Luận văn thạc sĩ kỹ thuật: Nghiên cứu tính toán thiết kế phục hồi bánh công tác tuabin hướng trục cánh cố định

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là luận văn của riêng tôi Tài liệu sử dụng từ sách, giáo

trình và những số liệu & kết quả được dùng trong luận văn đã được xem xét trích dẫnkiểm tra can thận Các số liệu sử dụng cho luận văn từ các dé tài, công trình công bốtập thé đã được trích dẫn day di và được sự hướng dan cua tác giả hoặc sự đồng ýcủa tác giả cho phép sử dụng.

LỜI CẢM ƠN

Sau hơn 6 tháng làm luận văn tốt nghiệp dưới sự hướng dan tận tình của thay TS Phạm Phúc Yên (Phó Viện trưởng Viện Thủy điện và Năng lượng tái tạo), thay TS Đoàn Yên Thế (Trưởng khoa Cơ khí - Đại Học Thuỷ Lợi) và các thay cô giáo trong

khoa Cơ khí, các bạn đông nghiệp công tác tại Viện thủy điện và Năng lượng tái tạo đến nay tôi đã hòan thành luận văn tốt ngiệp.

Quá trình viết thuyết minh, tính toán, nghiên cứu tham khảo tai liệu tôi đã nam bắt được trình tự thiết kế phục hôi bánh công tác tuabin hướng trục cánh có định, nhưng tài liệu còn ít, khả năng nghiên cứu có giới hạn không tránh khỏi những thiếu sót, rat mong được sự góp ý giúp đỡ của các chuyên gia, các thay cô trong trường trong khoa dé cho bản luận văn của tôi được hoàn thiện hơn và có thể ứng dụng vào thực tiễn.

Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn các thây cô, bạn bè đồng nghiệp trong khoa Cơ khí trong trường Đại Học Thuỷ Lợi và các thây và đồng nghiệp Viện Thuỷ Điện và Năng lượng tdi tạo - Viện Khoa Hoc Thuỷ Loi đã hướng dẫn giúp đỡ hoàn

thiện luận văn này Gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS Phạm Phúc Yên đã cho phép sử dụng và cung cấp các tài liệu liên quan.

Hà Nội, ngày — tháng năm 2019

CHƯƠNG 1: TONG QUAN TUABIN NƯỚC NHÀ MAY THỦY ĐIỆN 19

1.1- Phân loại tuabin nước, đặc điểm làm việc và vật liệu - ¿2 s xzxzzezezxz 19 1.1.1 Tuab1n TƯỚC - - s1 101 930 9111119011900 HH HH gi 19 im 0, aa 19 1.1.2.1 Phân loại tuabin theo số vòng quay đặc trưng (hay là tỷ tốc) - 20

1.1.2.2 Phân loại theo năng lượng c2 Sc 3211213391 EEErkrrrrrkrrrrrrree 21 1.1.2.2 Phân loại theo công suất - ¿22 2 ©E+SE£2E£EE2EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEErrkrree 23 1.1.2.4 Phân loại theo kết cấu - -+++-++xtttEkttrtrr HH rrreiee 23 1.1.3 Thông số và sơ đồ làm viỆC - ¿2-52 2+E£+E£EEEEEEEEEEEEEEEEE2112171 21112 xe, 24 1.1.4 Kết cấu và vật liệu làm BCT -¿¿-©5++t222xvt2ExtttEEttrtrtrtrtrtrrrrrrrrerrriee 25 1.2- Tuabin nước hướng trục với bánh công tác cánh cố định 2-2 5z52¿ 27 1.3- Các bài toán về thiết kế bánh công tác tuabin hướng trục - +: 30

1.4- Lựa chọn phương pháp thiết kế profil cánh bánh công tác - 2: 5+: 31 1.4.1 Phương pháp lực nâng - - c2 311111211 1111195291 1111111117 111111 11g rret 31 1.4.2 Phương pháp phân bố xoáy - 2-2 2 £+E£+E£EE£EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEkrrkrrkee 31 1.4.3 Phương pháp phân bố xoáy — nguỒn 2 2 2 ++££E£+EE+EE+EEtzEzE+rxerxerxee 32 CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU THIET KE PHUC HOI BANH CÔNG TÁC TUABIN

2.1.4 Hong bánh công tac bởi nguyên nhân khác - - 5 5+5 * + s+stxseseerseerssss 372.2- Phát hiện nguyên nhân, đánh giá các hư hỏng của BCT tuabin hướng trục 37

2.4 Đo đạc lấy mẫu, thiết kể khôi phục biến dạng BCT

2.4.1 Phương pháp do, ấy mẫu cảnh thi công.2.4.2 Phương pháp lấy mẫu bằng máy quế

2.4- Ung dụng các phần mềm thiết kế phục hỗi

2.4.1 Đặc điểm, công dụng chung các phn mềm,

3.1- Khảo sit bánh công tác (thu thập, nghiên cứu)

3.2 Lay mẫu bánh công tác (đánh giá và lấy mẫu biên dang bau, lá cánh)

3.2.1 Lay mẫu BCT bằng máy quét Laser.

3.2.2 Xứ lý số liệu, chuyển thành solid - bán vẽ 3D

3.3- Thiết kế phục hồi bánh công tác.

