Báo cáo Nghiên cứu tua bin nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở Việt Nam
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 tua bin nghiªng phôc vô ph¸t
triÓn thñy ®iÖn nhá ë viÖt nam
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 ®Ò tµi: TS Hoµng V¨n th¾ng
5817-1
16/5/2006
hµ néi – 5/2006
Nghiªn cøu tua bin tia nghiªng phôc vô ph¸t triÓn thñy ®iÖn nhá ë viÖt nam
®Ò tµi kc07 - 04
Lêi nãi ®Çu
Ch−¬ng I.
1.1. §Æt vÊn ®Ò.
1.2. Ph−¬ng ph¸p nghiªn cøu.
Ch−¬ng II. Tæng quan vÒ tua bin tia nghiªng
Më ®Çu
2
2
2
3
4
6
8
8
2.1. TBTN cña h·ng GILKES.
2.2. TBTN do Trung Quèc s¶n xuÊt.
2.3. Mét sè th«ng tin kh¸c.
2.4. T×nh h×nh nghiªn cøu vµ øng dông TBTN ë ViÖt Nam.
Ch−¬ng III.
C¬ së lý thuyÕt vµ c¸c kÕt qu¶ nghiªn cøu tBTN
9
9
3.1. C¬ së lý thuyÕt TBTN.
3.1.1. T¸c ®éng t−¬ng hç gi÷a dßng tia vµ tÊm b¶n.
9
3.1.2. Lý thuyÕt ®¬n gi¶n cña TBTN.
14
17
18
22
27
28
29
33
33
34
3.2. ThiÕt kÕ TBTN.
3.2.1. Biªn d¹ng phÇn dÉn dßng cña TBTN.
3.2.2. ThiÕt kÕ bé phËn h−íng dßng (vßi phun).
3.2.3. Bé phËn l¸i, c¾t dßng.
3.2.4. Dßng tia tù do trong kh«ng khÝ.
3.2.5. Nghiªn cøu, thiÕt kÕ b¸nh xe c«ng t¸c.
3.2.6. Vá tua bin.
3.2.7. Bè trÝ c¸c bé phËn c¬ b¶n cña TBTN.
3.3. Chän kÕt cÊu tæ m¸y, sè vßi phun.
3.4. Ph−¬ng ph¸p thiÕt kÕ TBTN.
3.4.1. Chän c¸c kÝch th−íc c¬ b¶n.
36
36
3.4.2. X©y dùng ch−¬ng tr×nh tÝnh c¸c th«ng sè chÝnh cña TBTN. 38
Ch−¬ng IV.
Nghiªn cøu thùc nghiÖm tBTN
43
43
4.1. H−íng nghiªn cøu TBTN.
ViÖn Khoa häc Thñy lîi
Nghiªn cøu tua bin tia nghiªng phôc vô ph¸t triÓn thñy ®iÖn nhá ë viÖt nam
®Ò tµi kc07 - 04
4.1.1. Vßi phun.
43
4.1.2. B¸nh xe c«ng t¸c.
43
43
44
44
44
44
45
46
47
49
49
53
60
63
4.1.3. T−¬ng quan gi÷a vßi phun vµ b¸nh c«ng t¸c.
4.2. ThiÕt kÕ TBTN m« h×nh.
4.2.1. Lùa chän kÕt cÊu.
4.2.2. Lùa chän kÝch th−íc, th«ng sè c¬ së TBTN m« h×nh.
4.2.3. TÝnh to¸n c¸c th«ng sè c¬ b¶n cña TBTN m« h×nh.
4.2.4. ThiÕt kÕ b¸nh xe c«ng t¸c.
4.2.5. Lùa chän vßi phun.
4.3. M« h×nh ho¸ tua bin.
4.4. Thùc nghiÖm tua bin m« h×nh.
4.4.1. HÖ thèng thÝ nghiÖm.
4.4.2. ThÝ nghiÖm tua bin m« h×nh
4.5. X©y dùng ®Æc tÝnh tæng hîp chÝnh cña tua bin m« h×nh.
4.6. C¸c kÕt luËn rót ra tõ thùc nghiÖm.
KÕt luËn
65
67
68
Tµi liÖu tham kh¶o
Phô lôc
ViÖn Khoa häc Thñy lîi
Nghiªn cøu tua bin tia nghiªng phôc vô ph¸t triÓn thñy ®iÖn nhá ë viÖt nam
®Ò tµi kc07 - 04
Lêi nãi ®Çu
MÆc dï nguån vµ l−íi ®iÖn quèc gia ph¸t triÓn m¹nh, nh−ng theo ®¸nh gi¸
cña ngµnh n¨ng l−îng, tíi n¨m 2010 vÉn cßn kháang 400 x· ch−a ®−îc sö dông ®iÖn
tõ l−íi quèc gia v× chi phÝ qu¸ cao cho ph¸t triÓn l−íi ®iÖn. H¬n n÷a, víi ®iÒu kiÖn tù
nhiªn cã nhiÒu thuËn lîi cho ph¸t triÓn thñy ®iÖn võa vµ nhá th× viÖc ph¸t triÓn thñy
®iÖn nhá vµ c¸c nguån n¨ng l−îng t¸i t¹o kh¸c ®Ó cÊp ®iÖn lµ mét gi¶i ph¸p kinh tÕ
bÒn v÷ng, gãp phÇn b¶o vÖ m«i tr−êng.
Trªn thÕ giíi, thñy ®iÖn võa vµ nhá ngµy cµng ®−îc quan t©m sö dông kh«ng
chØ ë c¸c n−íc ®ang ph¸t triÓn mµ cßn ë ngay c¸c n−íc ph¸t triÓn nh− Anh, Ph¸p,
§øc …
Nghiªn cøu, chÕ t¹o tua bin thñy ®iÖn võa ®ßi hái cã ®éi nò c¸n bé cã n¨ng
lùc nghiªn cøu triÓn khai cña nhiÒu nghµnh khoa häc kh¸c nhau (C¬ khÝ, Thñy lùc,
§iÖn, §iÒu khiÓn tù ®éng …) võa mang tÝnh ®¬n chiÕc, tèn nhiÒu nh©n c«ng. Do
vËy, kh¶ n¨ng c¹nh tranh cña ViÖt Nam lµ rÊt cao trong lÜnh vùc nµy. Do vËy, ®Èy
m¹nh nghiªn cøu ph¸t triÓn thñy ®iÖn võa vµ nhá võa cung cÊp cho thÞ tr−êng trong
n−íc l¹i võa cã kh¶ n¨ng xuÊt khÈu.
Tua bin tia nghiªng lµ lo¹i tua bin cã ®Æc tÝnh n¨ng l−îng tèt: hiÖu suÊt kh¸
cao vµ ®−êng hiÖu suÊt ph¼ng, vïng lµm viÖc t−¬ng ®èi réng. Tuy nhiªn c«ng nghÖ
chÕ t¹o chóng cßn kh¸ phøc t¹p (nhÊt lµ b¸nh c«ng t¸c). HiÖn nay, cã rÊt Ýt tµi liÖu
nãi vÒ lo¹i tua bin nµy. §Ó nghiªn cøu vµ ph¸t triÓn lo¹i tua bin nµy ë ViÖt Nam,
chóng t«i lùa chän nghiªn cøu mét tua bin tia nghiªng m« h×nh dùa trªn c¬ së mét
sè lý thuyÕt tÝnh to¸n cña tua bin xung kÝch, c¸c tua bin thùc vµ dùa trªn thùc
nghiÖm ®Ó hoµn thiÖn. Tõ m« h×nh ®· ®−îc nghiªn cøu, dùa trªn nguyªn t¾c vÒ c¸c
tiªu chuÈn t−¬ng tù, chóng ta sÏ cã ®−îc gam tua bin nµy.
1
ViÖn Khoa häc Thñy lîi
Nghiªn cøu tua bin tia nghiªng phôc vô ph¸t triÓn thñy ®iÖn nhá ë viÖt nam
®Ò tµi kc07 - 04
Ch−¬ng I.
Më ®Çu
1.1. §Æt vÊn ®Ò.
