Báo cáo Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thử nghiệm tua bin xung kích 2 lần kiểu CINK
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
xung kÝch 2 lÇn kiÓu Cink
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 tïng phong
5817-5
16/5/2006
hµ néi – 5/2006
Môc lôc
Trang
Ch−¬ng I. tæng quan vµ ph¹m vi øng dông Tua bin XK2L
1.1. Tua bin xung kÝch 2 lÇn (XK2L) vµ qu¸ tr×nh ph¸t triÓn.
1.2. Ph¹m vi sö dông cña tua bin XK2L:
1
1
3
8
1.3. Nh÷ng −u ®iÓm vµ nh−îc ®iÓm cña tua bin XK2L trong thuû
®iÖn nhá vµ cùc nhá
1.3.1. HiÖu suÊt
8
1.3.2. §é bÒn:
11
11
12
14
15
15
18
26
1.3.3. Gi¸ thµnh chÕ t¹o:
1.3.4. H¹n chÕ cña tua bin XK2L
1.4. KÕt luËn
Ch−¬ng II. lý thuyÕt tua bin xung kÝch
2.1. Cét n−íc, l−u l−îng, c«ng suÊt vµ hiÖu suÊt
2.2. T¸c dông t−¬ng hç gi÷a dßng tia vµ tÊm b¶n
Ch−¬ng III. tæng quan nghiªn cøu lý thuyÕt tua bin XK2L
vµ XK2L kiÓu CINK
3.1. Lý thuyÕt ®¬n gi¶n cña tua bin XK2L
3.1.1. M« t¶ tua bin XK2L
26
26
27
31
36
36
39
40
44
45
49
49
50
54
3.1.2. ChuyÓn ®éng cña dßng ch¶y qua BCT:
3.1.3. Lý thuyÕt c¬ b¶n cña tua bin XK2L
3.2. Më réng nghiªn cøu lý thuyÕt c¬ b¶n tua bin XK2L
3.2.1. Më réng lý thuyÕt tua bin XK2L
3.2.2. Gãc ®Æt c¸nh
3.2.3. BÒ réng ®Üa c¸nh vµ gãc ë t©m ®Üa c¸nh.
3.2.4. §−êng kÝnh b¸nh xe vµ trôc BCT
3.2.5. Më réng lý thuyÕt dßng ch¶y tuyÖt ®èi qua tua bin XK2L.
Ch−¬ng IV. Nghiªn cøu thùc nghiÖm tuabin XK2L kiÓu CINK
4.1. H−íng nghiªn cøu Tua bin XK2L kiÓu CINK
4.1.1 Vßi phun vµ c¬ cÊu ®iÒu chØnh l−u l−îng
4.1.2. So s¸nh kÕt cÊu c¸nh h−íng cña tua bin XK2L kiÓu
Ossberger vµ tua bin XK2L kiÓu CINK
4.1.3 B¸nh xe c«ng t¸c
4.1.4. èng hót
54
58
59
62
62
63
63
64
65
67
68
70
70
74
80
82
84
84
85
86
4.2. Giíi thiªu ch−¬ng tr×nh tÝnh to¸n tua bin XK2L
4.3. ThiÕt kÕ Tua bin XK2L m« h×nh kiÓu CINK
4.3.1 Lùa chän kÕt cÊu
4.3.2 Lùa chän kÝch th−íc, th«ng sè c¬ së tua bin m« h×nh
4.3.3 TÝnh to¸n c¸c th«ng sè c¬ b¶n cña tua bin m« h×nh
4.3.4 ThiÕt kÕ b¸nh xe c«ng t¸c
4.3.5. Vßi phun
4.3.6 èng hót
4.4. M« h×nh ho¸ tua bin
4.5 Thùc nghiÖm tua bin m« h×nh
4.5.1 HÖ thèng thÝ nghiÖm
4.5.2 ThÝ nghiÖm tua bin m« h×nh
4.6. X©y dùng ®Æc tÝnh tæng hîp chÝnh cña tua bin m« h×nh
4.7. C¸c kÕt luËn rót ra tõ thùc nghiÖm
Ch−¬ng V. KÕt luËn
5.1 C¸c kÕt qu¶ ®Ò tµi ®· ®¹t ®−îc
2. H−íng nghiªn cøu tiÕp theo
Phô lôc
NC, thiÕt kÕ, chÕ t¹o & thö nghiÖm tua bin XK2L kiÓu CINK
®Ò tµi Kc07-04
Më ®Çu
N−íc ta cã mét nguån thuû n¨ng v« cïng phong phó. Víi kho¶ng 3/4 diÖn tÝch
l·nh thæ lµ ®åi nói, ®Þa h×nh cao, bÞ chia c¾t m¹nh cïng víi l−îng m−a trung b×nh n¨m
kho¶ng 1960mm, víi m¹ng l−íi s«ng suèi kh¸ dµy ®Æc vµ n»m trong vïng khÝ hËu
nhiÖt ®íi giã mïa ®· t¹o ra mét nguån tµi nguyªn quý b¸u ®Ó ph¸t triÓn thuû ®iÖn.
Theo mét sè kÕt qu¶ nghiªn cøu cña c¸c ®Ò tµi cho thÊy tr÷ n¨ng lý thuyÕt cña
thuû ®iÖn ViÖt nam thèng kª trªn 2864 s«ng suèi cã chiÒu dµi L≥10km vµo kho¶ng
271.000GWh/n¨m ®Õn 318GWh/n¨m vµ tr÷ n¨ng lý thuyÕt cña thuû ®iÖn ViÖt nam
kho¶ng trªn 300.000GWh/n¨m víi c«ng suÊt l¾p m¸y trªn 34.000MW.
Trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y vµ hiÖn nay, thÕ giíi vµ c¸c tæ chøc quèc tÕ nh− Ng©n
hµng thÕ giíi (WB), Ng©n hµng ch©u ¸ (ADB(, Quü n¨ng l−îng NhËt b¶n (NEF)
…®ang quan t©m tíi viÖc khai th¸c vµ ph¸t triÓn c¸c c«ng nghÖ vÒ n¨ng l−îng t¸i t¹o
mµ trong ®ã ph¸t triÓn thuû ®iÖn nhá ®ang lµ mét môc tiªu quan t©m hµng ®Çu. §©y lµ
mét gi¶i ph¸p hiÖu qu¶ vµ bÒn v÷ng, kh«ng chØ gãp phÇn ph¸t triÓn kinh tÕ x· héi vïng
s©u, vïng xa mµ cßn gãp phÇn b¶o vÖ bÒn v÷ng m«i tr−êng. HiÖn nay, víi nhu cÇu vÒ
tiªu dïng ®iÖn ngµy cµng t¨ng, −íc tÝnh kho¶ng 15%/n¨m, th× thuû ®iÖn nhá l¹i cµng
®ãng vai trß quan träng h¬n trong viÖc gãp phÇn ph¸t triÓn nguån ®iÖn n¨ng cho ®Êt
n−íc. Víi t×nh h×nh ®Çu t− thuû ®iÖn trong n−íc hiÖn nay th× viÖc ®Çu t− cho thuû ®iÖn
nhá còng sÏ cã nhiÒu thuËn lîi do quy m« vèn ®Çu t− phï hîp, cã thÓ khuyÕn khÝch c¸c
thµnh phÇn kinh tÕ kh¸c vµ ng−êi d©n ®Çu t−.
Thuû ®iÖn nhá ®· ®−îc ph¸t triÓn m¹nh ë ViÖt nam tõ nh÷ng n¨m 80 trë l¹i ®©y.