3.3.1 Chuyển bản vẽ 3D về 2D theo phương pháp mặt cắt tr

3.3.2 Xác định đường nhân theo phương pháp thiết k lá cánh hướng trục.3.3.3 Dip lại độ day các proflie cánh phục hồi các tit điện bị mòn, phá hủy.3.3.4 Hoàn thiện các profile, xâu cánh, dựng 3D BCT, 2D BCT.

3.3.5 Tính bền bánh công tác.

3.3.6 Tính toán míghếp giữa lá cánh và biu cánh.33.6 Bánh công tác mô hình

34 Sử dụng Ansys CEX

3.5- Phân tích mô phông đồng chay qua bình công tác3.51 Xây dựng mô bình 3D để mô phóng

DANH MỤC HÌNH ANH

Hình 1 Khôi phục bảnh công tác ở nhà máy thủy điện Stockton = MỹHình 1.1 Sơ đồ làm việc của tram thủy điện

Hình 1.2 Sơ đổ khối làm việc chung của tuabin.

Hình 1.3 Các loại bảnh công tác tuabin tiêu biểu

„ trục đứng, BCT cánh cố định.

Hình 1.5 Budng BCT Tuabin hướng trực cánh cổ định

Hình 1.4 Tổ máy Tuabin hướng trụ

Hình 1.6 Bánh công tác tuabin hướng trục cánh có định.

Hình 1.7 Bánh công tác tuabin hướng trực cánh quay

Hình 2.1 Vết nứt đường hàn sắt bầu cánh

Hình 2.2 Mii môn lá cảnh do tạp chất trong nước

Hình 2.3 Xâm thực kết hợp mài môn làm rổ thủng b mặt lá cánh

Hình 2.4 Khuyết tật vật liệu lá cánh và khuyết tật hàn

Hình 2.5 Xuất hiện ving bot khí ở)at la cảnh.

Hình 2.6 Phá hủy do ăn mòn hóa kết hợp xâm thực

Hình 2.7 Gay lá cánh vị tí sắt bầu

Hình 2.8 Sơ đồ thiết kế phục hồi bánh công tác.

Hình 2.9 Đường kính DI, Db bảnh công tác tuabin hướng trụcHình 2.10 Mặt đứng bánh công tác được chia bởi các Ri

Hình 2,11 Mặt bằng bảnh công tác được chia bởi các Ri

Hình 2.12 Mặt trụ cit lấy mẫu cánh.

‘Hinh 2.13 Mắt cắt phía mép ngoài của lá cánh BCT trải phẳng Hình 2.14 Mặt cất li cảnh BCT phia gin bia cánh tri phẳng

2.15 Thiết bj do máy quét laser (đo không tiếp xúc)

Hình 2.16 Thidt bị máy do tọa độ (kiểu tay robot do tiếp xúc)

Hình 2.17 Tạo mẫu mô phòng

Hình 2.18 Mô phóng bằng máy tính trong việc thiết kể tuabin hướng trục

Hình 2.19 Bản vẽ autocad tổng quan vé sơ đồ làm việc của tuabin

2.21 3D bánh công tác,

Hình 2.22 3D các mặt cắt lá cánh BCT.Hình 3.1 Đường đặc tính tổng hợp.

inh 3.2 Bánh công tác hiện trang hư hông ở nhà máyh 3.3 Quá trình tháo cụm bánh công tác khỏi tổ máy.

3.4 Cụm bánh công tác trên sàn lắp tuabin.

3.5 Ban vẽ bầu cánh của bánh công tác.

h 3.6 Bản vé chế tạo bầu cánh.

Hình 3.7 Lắp đặt thiết bị quết laser (scanning) sao chép mẫu lá cánh bánh công tácHình 3.8 Chạy quết sao chép biên dang lá cánh:

Hình 3.9 Kết quả chạy quét lá cánh,

inh 3.10 Kết quả biên dạng lá cánh thu được

th 3.11 Dựng được lá cảnh 3D hoản chỉnh

3 2 Bánh công tác 3D, D=1900mm

Hình 3.13 Vị tri các mặt trụ cắt BCT (mặt đứng)

Hình 3.14 Vị mặt trụ cắt BCT (mat bằng)

Hình 3.15 Profile cánh bánh công tác tại tiết điện 1 (R1 = 950mm)

Hình 3.16 Profile cảnh bánh công tác tạ it diện 2 (R2 = 830mm)inh 3.17 Profile cảnh bánh công tic ti tiết diện 3 (R3 = 670mm)

lình 3.18 Profile cánh bánh công tác tại tiết diện 4 (R4 = 530mm)

3.19 Profile cảnh bánh công tác tại it điện Š (RS = 390mm)

h 3.20 Đường nhân profile tiết diện Š 3.21 Đường nhân profile tết diện 4

3.22 Đường nhân profile tết điện 3

Hình 3.23 Đường nhân profile Ht diện 2

Hình 3.24 Đường nhân profile tết điện 1

lình 3.25 Profil cánh tiết điện 5 (R=390mm).

th 3.26 Profil cánh tiết diện 4 (1

Hình 3.27, Profil cánh tiết điện 3 (

Hình 3.30 Tiết điện từ 1-1 đến 5-5 của profile 5 mặt cắt trụ.