Tua bin tia nghiªng (TBTN) thuéc nhãm tua bin cã tû tèc thÊp, n»m gi÷a tua
bin g¸o vµ tua bin XK2L. Trong thùc tÕ chÕ t¹o tua bin, nhiÒu tr−êng hîp ph¶I lùa
chän TBTN hoÆc tua bin g¸o nhiÒu vßi phun, v× nÕu sö dông c¸c läai tua bin kh¸c lµ
kh«ng kinh tÕ hoÆc hiÖu suÊt thÊp. ë ViÖt Nam, mét sè tr¹m thñy ®iÖn ®· nhËp thiÕt
bÞ TBTN cña n−íc ngoµi nh− Tr¹m thuû ®iÖn Kú S¬n - Hµ TÜnh víi hai tæ m¸y
250kW, Tr¹m thuû ®iÖn Nµ Ch¸ - Méc Ch©u - S¬n La mét tæ m¸y 130kW cña h·ng
GILKES (Anh) vµ ®· nhËp hµng ngµn tæ m¸y thñy ®iÖn siªu nhá (T§SN) cã c«ng
suÊt 200 ÷ 300W cña Trung Quèc. Thùc tÕ cho thÊy r»ng c¸c tæ m¸y nµy cã kÕt cÊu
®¬n gi¶n, ®é bÒn cao vµ hiÖu qu¶ n¨ng l−îng tèt. Do vËy ®Ò tµi ®· ®Æt vÊn ®Ò nghiªn
cøu TBTN cho thñy ®iÖn nhá trong giíi h¹n b−íc ®Çu lµ c¸c tua bin cã c«ng suÊt
d−íi 200kW víi c¸c néi dung:
- Nghiªn cøu lý thuyÕt vµ m« h×nh ®Ó x©y dùng biªn d¹ng c¸nh, phÇn dÉn
dßng.
- X©y dùng gam tua bin
- øng dông ®Ó thiÕt kÕ mét sè tæ m¸y: 200W, 500W, 1000W, 5kW vµ 10kW.
- Lµm c¬ së cho thiÕt kÕ c¸c tæ m¸y cã c«ng suÊt tíi 200kW.
1.2. Ph−¬ng ph¸p nghiªn cøu.
Khi b¾t ®Çu b−íc vµo nghiªn cøu TBTN, ®Ò tµi gÆp ph¶i c¸c khã kh¨n lín lµ:
- C¬ së lý thuyÕt vÒ TBTNT lµ kh«ng hßan chØnh, dùa trªn lý thuyÕt ®¬n gi¶n
víi rÊt nhiÒu gi¶ thiÕt lµm ®¬n gi¶n hãa bµi tãan.
- Tµi liÖu n−íc ngßai còng rÊt thiÕu.
Do vËy ®Ò tµi sö dông c¸c ph−¬ng ph¸p nghiªn cøu sau:
- Nghiªn cøu lý thuyÕt: Dùa vµo lý thuyÕt ®¬n gi¶n cña TBTN, c¸c nghiªn cøu
vÒ tua bin g¸o cã thÓ øng dông cho TBTN.
- Nghiªn cøu theo mÉu: Lùa chän c¸c mÉu cã chÊt l−îng tèt, ®o ®¹c vµ ph©n
tÝch c¸c sè liÖu mÉu.
- ThiÕt kÕ, chÕ t¹o vµ thö nghiÖm trªn m« h×nh, xö lý sè liÖu.
- Thö nghiÖm hiÖn tr−êng.
- X©y dùng c¸c chØ tiªu thiÕt kÕ chung ®Ó nh©n réng tõ m« h×nh ra tua bin thùc.
2
ViÖn Khoa häc Thñy lîi
Nghiªn cøu tua bin tia nghiªng phôc vô ph¸t triÓn thñy ®iÖn nhá ë viÖt nam
®Ò tµi kc07 - 04
Ch−¬ng II.
Tæng quan vÒ tua bin tia nghiªng
Ngay tõ thÕ kû 15, Leona de Vinci ®· ph¸t minh ra d¹ng b¸nh xe n−íc, ®ã
chÝnh lµ d¹ng s¬ khai nhÊt cña TBTN ngµy nay.
H×nh 1. D¹ng TBTN cæ nhÊt cßn gi÷ l¹i ®−îc ®Õn nay t¹i b¶o tµng
Leonardo da Vinci ë Milano - Italy
Tæng kÕt tµi liÖu nghiªn cøu vµ chÕ t¹o TBTN trªn thÕ giíi cho thÊy:
TBTN ®−îc sö dông cho ph¹m vi réng nhÊt lµ:
H = 300 m
Q = 5 m3/s
Víi 3 d¹ng kÕt cÊu:
- TBTN trôc ngang 1 vßi phun.
- TBTN trôc ngang 2 vßi phun.
- TBTN trôc ®øng nhiÒu vßi phun.
HiÖu suÊt cao nhÊt ®−îc ®¸nh gi¸ vµo kháang 86 ÷ 87%.
Mét sè nhµ nghiªn cøu næi tiÕng vÒ TBTN nh−: шиΠyлин и. Φ (I. F.
Sipulin);
3
ViÖn Khoa häc Thñy lîi
Nghiªn cøu tua bin tia nghiªng phôc vô ph¸t triÓn thñy ®iÖn nhá ë viÖt nam
®Ò tµi kc07 - 04
ë Anh, h·ng GILKES lµ h·ng nghiªn cøu hµng ®Çu vÒ TBTN. Tõ n¨m 1993,
h·ng TANAKA (NhËt B¶n) trªn c¬ së nghiªn cøu cña GILKES còng ®· x©y dùng
gam TBTN cña m×nh. ë Trung Quèc, TBTN còng ®−îc sö dông tõ l©u nh−ng gÇn
®©y, viÖn nghiªn cøu TRIED (Thiªn T©n - Trung Quèc) còng ®· nghiªn cøu tiªu
chuÈn hãa TBTN cho tr¹m thñy ®iÖn cã cét ¸p nhá h¬n 180m.
Mét sè th«ng tin vÒ TBTN trªn thÕ giíi nh− sau:
2.1. TBTN cña h·ng GILKES.
H·ng GILKES s¶n xuÊt tua bin thñy lùc tõ n¨m 1856 vµ ®· b¸n s¶n phÈm ra
h¬n 80 n−íc trªn thÕ giíi. Gam TBTN do h·ng giíi thiÖu cã ph¹m vi lµm viÖc:
H = 20 ÷ 300 m
P = 50 ÷ 10.000kW
Víi kÕt cÊu trôc ngang (h×nh 2), b¸nh c«ng t¸c ®−îc l¾p c«ng s«n trªn trôc tua
bin. CÊp ®−êng kÝnh b¸nh c«ng t¸c D1= 30, 33, 36, 40, 44, 48, 53, 58, 64, 71, 78, 88,
94, 104, 114cm. Ph¹m vi sö dông nh− ë h×nh 3.
H×nh 2. KÕt cÊu TBTN cña h·ng GILKES
4
ViÖn Khoa häc Thñy lîi
Nghiªn cøu tua bin tia nghiªng phôc vô ph¸t triÓn thñy ®iÖn nhá ë viÖt nam
®Ò tµi kc07 - 04
H×nh 3. BiÓu ®å sö dông s¶n phÈm TBTN cña h·ng GILKES
TBTN do h·ng GILKES s¶n xuÊt cã kÕt cÊu ®¬n gi¶n, dÔ chÕ t¹o, l¾p ®Æt vµ
vËn hµnh. Tæ m¸y TBTN cña GILKES lÇn ®Çu tiªn sö dông ë ViÖt Nam tai tr¹m
Thñy ®iÖn Nµ Ch¸ (Méc Ch©u - S¬n La lµ mét tr¹m thñy ®iÖn kiÓu mÉu vÒ thñy ®iÖn
nhá ë ViÖt Nam (h×nh 4).
H×nh 4. TBTN ®−îc l¾p ®Æt t¹i TT§ Nµ Ch¸ - Méc Ch©u - S¬n La
Víi kÕt cÊu 2 mòi phun, TBTN cã ph¹m vi lµm viÖc réng (2 lÇn) so víi läai
TBTN do Trung Quèc s¶n xuÊt.