NhiÒu c¬ quan ®¬n vÞ, nhµ m¸y ®· tiÕn hµnh nghiªn cøu, chÕ t¹o thiÕt bÞ cho thuû ®iÖn
nhá. Hµng tr¨m tæ m¸y thuû ®iÖn víi tæng c«ng suÊt tíi hµng ngµn kW ®· ®−îc chÕ t¹o
vµ l¾p ®Æt, gãp phÇn ph¸t triÓn kinh tÕ-x· héi, xo¸ ®ãi gi¶m nghÌo cho ®ång bµo vïng
s©u, vïng xa. Tuy nhiªn, do c«ng t¸c nghiªn cøu, chÕ t¹o cßn nhiÒu h¹n chÕ nªn chÊt
l−îng thiÕt bÞ cßn ch−a b¶o ®¶m yªu cÇu, hiÖu suÊt thÊp, vËn hµnh kh«ng æn ®Þnh, tuæi
thä kÐm. Trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y, do khoa häc c«ng nghÖ ph¸t triÓn nªn chÊt l−îng
thiÕt bÞ ®· ®−îc c¶i thiÖn nhiÒu.
Tua bin xung kÝch 2 lÇn (XK2L) lµ mét lo¹i tua bin rÊt phï hîp víi thuû ®iÖn
nhá vµ ®· ®−îc thiÕt kÕ, chÕ t¹o vµ ®−a vµo vËn hµnh ë ViÖt nam tõ 1967, víi c«ng suÊt
1
ViÖn khoa häc thuû lîi
NC, thiÕt kÕ, chÕ t¹o & thö nghiÖm tua bin XK2L kiÓu CINK
®Ò tµi Kc07-04
tõ 5-60kW. §©y lµ lo¹i tua bin cã kÕt cÊu ®¬n gi¶n, dÔ chÕ t¹o, qu¶n lý vËn hµnh vµ
phï hîp víi ®iÒu kiÖn vµ tr×nh ®é ng−êi d©n ë miÒn nói . Tuy nhiªn, víi t×nh tr¹ng
chung ë giai ®o¹n tr−íc nªn còng kh«ng tån t¹i ®−îc l©u.
NhËn thÊy nh÷ng −u ®iÓm næi bËt cña lo¹i tua bin nµy, tõ n¨m 1992 Trung t©m
thuû ®iÖn - ViÖn khoa häc thuû lîi ®· ®· tËp trung nghiªn cøu, chÕ t¹o vµ l¾p ®Æt
kho¶ng h¬n 100 tr¹m thuû ®iÖn víi c«ng suÊt tõ 5kW ®Õn 200 kW ë c¸c tØnh miÒn nói.
KÕt qu¶ thùc tÕ cho thÊy r»ng c¸c tua bin ®Òu lµm viÖc æn ®Þnh, ®é bÒn kh¸ cao vµ ph¸t
huy rÊt hiÖu qu¶ vµo môc tiªu phôc vô s¶n xuÊt vµ sinh ho¹t cho ng−êi d©n ë miÒn nói .
Trung t©m còng kh«ng ngõng nghiªn cøu hoµn thiÖn lý thuyÕt, kÕt cÊu, kiÓu d¸ng vµ
quy tr×nh c«ng nghÖ chÕ t¹o ®Ó n©nng cao chÊt l−îng cña tua bin XK2L. Trong ®ã, viÖc
nghiªn cøu n©ng cao hiÖu suÊt vµ më réng ph¹m vi ho¹t ®éng cho lo¹i tua bin nµy lµ
mét trong nh÷ng môc tiªu cÇn nghiªn cøu gi¶i quyÕt.
§Ó gi¶i quyÕt môc tiªu ®ã, nhãm nghiªn cøu trong ®Ò tµi ®· tËp trung ngiªn cøu
nh÷ng néi dung chÝnh nh− sau:
1. Ph©n tÝch vµ ®¸nh gi¸ ph¹m vi sö dông tua bin XK2L;
2. Nghiªn cøu lý thuyÕt tua bin xung kÝch vµ tua bin XK2L kiÓu CINK;
3. Nghiªn cøu, thiÕt kÕ tua bin XK2L kiÓu CINK;
4. X©y dùng vµ hoµn thiÖn phÇn mÒm tÝnh to¸n, thiÕt kÕ tua bin XK2L;
5. Nghiªn cøu thùc nghiÖm vµ x©y dùng ®Æc tÝnh n¨ng l−îng cña tua bin XK2L
kiÓu CINK;
6. §¸nh gi¸ kÕt qu¶ nghiªn cøu thùc nghiÖm vµ kiÕn nghÞ.
2
ViÖn khoa häc thuû lîi
NC, thiÕt kÕ, chÕ t¹o & thö nghiÖm tua bin XK2L kiÓu CINK
®Ò tµi Kc07-04
Ch−¬ng I. tæng quan vµ ph¹m vi øng dông Tua bin XK2L
1.1. Tua bin xung kÝch 2 lÇn (XK2L) vµ qu¸ tr×nh ph¸t triÓn.
Tua bin XK2L (Cross - Flow Turbine) do mét kü s− ng−êi óc lµ
A.G.M.Michele ph¸t minh vµo n¨m 1903. Sau ®ã, mét gi¸o s− ng−êi Hungary lµ
Donat Banky ®· x©y dùng c¬ së lý thuyÕt t−¬ng ®èi hoµn chØnh vµo n¨m 1916 - 1919,
do vËy tua bin XK2L cßn ®−îc gäi lµ Tua bin Banky. N¨m 1922, kü s− ng−êi §øc lµ
K.L.Ossberger ®· nghiªn cøu, hoµn thiÖn vµ s¶n xuÊt réng r·i lo¹i tua bin nµy. H·ng
Ossberger ®· ®−a ra thÞ tr−êng h¬n 5000 tæ m¸y XK2L víi c«ng suÊt tõ 1 - 1000KW.
GÇn ®©y, n¨m 1993 -1994, gi¸o s− Nadim M.Aziz vµ nhiÒu gi¸o s− kh¸c cña tr−êng
§¹i häc CLEMSON (Mü) vÉn tiÕp tôc nghiªn cøu lý thuyÕt vµ b»ng thùc nghiÖm lo¹i
tua bin nµy vµ ®−a ra nhiÒu kÕt qu¶ nghiªn cøu míi vµ c¸c kÕt qu¶ thùc nghiÖm hÕt søc
quan träng.
H×nh 1. Tua bin XK2L
Tua bin XK2L lµ lo¹i tua bin kiÓu xung kÝch, sö dông thµnh phÇn n¨ng l−îng lµ
®éng n¨ng cña dßng ch¶y ®Ó chuyÓn hãa thµnh c¬ n¨ng trªn trôc quay cña tua bin.
Dßng ch¶y sau khi qua vßi phun cña tua bin sÏ ch¶y vµo b¸nh c«ng t¸c (BCT),
t¸c dông lªn BCT 2 lÇn vµ truyÒn toµn bé n¨ng l−îng cho BCT. Do vËy mµ tua bin nµy
®−îc gäi lµ Tua bin XK2L.