Hình 331 Hình chiếu các profile

Hình 3.32 Bản về xâu cánh.

inh 3.33 Ban về 3D bảnh công tác thực phục hồi Hình 3.34 Xuất bản vẽ 3D sang 2D.

3.35 Bản vẽ chế tao bảnh công tác D=1900 mm thực phục hồi

3.36 Ban vẽ chế tgo lá cánh bánh công tic.

h 3.37 Sơ đồ lực tác dụng lên cánh bánh công tác

3.38 Sơ đề bin bánh công tác

Hình 3.39 Chia lưới mô hình tính toán.

Hình 3.40 Các điều kiện làm việc của lá bánh công tắc.

in 3.41 Ứng suất tổng trên lá cánh bánh công tắc

ih 3.42 Chuyên vị tổng trên lá cánh,

343 Hện toàn của lá cánh

h 3.44 Dường nhận profile cánh bánh công tác

3.45 Đường nhận profile cánh bánh công tắc tiết điện 4

Hình 3.46 Đường nhận profile cảnh bánh công te tiết điện 3

Hình 3.47 Đường nhận profile cảnh bảnh công tác it điện 2inh 3.48 Đường nhận profile cánh bánh công tác tiết điện 1

inh 3.49 3D bánh công tác tuabin hướng mô hình

3.50 Bau cánh và lá cánh

3 51 Mô hình 3D bánh công tác

Hình 3.52 Mô hình 3D ống xả

3.53 Mô hình 3D buồng xoắn

Hình 3.54 Mô bình hình học và mô hình đặt BCT rong tuabinHình 3.55 Mô hình lưới và điều kiện biên

inh 3.56 Phân bổ áp suất trên mặt bánh công tác

fh 3.57 Phân bố trường dong qua tuabin,

h 3.58 Phân bổ vận tốc trên bé mặt bánh công tác.

3.59 Mặt phẳng Plane cắt ngang qua mật một cinh công tác

3.60 Đường Polyline phân bổ áp suất hình thành trên mặt cánh công tác

3.61 Phân bổ áp suất mặt trên và mặt dưới của một cánh công tác Hình 3.62 Vũng áp suất thấp trên bính công tác

Hình 3.63 Trường đồng phân bổ van tốc trên bánh công tác

99tol101

DANH MỤC BẰNG BIEU

Bảng I.1 Phân loại tuabin theo n, 20

Bảng 1.2 Thanh phần hóa học của một số loại thép không gi độ bn cao sử dung trong chế tạo bet tuabin hướng trục [7] 26

Bảng 1.3 Cơ tính của các loi thép ở bảng rên [7] x”

Bang 3.1 Đặc tinh vật liệu chon làm bánh công tác 58

Bảng 32 Tiết điện các mặt trục BCT 66Bing 3.3 Dip độ day profi cánh 2

Bang 3.4 Điều kiện ban đầu và điều kiện biên 9L Bảng 3.5 Điều kiện biên của mô hình hình học 94

DANH MỤC VIỆT TAT VẢ GIẢI THÍCH THUẬT NGO

NUTT: Năng lượng tế tạo

IN: Công suit của tổ máy hoặc tuabin (đơn vị là KW, MW)

KW: Ki lô oat (don vị đo công suất)

MW: Mé ga oit (đơn vị đo công suit M: chiều cao cột nước (đơn vị là mét - m)

Hộ chỉ

hn lượng nước, (đơn vị mt khối trên giấy - ms)

cao cột nước tính toán (cột nước đã trừ tổn thất thủy lực) Qu: Lưu lượng nước tính toán (lưu lượng đã trừ tồn thât thủy lực)

n: Số vòng quay của bánh công tác hay trực tuabin trong mỗi phút (đơn vị vòng trên

phút- ph)

to Chiều cao cảnh hướng nước của tuabin

BCT: Bánh công tác (được hiể là

đồi khi côn được viết tit fa BXCT

nh công tác tuabin hay bánh xe công tác tuabin)

Dj Dưỡng kính bánh công tác (đơn v là mết~ m)

Phy: Ap suất hóa hoi

áp suit chit lông ở mt cit 1-1 và 2-2 Vi Vai Vận tốc chit lồng ở mặt cắt Ll và 2-2 cay, ca: Hệ số động nang dong chiy ở cất 1-1 và 2:2

Eá, Ea: Nang lượng đồng chất lông ở mặt cắt 1-1 và 2:2

p= mV khối lượng riêng của chất lòng (ke/m3)e = PIV trọng lượng riêng của chất lồng (N/m3)se: hệ số phan kích

Thy hiệu suất tuabin

p: Góc đặt của lá cánh (so với bầu cánh).