5
ViÖn Khoa häc Thñy lîi
Nghiªn cøu tua bin tia nghiªng phôc vô ph¸t triÓn thñy ®iÖn nhá ë viÖt nam
®Ò tµi kc07 - 04
2.2. TBTN do Trung Quèc s¶n xuÊt.
Trung quèc sö dông réng r·I TBTN cho thñy ®iÖn võa vµ nhá víi kÕt cÊu trôc
ngang, 1 vßi phun (h×nh 5).
H×nh 5. KÕt cÊu TBTN do Trung Quèc chÕ t¹o
TBTN ®−îc tiªu chuÈn hãa thµnh 2 mÉu XJ13 vµ XJ02 víi ph¹m vi lµm viÖc:
H = 30 ÷ 150 m
P = 5 ÷ 1250 kW.
CÊp ®−êng kÝnh b¸nh c«ng t¸c D1= 12, 20, 25, 32, 40, 50cm
§−êng kÝnh dßng tia d0= 5, 6, 7, 9, 11 vµ 12,5cm.
Bé ®iÒu tèc ®−îc sö dông lµ ®iÒu tèc c¬ khÝ - thñy lùc.
6
ViÖn Khoa häc Thñy lîi
Nghiªn cøu tua bin tia nghiªng phôc vô ph¸t triÓn thñy ®iÖn nhá ë viÖt nam
®Ò tµi kc07 - 04
H×nh 6. BiÓu ®å sö dông s¶n phÈm TBTN XJ02 do Trung Quèc s¶n xuÊt
7
ViÖn Khoa häc Thñy lîi
Nghiªn cøu tua bin tia nghiªng phôc vô ph¸t triÓn thñy ®iÖn nhá ë viÖt nam
®Ò tµi kc07 - 04
2.3. Mét sè th«ng tin kh¸c.
Ngoµi hai ®¹i diÖn trªn, h·ng NEWMILLS HYDRO (Anh) giíi thiÖu läai
TBTN trôc ®øng cã nhiÒu mòi phun (h×nh 7).
H×nh 7. S¬ ®å kÕt cÊu TBTN nhiÒu vßi phun cña h·ng
NEWMILLS HYDRO
2.4. T×nh h×nh nghiªn cøu vµ øng dông TBTN ë ViÖt Nam.
ë n−íc ta míi chØ cã mét sè tr¹m thuû ®iÖn nhá sö dông lo¹i tua bin nµy (®·
nãi trong phÇn më ®Çu). C¸c tæ m¸y thñy ®iÖn cùc nhá (sö dông TBTN) ®· ®−îc ®−a
vµo sö dông réng r·i, c¸c s¶n phÈm nµy tõ hai nguån: thuû ®iÖn Pico 200÷500W
nhËp khÈu tõ Trung Quèc vµ c¸c tæ m¸y 200 ÷ 7500W do Trung t©m Thñy ®iÖn -
ViÖn Khoa häc Thñy lîi chÕ t¹o.
NhËn thÊy nh÷ng −u ®iÓm cña TBTN phôc vô ph¸t triÓn thñy ®iÖn nhá vµ cùc
nhá trong n−íc, gÇn ®©y Trung T©m Thñy §iÖn - ViÖn Khoa häc Thñy lîi ®· ®Çu t−
nghiªn cøu øng dông läai tua bin nµy vµ b−íc ®Çu ®· ®¹t ®−îc nhòng kÕt qu¶ tèt t¹o
tiÒn ®Ò cho c¸c nghiªn cøu s©u h¬n.
8
ViÖn Khoa häc Thñy lîi
Nghiªn cøu tua bin tia nghiªng phôc vô ph¸t triÓn thñy ®iÖn nhá ë viÖt nam
®Ò tµi kc07 - 04
Ch−¬ng III.
C¬ së lý thuyÕt vµ c¸c kÕt qu¶ nghiªn cøu tBTN
Trong TBTN, dßng chÊt láng phun vµo c¸nh b¸nh c«ng t¸c d−íi mét gãc
nghiªng α (h×nh 8)
α
H×nh 8. Dßng chÊt láng phun vµo BCT TBTN
C¬ së lý thuyÕt cña TBTN ®−îc dùa trªn lý thuyÕt vÒ t¸c ®éng t−¬ng hç gi÷a
dßng tia vµ tÊm b¶n.
3.1. C¬ së lý thuyÕt TBTN.
3.1.1. T¸c ®éng t−¬ng hç gi÷a dßng tia vµ tÊm b¶n.
3.1.1.1. TÊm b¶n cong ®èi xøng ®Æt cè ®Þnh.
XÐt t¸c ®éng cña dßng tia lªn tÊm b¶n cong ®èi xøng ®Æt cè ®Þnh (h×nh 9).
V2
f1
V1
x
f
V2
β
H×nh 9. S¬ ®å dßng tia ch¶y lªn tÊm b¶n cong ®èi xøng ®Æt cè ®Þnh.
Víi gi¶ thiÕt chÊt láng lµ lý t−ëng, ¸p dông ph−¬ng tr×nh ®éng l−îng, ta cã
lùc P do chÊt láng t¸c ®éng lªn tÊm b¶n lµ:
9
ViÖn Khoa häc Thñy lîi
Nghiªn cøu tua bin tia nghiªng phôc vô ph¸t triÓn thñy ®iÖn nhá ë viÖt nam
®Ò tµi kc07 - 04
γQv
γv12
P =
1 (1− cosβ) =
f (1− cosβ)
(3.1)
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
(3.2)
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 =
=
(3.3)
(3.4)
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.
3.1.1.2. TÊm b¶n cong ®èi xøng chuyÓn ®éng theo trôc dßng tia.
Trªn ®©y ta ®· nãi ®Õn lùc t¸c dông t−¬ng hç gi÷a dßng tia vµ tÊm b¶n. Khi
tÊm b¶n ®øng yªn sÏ kh«ng cã trao ®æi n¨ng l−îng. 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
10).
Lóc nµy vËn tèc cña dßng tia so víi tÊm b¶n:
w = c - u
u - vËn tèc theo
c - vËn tèc tuyÖt ®èi.
(3.5)
Trong ®ã:
Sau mét ®¬n vÞ thêi gian, khèi l−îng n−íc ch¶y lªn tÊm b¶n lµ:
γ
m = f .w
g
(3.6)
10
ViÖn Khoa häc Thñy lîi
Nghiªn cøu tua bin tia nghiªng phôc vô ph¸t triÓn thñy ®iÖn nhá ë viÖt nam
®Ò tµi kc07 - 04
W
f1
C
x
u
f
W
β
H×nh 10. S¬ ®å dßng tia lªn tÊm b¶n cong ®ang chuyÓn ®éng
theo trôc cña dßng tia.
¸p dông ph−¬ng tr×nh ®éng l−îng, ta cã:
γf
P = (c − u)2 (1− cosβ)
(3.7)
(3.8)
g
C«ng suÊt do lùc P sinh ra:
γf
Nn = P.u = (c − u)2 u(1− cos β)
g
C«ng suÊt cña dßng tia:
c2
γc2
2g
Nz =
HiÖu suÊt thñy lùc:
ηth =
γQ =
f
(3.9)
2g
2(c − u)2 (1− cosβ)u
Nn
Nz
=
(3.10)
c3
HiÖu suÊt thñy lùc lín nhÊt η max
:
8
ηth
=
(1− cosβ)
(3.11)
(3.12)
max
27
HiÖu suÊt cùc ®¹i ηth max cã gi¸ trÞ lín nhÊt khi β = 1800
16
ηth
=
<<1
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 chÊt
11
ViÖn Khoa häc Thñy lîi
Nghiªn cøu tua bin tia nghiªng phôc vô ph¸t triÓn thñy ®iÖn nhá ë viÖt nam
®Ò tµi kc07 - 04
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
(3.13)
(3.14)
(3.15)
KÕt qu¶ ta cã:
γ
P = fc(c − u)(1− cosβ)
g
C«ng suÊt do lùc sinh ra:
γ
Nn = Pu = fc(c − u)u(1− cosβ)
g
HiÖu suÊt thñy lùc:
2(c − u)u(1− cosβ)
ηth =
(3.16)
(3.17)
(3.18)
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:
Khi β = 1800 th×
th max = 1
ηth
= (1− cosβ)
max
2
η
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.