3
ViÖn khoa häc thuû lîi
NC, thiÕt kÕ, chÕ t¹o & thö nghiÖm tua bin XK2L kiÓu CINK
®Ò tµi Kc07-04
ë ViÖt Nam lo¹i tua bin nµy ®·®−îc chÕ t¹o tõ n¨m 1967 víi c«ng suÊt tõ tõng
tæ m¸y tõ 5KW ®Õn 60KW. Tuy nhiªn, do c«ng t¸c nghiªn cøu, thiÕt kÕ vµ chÕ t¹o lo¹i
tua bin nµy kh«ng ®−îc chó träng nªn trªn thùc tÕ cho thÊy lo¹i tua bin nµy ho¹t ®éng
víi hiÖu suÊt thÊp vµ tuæi thä thÊp, Ýt ®−îc sö dông trong thùc tÕ. Thay thÕ vµo ®ã, c¸c
tæ m¸y h−íng trôc vµ t©m trôc ®−îc khuyÕn khÝch chÕ t¹o vµ sö dông. VÝ dô, c¸c tæ
m¸y theo mÉu GANZ cña Hungari víi cét n−íc H = 10-20m, c«ng suÊt N ≈ 20KW
®−îc s¶n xuÊt hµng lo¹t t¹i Nhµ m¸y C«ng cô sè I, hoÆc c¸c tæ m¸y theo mÉu HL 360 -
WG-30, 42 (tua bin t©m trôc kiÓu buång chÝnh diÖn)... lµ nh÷ng tæ m¸y cã kÝch th−íc
lín, khã chÕ t¹o vµ gi¸ thµnh cao.
Tõ nh÷ng n¨m 1980, nh÷ng th«ng tin vÒ tua bin XK2L do mét sè h·ng cña
NhËt, §øc, CH SÐc, Trung Quèc, Mü... giíi thiÖu ®· ®−îc c¸c c¸n bé khoa häc cña
Trung t©m thuû ®iÖn (TTT§), ViÖn khoa häc thuû lîi ®Æc biÖt quan t©m. NhËn thÊy ®©y
lµ lo¹i tua bin rÊt thÝch hîp cho thuû ®iÖn nhá nh−ng ch−a cã c¬ quan nµo quan t©m
nghiªn cøu vµ chÕ t¹o lo¹i thiÕt bÞ nµy, TTT§ ®· tiÕn hµnh tËp hîp c¸c tµi liÖu nghiªn
cøu lý thuyÕt, tiÕn hµnh thùc nghiÖm vµ chÕ t¹o thö. C¸c tæ m¸y XK2L sau khi chÕ t¹o,
l¾p ®Æt vµ vËn hµnh ë c¸c tr¹m thuû ®iÖn ®· kh¼ng ®Þnh ®−îc kÕt qu¶ nghiªn cøu vµ
tÝnh to¸n lý thuyÕt vµ c«ng nghÖ chÕ t¹o lo¹i tua bin nµy. PhÇn nghiªn cøu tÝnh to¸n lý
thuyÕt, phÇn dÉn dßng vµ biªn d¹ng c¸nh BCT ®· ®−îc ®−a vµo nghiªn cøu trong mét
®Ò tµi KHCN cÊp Nhµ n−íc vµ mét sè kÕt qu¶ nghiªn cøu ®· ®−îc nghiÖm thu.
1.2. Ph¹m vi sö dông cña tua bin XK2L:
4
ViÖn khoa häc thuû lîi
NC, thiÕt kÕ, chÕ t¹o & thö nghiÖm tua bin XK2L kiÓu CINK
®Ò tµi Kc07-04
H×nh 2. BiÓu ®å sö dông tua bin XK2L cña h·ng Meiden (NhËt b¶n)
5
ViÖn khoa häc thuû lîi
NC, thiÕt kÕ, chÕ t¹o & thö nghiÖm tua bin XK2L kiÓu CINK
®Ò tµi Kc07-04
H×nh 3. BiÓu ®å sö dông tua bin XK2L cña C«ng ty KUBOTA (NhËt b¶n)
H×nh 4. BiÓu ®å sö dông tua bin XK2L cña Ossberger Corp. (§øc)
6
ViÖn khoa häc thuû lîi
NC, thiÕt kÕ, chÕ t¹o & thö nghiÖm tua bin XK2L kiÓu CINK
®Ò tµi Kc07-04
H×nh 5. BiÓu ®å sö dông tua bin XK2L cña Hitachi Corp. (NhËt B¶n)
7
ViÖn khoa häc thuû lîi
NC, thiÕt kÕ, chÕ t¹o & thö nghiÖm tua bin XK2L kiÓu CINK
®Ò tµi Kc07-04
H×nh 6. BiÓu ®å sö dông tua bin XK2L cña Fuji Electric Corp. (NhËt B¶n)
8
ViÖn khoa häc thuû lîi
NC, thiÕt kÕ, chÕ t¹o & thö nghiÖm tua bin XK2L kiÓu CINK
®Ò tµi Kc07-04
H×nh7. BiÓu ®å sö dông tua bin XK2L cña Linhai Corp. (Trung Quèc)
9
ViÖn khoa häc thuû lîi
NC, thiÕt kÕ, chÕ t¹o & thö nghiÖm tua bin XK2L kiÓu CINK
®Ò tµi Kc07-04
1.3. Nh÷ng −u ®iÓm vµ nh−îc ®iÓm cña tua bin XK2L trong thuû ®iÖn nhá vµ cùc
nhá
Trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y, tua bin XK2L ®−îc sö dông ngµy cµng réng r·i cho
c¸c tr¹m thuû ®iÖn nhá víi ph¹m vi sö dông:
+ Cét n−íc : H = 5 ÷ 200m
+ L−u l−îng: Q = 0,025 - 13 m3/s
+ C«ng suÊt N = 1 - 1500 KW
1.3.1. HiÖu suÊt
Mét ®Æc ®iÓm quan träng vµ næi bËt nhÊt cña tua bin XK2L lµ hiÖu suÊt rÊt phï
hîp cho thuû ®iÖn nhá. C¸c kÕt qu¶ nghiªn cøu vµ thùc nghiÖm tõ n−íc ngoµi cho thÊy
hiÖu suÊt ®Ønh cña tua bin XK2L cã thÊp h¬n c¸c lo¹i tua bin kh¸c (ηmax = 86%), vÝ
dô nh− tua bin t©m trôc (Francis) nh−ng bï l¹i lµ ph¹m vi cña vïng hiÖu suÊt cao rÊt
réng, do vËy mµ ®iÖn l−îng thu ®−îc cña tua bin XK2L cao h¬n so víi tua bin t©m
trôc. C¸c kÕt qu¶ nghiªn cøu gÇn ®©y nhÊt cña h·ng Entec (Thôy sÜ) cho thÊy hiÖu suÊt
lín nhÊt cña tua bin XK2L cã thÓ ®¹t ηmax = 86%, tuy hiÖu suÊt ®Ønh cã thÊp h¬n mét
vµi lo¹i tua bin kh¸c (ηmax = 87 ÷ 89%). Nh−ng do ph¹m vi vïng hiÖu suÊt cao réng
h¬n nªn tæng ®iÖn l−îng thu ®−îc cña tua bin XK2L cao h¬n so víi tua bin t©m trôc.
10
ViÖn khoa häc thuû lîi
NC, thiÕt kÕ, chÕ t¹o & thö nghiÖm tua bin XK2L kiÓu CINK
®Ò tµi Kc07-04
H×nh 8. So s¸nh ®−êng hiÖu suÊt cña tua bin XK2L vµ tua bin t©m trôc.
H×nh 9. Quan hÖ vÒ ®iÖn l−îng - thêi gian trong n¨m cña tua bin XK2L vµ
tua bin t©m trôc.