1: chiều dài dây cung (chiều dai cánh)

bước của lưới cánhVt độ mau của cánh

bán kính các mặt trụ đồng tâm quay ‘TD: tiết điện mặt cất a cánh được tnt phẳng

© gi tốc trong trường (mis

n¿ Số vòng quay đặc trưng

3 lần ain xung kích/xung lực 2 lần)

cứu khoa học, “Nghiên cứu lựa chọn công nghệ và

thiết bị để khai thác và sử dụng các loại Năng lượng tdi tạo (NLT) trong chế biến

nông, lâm, thuỷ sản, sinh hoạt nông thôn và bảo vệ mỗi trường”

KC 05/1115: Mã số chương tinh “Nghiên cứu ứng dụng và phát iển công nghệ năng

lượng”

MỞ DAU

“Việc sử dụng và khai thác năng lượng từ nước (năng lượng thủy điện) đã và

dang được nghiên cứu khai thác ở Việt Nam, ưu điểm của nguồn năng lượng này là giá thành thấp, hiệu suất tương đổi cao Các trạm thủy điện được xây dựng ở nhiều nơi, nhiều khu vue có cúc điều kiện thuận lợi vthùy năng, ti các tram thủy điện thỉtuabim

thủy lực là bộ phận quan trọng và bên trong tuabin thủy lực là bánh công tác chỉ tiết

chính nhận năng lượng nước để chuyển thành cơ năng trên trục máy phát

Tí do chon dé ải ? Binh công tác cia tuabin hủy lực luôn được cot à trải

tim của tổ máy thủy điện, khi bánh công tác bị rổ bé mặt, mài mòn, vỡ mảnh hư hỏng

sẽ ảnh hưởng đến các bộ phận (trục tuabin, trục máy phát, buồng tuabin, cụm 6 đỡ,

cum 6 hướng hệ thống liên quan khác, và đặc biệt khi bảnh công tác hư hỏng

không làm việc được nữa dẫn đến không sản sinh ra điện năng, vì vậy phục hồi lại

bính công úcl rt cần thế

Tinh cấp thiết phát nghiên cứu dé tài? Việt Nam sau một thời gian phát triển thủy điện những năm cudi của thé ki 20 (Từ sau năm 1990 khi bình thường hóa quan

hệ với Trung Quốc) đến đầu thé ki 21 để đáp ứng cung cắp điện năng cho các ngành

nghề hoạt động (đặc biệt là công nghiệp) và phát triển sản xuất chúng ta đã đầu tư phát triển nhiễu vé thủy điện, nguồn lực trong nước còn yếu nên thiết bị cơ khi thấy lực

trong trạm thủy điện gin như boàn toàn là nhập khẩu từ nước ngoài (phẳn nhiều là từ

‘Trung Quốc bởi giá thành thấp), Thiết bị cơ khi thủy lực sau một thời gian làm việc

thường xuyên nhiều hộ thống bộ phận, nhiễu chỉ it giờ không đảm bảo khả năng lâm

việc (đồng cặn, han gi, bị mài mòn, rỗ mặt và hư hỏng, ) như: Các lá cánh của bánh

xe công tác, các cánh hướng nước, cổ trục tuốc bin, van đĩa, chóp thoát nude gây

khó khăn cho hoạt động của tổ máy, các hệ thống chỉ tiết này cin được bảo dưỡng phục hồi sữa chữa hoặc thay thể, các lá cánh bánh công tác & bầu cánh hay gọi tt là bánh công tác là chỉ tiết quan trọng nhất khi không đảm bảo trạng thái làm việc bình thường cần được tu tiên phục hi thay th (vì khi bánh công tác hoạt động bắt thường

2

sẽ gây rung động — rung động sẽ dẫn đến hư hại các bộ phận khác nhau lâm mắt an

toàn tổ máy phát điện [15], phá hủy chế độ làm việc bình thường của tổ máy, tổ máy

không đạt công suất phát điện thiết kế,

Bén cạnh đó, tổ máy phátfa hủy điện cũng nên cần có binh công tác dựphòng thay thé khi bánh công tác dang chạy không đáp ứng được các chi tiêu kỹ thuật

khi vận hành tỗ máy, để đảm bảo việc phát điện không bị gián đoạn chúng ta sẽ lắp

bánh công tác dự phòng và có thời gian kiểm tra bánh công tác tháo ra

Hiện nay chúng ta đang có đội ngũ cán bộ, kỹ sw trẻ năng động luôn sắng tạo,

tim tồi, ải tiến và tự chế tạo m các thiết bị thay thể, khắc phục, phục hii, sửa chữa

những hư hỏng các thiết bị trong nước; những con người nay cin được đầu tư, kích lệ

động viên để lâm chủ công tác thiết kể thiết bị cơ khi trong nước, Một li do nữa ein phải đỀ cập đến là các thiết bị được chúng ta mua sắm thường có thôi gian vận hành nhiều hơn khuyến cáo của nhà cung cắp, thời gian vận hành quá dai dẫn đến việc mua sắm thết bị vật tư nh kiện thay thể khó khăn hoặc li giá thành cao

Swe phù hạp của tên dé tài với chuyên ngành đầo tao? Bánh công tác tuabin đối tượng được đỀ cập chính trong ngành máy thủy lực thủy khí Nội dung phục hồi lại

trang thái lâm việc ban đầu của chỉ tiết máy thủy lực này là phủ hợp với chuyên ngành)

dao tạo Kỹ thuật cơ khi Lĩnh vực thay điện cũng ki một lĩnh vực chính được đảo tạotại trường Thủy lợi trong nhiều năm qua.