3.1.1.3. TÊm b¶n cong chuyÓn ®éng d−íi mét gãc α víi trôc dßng tia.
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 11).
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
12
ViÖn Khoa häc Thñy lîi
Nghiªn cøu tua bin tia nghiªng phôc vô ph¸t triÓn thñy ®iÖn nhá ë viÖt nam
®Ò tµi kc07 - 04
H×nh 11. S¬ ®å dßng tia t¸c ®éng 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
=
(3.19)
sinα w1
Lùc t¸c ®éng lªn b¶n theo h−íng chuyÓn ®éng:
γQ
P =
(c.cosα -u − cosβ2 c2 + u2 − 2.c.u.cosα)
(3.20)
g
C«ng suÊt do lùc P sinh ra:
γQ
Nn = P.u =
.u.(c.cosα - u − cosβ2 c2 + u2 − 2.c.u.cosα) (3.21)
g
HiÖu suÊt thñy lùc sÏ lµ:
2.u.(c.cosα - u − cosβ2 c2 + u2 - 2.c.u.cosα)
ηth =
(3.22)
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)
(3.23)
g
13
ViÖn Khoa häc Thñy lîi
Nghiªn cøu tua bin tia nghiªng phôc vô ph¸t triÓn thñy ®iÖn nhá ë viÖt nam
®Ò tµi kc07 - 04
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 TBTN.
Tõ lý thuyÕt c¬ b¶n cña dßng tia vµ tÊm b¶n, rót ra mét sè kÕt luËn quan
träng:
- DiÖn tÝch chiÕu cña tÊm b¶n lªn ph−¬ng vu«ng gãc víi dßng tia ®Ó thu ®−îc
f1
hiÖu qu¶ cao lµ
= 4 ÷8 .
f
- VËn tèc chuyÓn ®éng tèi −u cña tÊm b¶n ®Ó thu nhËn n¨ng l−îng lµ:
c
utu=
2
- Khi β = 1800, ηth = 1. (ë ®iÒu kiÖn lý t−ëng)
3.1.2. Lý thuyÕt ®¬n gi¶n cña TBTN.
Trong TBTN, n−íc ch¶y vµo BCT t¹o víi mÆt ph¼ng quay mét gãc ∝.
Dßng ch¶y vµo BCT tõ mét mÆt vµ ra khái ë mÆt kh¸c. N−íc kh«ng ch¶y ra
phÝa ngoµi BCT do ®ã phÝa ngoµi BCT cho phÐp dïng mét vµnh nÐo, c¸c c¸nh cña
b¸nh xe. §©y còng lµ −u ®iÓm vÒ kÕt cÊu BCT so víi tua bin g¸o. C¸nh cã h×nh d¹ng
g¸o víi c¹nh cöa vµo kh«ng lín l¾m vµ ®Ó ra khái c¸nh thuËn lîi ®ßi hái c¹nh cöa ra
kÐo dµi h¬n nhiÒu so víi c¹nh cöa vµo. Tuy vËy trong lý thuyÕt ®¬n gi¶n vÒ TBTN
nã ®−îc gi¶ thiÕt lµ qu¸ tr×nh ch¶y trªn c¸nh x¶y ra trªn c¸c mÆt ph¼ng song song
víi trôc BCT vµ trôc dßng tia. S¬ ®å ch¶y lªn BCT thÓ hiÖn trªn h×nh 12.
d
u
w1
c1
cu1
β1
α
cu2
c2
w2
α2
u
β2
H×nh 12. S¬ ®å dßng ch¶y vµo BCT TBTN
14
ViÖn Khoa häc Thñy lîi
Nghiªn cøu tua bin tia nghiªng phôc vô ph¸t triÓn thñy ®iÖn nhá ë viÖt nam
®Ò tµi kc07 - 04
Gi¸ trÞ cña vËn tèc t−¬ng ®èi x¸c ®Þnh theo c«ng thøc:
w = c2 + u2 − 2c.u.cosα
Gi¶ thiÕt r»ng tiÕp tuyÕn víi mÆt trong cña c¸nh ®i qua c¹nh cöa vµo vµ trïng
víi h−íng vËn tèc w1.
Tõ ph−¬ng tr×nh c¬ b¶n cña tua bin:
ηgH = ω.(cu1r1 - cu2r2)
(3.24)
D1
Trong ®ã: r1 = r2 =
vµ ω.r1 = ω.r2 =u
2
cu1 = c1cosα1 = w1cosβ1+ u
(3.25)
(3.26)
cu2 = c2cosα2 = u - w2cos(1800 - β2)
Trong ®ã:
- α1, α2 lµ gãc gi÷a vÐc t¬ vËn tèc tuyÖt ®èi t¹i cöa vµo c1 vµ cöa
ra c2 víi vect¬ vËn tèc u;
- β1, β2 lµ c¸c gãc gi÷a vect¬ vËn tèc t−¬ng ®èi t¹i cöa vµo w1 vµ
cöa ra w2 víi vec t¬ vËn tè theo u.
Tõ ®©y hiÖu suÊt sÏ lµ:
u{[w1 cosβ1 + u]−[u − w2 cos(1800 −β2 )]}
ηTL
=
=
gH
(3.27)
2ϕ2uw
=
1 [cosβ1 + ξcos(1800 −β2 )]
c12
W2
Trong ®ã:
ξ =
W1
ϕ : HÖ sè vËn tèc mòi phun
c1
ϕ =
(3.28)
(3.29)
2gH
BiÕn ®æi ta cã:
sin(β1 −α1)sinα
ηTL = 2ϕ2
1 (cosβ1 −ξ cosβ2 )
sin2 β1
15
ViÖn Khoa häc Thñy lîi
Nghiªn cøu tua bin tia nghiªng phôc vô ph¸t triÓn thñy ®iÖn nhá ë viÖt nam
®Ò tµi kc07 - 04
Nh− vËy hiÖu suÊt thuû lùc cña TBTN phô thuéc vµo c¸c gãc α1, β1, β2. Ta
cÇn ph¶i x¸c ®Þnh c¸c gi¸ trÞ tèi −u cña c¸c gãc nµy. ë c«ng thøc (3.29) ta thÊy ηTL
®¹t max khi cosβ2 = -1 hay β2 = 1800.
§Ó t×m gi¸ trÞ tèi −u cña α1 ta cÇn t×m ®¹o hµm riªng cña η theo α1.