Nh×n vµo H×nh 1-8 vµ H×nh 1-9 ta thÊy r»ng tua bin t©m trôc cã hiÖu suÊt ®Ønh
cao h¬n tua bin XK2L, tuy nhiªn vïng hiÖu suÊt cao kh¸ hÑp nªn hiÖu suÊt sÏ gi¶m rÊt
11
ViÖn khoa häc thuû lîi
NC, thiÕt kÕ, chÕ t¹o & thö nghiÖm tua bin XK2L kiÓu CINK
®Ò tµi Kc07-04
nhanh khi l−u l−îng gi¶m. §Ó gi¶i thÝch ph¹m vi réng cña vïng hiÖu suÊt cao, xem
H×nh 1-10
H×nh 10: §−êng biÓu diÔn hiÖu suÊt cña tua bin XK2L ®−îc x©y dùng tõ
3 ®−êng hiÖu suÊt t−¬ng øng víi 1/3, 2/3 vµ ®Çy t¶i hay 1/3Q, 2/3Q
vµ toµn bé l−u l−îng Q.
ViÖc chia bÒ réng BCT lµm 2 phÇn cã bÒ réng 1/3 vµ 2/3 tæng chiÒu réng lµm
viÖc cho phÐp ®· lµm më réng vïng hiÖu suÊt cao cho tua bin XK2L.
Nh− vËy cã thÓ kÕt luËn r»ng, tua bin XK2L cã ®Æc tÝnh n¨ng l−îng rÊt tèt vµ rÊt
phï hîp ®èi víi thuû ®iÖn nhá.
12
ViÖn khoa häc thuû lîi
NC, thiÕt kÕ, chÕ t¹o & thö nghiÖm tua bin XK2L kiÓu CINK
®Ò tµi Kc07-04
1.3.2. §é bÒn:
Mét ®Æc ®iÓm kh¸ quan träng trong kÕt cÊu cña tua bin XK2L lµ kh«ng xuÊt
hiÖn thµnh phÇn lùc däc trôc, do vËy trong tua bin XK2L kh«ng xuÊt hiÖn sù ph¸ vì æ
®ì do lùc qu¸ lín nh− c¸c lo¹i tua-bin kh¸c. Trong thiÕt kÕ vµ chÕ t¹o tua bin XK2L
th−êng sö dông æ bi ®ì b×nh th−êng, trong khi nhiÒu lo¹i tua-bin kh¸c ph¶i dïng æ
tr−ît víi cÊu tróc æ vµ kÕt cÊu b«i tr¬n kh¸ phøc t¹p vµ ®¾t tiÒn. B¸nh c«ng t¸c ®−îc gia
c«ng chÕ t¹o b»ng kÕt cÊu hµn, ®−îc gia c−êng bëi c¸c v¸ch t¨ng cøng, sö dông vËt liÖu
thÐp kh«ng gØ…nªn cã ®é bÒn kh¸ cao.
Theo kÕt cÊu truyÒn thèng vµ mét sè kÕt cÊu míi th× hÖ thèng c¸nh h−íng n−íc
cña tua bin XK2L rÊt ®¬n gi¶n (chØ cã 1 c¸nh h−íng), do vËy Ýt bÞ háng hãc so víi hÖ
c¸nh h−íng nhiÒu c¸nh (8 ÷ 20 c¸nh) cña c¸c lo¹i tua bin kh¸c.
KÕt cÊu vá ch¾c ch¾n, ®−îc ®Þnh vÞ rÊt dÔ dµng cho th¸o l¾p, söa ch÷a nªn còng
n©ng cao ®é bÒn cña tæ m¸y.
Víi c¸c ®Æc ®iÓm ®¬n gi¶n vµ ch¾c ch¾n trong kÕt cÊu, tua bin XK2L cã ®é bÒn
cao, ®¶m b¶o ho¹t ®éng æn ®Þnh vµ l©u dµi.
1.3.3. Gi¸ thµnh chÕ t¹o:
C«ng nghÖ chÕ t¹o tua bin XK2L ®¬n gi¶n h¬n rÊt nhiÒu so víi c¸c lo¹i tua bin
kh¸c.
Tæng kÕt qu¸ tr×nh chÕ t¹o cho thÊy, gi¸ thµnh chÕ t¹o tua-bin XK2L b»ng 50%
÷ 70% so víi tua bin kh¸c cïng c«ng suÊt.
KÕt cÊu vá b»ng thÐp hµn dÔ dµng cho chÕ t¹o ®¬n chiÕc. ViÖc sö dông æ bi cho
c¸c tæ m¸y c«ng suÊt lín còng lµm gi¶m ®¸ng kÓ gi¸ thµnh chÕ t¹o vµ l¾p r¸p.
Víi kÕt cÊu gän nhÑ vµ dÔ th¸o, l¾p nªn viÖc vËn chuyÓn thuËn lîi, ®Æc biÖt cho
nh÷ng vïng giao th«ng cßn khã kh¨n.
Do cÊu tróc ®èi xøng 2 ®Çu trôc, nªn bè trÝ thiÕt bÞ tèn Ýt diÖn tÝch vµ lµm gi¶m
gi¸ thµnh x©y dùng nhµ tr¹m.
Do lùc ®ãng më c¸nh h−íng nhá, còng lµm gi¶m ®¸ng kÓ gi¸ thµnh cña ®iÒu tèc
tù ®éng.
13
ViÖn khoa häc thuû lîi
NC, thiÕt kÕ, chÕ t¹o & thö nghiÖm tua bin XK2L kiÓu CINK
®Ò tµi Kc07-04
1.3.4. H¹n chÕ cña tua bin XK2L
Theo c¸ch ph©n lo¹i truyÒn thèng th× tua bin XK2L lµ lo¹i tua bin xung kÝch tû
tèc thÊp nªn sè vßng quay thÊp. ë nh÷ng tr¹m cã cét n−íc thÊp ph¶i cã bé truyÒn
®éng, do vËy lµm t¨ng gi¸ thµnh chÕ t¹o tæ m¸y. ë c¸c n−íc c«ng nghiÖp tiªn tiÕn, c¸c
tr¹m thuû ®iÖn cét n−íc thÊp dïng tua bin XK2L ®Òu sö dông bé truyÒn b¸nh r¨ng nèi
víi m¸y ph¸t tiªu chuÈn cã vßng quay n = 1000-1500 v/phót.
Do cã nhiÒu −u ®iÓm so víi c¸c lo¹i tua bin kh¸c nªn nh÷ng n¨m gÇn ®©y, tua
bin XK2L ngµy cµng ®−îc sö dông réng r·i cho thuû ®iÖn nhá vµ thuû ®iÖn cùc nhá.
Nh×n chung, c¸c tr¹m thuû ®iÖn nhá sö dông tua bin XK2L ®Òu vËn hµnh æn ®Þnh vµ
gãp phÇn ®¸ng kÓ vµo viÖc n©ng cao ®êi sèng vËt chÊt vµ tinh thÇn cho ®ång bµo c¸c
tØnh vïng s©u, vïng xa cña c¶ n−íc. HiÖn nay, nhiÒu phßng thÝ nghiÖm vµ c¸c c¬ quan
nghiªn cøu ë mét sè n−íc vÉn tiÕp tôc nghiªn cøu ®Ó n©ng cao hiÖu qu¶ vµ më réng
ph¹m vi sö dông lo¹i tua bin nµy.
1.4. KÕt luËn
Qua nh÷ng ph©n tÝch ë trªn cho thÊy r»ng, tua bin XK2L lµ lo¹i tua bin ®−îc sö
dông trªn rÊt réng r·i ë trªn thÕ giíi cho thñy ®iÖn nhá. Víi nh÷ng −u ®iÓm vÒ hiÖu
suÊt, kÕt cÊu, ®é bÒn vµ c«ng nghÖ chÕ t¹o cña lo¹i tua bin nµy, cã thÓ nãi r»ng tua bin
XK2L …rÊt phï hîp víi ®iÒu kiÖn vÒ kinh tÕ, tr×nh ®é c«ng nghÖ cña ViÖt Nam. ë
ViÖt Nam, nÕu ¸p dông nh÷ng c«ng nghÖ chÕ t¹o thÝch hîp, qu¶n lý vËn hµnh tèt th×
tua bin XK2L sÏ ph¸t huy ®−îc nh÷ng −u ®iÓm næi bËt cña nã ®èi víi c¸c dù ¸n thñy
®iÖn nhá, mµ hiÖn nay ®ang ®−îc Nhµ n−íc vµ c¸c tæ chøc quèc tÕ nh− WB, NEF,
UNDP tæ chøc thùc hiÖn t¹i ViÖt Nam.