1.2 Tinh hình nghiên cứu:

“Nghiên cứu của nước ngoài [I0]:

Trên thể giới, tuabin thủy lực đã được nghiên cứu từ lâu Các loại tuabin như.

tuabin âm trục (tuabin Francs), tuabin gio (tibin Pelton) twain hướng trực cánh cổ

định (habin chong chóng) hay asbin hướng rực cánh đều chỉnh (wabin Kaplan)

đã được các nước công nghiệp phát triển (Nga, Nhật Mỹ, Đức, Trang Quốc ) nghiên cứu và ải tiến không ngùng

“Tuabin hướng trục là một loại tuabin quan trọng cũng đã được các nước công.

nghiệp tin tiên như Nga, Đúc, Nhật, Phần Lan, Áo phát iễn nghiền cứu, và tuabin hướng trục là tuabin có phạm vi sử dung rộng rải nhất so với các loại tuabin khác.

‘Song hành củng với việc nghiên cứu thiết kế chế tạo mới các loại bánh công tức theo đặc thủ các trạm thủy điện mới phục vụ phát điện thi công tác thiết kế khôi phục lại các bánh công tác cũ cũng rắt cần thiết và quan trọng vi nó giảm được đáng kể

chỉ phí đầu tư mới.

Hình 1 Khôi phục bánh công tác ở nhà máy thủy điện Stockton ~ My

6 Trung Quốc đã tiến hành nghiên cứu sản xuất các loại tuabin hướng trục.

i hiệu như ZZ 560-LH-300, 22760, ZD560-LJ, ZDS60-LH,thủy điện nhỏ có cá

Ở Liên Xô cũ đã tiến nghiên cứu sản xuất các loại tuabin hướng trực TL

10/592, TT 20/661, ILI 20/510, TLT 30/587, TLL 50/642, và các loại HA70,TIA510, A587 có các chi tiêu như sau

Teal bah công tắc

6 Tiệp Khắc cũ đã nghiên cứu sản xuất tuabin hướng trục nhỏ một số mẫu.

cánh trục đứng là 4K84, trục ngang là 4K69, và hai mẫu cánh ding cho tuabin hướng

trục có phần dẫn dòng chữ $ 4PK-10, 4PK-26.

LỞ Nhật hãng Kushiro đưa ra

máy phát có số vòng quay cao Hãng Toshiba đưa ra mẫu tuabin cáp xun với tuzbin

iu thit k tuabin hướng true dạng ống và dũng nằm trong nước, máy phát nằm ngoài với bộ truyền đai.

'Ngoài ra côn các hãng của một nước như Pháp, Thụy Sĩ, cũng đưa ra kết cầu

‘wabin hướng trục của mình

“Nghiên cứu trong nước [10]:

Thực tế nghiên cứu thiết kế, chế tạo, thử nghiệm bánh công tác các tổ máy

thủy điện ở Việt Nam đã được tiễn hành từ năm 1960, với habin hướng trực ban đầu

được chế tao đơn giản là những tắm thép bé dày không đổi han với bầu cánh, 1970 ở

một số đơn vị: Công ty cơ khí Hà Nội (sản xuất tuabin hướng trực 4K-69), Công ty

thiết bị điện Đông Anh, Trường Đại học Bách khoa Ha Nội (nghiên cứu và dua ra

bảnh công tác của tuabin hướng trục có Ns}0 năm 1982), Trung tâm Thủy điện

(Viện Khoa học thủy Lợi) - nay là Viện Thủy diện và Năng lượng ti tạo (Viện khoahọc thủy lợi Việt Nam) Các đơn vị trong nước đã tiến hình nghiên cứu một số loi

tuabin như: Tuabïn tia nghiêng, xưng kích hai lẫn, xung kích 2 lần nữa phản kích.

tuabin gáo, tanbin hướng chéo, tuabin tâm trục (Francis) và tuabin hướng trục Quá

trình nghiên cứu chế tạo lắp đặt thử nghiệm cũng mới chỉ là bước đầu và phạm vi nhỏ.

hep, đái công suất nghiên cứu thấp.

"Thủy điện Kẻ Gỗ (Hà Tinh) công suất 1000kw với tuabin hướng trục đo Viện

thiết kế thủy lợi — Thủy điện thết kế.

Thủy điện Phú Ninh (Quảng Nam) là trạm đầu tiên được lắp đặt tuabin và

éu tốc sản xuất tại Việt nam.

Giai đoạn nhưng năm 1990 trở v8 trước Việt Nam gn như nhập khẩu hoàn toàn thiết bị từ nước ngoài cho các trạm thủy điện Còn từ những năm 2000 trở lại đây chúng ta nhập khẩu một phin và phần còn lại tự sản xuất rên cơ sở: Sao chép mẫu, thiết kế ngược, phục hồi lại trình độ kỹ thuật trong nước cũng ngày càng tiền bộ hơn giai đoạn trước năm 1990, các đơn vị trong nước đã liên kết với tổ chức chuyên gia

nước ngoài tự nghiên cứu thiết kế chế tạo các trạm thủy điện nhỏ tuy nhiên vẫn còn

nhiều hạn chế về 2h thước & giới hạn công suất

“Thực t"Việt Nam về phục hồi chế tạo thay thế bánh công tác tuabin, hiện

tại vả tương lai có những trạm thủy điện khác đưa vào hoạt động và khi đó công tác.

phục hồi tính toán thiết kế và chế tạo cho bánh công tác bị mãi môn hư hỏng, bánh công tác dự phòng là rất edn thiết

Cúc đơn vị rong nước (Tập đoàn ~ Điện lực Việt Nam, tổng công ty

-LLilama, Viện nghiên cứu ~ Viện thủy điện và Năng lượng ti tạo, chủ đầu tư )

dang din din tiền hành đại tu sửa chữa bảo dưỡng thay thé các tổ máy thủy điện, vi

vây nghién cứu ché tạo phục bồi các loại ánh công tác khác nhau để sa chữa, thay

thể đặc biệt là chỉ tit bánh công tác cho các trạm thủy điện là rit thiết thực.