δηth
δα1
cosβ1 − ξcosβ2
sin2 β1
= 2ϕ2[sinβ1(cos2 α1 − sin2 α1) − 2cosα1 sinα1 cosβ1]
= 0
β1
2
KÕt qu¶:
Thay vµo (3.29) ta cã :
ηth
= 2ϕ2
α1 =
(3.30)
sin2 β1 /2
sin2 β1
[cosβ1 − ξcosβ2 ]
(3.31)
max
Sau khi biÕn ®æi ta cã:
ηth
= ϕ2
cosβ1 −ξ cosβ2
1+ cosβ1
(3.31a)
max
LÊy ®¹o hµm riªng cña (3.31a) theo β1 ta cã:
∂ηth
sin β1(1+ ξ cosβ2 )
(1+ cosβ1)2
=ϕ2
= 0
(3.32)
max
∂β1
Nh− vËy hiÖu suÊt cùc ®¹i theo lý thuyÕt ®¬n gi¶n khi:
α1 = 0; β1 = 0; β2 = 1800
1+ ξ
(3.33)
(3.34)
Lóc ®ã:
ηth
=ϕ2
max
2
NÕu gi¶ thiÕt chÊt láng lµ lý t−ëng th× ϕ = 1; ξ = 1 ta cã: ηth max = 1
Nh− vËy vÒ mÆt lý thuyÕt, hiÖu suÊt thñy lùc cña TBTN cã thÓ b»ng 1. Nh−ng
®Ó ®¹t ®−îc ®iÒu nµy cÇn ph¶i tho¶ m·n ®iÒu kiÖn α1 = β1= 0 vµ β2 =1800 cã nghÜa lµ
dßng ch¶y vµo vµ ra ph¶i trïng víi ph−¬ng cña BCT. Trªn thùc tÕ ®iÒu nµy kh«ng
thÓ cã ®−îc v× nÕu dßng ch¶y ra víi gãc β2 =1800 th× dßng ch¶y ra cña c¸nh tr−íc
®Ëp vµo l−ng c¸nh sau. Nh×n vµo s¬ ®å lµm viÖc cña TBTN ta còng thÊy kh«ng thÓ
t¹o ®−îc gãc dßng vµo α1 = 00. Nh− c¸c ph©n tÝch c¬ së lý thuyÕt tua bin xung kÝch
ta thÊy r»ng, khi tèc ®é vßng quay BCT lÖch ®i so víi tèc ®é tèi −u vÒ gi¸ trÞ lín h¬n
16
ViÖn Khoa häc Thñy lîi
Nghiªn cøu tua bin tia nghiªng phôc vô ph¸t triÓn thñy ®iÖn nhá ë viÖt nam
®Ò tµi kc07 - 04
hoÆc nhá h¬n hiÖu suÊt ®Òu gi¶m ®i v× tæn thÊt liªn quan ®Õn vËn tèc cöa ra t¨ng.
Nh−ng ë TBTN, hiÖu suÊt sÏ gi¶m nhanh h¬n v× ngoµi tæn thÊt do vËn tèc ë cöa ra,
t¹i cöa vµo còng tæn thÊt nhiÒu do h−íng cña vËn tèc t−¬ng ®èi kh«ng cßn trïng víi
tiÕp tuyÕn mÆt trong cña c¸nh n÷a (§iÒu nµy kh«ng x¶y ra ®èi víi tua bin g¸o).
Tõ c¸c kÕt luËn trªn ®©y cho thÊy r»ng ngay c¶ lý thuyÕt vµ thùc tÕ hiÖu suÊt
cña TBTN lu«n thÊp h¬n tua bin g¸o. Tuy nhiªn víi nh÷ng −u ®iÓm cña nã nh− ®·
ph©n tÝch ë ch−¬ng I, TBTN ®−îc vÉn ®−îc sö dông réng r·i cho thñy ®iÖn nhá.
β
2
Khi tho¶ m·n ®iÒu kiÖn α1 = 1 , tam gi¸c vËn tèc t¹i cöa vµo sÏ lµ tam gi¸c
c©n (u = w1) vµ vËn tèc cöa ra lµ nhá nhÊt v× w2 ≈ w1 = u.
VËn tèc tèi −u ®−îc x¸c ®Þnh:
c1
utu =
(3.35)
(3.36)
2cosα1
1
suy ra
ψtu =
2cosα1
C¸c thÝ nghiÖm t¹i viÖn nghiªn cøu m¸y thñy lùc Liªn X« cò (вигм) cho thÊy
r»ng ψtu = 0,46 ÷ 0,47.
Sau cïng, theo (3.20); (3.23) vµ (3.22) ta cã:
Lùc t¸c dông lªn BCT theo chiÒu quay lµ:
γQC
g
P =
(cosα1 −ψ − cosβ2 1+ψ 2 − 2ψ cosα1 )
(3.37)
(3.38)
(3.39).
u
Lùc h−íng trôc lµ:
γQc
P =
(sinα1 − sin β2 1+ψ 2 − 2cosα1 )
0
g
Vµ hiÖu suÊt víi ϕ = 1; ξ = 1 lµ:
η = 2ψ (cosα1 −ψ − cosβ2 1+ψ 2 − 2ψ cosα1 )
3.2. ThiÕt kÕ TBTN.
C¸c bé phËn vµ tham sè c¬ b¶n trong TBTN bao gåm:
17
ViÖn Khoa häc Thñy lîi
Nghiªn cøu tua bin tia nghiªng phôc vô ph¸t triÓn thñy ®iÖn nhá ë viÖt nam
®Ò tµi kc07 - 04
+ C¸c bé phËn chÝnh:
- Vßi phun, kim phun vµ bé phËn chuyÓn tiÕp tõ èng dÉn.
- B¸nh c«ng t¸c ua bin
- Buång tua bin
+ C¸c tham sè c¬ b¶n:
D1
- Tû sè:
d0
- Kháang c¸ch mòi phun ®Õn b¸nh c«ng t¸c, chÊt l−îng dßng tia.
- ChuyÓn ®éng cña dßng tia qua BCT vµ sau BCT, hÖ sè co hÑp vµ gi·n në
cña dßng tia.
§Ó n©ng cao chÊt l−îng lµm viÖc cña TBTN, cÇn tËp trung nghiªn cøu c¸c bé
phËn vµ tham sè trªn.
3.2.1. Biªn d¹ng phÇn dÉn dßng cña TBTN.
3.2.1.1. Bé phËn èng dÉn.
Bé phËn èng dÉn lµ bé phËn nèi tiÕp gi÷a ®−êng èng ¸p lùc cña tr¹m thñy
®iÖn vµ vßi phun cña tua bin. C¸c yªu cÇu chÝnh ®èi víi bé phËn èng dÉn lµ:
- Tæn thÊt thñy lùc trong èng nhá.
- T¹o ra tr−êng vËn tèc ph©n bè ®Òu, kh«ng xãay tr−íc bé phËn h−íng dßng.
- Cã kÝch th−íc nhá gän.
- §èi víi c¸c tr¹m thñy ®iÖn nhá, kÝch th−íc cña bé phËn èng dÉn ph¶I phï
hîp víi c¸c tiªu chuÈn èng th«ng dông.
Trong nghiªn cøu, chÕ t¹o tua bin g¸o, c¸c d¹ng èng dÉn ®· ®−îc nghiªn cøu
kh¸ s©u. Do vËy, cã thÓ ph©n tÝch lùa chän c¸c kÝch th−íc cho phï hîp.
ViÖc lùa chän c¸c kÝch th−íc èng dÉn tiÕn hµnh nh− sau:
§−êng kÝnh èng dÉn x¸c ®Þnh theo c«ng thøc:
dod= (3 ÷ 3,5)dvp
(3.40)
Trong ®ã:
dod: ®−êng kÝnh èng dÉn
dvp: ®−êng kÝnh vßi phun
Nh− vËy:
dod= (3÷3,5)*1,2d0
V0= (13÷17,6)Vod
18
ViÖn Khoa häc Thñy lîi
Nghiªn cøu tua bin tia nghiªng phôc vô ph¸t triÓn thñy ®iÖn nhá ë viÖt nam
®Ò tµi kc07 - 04
Hay:
K0=(170÷300)Kod
Trong ®ã:
K0: ®éng n¨ng dßng ch¶y t¹i mòi phun
Kod: ®éng n¨ng dßng ch¶y trong èng dÉn
Do tæn thÊt thñy lùc trong èng dÉn tû lÖ thuËn víi thµnh phÇn ®éng n¨ng
dßng ch¶y nªn víi lùa chän trªn, tæn thÊt trong èng dÉn lµ rÊt nhá.
Tõ c«ng thøc x¸c ®Þnh vËn tèc cña dßng ch¶y qua mòi phun:
V0=ϕ * 2gH
víi ϕ = 0,96 ÷ 0,98, chän víi ϕ = 0,7
Suy ra:
Vod=(0,075÷0,055)* 2gH
(3.41)
(3.42)
Víi c¸c tæ m¸y thñy ®iÖn nhá, cã thÓ chän Vod=0,09* 2gH
H×nh d¹ng vµ kÝch th−íc t−¬ng quan cña èng dÉn:
KÕt qu¶ nghiªn cøu vÒ mòi phun t¹i nhµ m¸y kim khÝ Lªningr¸t vÒ 3 ph−¬ng
¸n èng dÉn cong: α = 450, L = 5d; α = 450, L = 1,5d; α = 900 vµ L = 1,5d (h×nh 13)
cho kÕt qu¶ dßng tia nh− b¶ng 1.