14
ViÖn khoa häc thuû lîi
NC, thiÕt kÕ, chÕ t¹o & thö nghiÖm tua bin XK2L kiÓu CINK
®Ò tµi Kc07-04
Ch−¬ng II. lý thuyÕt tua bin xung kÝch
Nh− ®· tr×nh bµy ë trªn, tua bin XK2L ®−î c ph©n lo¹i nh− lµ mét tua bin xung
kÝch. Do vËy, tr−íc khi nghiªn cøu vÒ tua bin XK2L, chóng t«i sÏ ®i vµo nghiªn cøu c¬
së lý thuyÕt cña tua bin xung kÝch v× ®ã lµ c¬ së lý thuyÕt ban ®Çu ®Ó x©y dùng vµ ph¸t
triÓn tua bin XK2L.
2.1. Cét n−íc, l−u l−îng, c«ng suÊt vµ hiÖu suÊt
C«ng suÊt tua bin tû lÖ thuËn víi l−îng chÊt láng ch¶y qua nã trong mét ®¬n vÞ
thêi gian, hiÖu sè tû n¨ng dßng ch¶y tr−íc vµ sau tua bin vµ hiÖu suÊt cña nã.
L−îng chÊt láng ch¶y qua trong mét ®¬n vÞ thêi gian ®o b»ng l−u l−îng Q l/s
hoÆc m3/s.
N¨ng l−îng mét ®¬n vÞ träng l−îng chÊt láng (tû n¨ng) ë cao tr×nh mùc n−íc
th−îng l−u (h×nh 11).
P Cb2
b
Eb =
+
+ Zb
(2.1)
γ
2g
ë cao tr×nh mùc n−íc h¹ l−u:
PH CH2
EH =
+
+ ZH
(2.2)
γ
2g
Trong ®ã: Zb, ZH - cao ®é mùc n−íc th−îng l−u vµ h¹ l−u so víi mÆt chuÈn so
s¸nh . 0- 0.
γ- Träng l−îng riªng cña n−íc.
HiÖu sè n¨ng l−îng Eb vµ EH lµ cét n−íc toµn phÇn cña tr¹m thuû ®iÖn.
P − PH Cb2 − CH2
b
Hδ = Eb = EH =
+
+ Zb − ZH
(2.3)
γ
2g
Mùc n−íc th−îng l−u vµ h¹ l−u ë ¸p suÊt khÝ quyÓn do ®ã:
P = PH = P
b
at`
15
ViÖn khoa häc thuû lîi
NC, thiÕt kÕ, chÕ t¹o & thö nghiÖm tua bin XK2L kiÓu CINK
®Ò tµi Kc07-04
VËn tèc n−íc ch¶y ë th−îng l−u vµ h¹ l−u th−êng kh«ng lín vµ chóng kh«ng kh¸c
nhau bao nhiªu, cã nghÜa lµ:
Cb ≈ CH
Do ®ã cét n−íc toµn phÇn Hδ (2.3) thùc tÕ b»ng hiÖu sè mùc n−íc th−îng l−u vµ
h¹ l−u.
Hδ = Eb − EH = Zb − ZH
Nh−ng tua bin kh«ng thÓ sö dông toµn bé cét n−íc toµn phÇn Hδ. Mét phÇn
n¨ng l−îng ∆Hn tiªu hao do tæn thÊt däc ®−êng vµ tæn thÊt côc bé trªn ®−êng dÉn vµ
®−êng èng ¸p lùc mµ trong tr−êng hîp tua bin ph¶n kÝch cét n−íc cao chóng cã chiÒu
dµi lín, vµ tiªu hao trªn c¸c bé phËn dÉn dßng mµ nh÷ng bé phËn nµy kh«ng thuéc vµo
c¸c bé phËn cña tua bin. Mét phÇn kh¸c ∆Hn (chØ ®èi víi tua bin xung kÝch) bÞ mÊt ®i
do ®é cao ®Æt BXCT cao h¬n mùc n−íc h¹ l−u.
Nh− vËy cét n−íc mµ tua bin sö dông cã thÓ viÕt d−íi d¹ng.
H = Hδ − ∆Hn − ∆Hn
(2.4)
Cét n−íc tèt nhÊt lµ trùc tiÕp x¸c ®Þnh b»ng hiÖu tû n¨ng dßng ch¶y tr−íc vµ sau
tua bin. Tr−íc tua bin ë tiÕt diÖn cöa vµo 1:
P
C21
1
E1 =
+
+ Z1
(2.5)
γ
2g
TiÕt diÖn cöa vµo lÊy ë ®o¹n èng th¼ng cña ®−êng èng n»m gi÷a van vµ bé phÇn
dÉn dßng. Gi¶ thiÕt l−u tèc vµ ¸p su©t ®−îc ph©n bè ®Òu trªn toµn tiÕt diÖn nµy. Nh−
vËy P1, C1 lµ ¸p suÊt, vËn tèc t¹i tiÕt diÖn 1, Z1 - cao tr×nh trung t©m tiÕt diÖn 1.
NÕu Q lµ l−u l−îng ch¶y qua tua bin th×:
Q
C1 =
(2.6)
F
1
Trong ®ã: F1 - diÖn tÝch tiÕt diÖn 1.
¸p suÊt P1 ®−îc ®o b»ng ¸p kÕ. NÕu ¸p kÕ ®Æt cao h¬n t©m tiÕt diÖn 1 mét
kho¶ng a1 th×:
16
ViÖn khoa häc thuû lîi
NC, thiÕt kÕ, chÕ t¹o & thö nghiÖm tua bin XK2L kiÓu CINK
®Ò tµi Kc07-04
P
Pm1
1
=
+ a1
(2.7)
γ
γ
Trong ®ã: Pm1 - chØ sè cña ¸p kÕ.
Tû n¨ng dßng ch¶y sau tua bin ph¶n kÝch ®−îc x¸c ®Þnh t¹i tiÕt diÖn cöa ra cña
èng hót. V× trÞ sè ®éng n¨ng cña dßng ch¶y khi ra khái tua bin phô thuéc vµo kÕt cÊu
tua bin (tua bin cµng hoµn thiÖn th× ®¹i l−îng nµy cµng nhá) nÕu tû n¨ng cña dßng ch¶y
ra khái tua bin chØ tÝnh phÇn thÕ n¨ng cßn toµn bé phÇn ®éng n¨ng ®−îc tÝnh lµ tæn
thÊt cña tua bin. §èi víi tua bin ph¶n kÝch tÝnh nh− vËy ë møc ®é nhÊt ®Þnh chØ lµ gi¶
®Þnh bëi v× vËn tèc cöa ra ngay c¶ vÒ mÆt lý thuyÕt còng kh«ng thÓ b»ng kh«ng.
ë c¸c tua bin xung kÝch, tû n¨ng dßng ch¶y ë cöa ra ®−îc x¸c ®Þnh khi dßng
ch¶y ra khái c¸nh BXCT, ë ®ã vËn tèc tuyÖt ®èi vÒ lý thuyÕt cã thÓ b»ng kh«ng. V× vËy
trong tr−êng hîp nµy cã c¬ së ®Ó lÊy C2 = 0. ¸p cöa ra lµ ¸p suÊt khÝ quyÓn vµ nÕu sö
dông ¸p suÊt d− th× P2 = 0.