Viện thủy điện và Năng lượng tái tạo ~ Viện khoa học thủy lợi Việt Nam đơnvị có nhiều năm nghiên cứu và hoạt động vẻ thủy điện, cũng đã đang thực hiện nghiên

cứu phục hii các bánh công tác cho một số trạm thủy điện theo yêu cầu của chủ đầu tư

như chế tạo phục hồi bánh công tác, vành làm kín thủy điện Đắc ro sa (Đắc Tô ~(Mộc Châu — Sơn La), cl

tạo trọn bộ phần tuabin hướng trục thủy điện Khe Soong (Quảng Ninh), KonTTum), chế ạo phục hồi bánh công tác tâm trục Tả Ni

Các công trình nghiên cứu gần đây vẻ tuabin hướng trục:

Để ải cấp nhà nước mã số KC.07.04 “Nghiên cứu lựa chọn côi nghệ và thiết bị để

khai thác và sử dung các loại Năng lượng tái tạo (NLTT) trong chế biến nông, lâm,

16

thuỷ sản, sinh hoạt nông thôn và bảo vệ môi trường” do nhóm tác giả Trung tâm Thủy

điện - Viện Khoa học Thủy lợi nay là Viện Thủy điện và Năng lượng tái tạo ~ Viện

Khoa học Thủy lợi Việc Nam, kết thúc năm 2003, sản phẩm là các loại tuabin Tỉa

nghiêng, Xung kích 2 in, hướng trụ và công suất đưới 200k

Đề tai nghiên cứu sinh của tác giả TS Nguyễn Vũ Việt: “Nghiên cứu mô hình

để mở rộng phạm vi làm việc của tua bin hướng trục cột nước thấp ứng dụng cho các.

tram thuỷ điện nhỏ ở Việt Nam” hoàn thành năm 2005 đã nghiên cứu trên ý thuyết và một phần thực nghiệm mô hình vật lý và rút ra các kết luận cho hướng nghiên cứu vi ứng đụng tuabin hướng rực (đối với bánh công ác loại nh),

Để tài KC.05.01/11-15 Nghiên cứu, thiết kể, chế tạo tuabin hướng trục cột nước.

ất tir 2-SMW do tác giả TS Phạm Phúc

Bánh công tác tuabin nước nói chung, bánh công tắc tuabin hướng trục nói

thấp công ø va các cộng sự thực hiện riêng là bộ phận rất quan trọng của tổ máy Việc nghiên cứu phục hồi, hoặc chế tạo

bánh công tác mới cho các nhà máy là như cầ rt cắp bách của tit cả các công tình

thủy điện hiện nay Mặc dù cho đến nay, việc nghiên cứu chế tạo BCT đã được một số dom vị trong nước thực hiện, nhưng còn nhiều hạn chế chưa đáp ứng được nhủ cầu sản

n thấy rằng.xuit: Chất lượng chưa đảm bảo, công suất không đạt Do vậy, học ví

phải nghiên cứu, thiết kế phục hồi các loại bánh công tác tuabin, một cách bài bản, sát

1.3 Mục đích nghiên cứu:

"Mục dich của học viên trong vẫn đỀ nghiên cứu là nghiền cứu thiết kế phục hồi Bánh

công tác tuabin hướng trục của nhà máy thủy điện đã bị xâm thực, mài mòn, hư hỏng.

1.4 Đi tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Bánh công tác tuabin hướng trục của nhà máy thủy điện, bản vẽ

CAD lá cánh bánh công tác, bản vẽ CAD bánh công tc,thết bị quét

Pham vi nghiên cứu: Thiết bị cơ khí thủy lực của trạm thủy điện (bánh công tác), phần.

mềm Autocad, phin mềm Solidwork, phẩn mềm Ansys CFX, các bước để phục hồi lại

biên dang BCT phù hợp với vấn đề nghiên cứu khoa Cơ khí & Trường Đại họcThủy lợi

1.5 Phương pháp nghiền cứu:

Học viên sử dụng phương pháp nghiền cửu: Lý thuyết thiết kể lá cánh bánh

công tác tuabin tuabin hướng trục ~ phương pháp phân bổ xoáy nguồn, kết hợp kinh

bản ví

nghiệm đo đạc, xử lý số liệu và t é tạo bánh công tác nguyên trạng “Trong quá trình thực hiện, có sử dụng thiết bị quét mẫu hiện đại; sử dụng phần mềm autocad, solidwork thiết kế và kiếm soát bản vé thiết kế, phần mềm mô phỏng dòng.

chảy qua bánh công tác mô hình.