Ph−¬ng ¸n a, tæ chøc dßng tia tèt nhÊt, tæn thÊt thñy lùc nhá nh−ng kÝch
th−íc cång kÒnh, ph−¬ng ¸n c tæ chøc dßng tia kÐm vµ tæn thÊt thñy lùc lín. Do vËy,
trong thiÕt kÕ thñy ®iÖn cùc nhá cã thÓ dïng ph−¬ng ¸n b. Mét l−u ý trong thiÕt kÕ lµ
43− 36
dßng tia në ra sau mÆt c¾t co hÑp víi tû lÖ Φ =
=19,5% . Khi thiÕt cÇn thu
36*100%
D1
hÑp kháang c¸ch gi÷a BCT vµ vßi phun vµ lùa chän tû sè
phï hîp ®Ó kh«ng g©y
d0
hiÖn t−îng dßng tia phun lªn vµnh vµ bÇu BCT.
(a)
19
ViÖn Khoa häc Thñy lîi
Nghiªn cøu tua bin tia nghiªng phôc vô ph¸t triÓn thñy ®iÖn nhá ë viÖt nam
®Ò tµi kc07 - 04
(b)
(c)
H×nh 13. C¸c ph−¬ng ¸n khuûu cong cña bé phËn dÉn n−íc ®Õn
B¶ng 1
Ph−¬ng ¸n §é më S L−u l−îng
d0(mm)
33
d c¸ch vßi 170mm
a
b
c
20,72
20,15
20,72
37
43
45
40
20
36
31
a
b
c
16,86
16,6
30
31
31
31
38
38
16,86
a
b
c
8,03
8,24
8,83
21
22
22
22
26
27
7,5
20
ViÖn Khoa häc Thñy lîi
Nghiªn cøu tua bin tia nghiªng phôc vô ph¸t triÓn thñy ®iÖn nhá ë viÖt nam
®Ò tµi kc07 - 04
3.2.2. ThiÕt kÕ bé phËn h−íng dßng (vßi phun).
Bé phËn h−íng dßng cña TBTN lµ bé phËn trong ®ã xÈy ra qu¸ tr×nh biÕn ®æi
¸p n¨ng cña dßng ch¶y thµnh ®éng n¨ng. Ngoµi ra nã cßn cã chøc n¨ng ®iÒu chØnh
l−u l−îng tua bin.
Vßi phun h×nh c«n tiÕt diÖn trßn víi van kim ®ång trôc dÞch chuyÓn theo
h−íng trôc vßi phun (h×nh 14) lµ thùc hiÖn tèt nhÊt c¸c nhiÖm vô trªn. Khi ë vÞ trÝ
tËn cïng bªn ph¶i van kim ®ãng tiÕt diÖn cöa ra. DÞch chuyÓn van kim sang tr¸i, tiÕt
diÖn cöa ra t¨ng lªn, l−u l−îng sÏ t¨ng. Biªn d¹ng cña vßi phun sao cho l−u l−îng
thay ®æi ®Òu phô thuéc vµo hµnh tr×nh cña van kim vµ ë trªn tõng vÞ trÝ cña van kim
vËn tèc dßng ch¶y t¨ng dÇn däc theo ®−êng dßng vµ lín nhÊt t¹i cöa ra.
H×nh 14. Vßi phun tiÕt dÖn trßn ®iÒu chØnh ®é më b»ng van kim
VÒ mÆt kÕt cÊu nªn lµm sao cho hµnh tr×nh cùc ®¹i cña van kim nhá tíi møc
tèi thiÓu. Thùc tÕ vßi phun ®−îc chÕ t¹o t−¬ng øng víi c¸c th«ng sè c¬ b¶n (®−êng
kÝnh cöa vµo vµ cöa ra), víi kÕt cÊu bé phËn ®iÒu khiÓn van kim vµ sè liÖu vËn hµnh
cña c¸c vßi phun ®· sö dông.
H×nh 15. S¬ ®å dßng ch¶y thÕ cña ®−êng dÉn trong vßi phun
VÒ nguyªn t¾c khi xem xÐt mét sè ph−¬ng ¸n biªn d¹ng vßi phun. §Ó cho
tõng ph−¬ng ¸n, ta x©y dùng h×nh chiÕu ®−êng kinh tuyÕn cña èng dÉn khi ®é më
21
ViÖn Khoa häc Thñy lîi
Nghiªn cøu tua bin tia nghiªng phôc vô ph¸t triÓn thñy ®iÖn nhá ë viÖt nam
®Ò tµi kc07 - 04
cña bé phËn h−íng dßng kh¸c nhau (h×nh 15). 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 c¸c 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 gi¶i tÝch gÇn ®óng. C¬ së lý thuyÕt vµ ph−¬ng ph¸p x©y dùng ®−êng
®−êng dßng ®¼ng thÕ nh− sau:
a. C¬ së lý thuyÕt:
Dßng ch¶y trong bé phËn h−íng dßng nãi chung lµ phøc t¹p, tuy nhiªn víi
gi¶ thiÕt nã lµ dßng ch¶y thÕ, ta vÉn cã thÓ gi¶i bµi to¸n thuËn víi ®é chÝnh x¸c chÊp
nhËn ®−îc. Dßng ®¼ng thÕ ®Æc tr−ng bëi tÝnh chÊt: kh«ng cã c¸c xo¸y xung quanh
trôc c¸c phÇn tö chÊt láng. Víi biÓu thøc to¸c häc Ωu= 0, däc theo dßng ch¶y vµ
theo ®−êng vu«ng gãc víi ®−êng dßng c¶ vËn tèc vµ ¸p lùc ®Òu thay ®æi.
Ký hiÖu S1, S2 … , Si lµ c¸c ®−êng dßng vµ n1, n2 … , nj lµ c¸c ®−êng vu«ng
gãc víi c¸c ®−êng dßng. L−u l−îng qua vßi phun x¸c ®Þnh theo c«ng thøc:
R
Q = 2πrCm∆n
(3.43)
∫
r
Trong ®ã:
r – b¸n kÝnh trong phÇn dÉn dßng cña vßi phun
R – b¸n kÝnh biªn d¹ng ngoµi phÇn dÉn dßng cña vßi phun.
L−u l−îng nguyªn tè ∆Q qua mét diÖn tÝch vµnh kh¨n gi÷a hai ®−êng dßng lµ:
∆Q = 2πr1Cm1∆n1 = 2πr2Cm2∆n2 =...= const
NÕu gäi ∆Φ lµ ®é chªnh thÕ gi÷a 2 ®−êng vu«ng gãc ®øng c¹nh nhau, c¸ch
nhau kho¶ng ∆S, th× theo to¸n häc ®· chøng minh vËn tèc Cm tÝnh theo dßng ®¼ng
thÕ b»ng c«ng thøc:
dΦ ∆Φ
dS ∆S
Cm =
≈
(3.44)
thay vµo c«ng thøc (3.43) ta cã:
R
R
∆Φ
∆S
r
Q = 2πr
∆n = 2π∆Φ
∆n
∫
∫
r ∆S
r
R
r
gäi:
F = 2π
∆n
(3.45)
(3.46)
∫
∆S
r
ta cã:
Q = 2πF.∆Φ
22
ViÖn Khoa häc Thñy lîi
Nghiªn cøu tua bin tia nghiªng phôc vô ph¸t triÓn thñy ®iÖn nhá ë viÖt nam
®Ò tµi kc07 - 04
Q
vËy:
∆Φ =
(3.47)
2πF
Nh− vËy sau khi dùng ®−îc ®−êng dßng, tÝnh ®é chªnh thÕ ∆Φ theo c«ng
thøc (3.47), dïng c«ng thøc (3.45) ta sÏ tÝnh ®−îc vËn tèc trong mÆt c¾t kinh tuyÕn.
b. Ph−¬ng ph¸p x©y dùng dßng ®¼ng thÕ.