Nh− vËy: E2 = Z2
(2.8)
(2.9)
Pm1 C12
H = E1 − E2 = Z1 + a1 − Z2 +
+
vµ :
γ
2g
ë ®©y Z2 cao ®é cña ®iÓm dßng ch¶y ra khái BXCT.
Nh−ng dßng ch¶y ra khái BXCT kh«ng ph¶i qua mét ®iÓm mµ däc theo c¸c l¸
c¸nh cña BXCT. Ngoµi ra c¸nh BXCT l¹i chuyÓn ®éng kh«ng ngõng vµ c¸c ®iÓm ra
thùc tÕ còng thay ®æi. Do ®ã cao ®é ®iÓm cöa ra tÝnh to¸n ®−îc lÊy ë mét ®iÓm trung
b×nh nµo ®ã: ë tua bin trôc ngang lÊy ë giao ®iÓm cña trôc dßng phun víi ®−êng b¸n
kÝnh BXCT vu«ng gãc víi nã.
C«ng suÊt cña dßng ch¶y qua tua bin:
γQH
102
NH =
= 9,81QH
KW
(2.10)
(2.11)
Trong ®ã: γ = 100 Kg/m3; Q - m3/s.
C«ng suÊt cña tua bin:
N = NH.η = 9,81.QHη
17
ViÖn khoa häc thuû lîi
NC, thiÕt kÕ, chÕ t¹o & thö nghiÖm tua bin XK2L kiÓu CINK
®Ò tµi Kc07-04
Trong ®ã: η - hiÖu suÊt tua bin.
B¸nh xe c«ng t¸c cña tua bin xung kÝch chØ sö dông ®éng n¨ng cña chÊt láng.
Do ®ã c¬ cÊu h−íng n−íc tua bin cÇn ph¶i biÕn ®æi thÕ n¨ng cña chÊt láng thµnh ®éng
n¨ng. Xem tæn thÊt trong bé phËn ph©n dßng lµ ∆HK ta cã cét n−íc tr−íc c¬ cÊu h−íng
n−íc lµ:
He = H − ∆HK
(2.12)
§éng n¨ng dßng ch¶y khi ra khái vßi phun ®−îc x¸c ®Þnh;
C2
= Hc.ηc
2g
ë ®©y c - vËn tèc dßng phun; ηc - hiÖu suÊt cña vßi phun.
Tõ ®©y ta cã c«ng thøc Torichell vÒ sù chÈy cña chÊt láng d−íi cét n−íc kh«ng
®æi:
C1 = 2gHcηx =ϕ 2gHc
(2.13)
ϕ = η
ë ®©y
- hÖ sè l−u tèc
c
Vßi phun cña tua bin XK2L cã d¹ng h×nh ch÷ nhËt vµ dßng phun sÏ cã tiÕt diÖn
h×nh ch÷ nhËt, ®iÒu ®ã sÏ phï hîp h¬n víi h×nh d¹ng cña c¸nh.
Trong c¸c thÝ nghiÖm tr−íc ®©y cho thÊy r»ng nh÷ng dßng phun tõ c¸c vßi nh−
vËy biÕn d¹ng nhiÒu trªn ®o¹n ch¶y tù do trong khÝ quyÓn v× chÞu ¶nh h−ëng cña lùc
kÐo mÆt. TiÕt diÖn dßng phun bÞ thu nhá theo chiÒu chuyÓn ®éng vµ do ®ã sÏ bÞ mÊt
mét phÇn n¨ng l−îng. Sù chuyÓn ®éng vßng cña chÊt láng trong c¸nh sÏ xÊu ®i. MÆc
dï vËy, ë c¸c tua bin XK2L vµ c¸c lo¹i tua bin ph¶n kÝch kh¸c, tiÕt diÖn dßng phun
ph¶i cã d¹ng h×nh ch÷ nhËt.
2.2. T¸c dông t−¬ng hç gi÷a dßng tia vµ tÊm b¶n
T¸c dông t−¬ng hç cña dßng tia lªn b¶n ph¼ng cè ®Þnh vu«ng gãc víi dßng tia:
Gi¶ thiÕt chÊt láng lµ lý t−ëng, cã thÓ coi trÞ sè tuyÖt ®èi cña chÊt láng khi ra
khái b¶n (v2) b»ng trÞ sè vËn tèc tuyÖt ®èi cña vËn tèc dßng tia ban ®Çu(v1). Dßng tia
t¸c dông lªn b¶n ph¼ng víi lùc P. Ta cã ph−¬ng tr×nh biÕn thiªn ®éng l−îng:
18
ViÖn khoa häc thuû lîi
NC, thiÕt kÕ, chÕ t¹o & thö nghiÖm tua bin XK2L kiÓu CINK
®Ò tµi Kc07-04
γ
g
γ
g
2
1
P = k − k = Q(v − v ) = v f
1x 2x 1x 2x
(2.14)
Trong ®ã:
k1x, k2x - ®éng l−îng theo chiÒu dßng tia tr−íc vµ sau tÊm b¶n
(theo ph−¬ng x).
v1x, v2x- h×nh chiÕu vËn tèc lªn chiÒu dßng tia tr−íc vµ sau khi gÆp
tÊm b¶n.
f - diÖn tÝch ®éng mÆt c¾t ngang phun.
Sù ph©n bè ¸p suÊt trªn tÊm b¶n theo thùc nghiÖm nh− h×nh 2.1:
V2
II
II
I
V1
x
P
0
f
I
V2
II
II
0.991V12/2g
H×nh 11: S¬ ®å dßng tia ch¶y lan trªn mÆt b¶n cè ®Þnh
kÝch th−íc kh«ng giíi h¹n ®Æt vu«ng gãc víi trôc dßng tia.
Trong tr−êng hîp tæng qu¸t h¬n xÐt b¶n cong cã kÝch th−íc h¹n chÕ ®èi
xøng nh− s¬ ®å H×nh 12.
Nh− trªn ta cã:
γQ
g
P =
(v1x − v2x )
(2.15)
19
ViÖn khoa häc thuû lîi
NC, thiÕt kÕ, chÕ t¹o & thö nghiÖm tua bin XK2L kiÓu CINK
®Ò tµi Kc07-04
V2
f1
V1
x
f
V2
β
H×nh 12: S¬ ®å dßng tia ch¶y lªn tÊm b¶n cong ®èi xøng
ë ®©y: v1x = v; v2x = v1x.cosβ
γQv
γv12
Do ®ã:
P =
1 (1− cosβ) =
f (1− cosβ)
(2.16)
g
g
Tõ c«ng thøc nµy ta thÊy r»ng lùc P sÏ lín nhÊt khi β = 1800 vµ trong tr−êng hîp
nµy:
2γv12
P =
f
(2.17)
g
NÕu f1 lµ h×nh chiÕu cña b¶n cong lªn ph−¬ng vu«ng gãc víi x, ¸p lùc trung b×nh
lªn tÊm b¶n lµ:
2v12 f
p
hp =
=
(2.18)
(2.19)
f1γ
gf1
v12
v× hp ≤ H =
suy ra f1 ≥ 4f
2g
Tõ ®©y ta thÊy r»ng ®Ó ®¹t yªu cÇu t¸c dông cña dßng ch¶y lªn tÊm b¶n,
diÖn tÝch h×nh chiÕu cña b¶n lªn ph−¬ng vu«ng gãc dßng tia ph¶i lín h¬n 4 lÇn
diÖn tÝch tiÕt diÖn dßng tia. Nguyªn t¾c lý thuyÕt nµy ®−îc sö dông ®Ó lùa chän
kÝch th−íc cña BCT tua bin xung kÝch.