’ém tắt phương pháp nghiên cứu:

hiện trường sau đó tháo bánh công tác đang làm việc, sử dung thiết bị máy quét mẫu

cứu đối trợng ti hiện tường: Nghiên cứu chế độ làm việc tuabin ti chuyên dụng dựng lên kích thước 3D của đồ tượng;

Thiết kế phục hồi nguyên trang dối tượng: Xử số liệu đo và sử dung lý

thuyết cánh phương pháp phân bd xoáy, tính toán và xây dựng biên dạng cánh cơ bản

à thiết kế bản vẽ 2D các biên dang cánh mới - nguyên trạng

Sử dụng phần mềm hỗ trợ động lực học chất lỏng để kiểm tra chế độ làm việc trên mô hình toán hiệu chỉnh lại biên dang (nếu cần), hoàn thiện bản vẽ chế tạo

Nguồn số liệu dự kiến được sử dụng Thông số chỉ tiết của tổ máy (nhãn mác thiết bị, hồ sơ bản vẽ thiết kế thi công - hoàn công, nhật ki vận hành, đường đặc tính

vận hành, ) cân được khôi phục bánh công tác bị mài mòn hư hỏng Mức độ khả thi

lả cao vi thiết bị dù cũ nhưng là nhập ngoại theo hợp đồng gói thấu với chủ đầu tr vì

vậy số liệu dim bảo tin cậy.

1.6 Kết quả dự kiến đạt được

Giới thiệu được v8 sao chép lấy lại mẫu cánh, xử lý số liệu:

Các bước.h toán, thiết ké phục hỗi nguyên trạng bánh công tác tuabin hướng trục;(Cae bước thực hiện mô hình tn hoàn thiện bản vẽ thi

“Cang cắp sé liệu tính toán, bản vẽ thiết kế ch tạo 2D, 3D bánh công tắc tuabin hướng: trục đường kinh D1900mm, công suất 1,8 - 2,0 MW.

Luận văn có thể được ấp dụng được phần nào trong thực tế là cơ sở lý thuyết để chế

tạo phục hồi lại bánh công tác bị xâm thực, bị rỗ bề mặt, bị ăn môn, bị mài môn hư

hong và là cơ sở các bước tiếp theo để chế tạo bánh công tác trong thực tế, hoặc

nghiên cứu mở rộng vùng làm việc của bánh công tác

'CHƯƠNG 1: TONG QUAN TUABIN NƯỚC NHÀ MAY THỦY ĐIỆN.

1.1- Phân loại tuabin nước, đặc điểm làm việc và vật li

LLL Tuabin nước

“Tua bin nude/tuabin thủy lực là một mấy chuyển động quay để biển đổi động năng và thể năng của dòng nước thành công hữu ích” hay là một loại máy thuỷ lực chạy bằng site nước, nhiệm vụ biển năng lượng của dòng nước thành co năng lim

quay trục máy phát điện (hoặc trục máy công cụ kéo bộ công tác), máy phát điện sinhliện từ đó dòng điện là cở sở để chạy các máy công cụ thiết bị khác mà có sử.cdụng điện năng là năng lượng đầu vào [8]

1.1.2 Phân loại

Trong thự tẾ tua bin nước thường làm việc vớ các địa hình khác nhau tứ là ở

phạm vi cột nước H (m) không giống nhau ứng với các trị số lưu lượng Q (mf) cũng

khác nhau Đ sử dụng một cách có hiệu quả năng lượng dòng nước đặc trưng bởi các

16 hợp cột nước và lưu lượng khác nhau cần cổ các kiểu loại tua bin khác nhau về cách

19

sử dụng năng lượng nước, cấu tạo, kích thước, và quá trình làm việc của chúng cũng

khác nhau

1.1.2.1 Phân loại tuabin theo số vàng quay đặc trưng (hay là tỷ tốc)

Trong máy tuabin thuỷ lực để biểu thị đặc trưng tổng hợp của các thông số cơ

bản của may cột áp H, lưu lượng Q, công suất N, số vòng quay n, người ta đưa ra Khai

i với tuabin nước số vòng quay đặc trưng N,là số

kw [1].

xổ vòng quay trong một

niệm số vòng quay đặc trưng N,.

vong quay của một tuabin làm việc với cột áp H=1m và phát ra công suất

tai liệu Số tay thủy lợi thin, được gọi là tỷ tốc có tỉ số bả

phút của tuabin làm việc dưới cột nước Im và tạo ra được công suất là ICV (mã lực).

VỀ trị số thi No= 1,167 ns, côn về đơn vị thi người ta đăng đơn vị cho Ns là mKiw, có

nghĩa là cột áp H do bằng m và công suất N đo bằng Kw.

Khái niệm số vòng quay đặc trưng hay tốc có thể áp dụng cho các loại tua

bin Nhu vậy các tuabin tương tự sẽ có số vòng quay đặc trưng giống nhau, không phụ

thuộc vào đường kính Dị và thông số lưu lượng Q Mỗi hệ tuabin phụ thuộc vào số

‘vong quay đặc trưng thường có 3 dạng cao, trung bình và thấp [7]

Bảng 1.1 Phân loại tuabin theo n,

Loại tua bin in, thấp n, trung bình my cao

Tua bin hướng trục — |_ 2702400 400600 600-900 Tua bin tâm trục 60150 1502220 2202350

Tuabin hướng chéo | 120+ 180 | — 180250 250 = 450Tua bin XK2 lẫn 42:80 30:120 120:170Tuabin gáo 19 35 ooTua bin tỉa nghiêng 20 40 10

‘Theo cách phân loại trên thì tuabin hướng trục có tỷ tốc nằm trong khoảng từ.