X©y dùng dßng thÕ kinh tuyÕn b¾t ®Çu tõ tiÕt diÖn nµo ®ã cña èng dÉn, n»m
tr−íc vßi phun, n¬i mµ dßng ch¶y cã thÓ coi lµ th¼ng (Cu= 0, Cr= 0) vµ vËn tèc nh−
nhau (C = const). ViÖc x©y dùng kÕt thóc ë tiÕt diÖn gÇn vßi phun cña dßng tia tù do,
t¹i ®ã dßng tia cã ®ñ c¸c ®Æc tÝnh trªn (C = const).
Trong tÝnh to¸n gÇn ®óng, theo h×nh d¹ng thµnh èng dÉn ta vÏ mét sè ®−êng
dßng mµ chóng cïng víi c¸c thµnh ®−êng dÉn t¹o thµnh n+1 ®−êng cong. CÇn ph¶i
vÏ sao cho l−u l−îng gi÷a tõng cÆp mÆt dßng c¹nh nhau lµ nh− nhau. §Ó tháa m·n
®iÒu kiÖn nµy, ë tiÕt diÖn ®Çu, kho¶ng c¸ch tõ c¸c ®−êng dßng tíi trôc ®èi xøng x¸c
®Þnh nh− sau:
k
n − k
2
2
Rk=
rn
+
r0
(3.48)
n
n
Trong ®ã k = 0,1,2,3...n
Khi k = n th× rk= rn= R (R lµ b¸n kÝnh thµnh ngoµi cña ®−êng dÉn n−íc).
Khi k = 0 th× rk = ro (b¸n kÝnh cña cÇn van kim).
T¹i tiÕt diÖn cuèi c¸c ®−êng dßng ®i qua c¸c ®iÓm cã b¸n kÝnh còng ®−îc x¸c
d0
®Þnh theo (3.48) nh−ng ë ®©y rn=
.
2
NÕu nh− biÕt ®−îc ®−êng ®Æc tÝnh l−u l−îng cña vßi phun nghiªn cøu th×
theo vÞ trÝ cña van kim x¸c ®Þnh ®−îc l−u l−îng vµ tiÕp sau lµ ®−êng kÝnh dßng tia.
NÕu kh«ng th× d0 ph¶i x¸c ®Þnh gÇn ®óng víi gi¶ thiÕt r»ng trong ®o¹n tõ cöa ra cña
èng vßi phun tíi mÆt c¾t cuèi vËn tèc cña dßng ch¶y kh«ng t¨ng hoÆc t¨ng rÊt Ýt.
§o¹n nµy kh«ng bÞ giíi h¹n bëi c¸c thµnh cøng vµ do ®ã biªn d¹ng ngoµi cña nã
còng x¸c ®Þnh gÇn ®óng. V× thÕ dßng ch¶y trong ®o¹n nµy ®−îc x¸c ®Þnh víi ®é tin
cËy thÊp h¬n trong tÊt c¶ c¸c ®o¹n cßn l¹i kh¸c.
Sau khi x¸c ®Þnh ®−îc ®iÓm ®Çu vµ ®iÓm cuèi cña c¸c ®−êng dßng, ta vÏ s¬
bé c¸c ®−êng dßng theo kinh nghiÖm.
23
ViÖn Khoa häc Thñy lîi
Nghiªn cøu tua bin tia nghiªng phôc vô ph¸t triÓn thñy ®iÖn nhá ë viÖt nam
®Ò tµi kc07 - 04
VÏ tiÕp c¸c ®−êng vu«ng gãc víi c¸c ®−êng dßng (khi ®¹t ®é chÝnh x¸c yªu
cÇu, ®©y sÏ lµ c¸c ®−êng ®¼ng thÕ). §Ó gi¶m sai sè ë ®o¹n cuèi, cÇn vÏ mét ®−êng
vu«ng gãc víi c¸c ®−êng dßng ®i qua c¹nh cöa miÖng ra cña èng vßi phun vµ xung
quanh vÞ trÝ nµy cÇn t¨ng mËt ®é c¸c ®−êng ®ã.
§Ó t×m vÞ trÝ chÝnh x¸c cña c¸c ®−êng dßng dùa vµo c¬ së lý thuyÕt ®· nªu trªn,
ta lËp b¶ng tÝnh to¸n nh− b¶ng (2).
B¶ng 2
Sè
∆Fi=
∆Fi=
∑∆Fi
i-1
δ(∆n)i=
r
®−ên
g
r
r
r
⎡
⎤
∆
S
∆
n
δ
(∆Fi)=
δ(∆n)i
δ
(∆Fi)
∆n
⎢
⎣
⎥
⎦
∆S
tb
mm
∆S
∆S
mm
mm
∆Fi-∆Ftb
∆n
r
mm
dßng
mm
mm
100%
∆S tb
tb
S0
S1
S2
.
.
.
Sn
TÝnh to¸n b¶ng 2 cho tõng ®−êng vu«ng gãc n-n vµ thay ®æi vÞ trÝ c¸c ®−êng
dßng sao cho gi¸ trÞ ∆Fi däc theo ®−êng vu«ng gãc n-n lµ b»ng nhau. Sai sè cña c¸c
gi¸ trÞ nµy ký hiÖu lµ δ(∆Fi)=∆Fi-∆Ftb. Trong ®ã gi¸ trÞ trung b×nh ∆Ftb
tÝnh theo c«ng thøc:
∆F
∑
i
∆F =
tb
i −1
Tõ ®ã cÇn ph¶i chuyÓn dÞch ®−êng dßng mét kho¶ng c¸ch lµ δ(∆n), chiÒu
dÞch chuyÓn phô thuéc vµo dÊu δ(∆n). TÝnh δ(∆n) theo c«ng thøc:
δ (∆F )
i
δ (∆n)i =
r
⎡
⎤
⎢
⎣
⎥
⎦
∆S
tb
Qu¸ tr×nh tÝnh to¸n vµ dÞch chuyÓn c¸c ®−êng dßng kÕt thóc khi sù sai lÖch
gi÷a hai lÇn tÝnh to¸n cuèi cïng cßn l¹i:
24
ViÖn Khoa häc Thñy lîi
Nghiªn cøu tua bin tia nghiªng phôc vô ph¸t triÓn thñy ®iÖn nhá ë viÖt nam
®Ò tµi kc07 - 04
δ (∆n)
i .100% = 3 ÷ 5%
∆n
Sau khi dùng ®−îc c¸c ®−êng dßng, ta t×m tr−êng vËn tèc cña dßng theo c¸c
c«ng thøc (3.45), (3.47) vµ lËp thµnh b¶ng (3).
B¶ng 3
§−ên
g
§−êng dßng
S1
2π∑Fi=
Q
r
S0
….
Si
2π
∆n
∆Φ =
∑
∆S
2π ∆F
∑
i
vu«n
g gãc
Cm
Cm
Cm
Cm
∆
S
∆
S
∆S
∆
S
m/s
m/s
m/s
m/s
m
m
m
m
0-0
1-1
2-2
.
.
.
j-j
Sau khi cã kÕt qu¶ ë b¶ng (3) ta vÏ ®å thÞ quan hÖ Cm= f(S).
Dùng ®−êng dßng ®¼ng thÕ cã thÓ thùc hiÖn trªn m¸y vi tÝnh.
X©y dùng ®−êng dßng cña vßi phun nãi chung lµ khã kh¨n vµ phøc t¹p. Do
®ã ®Ó ®¸nh gi¸ mét c¸ch t−¬ng ®èi chÊt l−îng c¸c ph−¬ng ¸n vßi phun ng−êi ta cã
thÓ tÝnh to¸n vµ x©y dùng c¸c ®−êng cong cña sù thay ®æi diÖn tÝch tiÕt diÖn däc theo
trôc vßi phun khi c¸c ®é më kh¸c nhau. §Ó tÝnh to¸n c¸c diÖn tÝch tiÕt diÖn cÇn x©y
dùng c¸c mÆt c¾t kinh tuyÕn cña ®−êng dÉn n−íc vßi phun ë mét sè ®é më. Sau ®ã
trªn tõng mÆt c¾t dùng mét sè ®−êng ®¼ng thÕ gÇn ®óng. C¸c mÆt cong ®¼ng thÕ
trong kh«ng gian ®−îc thay thÕ bëi c¸c mÆt c«n th¼ng, khi ®ã diÖn tÝch F sÏ lµ:
F = axπdx
(3.49)
Trong ®ã:
ax lµ chiÒu dµi c«n th¼ng
dx ®−êng kÝnh chÝnh gi÷a h×nh c«n.