20
ViÖn khoa häc thuû lîi
NC, thiÕt kÕ, chÕ t¹o & thö nghiÖm tua bin XK2L kiÓu CINK
®Ò tµi Kc07-04
Trªn ®©y ta ®· nãi ®Õn lùc t¸c dông t−¬ng hç gi÷a dßng tia vµ tÊm b¶n. Sù
t¸c ®éng nµy sÏ ®¬n thuÇn lµ lùc vµ kh«ng cã sù trao ®æi n¨ng l−îng nÕu nh− tÊm
b¶n ®øng yªn. Muèn cho tÊm b¶n nhËn ®−îc n¨ng l−îng tõ dßng tia, nã ph¶i
chuyÓn ®éng víi vËn tèc u nµo ®ã (s¬ ®å trªn H×nh 13).
Lóc nµy vËn tèc cña dßng tia so víi tÊm b¶n:
w = c – u
Trong ®ã: u – vËn tèc theo
(2.20)
c – vËn tèc tuyÖt ®èi.
Sau mét ®¬n vÞ thêi gian, khèi l−îng n−íc ch¶y lªn tÊm b¶n lµ:
γ
m = f .w
g
(2.21)
W
f1
C
x
u
f
W
β
H×nh 13: S¬ ®å dßng tia lªn tÊm b¶n cong
®ang chuyÓn ®éng theo trôc cña dßng tia.
§éng l−îng ban ®Çu:
γ
g
k1 = fwc1
(2.22)
(2.23)
VËn tèc tuyÖt ®èi khi ra:
c2 =u + w.cosβ
21
ViÖn khoa häc thuû lîi
NC, thiÕt kÕ, chÕ t¹o & thö nghiÖm tua bin XK2L kiÓu CINK
®Ò tµi Kc07-04
§éng l−îng cuèi cïng lµ:
γ
g
k2 = fw(u + wcos β)
(2.24)
Tõ ®©y, theo (2.13) ta cã:
γf
g
γf
P = k1 − k2 = w(c1 − u − wcos β) = (c − u)2 (1− cos β)
(2.25)
(2.26)
(2.27)
g
C«ng suÊt do lùc P sinh ra:
γf
Nn = P.u = (c − u)2 u(1− cosβ)
g
C«ng suÊt cña dßng tia:
c2
γc2
2g
Nz =
γQ =
f
2g
HiÖu suÊt thñy lùc:
2(c − u)2 (1− cosβ)u
Nn
ηth =
=
(2.28)
c3
Nz
§Ó η ®¹t max, ®¹o hµm vÕ tr¸i theo u ta cã:
(c - u)2 - 2u(c - u) = 0
c
suy ra utu =
(vËn tèc tèi −u)
(2.29)
(2.30)
3
8
Thay vµo ta cã
ηth
=
(1− cosβ)
max
27
HiÖu suÊt cùc ®¹i ηth max cã gi¸ trÞ lín nhÊt khi β = 1800
16
ηth
=
<<1
(2.31)
max
27
§iÒu nµy ®−îc gi¶i thÝch r»ng khi tÊm b¶n dÞch chuyÓn ra xa n¬i xuÊt ph¸t
dßng tia, chØ cã mét phÇn chÊt láng t¸c dông ®−îc lªn nã, l−u l−îng cña phÇn
22
ViÖn khoa häc thuû lîi
NC, thiÕt kÕ, chÕ t¹o & thö nghiÖm tua bin XK2L kiÓu CINK
®Ò tµi Kc07-04
chÊt láng nµy tû lÖ víi vËn tèc t−¬ng ®èi w = c - u. NÕu u cµng nhá, lùc t¸c dông
lªn tÊm b¶n cµng lín nh−ng khi u = 0 chÊt láng sÏ kh«ng truyÒn n¨ng l−îng cho
tÊm b¶n n÷a. Muèn cho tÊm b¶n nhËn toµn bé n¨ng l−îng cña dßng tia th× vßi
phun còng ph¶i chuyÓn ®éng víi vËn tèc u. Khi ®ã sau mét ®¬n vÞ thêi gian dßng
ch¶y lªn tÊm b¶n víi mét khèi l−îng lµ:
γ
g
m = fc
(2.32)
(2.29)
(2.33)
γ
k1 = fc2
g
§éng l−îng ban ®Çu:
γ
§éng l−îng cuèi:
k2 = fc(u + wcosβ)
g
Tõ ®©y ta cã:
γ
γ
γ
P = fc(c − u − wcosβ) = fc[c − u − (c − u)cosβ] = fc(c − u)(1− cosβ)
g
g
g
(2.34)
Lóc nµy c«ng suÊt do lùc sinh ra:
γ
Nn = Pu = fc(c − u)u(1− cosβ)
(2.35)
g
HiÖu suÊt thñy lùc:
2(c − u)u(1− cosβ)
ηth =
(2.36)
(2.37)
(2.38)
c2
c
còng t−¬ng tù nh− trªn ta t×m ®−îc u tèi −u:
utu =
2
1
HiÖu suÊt cùc ®¹i lóc nµy lµ:
ηth
= (1− cosβ)
max
2
Khi β = 1800 th× ηth max = 1
23
ViÖn khoa häc thuû lîi
NC, thiÕt kÕ, chÕ t¹o & thö nghiÖm tua bin XK2L kiÓu CINK
®Ò tµi Kc07-04
Nh− vËy vÒ mÆt lý thuyÕt, tÊm b¶n cã thÓ nhËn toµn bé n¨ng l−îng dßng
tia. KÕt luËn nµy mang ý nghÜa vÒ nguyªn t¾c ®èi víi tua bin xung kÝch.
B©y giê ta xÐt tr−êng hîp kh¸c khi tÊm b¶n chuyÓn ®éng víi vËn tèc u t¹o
nªn mét gãc α nµo ®ã so víi vËn tèc cña dßng tia (H×nh 14):
Tõ tam gi¸c vËn tèc t¹i cöa vµo ta x¸c ®Þnh trÞ sè cña vËn tèc t−¬ng ®èi:
w = c2 + u2 − 2ucosα
w1
u
β1
α
c
u
w2
c2
u
β2
H×nh 14. S¬ ®å dßng tia lªn tÊm b¶n cong
®ang chuyÓn ®éng d−íi mét gãc so víi trôc cña dßng tia
§Ó tho¶ m·n yªu cÇu vÒ ®iÒu kiÖn ch¶y vµo cña dßng tia, h−íng cña w
ph¶i trïng víi tiÕp tuyÕn cña tÊm b¶n. Gãc β1 biÓu thÞ h−íng cña vËn tèc t−¬ng
®èi w1 víi h−íng chuyÓn ®éng cña b¶n ®−îc x¸c ®Þnh tõ tam gi¸c vËn tèc cöa
vµo:
sinβ1 c1
=
(2.39)
sinα w1
VËy ®éng l−îng ban ®Çu theo h−íng chuyÓn ®éng cña b¶n lµ:
24
ViÖn khoa häc thuû lîi
NC, thiÕt kÕ, chÕ t¹o & thö nghiÖm tua bin XK2L kiÓu CINK
®Ò tµi Kc07-04
γ
k1 = .Q.c.cosα
(2.40)
g
§éng l−îng cuèi theo h−íng ®ã:
γ
k2 = .Q.(u + w.cosβ2 )
(2.41)
g
Lùc t¸c ®éng lªn b¶n theo h−íng chuyÓn ®éng:
γQ
γQ
P =
(c.cosα − u − w.cosβ2 ) =
(c.cosα - u − cosβ2 c2 + u2 − 2.c.u.cosα)
g
g
(2.42)
C«ng suÊt do lùc P sinh ra:
γQ
Nn = P.u =
.u.(c.cosα - u − cosβ2 c2 + u2 − 2.c.u.cosα)
(2.43)
g
HiÖu suÊt thñy lùc sÏ lµ:
2.u.(c.cosα - u − cosβ2 c2 + u2 - 2.c.u.cosα)
ηth =
(2.44)
c2
Lùc t¸c ®éng theo h−íng vu«ng gãc víi chuyÓn ®éng còng x¸c ®Þnh t−¬ng
tù:
γQ
P =
(c.sin α − sinβ2 c2 + u2 − 2.c.u.cosα)
(2.45)
g
Trªn ®©y lµ c¸c ph−¬ng tr×nh lý thuyÕt cã ý nghÜa trong viÖc ph©n tÝch qu¸
tr×nh lµm viÖc cña tua bin XK2L.
