng thøc thùc nghiÖm, ®èi víi TBTN:

P = (20 ÷ 22).Q.H^0,5.(sinβ₁-sinγ₂)

= 22x0,0105x14^0,5x(sin50⁰- sin15⁰) =

0,44kG

(3.3)

Nh− vËy lùc h−íng trôc cña TBTN siªu

nhá cã gi¸ trÞ siªu nhá so víi träng l−îng b¶n

- Träng l−îng b¸nh c«ng t¸c G = 3,5kg;

R« to R = 5kg

- VËt liÖu chÕ t¹o trôc lµ thÐp 45 cã σ_b=

600MPa.

Q

H×nh 22. S¬ ®å chÞu lùc

cña trôc tæ m¸y T§SN

3.6.2. BiÓu ®å néi lùc.

Tõ c«ng suÊt N = 1,15kW vµ sè vßng quay n = 1500v/ph, ta x¸c ®Þnh ®−îc

m« men xo¾n trªn trôc:

N 30.N

M =

=

= 0,0073KNm = 7,3Nm

w

π.n

- Lùc däc trôc trªn ®o¹n l₁: N_d1= +3,5kg = 35N

ViÖn Khoa häc Thñy lîi

24

nghiªn cøu, thiÕt kÕ vµ chÕ t¹o tæ m¸y thñy ®iÖn cùc nhá cét n−íc cao

§Ò tµi KC07 - 04

- Lùc däc trôc trªn ®o¹n l₁: N_d2= -5kg = -50N

M

7,3

- Lùc ngang Q =

=

=146N

R

0,05

1

BiÓu ®å néi lùc ®−îc thÓ hiÖn trªn h×nh 23.

3.6.3. TÝnh s¬ bé ®−êng kÝnh c¸c ®o¹n trôc.

C¨n cø vµo biÓu ®å néi lùc, ta x¸c ®Þnh ®−îc s¬ bé ®−êng kÝnh c¸c ®o¹n trôc

theo c«ng thøc:

M_td

3

d =

(3.4)

(3.5)

0,1[σ ]

Trong ®ã:

M_td= M_u²+ 0,75M _x²

7,3Nm

14,6Nm

Q

Mu

H×nh 23. BiÓu ®å néi lùc trªn trôc tua bin TN1000 - 10/1x2,6

Trong ®ã:

M_td- m« men t−¬ng ®−¬ng t¹i mÆt c¾t tÝnh to¸n.

M_u- m« men uèn M_u= M_u²_x+ M_u²_y

M_ux- M« men uèn theo trôc Ox

ViÖn Khoa häc Thñy lîi

25

nghiªn cøu, thiÕt kÕ vµ chÕ t¹o tæ m¸y thñy ®iÖn cùc nhá cét n−íc cao

§Ò tµi KC07 - 04

M_uy- M« men uèn theo trôc Oy

M_x- m« men xo¾n t¹i mÆt c¾t tÝnh to¸n.

Nh− vËy, trong ®o¹n l₁vµ l₂mÆt c¾t chÞu lùc nguy hiÓm nhÊt t¹i gèi ®ì trôc

d−íi vµ ®−êng kÝnh mÆt c¾t x¸c ®Þnh s¬ bé theo c«ng thøc:

M_td

0,75*7300²+14600²

3

d =

=

=14,7mm

0,1[σ ]

0,1.50

§Ó ®¶m b¶o an toµn ta chän ®−êng kÝnh trôc t¹i mÆt c¾t nµy lµ d = 20mm.

3.6.4. ThiÕt kÕ kÕt cÊu trôc.

Do ®Æc ®iÓm kÕt cÊu cña tæ m¸y TBTN siªu nhá nh− ®· tr×nh bµy trong môc

(2.4). §Ó t¨ng c−êng ®é cøng v÷ng cho trôc vµ ®¬n gi¶n cho viÖc th¸o l¾p, ta thiÕt kÕ

kÕt cÊu trôc cña tæ m¸y TN1000 - 10/1x2,6 nh− h×nh 24.

H×nh 24. C¸c kÝch th−íc trôc tæ m¸y TN1000 - 10/1x2,6

T¹i vÞ trÝ l¾p b¸nh c«ng t¸c vµ t¹i vÞ trÝ l¾p r« to m¸y ph¸t chän kiÓu l¾p láng

k6.

3.6.5. TÝnh to¸n ®é bÒn mái cña trôc.

V× c¸c tiÕt diÖn trôc ®Òu ®· lÊy t¨ng ®−êng kÝnh (®Ó ®¶m b¶o l¾p ghÐp) nªn

trong tr−êng hîp ®ang xÐt chØ cÇn kiÓm nghiÖm hÖ sè an toµn ë tiÕt diÖn nguy hiÓm

nhÊt (tiÕt diÖn l¾p vßng bi d−íi).

KÕt qu¶ tÝnh to¸n nh− sau:

- Trôc ®−îc gia c«ng trªn m¸y tiÖn cã ®é nh¸m Ra = 2,5 ÷ 0,63; víi σ_b=

600MPa hÖ sè tËp trung øng suÊt do tr¹ng th¸i bÒ mÆt nªn K_x= 1,06 kh«ng dïng

ph−¬ng ph¸p t¨ng bÒn bÒ mÆt nªn K_y= 1.

ViÖn Khoa häc Thñy lîi

26