C¸c trÞ sè : ax, dx ®−îc x¸c ®Þnh trùc tiÕp trªn h×nh vÏ (xem h×nh 15).
Sau ®ã x©y dùng ®−êng quan hÖ F = f(l), l lµ kho¶ng c¸ch tõ mÆt ph¼ng ®i
qua gi÷a h×nh c«n ®Õn mÆt ph¼ng cöa ra cña vßi phun.
25
ViÖn Khoa häc Thñy lîi
Nghiªn cøu tua bin tia nghiªng phôc vô ph¸t triÓn thñy ®iÖn nhá ë viÖt nam
®Ò tµi kc07 - 04
Th«ng th−êng ë vÞ trÝ ®ãng vµ ë ®é më nhá, diÖn tÝch tiÕt diÖn biÕn ®æi t−¬ng
®èi ®Òu, theo chiÒu t¨ng ®é më ë ®o¹n gi÷a cña c¸c ®−êng cong cã vïng biÕn ®æi
víi gradien nhá h¬n. Do ®ã ph¶i lµm sao cho sù gi¶m gradien côc bé nµy kh«ng lín.
Nh÷ng nghiªn cøu trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y cho thÊy khi dßng ch¶y ë cöa ra
bÞ nÐn sÏ cho dßng tia gän vµ Ýt bÞ tãe n−íc. Gãc c«n cµng lín dßng ch¶y bÞ nÐn
cµng nhiÒu. Nh−ng khi t¨ng gãc c«n cña èng vßi phun sÏ lµm cong m¹nh ®−êng
dßng vµ do ®ã g©y thªm tæn thÊt thñy lùc vµ nh− vËy ®−êng kÝnh vßi phun ph¶i t¨ng
lªn. Ngµy nay gãc c«n cña èng vßi phun vµ van kim ®−îc xem lµ tèi −u lµ
γ/α=600/450, γ/α=800/540 vµ γ/α=850/600.
H×nh 16. Biªn d¹ng vßi phun γ/α=800/540
Tõ s¬ ®å dßng ch¶y thÕ ta cã thÓ biÕt ®−îc sù ph©n bè vËn tèc theo bÒ mÆt
van kim cô thÓ lµ däc theo ®−êng dßng S0 (h×nh 15), b»ng ph−¬ng tr×nh Bernuli cã
thÓ t×m ®−îc sù ph©n bè ¸p lùc:
C2
⎛
⎜
⎝
⎞
⎟
⎟
⎠
i
⎜
Pi=γH 1−
(3.50)
2gH
Trong ®ã: H lµ cét n−íc ë cöa vµo vßi phun. TÝch ph©n nã ta cã lùc däc trôc
thñy ®éng t¸c dông lªn van kim:
dmax
Ps=2π
pi dr
(3.51)
∫
0
Trong ®ã: dmax lµ ®−êng kÝnh lín nhÊt cña van kim. Khi vßi phun ë vÞ trÝ
®ãng, lùc däc trôc t¸c dông lªn van kim (kh«ng kÓ diÖn tÝch cÇn ®Èy) lµ:
πd 2
max
Ps=o=
γH
(3.52)
4
26
ViÖn Khoa häc Thñy lîi
Nghiªn cøu tua bin tia nghiªng phôc vô ph¸t triÓn thñy ®iÖn nhá ë viÖt nam
®Ò tµi kc07 - 04
3.2.3. Bé phËn l¸i, c¾t dßng.
Bé phËn l¸i (c¾t) dßng cã chøc n¨ng l¸i dßng ra ngoµi kh«ng t¸c dông vµo
BCT khi dõng tua bin ®Ó tr¸nh va ®Ëp sãng va trong ®−êng èng. Trong qu¸ tr×nh
®iÒu chØnh kÐp, khi ë chÕ ®é lµm viÖc æn ®Þnh, bé phËn l¸i, c¾t dßng kh«ng ch¹m tíi
dßng tia. Nh−ng ®Ó cho khi c¾t t¶i c¬ cÊu l¸i dßng cã thÓ tham gia vµo qu¸ tr×nh ®iÒu
chØnh cµng nhanh cµng tèt, c¹nh c«ng t¸c cña nã ph¶i n»m kh«ng xa mÆt dßng tia.
Do ®−êng kÝnh dßng tia thay ®æi tïy thuéc vµo vÞ trÝ cña van kim, ®Ó hßa hîp vÞ trÝ
cña bé phËn l¸i dßng víi vÞ trÝ cña van kim trong hÖ thèng ®iÒu chØnh TBTN ng−êi
ta sö dông c¸c liªn kÕt ®Æc biÖt.
§Ó tÝnh to¸n c¸c liªn kÕt cÇn ph¶i biÕt quan hÖ ®−êng kÝnh dßng tia víi hµnh
tr×nh van kim. NÕu ®−êng ®Æc tÝnh l−u l−îng Q = f(s) cña vßi phun ®· biÕt th× quan
hÖ d0 = f(s) dÔ dµng t×m ®−îc nhê c«ng thøc x¸c ®Þnh d0 qua l−u l−îng.
§Ó tÝnh to¸n c¸c thµnh phÇn cña hÖ thèng ®iÒu chØnh cÇn ph¶i biÕt hµm quan
hÖ cña c«ng suÊt dßng ch¶y t¸c dông lªn BCT vµ m« men thñy lùc t¸c dông lªn bé
phËn l¸i dßng víi vÞ trÝ cña nã khi ®é më cña bé phËn h−íng dßng kh¸c nhau. Trong
qu¸ tr×nh chÕ t¹o bé phËn l¸i dßng, c¸c quan hÖ nµy ®−îc x¸c ®Þnh gÇn ®óng b»ng
®å gi¶i.
X¸c ®Þnh trÞ sè m« men thñy lùc khi bé phËn l¸i dßng lµm viÖc (h×nh 17). Bé
phËn l¸i dßng ®−îc chÕ t¹o vµ ®−a vµo dßng tia sao cho ë chç tiÕp xóc ®Çu tiªn cña
dßng tia víi mÆt cña bé phËn l¸i dßng gãc θi gÇn víi 00.
Do ®ã toµn bé dßng tia bÞ l¸i chØ cã mét mµ kh«ng ph¶i hai h−íng chuyÓn
®éng. Khi tÝnh to¸n gi¶ thiÕt r»ng h−íng nµy trïng víi h−íng cña tiÕp tuyÕn víi biªn
d¹ng cña bé phËn l¸i dßng t¹i cöa ra.
NÕu trôc X h−íng song song víi trôc dßng tia cßn trôc Y h−íng lªn trªn vµ
gèc täa ®é trïng víi trôc quay cña bé phËn l¸i dßng ta cã:
γQC
g
γQC
g
′
′
Px=
(
1− cosθi
)
;
Py=
sinθi
2
2
Tæng hîp lùc P = px + py ®Ó x¸c ®Þnh m« men thñy lùc cÇn biÕt ®iÓm
®Æt cña tæng hîp lùc, cã thÓ lÊy gÇn ®óng ®iÓm nµy lµ ®iÓm n»m ë chÝnh gi÷a phÇn
dßng ch¶y cña mÆt bé phËn l¸i dßng (ki) trªn h×nh (17), khi ®ã:
Mtl=Pxyi - Pyxi
(3.53)
27
ViÖn Khoa häc Thñy lîi
Tải về để xem bản đầy đủ
105 trang
25/04/2024
1010
Bạn đang xem 30 trang mẫu của tài liệu "Báo cáo Nghiên cứu tua bin nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở Việt Nam", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên.
File đính kèm:
- bao_cao_nghien_cuu_tua_bin_nghieng_phuc_vu_phat_trien_thuy_d.pdf