25
ViÖn khoa häc thuû lîi
NC, thiÕt kÕ, chÕ t¹o & thö nghiÖm tua bin XK2L kiÓu CINK
®Ò tµi Kc07-04
Ch−¬ng III. tæng quan nghiªn cøu lý thuyÕt
tua bin XK2L vµ XK2L kiÓu CINK
3.1. Lý thuyÕt d¬n gi¶n cña tua bin XK2L
Lý thuyÕt c¬ b¶n vÒ tua bin xung kÝch 2 lÇn - XK2L ®−îc gi¸o s− ng−êi
Hungary lµ §onat Banky x©y dùng vµ ®−a ra vµo n¨m 1920. Cã thÓ nãi r»ng ®©y lµ lý
thuyÕt kinh ®iÓn vÒ lo¹i tua bin nµy, vµ cho ®Õn nay lý thuyÕt nµy vÉn gi÷ nguyªn gi¸
trÞ cña nã. Tuy nhiªn qua tham kh¶o c¸c tµi liÖu hiÖn cã ë ViÖt Nam, Trung Quèc th×
ch−a cã tµi liÖu nµo tr×nh bµy s©u vÒ lý thuyÕt cña lo¹i tua bin nµy. HÇu hÕt c¸c tµi liÖu
chØ dõng l¹i ë møc ®é tÝnh to¸n c¸c th«ng sè c¬ b¶n, hiÖu suÊt vµ c¸ch x©y dùng h×nh
häc cho b¸nh c«ng t¸c ( BCT ) vµ phÇn dÉn dßng mµ ch−a nªu râ c¬ së tÝnh to¸n, thiÕt
kÕ vµ lùa chän c¸c th«ng sè. Do vËy trong phÇn lý thuyÕt c¬ b¶n nµy sÏ xin tr×nh bµy râ
c¸c lý thuyÕt c¬ b¶n cña tua bin XK2L.
3.1.1. M« t¶ tua bin XK2L
Tua bin XK2L lµ lo¹i tua bin xung kÝch, sö dông thµnh phÇn n¨ng l−îng lµ ®éng
n¨ng cña dßng ch¶y ®Ó chuyÓn hãa n¨ng l−îng ®ã thµnh c¬ n¨ng trªn trôc quay cña tua
bin.
Tua bin XK2L gåm 2 bé phËn chÝnh: Vßi phun (phÇn dÉn dßng) vµ B¸nh xe
c«ng t¸c (phÇn c«ng t¸c)
KiÓu Osseberger
KiÓu CINK
H×nh 15. CÊu t¹o chung tua bin XK2L
Vßi phun: cã tiÕt diÖn ngang lµ h×nh ch÷ nhËt, biªn d¹ng lµ ®−êng th©n khai, 1
cung trßn hoÆc 2 cung trßn.
26
ViÖn khoa häc thuû lîi
NC, thiÕt kÕ, chÕ t¹o & thö nghiÖm tua bin XK2L kiÓu CINK
®Ò tµi Kc07-04
Vßi phun cã nhiÖm vô h−íng dßng ch¶y tõ èng ¸p lùc vµo BCT sao cho kh«ng g©y ra
tæn thÊt cho qu¸ tr×nh truyÒn n¨ng l−îng cho BCT. Ngoµi ra vßi phun cßn cã nhiÖm
vô ®iÒu chØnh l−u l−îng vµo BCT trong qu¸ tr×nh lµm viÖc theo phô t¶i yªu cÇu vµ
®ãng kÝn hoµn toµn dßng ch¶y khi tæ m¸y kh«ng lµm viÖc.
• B¸nh c«ng t¸c (BCT): Lµ mét b¸nh xe h×nh trô gåm 2 ®Üa chÝnh, trªn ®ã cã g¾n
c¸c l¸ c¸nh trô. Ngoµi ra, ®èi víi mét sè BCT cã bÒ réng lín th× cã thªm mét sè
®Üa c¸nh máng phô nh»m t¨ng ®é cøng v÷ng vµ æn ®Þnh khi tæ m¸y lµm viÖc.
BCT cã nhiÖm vô chuyÓn hãa n¨ng l−îng dßng ch¶y thµnh c¬ n¨ng trªn trôc
quay tua bin. Dßng tia ®i qua BCT sau 2 lÇn t¸c dông lªn c¸c l¸ c¸nh sÏ truyÒn
toµn bé n¨ng l−îng cho BCT.
Ngoµi ra, mét sè tua bin XK2L cña mét sè h·ng sau nµy cßn l¾p thªm phÇn èng
hót ®Ó tËn dông thµnh phÇn n¨ng l−îng thÕ n¨ng sau BCT.
Nh− vËy, nh×n chung tua bin XK2L cã kÕt cÊu t−¬ng ®èi ®¬n gi¶n h¬n c¸c lo¹i
tua bin kh¸c rÊt nhiÒu, vµ nh− ®· tr×nh bµy ë ch−¬ng 2 th× ph¹m vi sö dông cña nã
t−¬ng ®èi réng, do vËy lo¹i tua bin nµy mang l¹i hiÖu qu¶ kinh tÕ tæng hîp kh¸ cao.
3.1.2. ChuyÓn ®éng cña dßng ch¶y qua BCT:
§Æc ®iÓm c¬ b¶n cña tua bin XK2L lµ dßng ch¶y tõ mòi phun vµo BCT sÏ t¸c
dông lªn c¸c l¸ c¸nh 2 cña BCT. C¸c tµi liÖu nghiªn cøu vµ thùc nghiÖm míi nhÊt cña
tr−êng §¹i häc Clemson (Mü) cho thÊy c«ng suÊt ®−îc truyÒn cho BCT chñ yÕu ë lÇn
t¸c dông thø nhÊt, tøc lµ kho¶ng 75- 80% n¨ng l−îng cña dßng ch¶y truyÒn cho BCT ë
lÇn "va ®Ëp" thø nhÊt. Do vËy lo¹i tua bin nµy lµ lo¹i tua bin cã 2 cÊp vËn tèc, chÊt láng
chØ ®iÒn ®Çy mét phÇn cña BCT trong mét thêi ®iÓm nhÊt ®Þnh.
27
ViÖn khoa häc thuû lîi
Tải về để xem bản đầy đủ
119 trang
17/05/2024
1200
Bạn đang xem 30 trang mẫu của tài liệu "Báo cáo Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thử nghiệm tua bin xung kích 2 lần kiểu CINK", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên.
File đính kèm:
- bao_cao_nghien_cuu_thiet_ke_che_tao_thu_nghiem_tua_bin_xung.pdf
