Báo cáo tổng kết chuyên đề Nghiên cứu tua bin nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở Việt Nam

Nội dung text: Báo cáo tổng kết chuyên đề Nghiên cứu tua bin nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở Việt Nam

1. bộ nông nghiệp và phát triển nông thôn viện khoa học thủy lợi báo cáo tổng kết chuyên đề nghiên cứu tua bin nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam thuộc đề tài kc 07.04: “nghiên cứu, lựa chọn công nghệ và thiết bị để khai thác và sử dụng các loại năng l−ợng tái tạo trong chế biến nông, lâm, thủy sản, sinh hoạt nông thôn và bảo vệ môi tr−ờng” Chủ nhiệm đề tài: TS Hoàng Văn thắng 5817-1 16/5/2006 hà nội – 5/2006
2. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 Lời nói đầu Ch−ơng I. Mở đầu 2 1.1. Đặt vấn đề. 2 1.2. Ph−ơng pháp nghiên cứu. 2 Ch−ơng II. Tổng quan về tua bin tia nghiêng 3 2.1. TBTN của hãng GILKES. 4 2.2. TBTN do Trung Quốc sản xuất. 6 2.3. Một số thông tin khác. 8 2.4. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng TBTN ở Việt Nam. 8 Ch−ơng III. Cơ sở lý thuyết và các kết quả nghiên cứu tBTN 9 3.1. Cơ sở lý thuyết TBTN. 9 3.1.1. Tác động t−ơng hỗ giữa dòng tia và tấm bản. 9 3.1.2. Lý thuyết đơn giản của TBTN. 14 3.2. Thiết kế TBTN. 17 3.2.1. Biên dạng phần dẫn dòng của TBTN. 18 3.2.2. Thiết kế bộ phận h−ớng dòng (vòi phun). 22 3.2.3. Bộ phận lái, cắt dòng. 27 3.2.4. Dòng tia tự do trong không khí. 28 3.2.5. Nghiên cứu, thiết kế bánh xe công tác. 29 3.2.6. Vỏ tua bin. 33 3.2.7. Bố trí các bộ phận cơ bản của TBTN. 33 3.3. Chọn kết cấu tổ máy, số vòi phun. 34 3.4. Ph−ơng pháp thiết kế TBTN. 36 3.4.1. Chọn các kích th−ớc cơ bản. 36 3.4.2. Xây dựng ch−ơng trình tính các thông số chính của TBTN. 38 Ch−ơng IV. Nghiên cứu thực nghiệm tBTN 43 4.1. H−ớng nghiên cứu TBTN. 43 Viện Khoa học Thủy lợi
3. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 4.1.1. Vòi phun. 43 4.1.2. Bánh xe công tác. 43 4.1.3. T−ơng quan giữa vòi phun và bánh công tác. 43 4.2. Thiết kế TBTN mô hình. 44 4.2.1. Lựa chọn kết cấu. 44 4.2.2. Lựa chọn kích th−ớc, thông số cơ sở TBTN mô hình. 44 4.2.3. Tính toán các thông số cơ bản của TBTN mô hình. 44 4.2.4. Thiết kế bánh xe công tác. 45 4.2.5. Lựa chọn vòi phun. 46 4.3. Mô hình hoá tua bin. 47 4.4. Thực nghiệm tua bin mô hình. 49 4.4.1. Hệ thống thí nghiệm. 49 4.4.2. Thí nghiệm tua bin mô hình 53 4.5. Xây dựng đặc tính tổng hợp chính của tua bin mô hình. 60 4.6. Các kết luận rút ra từ thực nghiệm. 63 Kết luận 65 Tài liệu tham khảo 67 Phụ lục 68 Viện Khoa học Thủy lợi
4. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 Lời nói đầu Mặc dù nguồn và l−ới điện quốc gia phát triển mạnh, nh−ng theo đánh giá của ngành năng l−ợng, tới năm 2010 vẫn còn khỏang 400 xã ch−a đ−ợc sử dụng điện từ l−ới quốc gia vì chi phí quá cao cho phát triển l−ới điện. Hơn nữa, với điều kiện tự nhiên có nhiều thuận lợi cho phát triển thủy điện vừa và nhỏ thì việc phát triển thủy điện nhỏ và các nguồn năng l−ợng tái tạo khác để cấp điện là một giải pháp kinh tế bền vững, góp phần bảo vệ môi tr−ờng. Trên thế giới, thủy điện vừa và nhỏ ngày càng đ−ợc quan tâm sử dụng không chỉ ở các n−ớc đang phát triển mà còn ở ngay các n−ớc phát triển nh− Anh, Pháp, Đức Nghiên cứu, chế tạo tua bin thủy điện vừa đòi hỏi có đội nũ cán bộ có năng lực nghiên cứu triển khai của nhiều nghành khoa học khác nhau (Cơ khí, Thủy lực, Điện, Điều khiển tự động ) vừa mang tính đơn chiếc, tốn nhiều nhân công. Do vậy, khả năng cạnh tranh của Việt Nam là rất cao trong lĩnh vực này. Do vậy, đẩy mạnh nghiên cứu phát triển thủy điện vừa và nhỏ vừa cung cấp cho thị tr−ờng trong n−ớc lại vừa có khả năng xuất khẩu. Tua bin tia nghiêng là loại tua bin có đặc tính năng l−ợng tốt: hiệu suất khá cao và đ−ờng hiệu suất phẳng, vùng làm việc t−ơng đối rộng. Tuy nhiên công nghệ chế tạo chúng còn khá phức tạp (nhất là bánh công tác). Hiện nay, có rất ít tài liệu nói về loại tua bin này. Để nghiên cứu và phát triển loại tua bin này ở Việt Nam, chúng tôi lựa chọn nghiên cứu một tua bin tia nghiêng mô hình dựa trên cơ sở một số lý thuyết tính toán của tua bin xung kích, các tua bin thực và dựa trên thực nghiệm để hoàn thiện. Từ mô hình đã đ−ợc nghiên cứu, dựa trên nguyên tắc về các tiêu chuẩn t−ơng tự, chúng ta sẽ có đ−ợc gam tua bin này. Viện Khoa học Thủy lợi 1
5. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 Ch−ơng I. Mở đầu 1.1. Đặt vấn đề. Tua bin tia nghiêng (TBTN) thuộc nhóm tua bin có tỷ tốc thấp, nằm giữa tua bin gáo và tua bin XK2L. Trong thực tế chế tạo tua bin, nhiều tr−ờng hợp phảI lựa chọn TBTN hoặc tua bin gáo nhiều vòi phun, vì nếu sử dụng các lọai tua bin khác là không kinh tế hoặc hiệu suất thấp. ở Việt Nam, một số trạm thủy điện đã nhập thiết bị TBTN của n−ớc ngoài nh− Trạm thuỷ điện Kỳ Sơn - Hà Tĩnh với hai tổ máy 250kW, Trạm thuỷ điện Nà Chá - Mộc Châu - Sơn La một tổ máy 130kW của hãng GILKES (Anh) và đã nhập hàng ngàn tổ máy thủy điện siêu nhỏ (TĐSN) có công suất 200 ữ 300W của Trung Quốc. Thực tế cho thấy rằng các tổ máy này có kết cấu đơn giản, độ bền cao và hiệu quả năng l−ợng tốt. Do vậy đề tài đã đặt vấn đề nghiên cứu TBTN cho thủy điện nhỏ trong giới hạn b−ớc đầu là các tua bin có công suất d−ới 200kW với các nội dung: - Nghiên cứu lý thuyết và mô hình để xây dựng biên dạng cánh, phần dẫn dòng. - Xây dựng gam tua bin - ứng dụng để thiết kế một số tổ máy: 200W, 500W, 1000W, 5kW và 10kW. - Làm cơ sở cho thiết kế các tổ máy có công suất tới 200kW. 1.2. Ph−ơng pháp nghiên cứu. Khi bắt đầu b−ớc vào nghiên cứu TBTN, đề tài gặp phải các khó khăn lớn là: - Cơ sở lý thuyết về TBTNT là không hòan chỉnh, dựa trên lý thuyết đơn giản với rất nhiều giả thiết làm đơn giản hóa bài tóan. - Tài liệu n−ớc ngòai cũng rất thiếu. Do vậy đề tài sử dụng các ph−ơng pháp nghiên cứu sau: - Nghiên cứu lý thuyết: Dựa vào lý thuyết đơn giản của TBTN, các nghiên cứu về tua bin gáo có thể ứng dụng cho TBTN. - Nghiên cứu theo mẫu: Lựa chọn các mẫu có chất l−ợng tốt, đo đạc và phân tích các số liệu mẫu. - Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm trên mô hình, xử lý số liệu. - Thử nghiệm hiện tr−ờng. - Xây dựng các chỉ tiêu thiết kế chung để nhân rộng từ mô hình ra tua bin thực. Viện Khoa học Thủy lợi 2
6. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 Ch−ơng II. Tổng quan về tua bin tia nghiêng Ngay từ thế kỷ 15, Leona de Vinci đã phát minh ra dạng bánh xe n−ớc, đó chính là dạng sơ khai nhất của TBTN ngày nay. Hình 1. Dạng TBTN cổ nhất còn giữ lại đ−ợc đến nay tại bảo tàng Leonardo da Vinci ở Milano - Italy Tổng kết tài liệu nghiên cứu và chế tạo TBTN trên thế giới cho thấy: TBTN đ−ợc sử dụng cho phạm vi rộng nhất là: H = 300 m Q = 5 m3/s Với 3 dạng kết cấu: - TBTN trục ngang 1 vòi phun. - TBTN trục ngang 2 vòi phun. - TBTN trục đứng nhiều vòi phun. Hiệu suất cao nhất đ−ợc đánh giá vào khỏang 86 ữ 87%. Một số nhà nghiên cứu nổi tiếng về TBTN nh−: шиΠyлин и. Φ (I. F. Sipulin); Viện Khoa học Thủy lợi 3
7. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 ở Anh, hãng GILKES là hãng nghiên cứu hàng đầu về TBTN. Từ năm 1993, hãng TANAKA (Nhật Bản) trên cơ sở nghiên cứu của GILKES cũng đã xây dựng gam TBTN của mình. ở Trung Quốc, TBTN cũng đ−ợc sử dụng từ lâu nh−ng gần đây, viện nghiên cứu TRIED (Thiên Tân - Trung Quốc) cũng đã nghiên cứu tiêu chuẩn hóa TBTN cho trạm thủy điện có cột áp nhỏ hơn 180m. Một số thông tin về TBTN trên thế giới nh− sau: 2.1. TBTN của hãng GILKES. Hãng GILKES sản xuất tua bin thủy lực từ năm 1856 và đã bán sản phẩm ra hơn 80 n−ớc trên thế giới. Gam TBTN do hãng giới thiệu có phạm vi làm việc: H = 20 ữ 300 m P = 50 ữ 10.000kW Với kết cấu trục ngang (hình 2), bánh công tác đ−ợc lắp công sôn trên trục tua bin. Cấp đ−ờng kính bánh công tác D1= 30, 33, 36, 40, 44, 48, 53, 58, 64, 71, 78, 88, 94, 104, 114cm. Phạm vi sử dụng nh− ở hình 3. Hình 2. Kết cấu TBTN của hãng GILKES Viện Khoa học Thủy lợi 4
8. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 Hình 3. Biểu đồ sử dụng sản phẩm TBTN của hãng GILKES TBTN do hãng GILKES sản xuất có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, lắp đặt và vận hành. Tổ máy TBTN của GILKES lần đầu tiên sử dụng ở Việt Nam tai trạm Thủy điện Nà Chá (Mộc Châu - Sơn La là một trạm thủy điện kiểu mẫu về thủy điện nhỏ ở Việt Nam (hình 4). Hình 4. TBTN đ−ợc lắp đặt tại TTĐ Nà Chá - Mộc Châu - Sơn La Với kết cấu 2 mũi phun, TBTN có phạm vi làm việc rộng (2 lần) so với lọai TBTN do Trung Quốc sản xuất. Viện Khoa học Thủy lợi 5
9. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 2.2. TBTN do Trung Quốc sản xuất. Trung quốc sử dụng rộng rãI TBTN cho thủy điện vừa và nhỏ với kết cấu trục ngang, 1 vòi phun (hình 5). Hình 5. Kết cấu TBTN do Trung Quốc chế tạo TBTN đ−ợc tiêu chuẩn hóa thành 2 mẫu XJ13 và XJ02 với phạm vi làm việc: H = 30 ữ 150 m P = 5 ữ 1250 kW. Cấp đ−ờng kính bánh công tác D1= 12, 20, 25, 32, 40, 50cm Đ−ờng kính dòng tia d0= 5, 6, 7, 9, 11 và 12,5cm. Bộ điều tốc đ−ợc sử dụng là điều tốc cơ khí - thủy lực. Viện Khoa học Thủy lợi 6
10. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 Hình 6. Biểu đồ sử dụng sản phẩm TBTN XJ02 do Trung Quốc sản xuất Viện Khoa học Thủy lợi 7
11. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 2.3. Một số thông tin khác. Ngoài hai đại diện trên, hãng NEWMILLS HYDRO (Anh) giới thiệu lọai TBTN trục đứng có nhiều mũi phun (hình 7). Hình 7. Sơ đồ kết cấu TBTN nhiều vòi phun của hãng NEWMILLS HYDRO 2.4. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng TBTN ở Việt Nam. ở n−ớc ta mới chỉ có một số trạm thuỷ điện nhỏ sử dụng loại tua bin này (đã nói trong phần mở đầu). Các tổ máy thủy điện cực nhỏ (sử dụng TBTN) đã đ−ợc đ−a vào sử dụng rộng rãi, các sản phẩm này từ hai nguồn: thuỷ điện Pico 200ữ500W nhập khẩu từ Trung Quốc và các tổ máy 200 ữ 7500W do Trung tâm Thủy điện - Viện Khoa học Thủy lợi chế tạo. Nhận thấy những −u điểm của TBTN phục vụ phát triển thủy điện nhỏ và cực nhỏ trong n−ớc, gần đây Trung Tâm Thủy Điện - Viện Khoa học Thủy lợi đã đầu t− nghiên cứu ứng dụng lọai tua bin này và b−ớc đầu đã đạt đ−ợc nhũng kết quả tốt tạo tiền đề cho các nghiên cứu sâu hơn. Viện Khoa học Thủy lợi 8
12. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 Ch−ơng III. Cơ sở lý thuyết và các kết quả nghiên cứu tBTN Trong TBTN, dòng chất lỏng phun vào cánh bánh công tác d−ới một góc nghiêng α (hình 8) α Hình 8. Dòng chất lỏng phun vào BCT TBTN Cơ sở lý thuyết của TBTN đ−ợc dựa trên lý thuyết về tác động t−ơng hỗ giữa dòng tia và tấm bản. 3.1. Cơ sở lý thuyết TBTN. 3.1.1. Tác động t−ơng hỗ giữa dòng tia và tấm bản. 3.1.1.1. Tấm bản cong đối xứng đặt cố định. Xét tác động của dòng tia lên tấm bản cong đối xứng đặt cố định (hình 9). V2 f1 V1 x f V2 β Hình 9. Sơ đồ dòng tia chảy lên tấm bản cong đối xứng đặt cố định. Với giả thiết chất lỏng là lý t−ởng, áp dụng ph−ơng trình động l−ợng, ta có lực P do chất lỏng tác động lên tấm bản là: Viện Khoa học Thủy lợi 9
13. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 γQv γv 2 P = 1 (1− cosβ) = 1 f (1− cosβ) (3.1) g g Từ công thức này ta thấy rằng lực P sẽ lớn nhất khi β = 1800 và trong tr−ờng hợp này: 2γv 2 P = 1 f (3.2) g Nếu f1 là hình chiếu của bản cong lên ph−ơng vuông góc với x, áp lực trung bình lên tấm bản là: 2 p 2v1 f hp = = (3.3) f1γ gf1 v 2 vì h ≤ H = 1 suy ra f ≥ 4f (3.4) p 2g 1 Từ đây ta thấy rằng để đạt yêu cầu tác dụng của dòng chảy lên tấm bản, diện tích hình chiếu của bản lên ph−ơng vuông góc dòng tia phải lớn hơn 4 lần diện tích tiết diện dòng tia. Nguyên tắc lý thuyết này đ−ợc sử dụng để lựa chọn kích th−ớc của BCT tua bin xung kích. 3.1.1.2. Tấm bản cong đối xứng chuyển động theo trục dòng tia. Trên đây ta đã nói đến lực tác dụng t−ơng hỗ giữa dòng tia và tấm bản. Khi tấm bản đứng yên sẽ không có trao đổi năng l−ợng. Muốn cho tấm bản nhận đ−ợc năng l−ợng từ dòng tia, nó phải chuyển động với vận tốc u nào đó (sơ đồ trên hình 10). Lúc này vận tốc của dòng tia so với tấm bản: w = c - u (3.5) Trong đó: u - vận tốc theo c - vận tốc tuyệt đối. Sau một đơn vị thời gian, khối l−ợng n−ớc chảy lên tấm bản là: γ m = f .w (3.6) g Viện Khoa học Thủy lợi 10
14. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 W f1 C x u f W β Hình 10. Sơ đồ dòng tia lên tấm bản cong đang chuyển động theo trục của dòng tia. áp dụng ph−ơng trình động l−ợng, ta có: γf P = (c − u)2 (1− cos β ) (3.7) g Công suất do lực P sinh ra: γf N = P.u = (c − u)2 u(1− cos β ) (3.8) n g Công suất của dòng tia: c 2 γc 2 N = γQ = f (3.9) z 2g 2g Hiệu suất thủy lực: 2 Nn 2(c − u) (1− cosβ )u ηth = = 3 (3.10) N z c Hiệu suất thủy lực lớn nhất η max : 8 η = (1− cosβ ) (3.11) thmax 27 0 Hiệu suất cực đại ηth max có giá trị lớn nhất khi β = 180 16 η = <<1 (3.12) thmax 27 Điều này đ−ợc giải thích rằng khi tấm bản dịch chuyển ra xa nơi xuất phát dòng tia, chỉ có một phần chất lỏng tác dụng đ−ợc lên nó, l−u l−ợng của phần chất Viện Khoa học Thủy lợi 11
15. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 lỏng này tỷ lệ với vận tốc t−ơng đối w = c - u. Nếu u càng nhỏ, lực tác dụng lên tấm bản càng lớn nh−ng khi u = 0 chất lỏng sẽ không truyền năng l−ợng cho tấm bản nữa. Muốn cho tấm bản nhận toàn bộ năng l−ợng của dòng tia thì vòi phun cũng phải chuyển động với vận tốc u. Khi đó sau một đơn vị thời gian dòng chảy lên tấm bản với một khối l−ợng là: γ m = fc (3.13) g Kết quả ta có: γ P = fc(c − u)(1− cosβ) (3.14) g Công suất do lực sinh ra: γ N = Pu = fc(c − u)u(1− cosβ) (3.15) n g Hiệu suất thủy lực: 2(c − u)u(1− cosβ ) η = (3.16) th c2 c cũng t−ơng tự nh− trên ta tìm đ−ợc u tối −u: u = (3.17) tu 2 1 Hiệu suất cực đại lúc này là: η = (1 − cosβ ) (3.18) thmax 2 0 Khi β = 180 thì ηth max = 1 Nh− vậy về mặt lý thuyết, tấm bản có thể nhận toàn bộ năng l−ợng dòng tia. Kết luận này mang ý nghĩa về nguyên tắc đối với tua bin xung kích. 3.1.1.3. Tấm bản cong chuyển động d−ới một góc α với trục dòng tia. Bây giờ ta xét tr−ờng hợp khác khi tấm bản chuyển động với vận tốc u tạo nên một góc α nào đó so với vận tốc của dòng tia (hình 11). Từ tam giác vận tốc tại cửa vào ta xác định trị số của vận tốc t−ơng đối: w = c2 + u2 − 2ucosα Viện Khoa học Thủy lợi 12
16. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 w1 u β1 c1 α u c2 w2 u β2 Hình 11. Sơ đồ dòng tia tác động lên tấm bản cong đang chuyển động d−ới một góc so với trục của dòng tia Để thoả mãn yêu cầu về điều kiện chảy vào của dòng tia, h−ớng của w phải trùng với tiếp tuyến của tấm bản. Góc β1 biểu thị h−ớng của vận tốc t−ơng đối w1 với h−ớng chuyển động của bản đ−ợc xác định từ tam giác vận tốc cửa vào: sinβ c 1 = 1 (3.19) sin α w1 Lực tác động lên bản theo h−ớng chuyển động: γQ P = (c.cosα - u − cosβ c 2 + u 2 − 2.c.u.cosα) (3.20) g 2 Công suất do lực P sinh ra: γQ N = P.u = .u.(c.cosα - u − cosβ c 2 + u 2 − 2.c.u.cosα) (3.21) n g 2 Hiệu suất thủy lực sẽ là: 2.u.(c.cosα - u − cosβ c2 + u 2 - 2.c.u.cosα) η = 2 (3.22) th c2 Lực tác động theo h−ớng vuông góc với chuyển động cũng xác định t−ơng tự: γQ P = (c.sin α − sinβ c 2 + u 2 − 2.c.u.cosα) (3.23) g 2 Viện Khoa học Thủy lợi 13
17. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 Trên đây là các ph−ơng trình lý thuyết có ý nghĩa trong việc phân tích quá trình làm việc của TBTN. Từ lý thuyết cơ bản của dòng tia và tấm bản, rút ra một số kết luận quan trọng: - Diện tích chiếu của tấm bản lên ph−ơng vuông góc với dòng tia để thu đ−ợc f hiệu quả cao là 1 = 4 ữ8 . f - Vận tốc chuyển động tối −u của tấm bản để thu nhận năng l−ợng là: c u= tu 2 0 - Khi β = 180 , ηth = 1. (ở điều kiện lý t−ởng) 3.1.2. Lý thuyết đơn giản của TBTN. Trong TBTN, n−ớc chảy vào BCT tạo với mặt phẳng quay một góc ∝. Dòng chảy vào BCT từ một mặt và ra khỏi ở mặt khác. N−ớc không chảy ra phía ngoài BCT do đó phía ngoài BCT cho phép dùng một vành néo, các cánh của bánh xe. Đây cũng là −u điểm về kết cấu BCT so với tua bin gáo. Cánh có hình dạng gáo với cạnh cửa vào không lớn lắm và để ra khỏi cánh thuận lợi đòi hỏi cạnh cửa ra kéo dài hơn nhiều so với cạnh cửa vào. Tuy vậy trong lý thuyết đơn giản về TBTN nó đ−ợc giả thiết là quá trình chảy trên cánh xảy ra trên các mặt phẳng song song với trục BCT và trục dòng tia. Sơ đồ chảy lên BCT thể hiện trên hình 12. u d w1 c1 cu1 β1 α1 cu2 c2 w α2 2 u β2 Hình 12. Sơ đồ dòng chảy vào BCT TBTN Viện Khoa học Thủy lợi 14
18. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 Giá trị của vận tốc t−ơng đối xác định theo công thức: w = c 2 + u 2 − 2c.u.cosα Giả thiết rằng tiếp tuyến với mặt trong của cánh đi qua cạnh cửa vào và trùng với h−ớng vận tốc w1. Từ ph−ơng trình cơ bản của tua bin: ηgH = ω.(cu1r1 - cu2r2) (3.24) D Trong đó: r = r = 1 và ω.r = ω.r =u 1 2 2 1 2 cu1 = c1cosα1 = w1cosβ1+ u (3.25) 0 cu2 = c2cosα2 = u - w2cos(180 - β2) (3.26) Trong đó: - α1, α2 là góc giữa véc tơ vận tốc tuyệt đối tại cửa vào c1 và cửa ra c2 với vectơ vận tốc u; - β1, β2 là các góc giữa vectơ vận tốc t−ơng đối tại cửa vào w1 và cửa ra w2 với vec tơ vận tố theo u. Từ đây hiệu suất sẽ là: u{[w cosβ + u] −[u − w cos(1800 − β )]} η = 1 1 2 2 = TL gH (3.27) 2 2ϕ uw1 0 = 2 [cosβ1 + ξ cos(180 − β2 )] c1 W Trong đó: ξ = 2 W1 ϕ : Hệ số vận tốc mũi phun c ϕ = 1 (3.28) 2gH Biến đổi ta có: 2 sin(β1 −α1 )sinα1 ηTL = 2ϕ 2 (cosβ1 −ξ cos β 2 ) (3.29) sin β1 Viện Khoa học Thủy lợi 15
19. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 Nh− vậy hiệu suất thuỷ lực của TBTN phụ thuộc vào các góc α1, β1, β2. Ta cần phải xác định các giá trị tối −u của các góc này. ở công thức (3.29) ta thấy ηTL 0 đạt max khi cosβ2 = -1 hay β2 = 180 . Để tìm giá trị tối −u của α1 ta cần tìm đạo hàm riêng của η theo α1. δηth 2 2 2 cosβ1 − ξcosβ2 = 2ϕ [sinβ1(cos α1 − sin α1) − 2cosα1 sin α1 cosβ1] 2 = 0 δα1 sin β1 β Kết quả: α = 1 (3.30) 1 2 Thay vào (3.29) ta có : 2 2 sin β1 / 2 ηth max = 2ϕ 2 [cosβ1 − ξcosβ2 ] (3.31) sin β1 Sau khi biến đổi ta có: 2 cos β1 −ξ cos β 2 ηth max = ϕ (3.31a) 1+ cos β1 Lấy đạo hàm riêng của (3.31a) theo β1 ta có: ∂ηthmax 2 sin β1(1 + ξ cosβ2 ) = ϕ 2 = 0 (3.32) ∂β1 (1+ cosβ1) Nh− vậy hiệu suất cực đại theo lý thuyết đơn giản khi: 0 α1 = 0; β1 = 0; β2 = 180 (3.33) 1+ ξ Lúc đó: η = ϕ 2 (3.34) thmax 2 Nếu giả thiết chất lỏng là lý t−ởng thì ϕ = 1; ξ = 1 ta có: ηth max = 1 Nh− vậy về mặt lý thuyết, hiệu suất thủy lực của TBTN có thể bằng 1. Nh−ng 0 để đạt đ−ợc điều này cần phải thoả mãn điều kiện α1 = β1= 0 và β2 =180 có nghĩa là dòng chảy vào và ra phải trùng với ph−ơng của BCT. Trên thực tế điều này không 0 thể có đ−ợc vì nếu dòng chảy ra với góc β2 =180 thì dòng chảy ra của cánh tr−ớc đập vào l−ng cánh sau. Nhìn vào sơ đồ làm việc của TBTN ta cũng thấy không thể 0 tạo đ−ợc góc dòng vào α1 = 0 . Nh− các phân tích cơ sở lý thuyết tua bin xung kích ta thấy rằng, khi tốc độ vòng quay BCT lệch đi so với tốc độ tối −u về giá trị lớn hơn Viện Khoa học Thủy lợi 16
20. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 hoặc nhỏ hơn hiệu suất đều giảm đi vì tổn thất liên quan đến vận tốc cửa ra tăng. Nh−ng ở TBTN, hiệu suất sẽ giảm nhanh hơn vì ngoài tổn thất do vận tốc ở cửa ra, tại cửa vào cũng tổn thất nhiều do h−ớng của vận tốc t−ơng đối không còn trùng với tiếp tuyến mặt trong của cánh nữa (Điều này không xảy ra đối với tua bin gáo). Từ các kết luận trên đây cho thấy rằng ngay cả lý thuyết và thực tế hiệu suất của TBTN luôn thấp hơn tua bin gáo. Tuy nhiên với những −u điểm của nó nh− đã phân tích ở ch−ơng I, TBTN đ−ợc vẫn đ−ợc sử dụng rộng rãi cho thủy điện nhỏ. β Khi thoả mãn điều kiện α = 1 , tam giác vận tốc tại cửa vào sẽ là tam giác 1 2 cân (u = w1) và vận tốc cửa ra là nhỏ nhất vì w2 ≈ w1 = u. Vận tốc tối −u đ−ợc xác định: c1 utu = (3.35) 2cosα1 1 suy ra ψ tu = (3.36) 2cosα1 Các thí nghiệm tại viện nghiên cứu máy thủy lực Liên Xô cũ (вигм) cho thấy rằng ψtu = 0,46 ữ 0,47. Sau cùng, theo (3.20); (3.23) và (3.22) ta có: Lực tác dụng lên BCT theo chiều quay là: γQC P = (cosα −ψ − cosβ 1+ψ 2 − 2ψ cosα ) (3.37) u g 1 2 1 Lực h−ớng trục là: γQc P = (sinα − sin β 1+ψ 2 − 2cosα ) (3.38) 0 g 1 2 1 Và hiệu suất với ϕ = 1; ξ = 1 là: 2 η = 2ψ (cosα1 −ψ − cosβ2 1+ψ − 2ψ cosα1 ) (3.39). 3.2. Thiết kế TBTN. Các bộ phận và tham số cơ bản trong TBTN bao gồm: Viện Khoa học Thủy lợi 17
21. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 + Các bộ phận chính: - Vòi phun, kim phun và bộ phận chuyển tiếp từ ống dẫn. - Bánh công tác ua bin - Buồng tua bin + Các tham số cơ bản: D - Tỷ số: 1 d0 - Khỏang cách mũi phun đến bánh công tác, chất l−ợng dòng tia. - Chuyển động của dòng tia qua BCT và sau BCT, hệ số co hẹp và giãn nở của dòng tia. Để nâng cao chất l−ợng làm việc của TBTN, cần tập trung nghiên cứu các bộ phận và tham số trên. 3.2.1. Biên dạng phần dẫn dòng của TBTN. 3.2.1.1. Bộ phận ống dẫn. Bộ phận ống dẫn là bộ phận nối tiếp giữa đ−ờng ống áp lực của trạm thủy điện và vòi phun của tua bin. Các yêu cầu chính đối với bộ phận ống dẫn là: - Tổn thất thủy lực trong ống nhỏ. - Tạo ra tr−ờng vận tốc phân bố đều, không xóay tr−ớc bộ phận h−ớng dòng. - Có kích th−ớc nhỏ gọn. - Đối với các trạm thủy điện nhỏ, kích th−ớc của bộ phận ống dẫn phảI phù hợp với các tiêu chuẩn ống thông dụng. Trong nghiên cứu, chế tạo tua bin gáo, các dạng ống dẫn đã đ−ợc nghiên cứu khá sâu. Do vậy, có thể phân tích lựa chọn các kích th−ớc cho phù hợp. Việc lựa chọn các kích th−ớc ống dẫn tiến hành nh− sau: Đ−ờng kính ống dẫn xác định theo công thức: dod= (3 ữ 3,5)dvp (3.40) Trong đó: dod: đ−ờng kính ống dẫn dvp: đ−ờng kính vòi phun Nh− vậy: dod= (3ữ3,5)*1,2d0 V0= (13ữ17,6)Vod Viện Khoa học Thủy lợi 18
22. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 Hay: K0=(170ữ300)Kod Trong đó: K0: động năng dòng chảy tại mũi phun Kod: động năng dòng chảy trong ống dẫn Do tổn thất thủy lực trong ống dẫn tỷ lệ thuận với thành phần động năng dòng chảy nên với lựa chọn trên, tổn thất trong ống dẫn là rất nhỏ. Từ công thức xác định vận tốc của dòng chảy qua mũi phun: V0=ϕ * 2gH với ϕ = 0,96 ữ 0,98, chọn với ϕ = 0,7 Suy ra: Vod=(0,075ữ0,055)* 2gH (3.41) Với các tổ máy thủy điện nhỏ, có thể chọn Vod=0,09* 2gH (3.42) Hình dạng và kích th−ớc t−ơng quan của ống dẫn: Kết quả nghiên cứu về mũi phun tại nhà máy kim khí Lêningrát về 3 ph−ơng án ống dẫn cong: α = 450, L = 5d; α = 450, L = 1,5d; α = 900 và L = 1,5d (hình 13) cho kết quả dòng tia nh− bảng 1. Ph−ơng án a, tổ chức dòng tia tốt nhất, tổn thất thủy lực nhỏ nh−ng kích th−ớc cồng kềnh, ph−ơng án c tổ chức dòng tia kém và tổn thất thủy lực lớn. Do vậy, trong thiết kế thủy điện cực nhỏ có thể dùng ph−ơng án b. Một l−u ý trong thiết kế là 43 − 36 dòng tia nở ra sau mặt cắt co hẹp với tỷ lệ Φ = =19,5% . Khi thiết cần thu 36*100% D hẹp khỏang cách giữa BCT và vòi phun và lựa chọn tỷ số 1 phù hợp để không gây d0 hiện t−ợng dòng tia phun lên vành và bầu BCT. (a) Viện Khoa học Thủy lợi 19
23. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 (b) (c) Hình 13. Các ph−ơng án khuỷu cong của bộ phận dẫn n−ớc đến Bảng 1 Ph−ơng án Độ mở S L−u l−ợng d0(mm) d cách vòi 170mm a 20,72 33 37 b 40 20,15 36 43 c 20,72 31 45 a 16,86 30 31 b 20 16,6 31 38 c 16,86 31 38 a 8,03 21 22 b 7,5 8,24 22 26 c 8,83 22 27 Viện Khoa học Thủy lợi 20
24. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 3.2.2. Thiết kế bộ phận h−ớng dòng (vòi phun). Bộ phận h−ớng dòng của TBTN là bộ phận trong đó xẩy ra quá trình biến đổi áp năng của dòng chảy thành động năng. Ngoài ra nó còn có chức năng điều chỉnh l−u l−ợng tua bin. Vòi phun hình côn tiết diện tròn với van kim đồng trục dịch chuyển theo h−ớng trục vòi phun (hình 14) là thực hiện tốt nhất các nhiệm vụ trên. Khi ở vị trí tận cùng bên phải van kim đóng tiết diện cửa ra. Dịch chuyển van kim sang trái, tiết diện cửa ra tăng lên, l−u l−ợng sẽ tăng. Biên dạng của vòi phun sao cho l−u l−ợng thay đổi đều phụ thuộc vào hành trình của van kim và ở trên từng vị trí của van kim vận tốc dòng chảy tăng dần dọc theo đ−ờng dòng và lớn nhất tại cửa ra. Hình 14. Vòi phun tiết dện tròn điều chỉnh độ mở bằng van kim Về mặt kết cấu nên làm sao cho hành trình cực đại của van kim nhỏ tới mức tối thiểu. Thực tế vòi phun đ−ợc chế tạo t−ơng ứng với các thông số cơ bản (đ−ờng kính cửa vào và cửa ra), với kết cấu bộ phận điều khiển van kim và số liệu vận hành của các vòi phun đã sử dụng. Hình 15. Sơ đồ dòng chảy thế của đ−ờng dẫn trong vòi phun Về nguyên tắc khi xem xét một số ph−ơng án biên dạng vòi phun. Để cho từng ph−ơng án, ta xây dựng hình chiếu đ−ờng kinh tuyến của ống dẫn khi độ mở Viện Khoa học Thủy lợi 21
25. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 của bộ phận h−ớng dòng khác nhau (hình 15). Sau đó đ−a lên hình chiếu kinh tuyến của ống dẫn các đ−ờng dòng và các đ−ờng đẳng thế xuất phát từ các giả thiết dòng chảy thế đối xứng. Dòng chảy thế theo kinh tuyến đ−ợc xác định bằng ph−ơng pháp đồ giải kết hợp giải tích gần đúng. Cơ sở lý thuyết và ph−ơng pháp xây dựng đ−ờng đ−ờng dòng đẳng thế nh− sau: a. Cơ sở lý thuyết: Dòng chảy trong bộ phận h−ớng dòng nói chung là phức tạp, tuy nhiên với giả thiết nó là dòng chảy thế, ta vẫn có thể giải bài toán thuận với độ chính xác chấp nhận đ−ợc. Dòng đẳng thế đặc tr−ng bởi tính chất: không có các xoáy xung quanh trục các phần tử chất lỏng. Với biểu thức toác học Ωu= 0, dọc theo dòng chảy và theo đ−ờng vuông góc với đ−ờng dòng cả vận tốc và áp lực đều thay đổi. Ký hiệu S1, S2 , Si là các đ−ờng dòng và n1, n2 , nj là các đ−ờng vuông góc với các đ−ờng dòng. L−u l−ợng qua vòi phun xác định theo công thức: R Q = ∫ 2πrCm∆n (3.43) r Trong đó: r – bán kính trong phần dẫn dòng của vòi phun R – bán kính biên dạng ngoài phần dẫn dòng của vòi phun. L−u l−ợng nguyên tố ∆Q qua một diện tích vành khăn giữa hai đ−ờng dòng là: ∆Q = 2πr1Cm1∆n1 = 2πr2Cm2∆n2 = = const Nếu gọi ∆Φ là độ chênh thế giữa 2 đ−ờng vuông góc đứng cạnh nhau, cách nhau khoảng ∆S, thì theo toán học đã chứng minh vận tốc Cm tính theo dòng đẳng thế bằng công thức: dΦ ∆Φ C = ≈ (3.44) m dS ∆S thay vào công thức (3.43) ta có: R ∆Φ R r Q = ∫ 2πr ∆n = 2π∆Φ∫ ∆n r ∆S r ∆S R r gọi: F = ∫ 2π ∆n (3.45) r ∆S ta có: Q = 2πF.∆Φ (3.46) Viện Khoa học Thủy lợi 22
26. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 Q vậy: ∆Φ = (3.47) 2πF Nh− vậy sau khi dựng đ−ợc đ−ờng dòng, tính độ chênh thế ∆Φ theo công thức (3.47), dùng công thức (3.45) ta sẽ tính đ−ợc vận tốc trong mặt cắt kinh tuyến. b. Ph−ơng pháp xây dựng dòng đẳng thế. Xây dựng dòng thế kinh tuyến bắt đầu từ tiết diện nào đó của ống dẫn, nằm tr−ớc vòi phun, nơi mà dòng chảy có thể coi là thẳng (Cu= 0, Cr= 0) và vận tốc nh− nhau (C = const). Việc xây dựng kết thúc ở tiết diện gần vòi phun của dòng tia tự do, tại đó dòng tia có đủ các đặc tính trên (C = const). Trong tính toán gần đúng, theo hình dạng thành ống dẫn ta vẽ một số đ−ờng dòng mà chúng cùng với các thành đ−ờng dẫn tạo thành n+1 đ−ờng cong. Cần phải vẽ sao cho l−u l−ợng giữa từng cặp mặt dòng cạnh nhau là nh− nhau. Để thỏa mãn điều kiện này, ở tiết diện đầu, khoảng cách từ các đ−ờng dòng tới trục đối xứng xác định nh− sau: k n − k R = r 2 + r 2 (3.48) k n n n 0 Trong đó k = 0,1,2,3 n Khi k = n thì rk= rn= R (R là bán kính thành ngoài của đ−ờng dẫn n−ớc). Khi k = 0 thì rk = ro (bán kính của cần van kim). Tại tiết diện cuối các đ−ờng dòng đi qua các điểm có bán kính cũng đ−ợc xác d định theo (3.48) nh−ng ở đây r = 0 . n 2 Nếu nh− biết đ−ợc đ−ờng đặc tính l−u l−ợng của vòi phun nghiên cứu thì theo vị trí của van kim xác định đ−ợc l−u l−ợng và tiếp sau là đ−ờng kính dòng tia. Nếu không thì d0 phải xác định gần đúng với giả thiết rằng trong đoạn từ cửa ra của ống vòi phun tới mặt cắt cuối vận tốc của dòng chảy không tăng hoặc tăng rất ít. Đoạn này không bị giới hạn bởi các thành cứng và do đó biên dạng ngoài của nó cũng xác định gần đúng. Vì thế dòng chảy trong đoạn này đ−ợc xác định với độ tin cậy thấp hơn trong tất cả các đoạn còn lại khác. Sau khi xác định đ−ợc điểm đầu và điểm cuối của các đ−ờng dòng, ta vẽ sơ bộ các đ−ờng dòng theo kinh nghiệm. Viện Khoa học Thủy lợi 23
27. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 Vẽ tiếp các đ−ờng vuông góc với các đ−ờng dòng (khi đạt độ chính xác yêu cầu, đây sẽ là các đ−ờng đẳng thế). Để giảm sai số ở đoạn cuối, cần vẽ một đ−ờng vuông góc với các đ−ờng dòng đi qua cạnh cửa miệng ra của ống vòi phun và xung quanh vị trí này cần tăng mật độ các đ−ờng đó. Để tìm vị trí chính xác của các đ−ờng dòng dựa vào cơ sở lý thuyết đã nêu trên, ta lập bảng tính toán nh− bảng (2). Bảng 2 Số ∆Fi= ∆Fi= δ(∆n)i= đ−ờn r ∆S r r ∆n ⎡ r ⎤ ∑∆F δ(∆Fi)= δ(∆F ) δ(∆n)i ∆n⎢ ⎥ i i ⎣∆S ⎦tb g mm mm ∆S ∆S mm i-1 ∆Fi-∆Ftb r ∆n mm dòng tb mm mm ∆S tb 100% S0 S1 S2 . . . Sn Tính toán bảng 2 cho từng đ−ờng vuông góc n-n và thay đổi vị trí các đ−ờng dòng sao cho giá trị ∆Fi dọc theo đ−ờng vuông góc n-n là bằng nhau. Sai số của các giá trị này ký hiệu là δ(∆Fi)=∆Fi-∆Ftb. Trong đó giá trị trung bình ∆Ftb tính theo công thức: ∆F ∆F = ∑ i tb i −1 Từ đó cần phải chuyển dịch đ−ờng dòng một khoảng cách là δ(∆n), chiều dịch chuyển phụ thuộc vào dấu δ(∆n). Tính δ(∆n) theo công thức: δ (∆F ) δ (∆n) = i i ⎡ r ⎤ ⎢ ⎥ ⎣∆S ⎦tb Quá trình tính toán và dịch chuyển các đ−ờng dòng kết thúc khi sự sai lệch giữa hai lần tính toán cuối cùng còn lại: Viện Khoa học Thủy lợi 24
28. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 δ (∆n) i .100% = 3 ữ 5% ∆n Sau khi dựng đ−ợc các đ−ờng dòng, ta tìm tr−ờng vận tốc của dòng theo các công thức (3.45), (3.47) và lập thành bảng (3). Bảng 3 Đ−ờn 2π∑Fi= Đ−ờng dòng r Q g 2π ∆n ∆Φ = S0 S1 . Si ∑ ∆S 2π ∑∆Fi vuôn ∆S Cm ∆S Cm ∆S Cm ∆S Cm g góc m m/s m m/s m m/s m m/s 0-0 1-1 2-2 . . . j-j Sau khi có kết quả ở bảng (3) ta vẽ đồ thị quan hệ Cm= f(S). Dựng đ−ờng dòng đẳng thế có thể thực hiện trên máy vi tính. Xây dựng đ−ờng dòng của vòi phun nói chung là khó khăn và phức tạp. Do đó để đánh giá một cách t−ơng đối chất l−ợng các ph−ơng án vòi phun ng−ời ta có thể tính toán và xây dựng các đ−ờng cong của sự thay đổi diện tích tiết diện dọc theo trục vòi phun khi các độ mở khác nhau. Để tính toán các diện tích tiết diện cần xây dựng các mặt cắt kinh tuyến của đ−ờng dẫn n−ớc vòi phun ở một số độ mở. Sau đó trên từng mặt cắt dựng một số đ−ờng đẳng thế gần đúng. Các mặt cong đẳng thế trong không gian đ−ợc thay thế bởi các mặt côn thẳng, khi đó diện tích F sẽ là: F = axπd x (3.49) Trong đó: ax là chiều dài côn thẳng dx đ−ờng kính chính giữa hình côn. Các trị số : ax, dx đ−ợc xác định trực tiếp trên hình vẽ (xem hình 15). Sau đó xây dựng đ−ờng quan hệ F = f(l), l là khoảng cách từ mặt phẳng đi qua giữa hình côn đến mặt phẳng cửa ra của vòi phun. Viện Khoa học Thủy lợi 25
29. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 Thông th−ờng ở vị trí đóng và ở độ mở nhỏ, diện tích tiết diện biến đổi t−ơng đối đều, theo chiều tăng độ mở ở đoạn giữa của các đ−ờng cong có vùng biến đổi với gradien nhỏ hơn. Do đó phải làm sao cho sự giảm gradien cục bộ này không lớn. Những nghiên cứu trong những năm gần đây cho thấy khi dòng chảy ở cửa ra bị nén sẽ cho dòng tia gọn và ít bị tóe n−ớc. Góc côn càng lớn dòng chảy bị nén càng nhiều. Nh−ng khi tăng góc côn của ống vòi phun sẽ làm cong mạnh đ−ờng dòng và do đó gây thêm tổn thất thủy lực và nh− vậy đ−ờng kính vòi phun phải tăng lên. Ngày nay góc côn của ống vòi phun và van kim đ−ợc xem là tối −u là γ/α=600/450, γ/α=800/540 và γ/α=850/600. Hình 16. Biên dạng vòi phun γ/α=800/540 Từ sơ đồ dòng chảy thế ta có thể biết đ−ợc sự phân bố vận tốc theo bề mặt van kim cụ thể là dọc theo đ−ờng dòng S0 (hình 15), bằng ph−ơng trình Bernuli có thể tìm đ−ợc sự phân bố áp lực: 2 ⎛ C i ⎞ ⎜ ⎟ Pi=γH⎜1− ⎟ (3.50) ⎝ 2gH ⎠ Trong đó: H là cột n−ớc ở cửa vào vòi phun. Tích phân nó ta có lực dọc trục thủy động tác dụng lên van kim: d P = 2π max p dr (3.51) s ∫0 i Trong đó: dmax là đ−ờng kính lớn nhất của van kim. Khi vòi phun ở vị trí đóng, lực dọc trục tác dụng lên van kim (không kể diện tích cần đẩy) là: 2 πd max P = γH (3.52) s=o 4 Viện Khoa học Thủy lợi 26
30. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 3.2.3. Bộ phận lái, cắt dòng. Bộ phận lái (cắt) dòng có chức năng lái dòng ra ngoài không tác dụng vào BCT khi dừng tua bin để tránh va đập sóng va trong đ−ờng ống. Trong quá trình điều chỉnh kép, khi ở chế độ làm việc ổn định, bộ phận lái, cắt dòng không chạm tới dòng tia. Nh−ng để cho khi cắt tải cơ cấu lái dòng có thể tham gia vào quá trình điều chỉnh càng nhanh càng tốt, cạnh công tác của nó phải nằm không xa mặt dòng tia. Do đ−ờng kính dòng tia thay đổi tùy thuộc vào vị trí của van kim, để hòa hợp vị trí của bộ phận lái dòng với vị trí của van kim trong hệ thống điều chỉnh TBTN ng−ời ta sử dụng các liên kết đặc biệt. Để tính toán các liên kết cần phải biết quan hệ đ−ờng kính dòng tia với hành trình van kim. Nếu đ−ờng đặc tính l−u l−ợng Q = f(s) của vòi phun đã biết thì quan hệ d0 = f(s) dễ dàng tìm đ−ợc nhờ công thức xác định d0 qua l−u l−ợng. Để tính toán các thành phần của hệ thống điều chỉnh cần phải biết hàm quan hệ của công suất dòng chảy tác dụng lên BCT và mô men thủy lực tác dụng lên bộ phận lái dòng với vị trí của nó khi độ mở của bộ phận h−ớng dòng khác nhau. Trong quá trình chế tạo bộ phận lái dòng, các quan hệ này đ−ợc xác định gần đúng bằng đồ giải. Xác định trị số mô men thủy lực khi bộ phận lái dòng làm việc (hình 17). Bộ phận lái dòng đ−ợc chế tạo và đ−a vào dòng tia sao cho ở chỗ tiếp xúc đầu tiên của 0 dòng tia với mặt của bộ phận lái dòng góc θi gần với 0 . Do đó toàn bộ dòng tia bị lái chỉ có một mà không phải hai h−ớng chuyển động. Khi tính toán giả thiết rằng h−ớng này trùng với h−ớng của tiếp tuyến với biên dạng của bộ phận lái dòng tại cửa ra. Nếu trục X h−ớng song song với trục dòng tia còn trục Y h−ớng lên trên và gốc tọa độ trùng với trục quay của bộ phận lái dòng ta có: γQC γQC P = ()1− cosθ ′ ; P = sinθ ′ x g i y g i 2 2 Tổng hợp lực P = px + p y để xác định mô men thủy lực cần biết điểm đặt của tổng hợp lực, có thể lấy gần đúng điểm này là điểm nằm ở chính giữa phần dòng chảy của mặt bộ phận lái dòng (ki) trên hình (17), khi đó: Mtl=Pxyi - Pyxi (3.53) Viện Khoa học Thủy lợi 27
31. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 θi θi’ Hình 17. Vị trí của bộ phận lái dòng Khi xác định biên dạng của bộ phận lái dòng và chọn vị trí trục quay của nó sao cho giá trị mô men thủy lực không lớn (cho phép giảm công suất và t−ơng ứng kích th−ớc máy tiếp lực) 3.2.4. Dòng tia tự do trong không khí. Sau khi ra khỏi vòi phun, dòng tia chuyển động tự do trong môi tr−ờng không khí tr−ớc khi đi vào BCT. Các nghiên cứu cho thấy rằng, ngay sau khi ra khỏi vòi phun, dòng tia đạt đ−ợc diện tích nhỏ nhất của mình và sau đó mở rộng ra. Sự mở rộng dòng tia đ−ợc giải thích là do sức cản của không khí đã làm chậm chuyển động của nó. Bề mặt ngoài của dòng tia bị giảm cột áp (hình 17). Hình 18. Biểu đồ phân bố áp lực cắt ngang dòng tia Từ lý thuyết về tầng giới hạn, V. Sulgin coi dòng tia trơn không khuyếch tán đã chỉ ra rằng ma sát n−ớc và không khí rất nhỏ, có thể qua. Những vùng lồi lõm của Viện Khoa học Thủy lợi 28
32. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 biểu đồ vận tốc theo biên ông giải thích bởi sự xuất hiện dấu vết của các tầng giới hạn. Nh−ng thực tế dòng tia không thể xem là trơn tuyệt đối. Qua nghiên cứu bằng ph−ơng pháp chụp ảnh cho thấy bề mặt của dòng tia có tính chất l−ợn sóng, từ nó các phần tử chất lỏng bị tách ra. Trong khi đó dòng tia chảy trong chân không có đ−ợc bề mặt trơn nhẵn hơn nhiều. Rõ ràng là trong môi tr−ờng không khí có ảnh h−ởng thế nào đó tới cấu trúc lớp ngoài của dòng tia. Cho đến nay các nghiên cứu về dòng tia chảy trong không khí vẫn ch−a đ−ợc hoàn thiện để đánh giá đầy đủ các tổn thất. Tạm thời chỉ có thể nói tới tổng tổn thất liên quan đến vòi phun và dòng tia mà ch−a kết luận đ−ợc tỷ lệ từng loại tổn thất riêng trong cân bằng năng l−ợng chung. Hiệu suất vòi phun tính tất cả các tổn thất này khi thiết kế biên dạng hợp lý theo thực nghiệm có thể đạt 95 ữ 98%. Trong thiết kế cũng cần tính toán đến độ mở rộng của dòng tia khi quyết định tỷ số D1/d0 để tránh dòng tia khi vào BCT có thể va chạm vào bầu hoặc vành làm giảm hiệu suất của tua bin. 3.2.5. Nghiên cứu, thiết kế bánh xe công tác. D 3.2.5.1. Luận cứ về tỷ số 1 : d0 D Tỷ số 1 là thông số rất quan trọng trong thiết kế tua bin dòng phun (tua bin d0 gáo, TBTN). Các thông số qui dẫn và số vòng quay đặc tr−ng của tua bin đều phụ thuộc vào công thức này, cụ thể nh− sau: π.d 2 Vì: Q = ϕ * 2gH * 0 (3.54) max 4 2 Và: Q = Q1 * D1 * H (3.55) 2 π 2g ⎛ d ⎞ ' ⎜ 0 ⎟ Nên : Q1 = *ϕ *⎜ ⎟ nếu lấy ϕ = 0,97 thì : 4 ⎝ D1 ⎠ 2 ⎛ d ⎞ ' ⎜ 0 ⎟ Q1 = 3,41*⎜ ⎟ (3.56) ⎝ D1 ⎠ 2 ⎛ d ⎞ ' ⎜ 0 ⎟ Nếu tổ máy có số vòi phun là z thì : Q1 = 3,41* z *⎜ ⎟ ⎝ D1 ⎠ Viện Khoa học Thủy lợi 29
33. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 Số vòng quay đặc tr−ng ns xác định theo công thức: ' ' ns = 3,13*n1 * η.Q1 (3.57) ’ ’ Nếu lấy η= 0,83 ; n1 = 41 tại trị số Q 1max thì số vòng quay đặc tr−ng của tua bin xác định theo công thức : d0 ns max = 216* * z (3.58) D1 D Tỷ số 1 của TBTN theo thực nghiệm xác định đ−ợc có giá trị từ 3,5 ữ 7. d0 Ngoài vùng trên, hiệu suất của tua bin giảm. Bảng 4 so sánh các giá trị qui dẫn và số vòng quay đặc tr−ng của TBTN và tua bin gáo. Bảng 4 Thông số D 1 ’ ns Q 1(l/s) Lọai TB d0 TBTN 3,5 ữ 7 62 ữ 31 278 ữ 70 Tua bin gáo 8 ữ 18 27 ữ 12 53 ữ 10,5 Trong chuyên đề về gam thủy điện nhỏ, với các lọai thủy điện nhỏ có thể D chọn 1 = 4. d0 3.5.2.2. Góc giữa tia và bánh công tác.: Kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm [1] cho thấy, góc vào phù hợp α 0 0 0 0 = 22,5 ữ 25 , góc ra β2 = 165 ữ 168 . Với TĐCN có thể chọn theo h−ớng thuận lợi cho công nghệ, chọn α = 250 0 β2 = 165 Góc giữa vận tốc t−ơng đối, trùng với góc đặt cánh tại mép vào β, theo tính β toán tối −u là α = 1 1 2 Các góc ở các bán kính khác nhau đ−ợc định theo công thức: Viện Khoa học Thủy lợi 30
34. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 sin 2α1 β1i = arctg (3.59) 2 Ri 2cos α1 − R0 Trong đó: β1i là góc tại cửa vào của cánh gáo ở vị trí có bán kính là Ri R0 là bán kính danh nghĩa của bánh xe công tác (R0 = D1/2). 3.5.2.3. Kích th−ớc cơ bản của BCT, biên dạng lá cánh BCT. Ph−ơng pháp thiết kế cánh: Do tài liệu nghiên cứu vầ BCT tua bin tia nghiêng rất thiếu, hơn nữa phần lớn biên dạng cánh TBTN đ−ợc xác định nhờ thực nghiệm, nên đề tài chọn ph−ơng pháp thiết kế cánh bằng ph−ơng pháp phân tích lý thuyết, lựa chọn, thiết kế theo mẫu, thử nghiệm trên mô hình để rút ra các chi tiết cần thiết. a. Lực chọn mẫu. Mẫu đ−ợc lựa chọn đảm bảo có chất l−ợng cao, trog đề tài chọn mẫu của 3 hãng: Hãng Gilkes (Anh), hãng TANAKA (Nhật Bản), hãng TRIED (Trung Quốc). D Ba mẫu trên đều có phạm vi 1 = 4 ữ 5,5, là vùng thích hợp cho TBTN có cột n−ớc d0 trong phạm vi H ≤ 300m Các kích th−ớc cơ bản của mặt cắt ngang BCT nh− hình 19. Hình 19. Các thông số hình học cơ bản của BCT TBTN - Đ−ờng kính bầu ở lối vào: dbV= 0,734D1 - Đ−ờng kính bầu ở lối ra: dbR= 0,507D1 Viện Khoa học Thủy lợi 31
35. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 - Chiều cao của bầu: H = 0,330D1 - Đ−ờng kính vành ở lối vào: Dv=1,440D1 - Đ−ờng kính lối ra lớn nhất: D3=1,750D1 - Đ−ờng kính lối ra nhỏ nhất: D2=0,283D1 - Chiều rộng của cánh: B1=0,373D1 - Chiều rộng cánh ở lối ra nhỏ nhất: B2=0,303D1 - Chiều rộng cánh ở lối ra lớn nhất: B3=0,174D1 - Đ−ờng kính ngoài của vành: DN=1,824D1 - Chiều cao của vành: h=0,113D1 b. Kiểm tra các kích th−ớc hình học của cánh: Xây dựng mặt cắt và mặt bằng giao của dòng tia và BCT cho thấy: ở các chế D1 độ = 4 ữ 5,5, kể tới độ nở của dòng tia tại mặt cắt T ≤ 5d0 , cho kết quả nh− sau: d0 δ Hình 20. Vị trí tác động của dòng tia trên mặt BCT Khoảng cách giữa dòng tia và vành, bầu cánh ở chế độ, độ mở lớn nhất, với ph−ơng án ống dẫn khuỷu cong loại b. - Đ−ờng kính dòng tia d0: 55mm - Độ mở dòng tia: d0 x 19,5%: 67mm - Khoảng cách gần nhất: tới bàu và vành ∆δ Kết quả ∆δ >5mm: Đạt yêu cầu đặt ra Biên dạng cánh BCT: + Biên dạng cánh đ−ợc xác định nh− sau: Sử dụng ph−ơng pháp lấy mẫu bằng máy quét Criber: Lấy mỗi cánh khoảng 10 mẫu. - Sử dụng phần mềm SPSS để xử lý số liệu. Viện Khoa học Thủy lợi 32
36. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 - Xây dựng biên dạng cánh sau khi xử lý số liệu. Kết quả đo nh− trong phụ lục 1. 3.2.6. Vỏ tua bin. Vỏ tua bin ngoài việc bảo đảm cho n−ớc không bị bắn ra sàn còn cần phải đảm bảo dòng n−ớc ra khỏi bánh xe công tác không bắn ng−ợc trở lại ảnh h−ởng đến sự làm việc của tua bin. Hiện nay, vỏ tua bin đ−ợc coi là −u việt nhất có kết cấu nh− hình 23. Cụm ổ trục tua bin đ−ợc bố trí phía tr−ớc vỏ, các vòi phun bố trí hai bên. Trên đỉnh vỏ có nắp dốc về phía sau đảm bảo cho thoát hết phần n−ớc bắn lên trên và có thể thoát nhanh không ảnh h−ởng đến sự làm việc bình th−ờng của BCT. Quá trình tháo lắp, bảo d−ỡng cũng rất thuận tiện và đơn giản. 3.2.7. Bố trí các bộ phận cơ bản của TBTN. Các TBTN hiện nay th−ờng chỉ gồm hai loại 1 hoặc 2 vòi phun có kết cấu nh− hình 23 và hình 24. Các vòi phun đ−ợc bố trí ng−ợc nhau và đối xứng qua BCT. Góc giữa trục vòi phun và mặt phẳng bánh xe công tác chọn trong khoảng 22,5 ữ 250. Khoảng cách giữa vòi phun và mặt phẳng nhận n−ớc của BCT là G (hình 16), thực nghiệm cho thấy rằng tổn thất năng l−ợng của dòng tia là nhỏ nhất khi G ≤ 5 d0. Mặt dòng tia trụ tròn cắt mặt Hình 21. Vị trí của vòi phun phẳng cửa nhận n−ớc của BCT có so với BCT dạng hình ô van (gọi là hình ô van dòng tia). Thực nghiệm cho thấy vị trí ô van dòng tia có h−ớng ng−ợc với chiều chuyển động (hình 22). Nếu sự dịch chuyển (T) này không gây cho dòng tia vấp phải vành bao ngoài có thể nâng cao số vòng quay đặc Hình 22. Giao diện (ô van) giữa dòng tia và tr−ng của tua bin. Đồng thời BCT Viện Khoa học Thủy lợi 33
37. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 giảm bớt sự va đập vào vành bao ngoài của tua bin hoặc có thể giảm bớt số cánh. Khoảng dịch chuyển T đ−ợc xác định nhờ thực nghiệm. 3.3. Chọn kết cấu tổ máy, số vòi phun. Có 3 loại kết cấu TBTN: + Kết cấu trục đứng 1 mũi phun, 2 mũi phun + Kết cấu trục ngang 1 mũi phun, 2 mũi phun + Kết cấu trục đứng nhiều mũi phun nh− các hình 21, hình 22 và hình7: Hình 23. Kết cấu TBTN trục đứng 1 hoặc 2 vòi phun Hình 24. Kết cấu TBTN trục ngang Viện Khoa học Thủy lợi 34
38. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 Ưu nh−ợc điểm của các kết cấu nh− ở bảng 5: Bảng 5 TT Loại kết cấu Ưu điểm Nh−ợc điểm Loại trục ngang - Kết cấu đơn giản, ổ trục ở 2 phía - Phạm vi làm việc 1 mũi phun BCT nên chịu lực tốt; hẹp. 1 - Dễ lắp với các máy phát trục ngang khác. Loại trục ngang - Kết cấu đơn giản, dễ lắp với các - Cần chú ý ổ trục 2 mũi phun máy phát trục ngang khác; để nâng cao độ bền. 2 - Phạm vi làm việc rộng bằng 2 lần loại 1 mũi phun; - Dễ chế tạo, lắp đặt, sửa chữa. Loại trục đứng - Kết cấu gọn gàng, dễ lắp đặt, quản - Máy phát phải 1,2 và nhiều mũi lý, vận hành. đồng bộ với tuabin; phun - Loại nhiều mũi phun có khung làm - ổ trục tuabin yêu việc rộng. cầu khả năng chịu 3 lực dọc trục cao; - Làm kín mỡ tốt; - Phù hợp với các hãng sản xuất thiết bị đồng bộ Trong phần nghiên cứu này chúng tôi lựa chọn kết cấu trục ngang 2 mũi phun với các lý do sau: - Nh− đã phân tích trong gam thủy điện nhỏ và cực nhỏ. Yêu cầu về vùng làm việc của TBTN không quá rộng. - Điều kiện sản xuất số l−ợng không cao nên phù hợp với điều kiện sản xuất máy phát điện trục ngang. - Tổ máy dễ chế tạo, đơn giản cho quá trình vận hành. - Thực tế hãng Gilkes đã sản xuất tới 5.000 kW/tổ máy với nhiều TTD có cột n−ớc khác nhau đều đảm bảo yêu cầu về độ bền và hiệu suất cao. Viện Khoa học Thủy lợi 35
39. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 3.4. Ph−ơng pháp thiết kế TBTN. Để xác định các thông số, kích th−ớc của TBTN, cần cho tr−ớc các đại l−ợng: Cột áp lớn nhất, cột áp tính toán, cột áp nhỏ nhất: Hmax,Htt, Hmin và công suất tua bin N. 3.4.1. Chọn các kích th−ớc cơ bản. a. Vòi phun: Các kích th−ớc cơ bản của vòi phun đ−ợc xác định theo các thông số sau: cột áp tính toán Htt, số l−ợng vòi phun Zv và công suất tổ máy: L−u l−ợng qua một vòi phun xác định theo công thức: Q N Q1 = = (3.60) Zv 9,81ηHtt Zv trong đó: η - Hiệu suất TBTN sơ bộ chọn η=0.8 Đ−ờng kính dòng tia ứng với l−u l−ợng lớn nhất xác định theo công thức: πd 2 Q = 0 Z ϕ 2gH (3.61) 1 4 v tt Từ đó suy ra: 4Qmax d0 = (3.62) Zvϕ 2gH tt Nếu lấy ϕ = 0,97 ta có: Q0 d0 = 0,545 (m) (3.63) Zv H 3 Trong đó: Q0= Qmax l−u l−ợng (m /s) H = Htt cột áp (m) Hiện nay, các vòi phun đã đ−ợc nghiên cứu t−ơng đối kỹ l−ỡng cả về lý thuyết và thực nghiệm của tua bin gáo. Có 3 loại vòi phun cơ bản có hiệu suất khá cao để tính đổi cho các loại tua bin khác nhau đó là: loại vòi phun ngắn(850/600), loại vòi phun trung bình(800/550), và loại vòi phun dài (620/450). Vòi phun ngắn có −u điểm là lực ma sát nhỏ, hành trình S và kích th−ớc tổ máy nhỏ, đặc biệt với tổ máy nhiều vòi phun cho kích th−ớc kết cấu càng nhỏ. Nh−ng do hành trình của kim phun biến đổi không lớn, l−u l−ợng biến đổi nhiều, việc điều chỉnh đòi hỏi phải nhạy. Cũng vì vòi phun ngắn, dòng chảy quặt gấp, có thêm tổn thất do dòng rối. Tuy nhiên do có độ nén tốt nên nó phù hợp với cột n−ớc Viện Khoa học Thủy lợi 36
40. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 thấp. Đối với loại vòi phun dài thì khắc phục đ−ợc các nh−ợc điểm của vòi phun ngắn nh−ng về mặt kích th−ớc kết cấu sẽ rất lớn nếu tổ máy có ít vòi phun đồng thời loại vòi phun này có độ nén kém hơn nên nó phù hợp với cột n−ớc cao. Lọai vòi phun trung bình có các đặc điểm khắc phục các nh−ợc điểm của hai loại ngắn và dài. Nó phù hợp với cột n−ớc trung bình. Tóm lại, vòi phun có độ côn lớn phù hợp với cột áp thấp, vòi phun trung bình cho cột áp trung bình và vòi phun có độ côn nhỏ cho cột áp cao. Đối với TBTN, do cột n−ớc làm việc không cao nên việc sử dụng loại vòi phun ngắn và trung bình là thích hợp. Đối với các tổ máy có cột áp nhỏ hơn 50 m nên chọn loại vòi phun ngắn. Các tổ máy có cột áp cao hơn nên chọn loại vòi phun trung bình. b. Chọn đ−ờng kính BCT và số vòng quay. Thực nghiệm cho thấy số vòng quay qui dẫn của TBTN n1’=39 ữ 41 v/ph là vùng làm việc có hiệu suất cao nhất. Đ−ờng kính BCT (D1) xác định theo công thức : n' H D = 1 (m) (3.64) 1 n Sau khi tính toán, trị số D1 đ−ợc làm tròn và qui về kích th−ớc tiêu chuẩn. Việc lựa chọn đ−ờng kính BCT phụ thuộc vào số vòng quay n, số vòng quay này th−ờng đ−ợc chọn theo số vòng quay đồng bộ của máy phát điện (nối trực tiếp) hay một số vòng quay thích hợp của bộ truyền (nối gián tiếp). Khi quyết định chọn tốc độ vòng quay nào đó cần quan tâm đến các kinh nghiệm thiết kế đã trình bày trong mục 3.2.1. Với TBTN, tỷ số D1/d0 nằm trong khoảng 3,4 ữ 9,5. Khi đã chọn số vòi phun có nghĩa là đã xác định đ−ợc đ−ờng kính d0 nên khi tính toán đ−ờng kính BCT cần phải chú ý đến tỷ số D1/d0. c. Các thông số khác của TBTN. *.L−u l−ợng qui dẫn: L−u l−ợng qui dẫn của TBTN xác định theo công thức chung của các máy thủy lực : 2 Q π 2g ⎛ d ⎞ Q' = = ϕZ ⎜ 0 ⎟ 1 2 v ⎜ ⎟ D1 H 4 ⎝ D1 ⎠ Viện Khoa học Thủy lợi 37
41. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 2 ' ⎛ d0 ⎞ hay: Q1 = KQ .Zv .⎜ ⎟ (3.65) ⎝ D1 ⎠ πϕ 2g Trong đó: K = là hằng số. Q 4 *. Số vòng quay qui dẫn: nD n' = 1 (3.66) 1 H 30ω Trong đó: n = π ωD1 u1 vơi các biểu thức: u1 = , C1 = ϕ 2gH và ψ = 2 C1 Thay vào (3.66) ta có: 60ϕ 2g u n' = . 1 1 π C1 ' hay: n1 = Knψ (3.67) 60 trong đó: K = ϕ 2g là hằng số. n π *, Số vòng quay đặc tr−ng ns: Số vòng quay đặc tr−ng xác định theo công thức: n N n = hay n = 3,65n' ηQ' (3.68) s H 4 H s 1 1 3.4.2. Xây dựng ch−ơng trình tính các thông số chính của TBTN. Để thuận tiện và nhanh chóng cho quá trình tính toán các thông số của TBTN cho trạm thủy điện, cần lập một ch−ơng trình tính toán trên máy vi tính. Ch−ơng trình đ−ợc viết bằng ngôn ngữ Visual Basic (xem phần phụ lục). Ngoài việc tính toán các thông số và đ−a vào tiêu chuẩn đ−ờng kính bánh xe công tác và số vòng quay (theo số vòng quay đồng bộ của máy phát), ch−ơng trình còn kiểm tra sự hợp lý của số liệu đầu vào và gợi ý cho ng−ời dùng chọn loại tua bin khác nếu các thông số của trạm thủy điện không phù hợp với việc sử dụng TBTN. Viện Khoa học Thủy lợi 38
42. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 Ch−ơng trình có thể dịch thành file.exe chạy trong môi tr−ờng window. Tuy nhiên để có thể sửa chữa hoặc bổ sung các thông số tiêu chuẩn thì có thể để chạy trực tiếp trong môi tr−ờng Visual Basic. Khi bắt đầu chạy, cửa sổ nhập số liệu đầu vào mở ra và cung cấp cho ng−ời dùng một số thông tin cần thiết về ch−ơng trình. Trên thanh menu gồm có các thông tin và chức năng sau: - Hệ thống: cung cấp cho ng−ời dùng về thông tin hệ thống ch−ơng trình. - Giá trị mặc định: cho phép ng−ời dùng có thể thay đổi các giá trị mặc định của đ−ờng kính BCT sẽ đ−ợc tiêu chuẩn hoá và các số vòng quay mặc định khác trong tr−ờng hợp số vòng quay đồng bộ của máy phát không phù hợp (dùng bộ truyền để kéo). Cửa sổ cập nhật giá trị mặc định nh− sau: Viện Khoa học Thủy lợi 39
43. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 Để cập nhật các giá trị mặc định, ấn vào nút “Ghi dữ liệu” tr−ớc khi ấn nút “Thoát” để ra khỏi cửa sổ này. - About: Cung cấp thông tin chung về ch−ơng trình Nhập dữ liệu để tính toán: - Nhập cột n−ớc tính toán của trạm - Nhập công suất của trạm - Chọn số tổ máy: nếu không lựa chọn gì, mặc định số tổ máy là 1 - Chọn số vòng quay đồng bộ: nếu không có lựa chọn gì, mặc định số vòng quay các tổ máy là 1000v/ph. Sau khi nhập xong số liệu, nhấn nút tiếp tục để chạy ch−ơng trình. Nếu các thông của trạm nhập vào không phù hợp với việc sử dụng TBTN hoặc không vào vùng làm việc tối −u, ch−ơng trình sẽ thông báo để ng−ời dùng biết để có thể thay đổi các số liệu đầu vào hoặc chọn loại tua bin khác. Ch−ơng trình đ−ợc lập cho việc tính toán các TBTN có cột áp làm việc từ 10 ữ 250 m, công suất một tổ máy đến 500 kW, số vòng quay đặc tr−ng 25 ữ 75 v/ph vì vậy các số liệu nhập vào ngoài vùng này cũng sẽ đ−ợc coi là không hợp lý. Các thông báo sẽ hiển thị và nội dung của nó nh− sau: Dạng số liệu sai: không nhập đủ hoặc dùng ký tự khác dạng số: Cột áp của trạm nằm ngoài vùng làm việc: Viện Khoa học Thủy lợi 40
44. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 Công suất của một tổ máy v−ợt quá 500 kW : Số vòng quay đặc tr−ng nhỏ hơn 25 v/ph : Số vòng quay đặc tr−ng lớn hơn 75 v/ph : Số vòng quay qui dẫn nhỏ hơn 39 v/ph (ngoài vùng tối −u) : Số vòng quay qui dẫn lớn hơn 41 v/ph (ngoài vùng tối −u) : Viện Khoa học Thủy lợi 41
45. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 Các cửa sổ gợi ý có các nút ‘yes’ và ‘no’ để ng−ời dùng có thể lựa chọn theo gợi ý hoặc thoát khỏi ch−ơng trình. Khi các thông số đầu vào phù hợp hoàn toàn với việc sử dụng TNTN sẽ không xuất hiện các cửa sổ gợi ý, các thông số tính toán đ−ợc sẽ hiển thị trên cửa sổ kết quả. D−ới đây là ví dụ tính toán các thông số của một trạm thủy điện có cột áp 100 m, công suất 120 kW, sử dụng một tổ máy với số vòng quay đồng bộ của máy phát 1000 v/ph. Viện Khoa học Thủy lợi 42
46. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 Ch−ơng IV. Nghiên cứu thực nghiệm tBTN Đối với các máy thủy lực nói chung và tua bin n−ớc nói riêng cho đến nay hầu nh− ch−a có lời giải chính xác bài toán động lực học bằng lý thuyết. Trên thực tế, ng−ời ta sử dụng nhiều ph−ơng pháp nghiên cứu thực nghiệm khác nhau và ph−ơng pháp mô hình hoá là phổ biến. Việc nghiên cứu đặc tính của các tua bin nguyên mẫu đ−ợc thay thế bằng việc nghiên cứu đặc tính t−ơng tự trên mô hình. Dựa vào các kết quả thực nghiệm trên mô hình để kết luận đặc tính của tua bin nguyên mẫu. Để đạt đ−ợc điều đó, khi tiến hành thí nghiệm cần phải tuân theo những qui luật nhất định của việc mô hình hoá, đó là các tiêu chuẩn t−ơng tự. 4.1. H−ớng nghiên cứu TBTN. Các nghiên cứu tr−ớc đây về TBTN còn rất hạn chế, do vậy vấn đề đặt ra là cần phải có một sự tổng quan trong trong b−ớc đầu nghiên cứu tua bin này. Trong TBTN, hiệu suất chủ yếu phụ thuộc vào 3 yếu tố đó là: Vòi phun, BCT và t−ơng quan giữa vòi phun với BCT. Vì vậy, đó chính là các đối t−ợng quan trọng trong nghiên cứu thực nghiệm. 4.1.1. Vòi phun. Về cơ bản, vòi phun đã đ−ợc nghiên cứu khá kỹ l−ỡng trong tua bin gáo. Tuy nhiên, với TBTN, phạm vi làm việc có số vòng quay đặc tr−ng cao hơn (ns = 30 ữ 70 v/ph) vòi phun cần phải thực nghiệm lại để kiểm nghiệm các thông số: đ−ờng kính dòng tia, hiệu suất vòi phun . Từ đó rút ra ph−ơng pháp tính toán, lựa chọn vòi phun phù hợp. 4.1.2. Bánh xe công tác. Bánh xe công tác TBTN trên thực tế ch−a có lý thuyết tính toán chặt chẽ. Do vậy việc nghiên cứu sẽ gặp nhiều khó khăn. Vấn đề đặt ra là cần dựa vào các tua bin thực có hiệu suất cao để thiết kế bánh công tác tua bin mô hình, trên cơ sở đó, bằng thực nghiệm tìm ra các yếu tố ảnh h−ởng đến hiệu suất của bánh công tác. H−ớng nghiên cứu tập trung vào các yếu tố: Góc vào, góc ra, chiều rộng lá cánh, tỷ số l/t và biên dạng các tiết diện của lá cánh. 4.1.3. T−ơng quan giữa vòi phun và bánh công tác. H−ớng nghiên cứu tập trung vào các yếu tố: - Vị trí dòng tia tác động lên bánh xe công tác (đ−ờng kính D1). Viện Khoa học Thủy lợi 43
47. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 - Khoảng cách giữa vòi phun và bánh xe công tác. - Góc giữa trục vòi phun và mặt phẳng bánh xe công tác. 4.2. Thiết kế TBTN mô hình. 4.2.1. Lựa chọn kết cấu. Để thuận tiên cho quá trình thực nghiệm bao gồm: Bố trí các thiết bị gây tải, thiết bị đo và trực quan chọn kết cấu tua bin mô hình kiểu trục ngang, hai vòi phun theo sơ đồ hình 20. Đây cũng là kết cấu phổ biến cho các trạm có công suất từ 10 ữ 10000 KW. 4.2.2. Lựa chọn kích th−ớc, thông số cơ sở TBTN mô hình. Để phù hợp với qui mô phòng thí nghiệm và theo các tiêu chuẩn qui định về nghiên cứu thực nghiệm tua bin, chọn các thông số làm việc của tua bin mô hình nh− sau: - Cột áp làm việc: Htt=10m. - Công suất tua bin: để phù hợp với thiết bị gây tải và các thiết bị đo và vùng làm việc của tua bin, chọn N = 5kW. - Tốc độ vòng quay: chọn n = 500v/ph (theo số vòng quay của động cơ gây tải). 4.2.3. Tính toán các thông số cơ bản của TBTN mô hình. Dùng ch−ơng trình tính toán TBTN đã xây dựng trong ch−ơng III để tính toán các thông số cơ bản của TBTN mô hình. Nhập các số liệu đầu vào: Cột áp: H = 10m Công suất: N = 5kW Số vòng quay: n = 500v/ph Số tổ máy: Z = 1 Chạy ch−ơng trình, ta đ−ợc các thông số cơ bản của TBTN mô hình nh− sau: Viện Khoa học Thủy lợi 44
48. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 Nh− vậy, ta có đ−ờng kính BCT tua bin mô hình (D1= 250mm) phù hợp với tiêu chuẩn qui định về thực nghiệm tua bin. 4.2.4. Thiết kế bánh xe công tác. Mục 4.2.3 đã xác định đ−ợc đ−ờng kính BCT tua bin mô hình D1=250mm. Các kích th−ớc còn lại của BCT đ−ợc tính toán theo D1 nh− đã trình bày ở mục 3.1.5. Hình 25 thể hiện các kích th−ớc cơ bản đã tính toán đ−ợc của tua bin mô hình. Hình 25. Các kích th−ớc cơ bản của BCT tua bin mô hình Viện Khoa học Thủy lợi 45
49. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 Để xác định các góc vào ở mép vào của cánh gáo, sử dụng công thức (3.59). Các góc β1i đ−ợc xác định tại mặt cắt trụ có bán kính Ri và trị số của nó đ−ợc ghi trong bảng 6. Bảng 6 Mặt cắt Ri βi Mặt cắt Ri βi 0 80 37.34866 11 135 53.67687 1 85 38.48008 12 140 55.66982 2 90 39.67056 13 145 57.76202 3 95 40.92373 14 150 59.95506 4 100 42.24339 15 155 62.24953 5 105 43.63344 16 160 64.64476 6 110 45.09792 17 165 67.13864 7 115 46.64088 18 170 69.72737 8 120 48.26638 19 175 72.40532 9 125 49.97841 20 180 75.16493 10 130 51.78074 Số cánh gáo của tua bin mô hình: chọn zc = 22. 4.2.5. Lựa chọn vòi phun. Trong mục 4.1.3, đã xác định đ−ợc đ−ờng kính dòng tia do= 56mm. Với cột n−ớc thí nghiệm thấp, theo phân tích ở mục 3.1.2 thì nên chọn loại vòi phun ngắn (850/ 600). Tuy nhiên với loại vòi phun này, việc điều chỉnh l−u l−ợng trong quá trình thí nghiệm gặp nhiều khó khăn (hành trình của van kim nhỏ). Vì vậy với tua bin mô hình, ta chọn loại vòi phun trung bình (800/ 540). Dựa vào công thức thực nghiệm: dv = (1,15 ữ 1,25)d0 Chọn dv = 1,2d0 ta xác định đ−ợc biên dạng của vòi phun tua bin mô hình nh− hình 26. Viện Khoa học Thủy lợi 46
50. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 Hình 26. Biên dạng vòi phun TBTN mô hình + Tính toán hành trình của kim phun: Hành trình kim phun S cần phải đảm bảo đ−ờng kính dòng phun d0 và cần đảm bảo số d− là 5%. áp dụng công thức thực nghiệm S =1,1d0, ta chọn hành trình của kim phun tua bin mô hình là S = 60mm. + Bố trí các vòi phun: Các vòi phun của tua bin mô hình bố trí ng−ợc nhau và đối xứng qua bánh xe công tác. 0 Chọn góc α1 = 25 là góc giữa dòng tia và mặt phẳng bánh xe công tác. Khoảng cách gi−a vòi phun và mặt phẳng cửa nhận n−ớc G, tổn thất năng l−ợng của dòng tia là nhỏ nhất khi G ≤ 5 d0 với tua bin mô hình ta chọn G= 4d0. 4.3. Mô hình hoá tua bin. Nghiên cứu mô hình là giai đoạn không thể thiếu đ−ợc khi nghiên cứu thiết kế và chế tạo mới một chủng loại thiết bị của máy thuỷ khí nói chung và tua bin nói riêng. Vấn đề là mô hình nh− thế nào đó để bảo đảm các hiện t−ợng vật lý trong mô hình và nguyên hình là hoàn toàn t−ơng tự. Trên cơ sở lý thuyết mô hình hoá, lý thuyết t−ơng tự chuỗi kích th−ớc và các quy luật đồng dạng, chúng ta xét ph−ơng trình động lực học của chất lỏng nhớt không nén đ−ợc d−ới dạng không thứ nguyên nh− sau: ∂U ∂U ∂U ∂U ∂P 1 ∂ 2U ∂ 2U ' ∂ 2U Sh +U +V +W = −Eu + ( + + ) ∂t ∂x ∂y ∂z ∂x Re ∂x 2 ∂y 2 ∂z 2 Viện Khoa học Thủy lợi 47
51. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 ∂V ∂V ∂V ∂V ∂P 1 ∂ 2V ∂ 2V ∂ 2V Sh +U +V +W = −Eu + ( + + ) ∂t ∂x ∂y ∂z ∂y Re ∂x 2 ∂y 2 ∂z 2 ∂W ∂W ∂W ∂W ∂P 1 ∂ 2W ∂ 2W ∂ 2W Sh +U +V +W = −Eu + ( + + ) ∂t ∂x ∂y ∂z ∂z Re ∂x 2 ∂y 2 ∂z 2 và ph−ơng trình liên tục ∂U ∂V ∂W + + = 0 ∂x ∂y ∂z trong đó các đại l−ợng không thứ nguyên l Số Shtrouhal Sh = đặc tr−ng cho quá trình không dừng V0t0 V Số Froud Fr = 0 đặc tr−ng cho lực trọng tr−ờng gl V l Số Reynolds Re = 0 đặc tr−ng cho lực nhớt ν 0 P0 Số Euler Eu = 2 đặc tr−ng cho áp lực ρ0V0 Trong đó: l - chiều dài t - thời gian V - vận tốc ρ – Tỷ trọng chất lỏng υ - Độ nhớt động học chất lỏng g – Gia tốc trọng tr−ờng Điều kiện đồng dạng của mô hình và nguyên hình khi chúng đảm bảo các điều kiện đồng dạng sau: - Đồng dạng hình học - Đồng dạng động học - Đồng dạng động lực học Khi tua bin mô hình và tua bin nguyên hình đáp ứng đ−ợc ba điều kiện đồng dạng trên thì chúng đ−ợc gọi là đồng dạng thuỷ động lực học. Với mục tiêu nghiên cứu TBTN phục vụ cho thủy điện nhỏ và cực nhỏ. Do đó, kích th−ớc, công suất của các tua bin nguyên hình là rất đa dạng, nằm trong 2 gam cơ bản là: thủy điện cực nhỏ (0,2ữ5kW) và thủy điện nhỏ (5 ữ500kW) với cột Viện Khoa học Thủy lợi 48
52. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 áp từ 10 ữ 250m. Nh− vậy việc mô hình hoá để nghiên cứu TBTN cho phạm vi công suất và cột áp rộng nh− thế rất khó có thể đạt đ−ợc đầy đủ các tiêu chuẩn t−ơng tự. ở đây, cần phải chấp nhận một phần sai số trong việc xác định đặc tính cho một loại tua bin nguyên hình cụ thể. Điều kiện t−ơng tự xác định theo t−ơng tự hình học và chuẩn số Râynôn. Trong phạm vi các tổ máy thủy điện nhỏ và cực nhỏ, đ−ờng kính BCT giới hạn trong khoảng (D1= 100 ữ 750mm), số vòng quay trong khoảng (n = 500 ữ 1500v/ph). Với các thông số tua bin mô hình đã tính toán đ−ợc (D1= 250mm, n = 500v/ph), ta có: D ⎛ 1 ⎞ n ⎛ 1 ⎞ 1N = ⎜ ↔ 3⎟ ; N = ⎜ ↔ 3⎟ D1M ⎝ 3 ⎠ nM ⎝ 3 ⎠ Do vậy, có thể cho phép đánh giá đặc tính các tua bin nguyên hình với độ chính xác chấp nhận đ−ợc. 4.4. Thực nghiệm tua bin mô hình. 4.4.1. Hệ thống thí nghiệm. Hệ thống thí nghiệm xuất phát từ các thông số yêu cầu thử nghiệm của tua bin mô hình: - Cột n−ớc thiết kế của tua bin: H = 10 m - L−u l−ợng qua tua bin: Q = 64 l/s - Công suất thiết kế: N = 5 kW - Tua bin tia nghiêng mô hình có các thông số cơ bản: + Đ−ờng kính bánh xe công tác: D1= 250mm + Số vòi phun: z0= 2 + Đ−ờng kính dòng tia: d0= 55mm + Số vòng quay: n = 500v/ph Hệ thống thí nghiệm đ−ợc thiết kế và xây dựng có kết cấu nh− hình 28. 1- Bể trữ n−ớc ngầm: dung tích 250 m3. 2- Bơm cấp: LT470 - 18 (l−u l−ợng 130 l/s; cột áp 18m) Viện Khoa học Thủy lợi 49
53. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 3 - Bể tạo áp lực: dung tích 10m3, tạo đ−ợc cột n−ớc hình học với sàn thử 11m, có đ−ờng ống xả thừa và l−ới ổn định dòng. Đ−ờng ống φ250 dẫn n−ớc từ bể áp lực cấp cho tua bin và van điều chỉnh l−u l−ợng trong khi thử. 3 4, 5, 6, 7 2 8 9 10 1 Hình 27. Sơ đồ bố trí hệ thống thí nghiệm 4, 5, 6, 7- Cụm tua bin mô hình và các thiết bị đo trên sàn thí nghiệm (hình 28): Trong đó: 4- Tua bin mô hình tia nghiêng 5- Thiết bị gây tải: Bộ truyền đai và máy phát điện một chiều có công suất 20kW, điều chỉnh vô cấp công suất bằng dòng kích từ. 6- Thiết bị đo áp suất d−: do hãng HBM (CH LB Đức) chế tạo. Thiết bị này có bộ cảm biến kiểu màng mỏng trên có dán các tenxơ. Nguyên tắc làm việc dựa trên sự thay đổi điện trở của các điện trở đ−ợc dán trên màng mỏng. Sự thay đổi điện trở và biến dạng đ−ợc xác định theo quan hệ: Viện Khoa học Thủy lợi 50
54. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 ∆R ∆l = k R τ l áp kế này có thể đo áp suất từ 0 ữ 2 bar với độ chính xác ±0,1%. Giá trị đo có thể đọc trực tiếp trên màn hình hiện số của thiết bị và có thể truyền về máy tính ( tín hiệu analog 4-20mA). Thiết bị có ký hiệu PE-200. 6 5 7 4 Hình 28. Cụm các thiết bị và tua bin mô hình thực nghiệm 7- Thiết bị đo mô men và số vòng quay: đ−ợc bố trí trên cùng thiết bị do hãng HBM (CHLB Đức) chế tạo. Đo mô men: dựa trên nguyên lý đo độ biến dạng của một đoạn trục mẫu nhờ các cảm biến kiểu tenxơ dán trên đó. Thiết bị có độ chính xác ±0,1%, có thể đo đ−ợc mô men từ 0~200Nm. Giá trị đo có thể đọc trực tiếp trên màn hình hiện số của thiết bị và có thể truyền về máy tính (tín hiệu analog 4-20mA). Đo vòng quay: làm việc trên nguyên lý đếm xung từ tr−ờng nhờ các cảm biến gắn trên trục quay. Độ chính xác ±0,1%, có thể đo số vòng quay từ 0~10000v/ph. Giá trị đo có thể đọc trực tiếp trên màn hình hiện số của thiết bị và có thể truyền về Viện Khoa học Thủy lợi 51
55. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 máy tính (tín hiệu digital). Thiết bị có ký hiệu là T32FN. 8- Thiết bị đo l−u l−ợng: do hãng Siemens (CH LB Đức) chế tạo. Thiết bị đo dựa trên qui luật cảm ứng điện từ của Pharaday. Khi có dây dẫn chuyển động trong từ tr−ờng cắt các đ−ờng sức, trong dây dẫn cảm ứng một sức điện động tỉ lệ với tốc độ chuyển động của dây dẫn. Nếu ta dùng một chất lỏng dẫn điện chảy qua giữa 2 cực của một nam châm và đo suất điện động sinh ra trong chất lỏng , thì có thể xác định đ−ợc tốc độ dòng chảy hay l−u l−ợng thể tích. Suất điện động này có thể tính theo công thức: E=B.W.D=4BQ/(πD) Trong đó: B: c−ờng độ từ cảm W: tốc độ trung bình của dòng chảy D: đ−ờng kính trong của ống dẫn Q: L−u l−ợng thể tích của chất lỏng L−u l−ợng kế này cho phép đo l−u l−ợng tới 1000 m3/h với sai số 0,5%. Giá trị đo có thể đọc trực tiếp trên màn hình hiện số của thiết bị và có thể truyền về máy tính (tín hiệu analog 4-20mA). Thiết bị có ký hiệu là 7ME2531φ250. 9- Kênh dẫn n−ớc sau thí nghiệm về bể cấp. 10- Trung tâm thu thập và xử lý số liệu: Thiết bị chuyển đổi dữ liệu: gồm 16 cổng, có thể thu thập đồng thời 16 thông số đo, đ−a vào máy vi tính để xử lý. Thiết bị có ký hiệu là DEWEBOOK. Đo Q Đo H Đo M Đo n Bộ chuyển đổi dữ liệu Trung tâm xử lý số liệu Xuất dữ liệu Hình 29. Sơ đồ hệ thống thu thập và xử lý số liệu Viện Khoa học Thủy lợi 52
56. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 Trong khi thí nghiệm, tất cả các thông số đ−ợc hiển thị trên đồng hồ hiện số đồng thời đ−ợc chuyển về trung tâm thu thập và xử lý số liệu, hiển thị trên màn hình máy tính, ghi lại vào file.xls một cách tức thời tại mỗi thời điểm. Sơ đồ đo của hệ thống có thể mô tả nh− hình 29. 4.4.2. Thí nghiệm tua bin mô hình 1. Tóm tắt quá trình thực nghiệm a. Ph−ơng pháp thực nghiệm: Ph−ơng pháp thực nghiệm dựa trên nguyên tắc thông qua việc đo đạc các thông số liên quan để xác định hiệu suất của tua bin. Hiệu suất của tua bin xác định theo công thức: N η = T (4.1) T 9,81*Q * H Trong đó: NT : công suất trên trục tua bin (kW), xác định theo công thức : NT = M *ω (4.2) Trong đó : M : mômen trên trục (kNm) ω : Vận tốc góc (rad/s) Q : l−u l−ợng qua tua bin (m3/s) H : cột áp làm việc của tua bin (m) Cột áp của tua bin xác định tại cửa vào tua bin xác định theo công thức: 2 P v Vv (4.3) H = H T + H D = + γ 2g P v = M + h γ A P Trong đó : v : cột áp tĩnh tại vị trí tâm trục tua bin. γ MA : giá trị áp suất trên áp kế h : Trênh lệch cao độ điểm đặt áp kế với tâm trục tua bin. V 2 v : động năng tại cửa vào tua bin, trong đó : 2g Vv : Giá trị vận tốc tại cửa vào xác định theo công thức : Q Vv = (Fv : diện tích cửa vào tua bin) Fv Viện Khoa học Thủy lợi 53
57. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 b. Quá trình đo. Tiến hành đo tại các các vị trí hành trình S của kim phun theo 2 chiều tiến và lùi. Theo chiều tiến, mỗi lần tăng S một giá trị 10mm, tại mỗi giá trị của S, thay đổi số vòng quay của tua bin (bằng cách thay đổi công suất trên động cơ gây tải), tất cả các thông số đo đ−ợc tự động ghi vào file kết quả (tại mỗi điểm đo, lấy rất nhiều giá trị), các số liệu này tạo thành một bộ dữ liệu giúp cho quá trình xử lý đạt đ−ợc độ chính xác cao hơn. Khi mở hết hành trình (Smax), thực hiện quá trình đo ng−ợc lại t−ơng tự nh− chiều tiến cho đến khi đóng hoàn toàn (S=0). c. Qui trình xử lý dữ liệu thí nghiệm: *Sai số dụng cụ đo: Sai số dụng cụ đo đánh giá theo công thức : Kdc(%)= δM (%) * XM / x (4.4) Trong đó: Kdc: Sai số đo t−ơng đối của giá trị đo δM : Cấp chính xác của thiết bị đo. XM : Giá trị đo giới hạn x : Giá trị đo thực. * Sai số bộ dữ liệu đo đ−ợc : Sai số bộ dữ liệu đo đ−ợc tính theo công thức: Kdl(%)= (Ymax- Ymin)/ YTB (4.5) Trong đó: Kdl: Sai số t−ơng đối của bộ dữ liệu đo Ymax: Giá trị đo đ−ợc lớn nhất của bộ dữ liệu Ymin: Giá trị đo đ−ợc nhỏ nhất của bộ dữ liệu YTB: Giá trị trung bình đo đ−ợc của bộ dữ liệu Một phép đo tại chế độ bình ổn sẽ cho Kdl(%)< Kdc(%) (nếu không có các yếu tố ngoại lai tác động vào). * Độ phân tán chuẩn của dữ liệu: Độ phân tán chuẩn của dữ liệu SD tính theo công thức: n n n x 2 − ( x)2 ∑ ∑ (4.6) SD = i=1 i=1 n(n −1) Trong đó : n – số số liệu tại một giá trị của vòng quay xi - độ lớn của giá trị thứ i Viện Khoa học Thủy lợi 54
58. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 *Đ−ờng mô tả (Fit line) : Các giá trị đo đ−ợc, sau khi xử lý có thể biểu diễn bằng một đ−ờng cong hay thẳng trên trục toạ độ (x,y) – Fit line – có giá trị sai số nhỏ nhất từ các điểm đo đ−ợc. Các đ−ờng này lại có thể mô tả bằng các hàm toán học biểu diễn quan hệ y=f(x). ở đây ta sử dụng chủ yếu 2 loại hàm : Hàm bậc nhất : y= ax+b Dành cho y là các đại l−ợng cột áp tĩnh, l−u l−ợng, mô men và x là tốc độ ’ vòng quay n và tốc độ qui dẫn n1 . Hàm bậc 2 : y= ax2+bx+c Dành cho các đ−ờng biểu diễn công suất trên trục, hiệu suất với tốc độ. ở đây, ta dùng ph−ơng pháp " diện tích nhỏ nhất" để tính qui hồi từ bộ dữ liệu ra hàm biểu diễn các giá trị quan hệ. Thanh sai số : mỗi điểm đo đ−ợc đánh giá bằng các thanh sai số cho các đại l−ợng X, Y. Giá trị của các thanh sai số này có thể đ−ợc tính bằng Kdc. Xong do số dữ liệu của thí nghiệm đủ nhiều nên ta tính độ lớn của thanh sai số = SD ( Độ phân tán chuẩn). Đ−ờng mô tả phải đi qua tất cả các hình elíp có tâm là giá trị đo đ−ợc và đỉnh là đầu các thanh sai số. Sai số chuẩn SE: Sai số chuẩn dùng để đo sai số của đại l−ợng y so với x (giữa bộ dữ liệu và đ−ờng mô tả) 2 ⎡ ⎡ n n n ⎤ ⎤ ⎢ ⎢n∑ xy − ( ∑ x)( ∑ y)⎥ ⎥ (4.7) ⎡ 1 ⎤ n n SE = ⎢n y 2 − ( y)2 − ⎣ i=1 i=1 i=1 ⎦ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ∑ ∑ n n ⎥ ⎣n(n − 2)⎦ i=1 i=1 2 2 2 ⎢ n∑ x − (∑ x ) ⎥ ⎣⎢ i=1 i=1 ⎦⎥ Trong đó: n – số dữ liệu của cả bộ dữ liệu xi- giá trị của biến i yi – giá trị của dữ liệu theo biến i R-squared : là đại l−ợng biểu diễn tính "trùng khít" của Fit line và bộ dữ liệu. R-squared có giá trị từ 0 đến 1, R-squared càng gần 1 có nghĩa là đ−ờng mô tả càng đúng với bộ dữ liệu đã có. R-squared đ−ợc tính theo công thức : Viện Khoa học Thủy lợi 55
59. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 n ⎛ n ⎞⎛ n ⎞ n(∑ xy) − ⎜ ∑ x⎟⎜∑ y ⎟ i=1 ⎝ i=1 ⎠⎝ i=1 ⎠ R = (4.8) ⎡ n n 2 ⎤⎡ n n 2 ⎤ 2 ⎛ ⎞ 2 ⎛ ⎞ ⎢n∑ x − ⎜∑ x⎟ ⎥⎢n∑ y − ⎜∑ y ⎟ ⎥ ⎣⎢ i=1 ⎝ i=1 ⎠ ⎦⎥⎣⎢ i=1 ⎝ i=1 ⎠ ⎦⎥ c. Xử lý bộ dữ liệu.: B−ớc 1 : Xử lý sơ bộ Do quá trình thu thập dữ liệu là liên tục, bao gồm cả thời gian điều chỉnh tải, nên một số lớn các số liệu đ−ợc ghi nhận là không nằm trong chế độ bình ổn của tua bin, vậy tr−ớc khi đ−a công cụ vào để xử lý, đánh giá ta cần có b−ớc xử lý sơ bộ để gạt bỏ các giá trị ngoại lai hoặc các giá trị không đáng tin cậy. Việc xử lý này đ−ợc làm với từng điểm làm việc (n=const và cùng khoảng thời gian đo) Các số liệu sau cần đ−ợc xử lý : 1. Có độ phân tán dữ liệu lớn hơn sai số của dụng cụ đo 2. Các số liệu có d−ới 5 records cho cùng 1 điểm làm việc (chế độ làm việc không ổn định). 3. Các dữ liệu có d−ới 20 records cho cùng 1 điểm làm việc (Dữ liệu này không đủ độ tin cậy – các dữ liệu này có thể giữ lại trong bộ dữ liệu chuẩn nh−ng chỉ với t− cách để tham khảo). Sau khi xử lý sơ bộ (dùng công cụ Excel). Ta có bộ dữ liệu chuẩn cho mỗi độ mở của tua bin S. B−ớc 2 : Tính toán Sử dụng phần mềm SPSS để xử lý bộ dữ liệu chuẩn. Lập bảng thống kê bộ dữ liệu với các giá trị Trung bình, Max, Min, SE, SD tại mỗi điểm.Tính hồi qui và vẽ ’ ’ các đ−ờng quan hệ Q, H, M, NTL=f(n), NT=f(n), η=f(n), Q1 =f(n1 ) với các đ−ờng biểu diễn giá trị trung bình, đ−ờng bao sai số của đ−ờng trung bình và đ−ờng bao sai số của toàn bộ dữ liệu (lấy với độ tin cậy 95%). 2. Kết quả thực nghiệm. ở mỗi độ mở, sau khi xử lý số liệu đo đạc đ−ợc, bằng phần mềm SPSS ta xây dựng đ−ợc bộ các đ−ờng quan hệ để đánh giá chất l−ợng và xây dựng đặc tính tổng hợp chính của tua bin mô hình. Số l−ợng số liệu trong các file số liệu đ−ợc ghi khi đo và các bảng thống kê các bộ dữ liệu với các giá trị Trung bình, Max, Min, SE, SD Viện Khoa học Thủy lợi 56
60. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 tại mỗi điểm do phần mềm SPSS tự động lập ra có khối l−ợng rất lớn không thể thống kê hết đ−ợc trong phần phụ lục. Do đó chỉ thống kê có tính chất ví dụ về dạng các số liệu và bảng. Hình 30; 31; 32; 33; 34; và35 là một bộ các đ−ờng cong: cột áp, l−u l−ợng, mô men, công suất thủy lực, công suất trên trục và hiệu suất với số vòng quay tại một độ mở thu đ−ợc khi thực nghiệm (S = 45mm) do phần mềm SPSS tự động vẽ ra. Với các độ mở khác, S =15mm, S = 25mm, S = 45mm, S = Smax xem trong phần phụ lục. (m) Hình 30. Biểu đồ cột áp làm việc của tua bin (m) với sự thay đổi số vòng quay (n - v/ph) Viện Khoa học Thủy lợi 57
61. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 (m3/h ) Hình 31. Biểu đồ l−u l−ợng qua tua bin (m3/h) với sự thay đổi số vòng quay (n - v/ph) (N.m) Hình 32. Biểu đồ mômen trên trục tua bin (Nm) với sự thay đổi số vòng quay (n – v/ph) Viện Khoa học Thủy lợi 58
62. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 (kW) Hình 33. Biểu đồ công suất thủy (kW) với sự thay đổi số vòng quay (n - v/ph) (kW) Hình 34. Biểu đồ công suất trên trục tua bin (kW) với sự thay đổi số vòng quay (n - v/ph) Viện Khoa học Thủy lợi 59
63. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 Hình 35. Biểu đồ hiệu suất tua bin với sự thay đổi số vòng quay (n - v/ph) Từ các thông số đo đ−ợc ta rút ra các nhận xét sau : 1. Đ−ờng biểu diễn công suất trên trục và đ−ờng hiệu suất là đồng dạng, giá trị ηmax ứng với giá trị NTmax vì cột áp và l−u l−ợng hầu nh− không thay đổi. 2. Hiệu suất vòi phun thực nghiệm xác định theo công thức : Q (4.9) ϕTN = F 2gH S Trong đó : Q : l−u l−ợng đo đ−ợc ở tại độ mở S FS : Diện tích mặt cắt ngang dòng tia tại độ mở S H : Cột áp làm việc của tua bin tại chế độ thử. Thay các kết quả đo vào (4.9) ta đ−ợc ϕTN = 0,91 Nh− vậy giá trị hiệu suất vòi phun thực tế nhỏ hơn giá trị tính toán (ϕT = 0,95- 0,97), đây là điểm cần l−u ý trong việc tính toán lại vòi phun cho hiệu suất cao hơn. 4.5. Xây dựng đặc tính tổng hợp chính của tua bin mô hình. Khi tiến hành thí nghiệm tua bin, ở mỗi độ mở của van kim S=const, ta xác định đ−ợc một loạt các thông số Q, H, n, ở các chế độ khác nhau. Vì đối với TBTN, l−u l−ợng chỉ phụ thuộc vào độ mở của van kim mà không phụ thuộc vào số vòng quay nên việc xây dựng đặc tính tổng hợp chính đơn giản hơn nhiều so với các tua bin phản kích. Viện Khoa học Thủy lợi 60
64. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 Các giá trị qui dẫn xác định theo công thức: nD n' = 1 (4.10) 1 H ' Q Q1 = 2 (4.11) D1 H Do Q = const, H = const ứng với S = const nên ta xác định đ−ợc ngay các ’ ’ đ−ờng S = const là các đ−ờng song song với trục n1 , giá trị Q1 xác định xác định theo công thức (4.11). Để xây dựng các đ−ờng đồng hiệu suất, từ các đ−ờng quan hệ η=f(n)Si thu ’ đ−ợc [mục (4.4)], ta xác định đ−ợc các tập hợp điểm có cùng giá trị η nh−ng có n1 , ’ Q1 khác nhau. Nối các điểm trong một tập hợp lại, ta đ−ợc các đ−ờng đồng hiệu suất. Hình (36) mô tả ph−ơng pháp xây dựng các đ−ờng đồng hiệu suất, hình (37) là kết quả xây dựng đặc tính tổng hợp của tua bin mô hình. , n1 Q , η (%) 1 70 n , 1 Hình 36. Ph−ơng pháp xây dựng đ−ờng đặc tính tổng hợp của TBTN Viện Khoa học Thủy lợi 61
65. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 chính của tua bin mô hình =82,3% max η Hình 37. Đặc tính tổng hợp Viện Khoa học Thủy lợi 62
66. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 4.6. Các kết luận rút ra từ thực nghiệm. Từ các số liệu thực nghiệm, kết quả xây dựng các đ−ờng cong quan hệ và đặc tính tổng hợp chính rút ra các kết luận sau: - Hiệu suất tua bin ở các độ mở S khác nhau phụ thuộc vào số vòng quay. Hiệu suất tối −u (ηmax) t−ơng ứng với số vòng quay tối −u: S = 15mm ηmax= 77% n0= 460v/ph S = 25mm ηmax= 82,3% n0= 465v/ph S = 35mm ηmax= 81% n0= 470v/ph S = 45mm ηmax= 78,5% n0= 470v/ph S = Sma ηmax= 77,8% n0= 470v/ph Với cột áp thay đổi không đáng kể trong quá trình thực nghiệm (H= 10,04ữ10,24m). - Giá trị hiệu suất tối −u (ηmax) thay đổi theo độ mở S và đạt giá trị lớn nhất bằng 82,3% tại độ mở S = 25mm. Tại độ mở này, giá trị l−u l−ợng qui dẫn nhỏ ’ (Q1 ≈212 l/s) và vì vậy số vòng quay đặc tr−ng của tua bin cũng thấp (ns= 60 v/ph). - Hiệu suất TBTN t−ơng đối cao (82,3%). Cao hơn so với tua bin Banki trong cùng vùng làm việc, phù hợp với lý thuyết cơ bản. ’ - Vùng làm việc có hiệu suất cao t−ơng đối rộng. Với l−u l−ợng qui dẫn (Q1 ) ’ thay đổi từ 135 l/s đến 300 l/s so với vùng tối −u (Q1 ≈200 l/s) hiệu suất chỉ thay đổi trong khoảng 2%. - Số vòng quay tối −u theo thực nghiệm đạt giá trị 470 v/ph. Vùng số vòng ’ ’ quay qui dẫn tối −u n1o =38 ữ45 v/ph phù hợp với tính tóan ban đầu n1o =39ữ41 v/ph. u - Trị số ψ = xác định từ số vòng quay tối −u và vận tốc dòng tia: co π.n 3,14*470 u = ω * R = 0 * R = *0,125 = 6,1m/s 30 30 C0 = ϕ 2* g * H = 0,91* 2*9,81*10,04 = 12,8m/s u Vậy ψ = =0,479 co u Ta thấy tỷ số ψ = = 0,479 nằm trong giới hạn tính toán lựa chọn, phù hợp co với thực tế. Viện Khoa học Thủy lợi 63
67. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 - Từ công thức thực nghiệm tính đ−ờng kính dòng tia ở độ mở Smax: d 67 d = 1,2 d ⇒ d = v = = 56 mm v 0 0 1,2 1,2 L−u l−ợng tại độ mở này đo đ−ợc là 224 m3/h (0,062m3/s), từ đó xác định đ−ợc đ−ờng kính dòng tia theo công thức (2.7): 4*Q 4*0,062 d0 = = = 0,056 m=56mm v *π * z0 6,1*3,14*2 Nh− vậy, việc tính tóan đ−ờng kính dòng tia theo biên dạng vòi phun thực tế t−ơng đối phù hợp. Tổng hợp các kết luận trên cho thấy: - Các kết quả thực nghiệm nói chung phù hợp với lý thuyết cơ bản, nằm trong giới hạn cho phép. - Hiệu suất vòi phun, hiệu suất chung và số vòng quay đặc tr−ng của tua bin mô hình và còn thấp, các thông số qui dẫn ch−a hoàn toàn phù hợp với tính toán. Cần nghiên cứu, thực nghiệm thêm để nâng cao hơn nữa hiệu suất vòi phun nói riêng và hiệu suất tua bin nói chung. Viện Khoa học Thủy lợi 64
68. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 Kết luận Các kết quả đề tài đã đạt đ−ợc : 1. Qua nghiên cứu, tổng hợp và phân tích tình hình nghiên cứu và phát triển TBTN trên thế giới cho thấy rằng loại tua bin này với kết cấu hợp lý sẽ rất phù hợp với thủy điện nhỏ và cực nhỏ trong điều kiện tự nhiên, kinh tế và trình độ công nghệ của Việt Nam hiện nay do công nghệ chế tạo đơn giản, dễ lắp đặt, vận hành, bảo d−ỡng và đặc tính vận hành tốt. 2. Tổng hợp đ−ợc cơ sở lý thuyết, lý thuyết đơn giản của TBTN để từ đó rút ra các nguyên tắc cơ bản nhất trong việc tính toán thiết kế. Đồng thời dựa vào các thực nghiệm đã đ−ợc nghiên cứu tr−ớc đây đối với các loại tua bin xung kích khác để làm cơ sở cho việc nghiên cứu thực nghiệm TBTN tại phòng thí nghiệm. 3. Đã đi sâu phân tích các quá trình của dòng chảy trong TBTN, đánh giá bản chất và tổn thất năng l−ợng của dòng chảy trong từng giai đoạn để có thể đ−a ra ph−ơng pháp thiết kế các bộ phận một cách hợp lý nâng cao hiệu suất chung của tua bin. 4. Xây dựng đ−ợc ph−ơng pháp và ch−ơng trình tính toán các thông số cơ bản của TBTN cho trạm thủy điện trên máy tính giúp cho công việc tính toán đ−ợc nhanh chóng và thuận tiện. 5. Lần đầu tiên đã thiết kế và đ−a vào thực nghiệm tại phòng thí nghiệm một tua bin mô hình tia nghiêng. Mặc dù điều kiện và trang thiết bị của phòng thí nghiệm ch−a thật hoàn hảo nh−ng đề tài cũng đã đ−a ra đ−ợc đặc tính năng l−ợng và đặc tính tổng hợp chính đầu tiên của TBTN ở Việt Nam với độ tin cậy có thể chấp nhận đ−ợc. 6. Qua đề tài, các TBTN đầu tiên cho thủy điện cực nhỏ với công suất từ 200ữ7500W đã đ−ợc sản xuất và đ−a vào sử dụng với chất l−ợng tốt tại nhiều nơi trong cả n−ớc và sản phẩm này đã bắt đầu xuất khẩu ra n−ớc ngoài và đ−ợc đánh giá cao. H−ớng nghiên cứu tiếp theo: B−ớc nghiên cứu đầu tiên cho thấy mặc dù có rất nhiều −u điểm nh−ng hiệu suất chung của TBTN còn thấp cần phải tiếp tục nghiên cứu để nâng cao. H−ớng nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào các vấn đề sau: Viện Khoa học Thủy lợi 65
69. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 1. Dựa trên các phần mềm mạnh về tính toán động lực học chất lỏng (ANSYS, ) để phân tích dòng chảy trong vòi phun và trên BCT tìm ra biên dạng tối −u cho vòi phun và cánh gáo BCT. 2. Thực nghiệm để đánh giá ảnh h−ởng từng yếu tố đến hiệu suất chung của TBTN nh−: vòi phun, BCT, t−ơng quan vị trí giữa vòi phun và BCT, 3. Nghiên cứu hoàn thiện kết cấu, độ bền các chi tiết và ổn định của TBTN để nâng cao công suất thiết kế cho loại tua bin này. Viện Khoa học Thủy lợi 66
70. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 Tài liệu tham khảo [1] Đề tài cấp nhà n−ớc về thủy điện nhỏ: ‘‘Nghiên cứu thiết kế công nghệ chế tạo và khảo nghiệm thiết bị tòan bộ tổ máy thủy điện nhỏ có công suất từ hàng trăm đến hàng ngàn kW’’ (1994). [2] Võ Sỹ Huỳnh – Nguyễn Thị Xuân Thu (1992), Tua bin n−ớc, Nhà xuất bản Giáo Dục, Hà nội. [3] Vũ Duy Quang (1996), Thủy khí động lực học ứng dụng, Tr−ờng Đại học Bách khoa, Hà nội. [4] Nguyễn Tài – L−u Công Đào (1984), Sổ tay tính tóan thủy lực, Nhà xuất bản Nông nghiệp, Hà nội. [5] Viện nghiên cứu thủy điện Trung Quốc (1968), Tính toán, thiết kế tua bin thuỷ điện – Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật Bắc Kinh, bản dịch tiếng Việt. [6] ю.Y. Эдель (1963), Kовшовыe гидpoтуpбины, гocyдapcтвeннoe нayчнo- тexничecкoе издaтельc вo мaшинocтpoитeльнoй литepaтypы мocква. [7] Trịnh Anh Toàn (2000), Visual Basic 6.0, Nhà xuất bản Đà nẵng. [8] Gilkes Brochuers [9] Helmut Scheurer – Reinold Metzler – Bob Yoder (1980), Federal Republic Germany. [10] Newmills Hydro Brochures Viện Khoa học Thủy lợi 67