270 ~ 900 viph,

Dùng cách phân loại theo ns người ta dé ding lựa chọn loại hình thích hợp nhất

cho một tram thuỷ điện néu cho trước cột ấp H (m), công xuất tổ mấy N (KW) và sốvvong quay đặc trưng.

20

1.1.2.2 Phân loại theo năng lượng,

Ta khảo sat các thành phần năng lượng của dòng chảy Năng lượng đơn vị của

đồng chảy truyền cho bánh công tác tua bin bằng độ chênh năng lượng riêng giữa 2

tiết diện trước và sau đó:

H=2,~Z,)+Ÿ an

Thể năng dòng chảy: /Z, ~Z,) d2)

Động năng đồng cháy: SY — 0" (13)

Vay năng lượng riêng gồm hai phần: Động năng và thé năng Tuy thuộc vio phần năng lượng này mà ta ch tua bin nước ra làm hai hệ khác nhau:

~ Tua bin phan kích (còn gọi la phan lực).~ Tua bin xung kích (còn gọi là xung lực)

Loại tua bin phân kích (tua bin đồng chảy có áp) Ap lực đồng chảy ở cửa vàocata bánh công tác bao giờ cũng lớn hơn áp lực ở cửa ra của nó (vi dụ: Tuabin Francis)

“Côn loại tua bin xung kích thi áp lực dong nước ở cửa vio và cửa ra là như

nhau và bằng dp suất khí quyền (vi du: Tuabin go, tuabin tia nghiêng).

Năng lượng thực tế của dòng chảy đã truyền cho bánh công tác của tua bin bằng

hiệunăng của ding chảy ở cửa vào Ey và cửa ra Es [3] (xem hình 1.1).

“Chiều cao cột nước:

H=Ei— 46)Vì thé ở tua bin phan kích thé năng dong chất long ở cửa vào bánh công tác lớn

tăng ở cửa ra bánh công tác tức là

Pigg Phony an

bì

Ngoài ra tua bin này còn sử dụng một phn động năng dòng chấ ling "="? ngạ Để đánh giá và phân biệt mức độ sử đụng thé năng của đồng chất long nhiễu hay ít của tua bin phản kích người ta dùng hệ số phán kích ©

Đối với tua bin xung kích thi 0v vì >> và pIEP Và 2) X22

[hue vậy tua bin sử dung cing nhiều phần thé năng dòng chiy thi hệ số phản

kích cảng lớn Hệ số phản kích đổi với các kiểu tua bin phản kích phụ thuộc vào hệ số.

tốc độ ( tốc n) và thường nằm trong phạm vi 05 <e< 1

Khi nước chảy qua bộ phận hướng nước chỉ có một phân thé năng biến thành

động năng nên áp lực nước ở cửa vào BCT lớn hơn nhiễu so với áp lực khí quyển Vì

tiết điện ướt của BCT co hẹp dẫn nên vận tốc nước ở của ra BCT lớn hơn vận tốc cite xào Vi vậy BCT của tua bin phản kích bao giờ cũng kim việc trong mỗi trường chit

lông kin, liền tục và sự chênh lệch áp lực nước ở cửa vào và cửa ra BCT quyết địnhđặc tính công tác của tua bin này:

G tua bin xung kích sau khi nước ra khỏi bộ phận hướng nước (vòi phun) thì

toàn bộ thé năng của ding chất lỏng biến thành động năng để truyền cho bánh xe công tic, vi chy trong môi trường khí quyển nên chuyên động của dòng chất lòng trên BCT

là chuyển động không áp hay còn gọi là dong tia tự đo, khi tua bin làm việc thi chỉ có.

một phần BCT

bin xung kích là quá trình biến đổi năng lượng dòng chất lỏng thành cơ năng trên trụcp xúc với dòng nước, Như vậy thục chất quá trình làm việc của tua

quay của tua bin,

‘Tua bin phân kích và xung kích chia thành các hệ khác nhau tuỷ theo hướng.

dong chảy trong BCT và cách điều chính lưu lượng Trong mỗi hệ tua bin lại chia ra

các kiểu BCT với kích thước khác nhau tuy theo công suất đã cho Các tua bin cùng

kiểu sẽ có hình dang hình học của bé mặt các phin nước qua đồng dang, Các tua bin

2

đồng dạng về hình học có kích thước khác nhau hợp thành một cỡ (xéri) tua bin, Như

vậy, sự phân loại tua bin có thể bigu thị như sau đây.= Phin loại theo loại tuabin

+ Phin loại theo hệ

+ Phân loại theo kiểu tuabin.

1.1.2.2 Phân loại theo công suất

Phan loại theo kích thước ving công suất (VD: Công suất nhỏ N<10MW, công suất vừa LOMW < N <100 MW, công suất lớn N> 100MW) [4]

1.1.3.4Phân loại theo kết cầu

= Tuabin6 trục phương đứng (trục đứng):+ Tuabin có trục phương ngang (trục ngang);

‘Tua bin phản kích gồm các hệ như saw

= Tua bin cánh quay (uabin Kaplan): Là loi tuabin hướng trực, cánh quay ding

cho trường hợp cột nước có phạm vị thay đổi nhiêu.

= Tuabin cánh quạt ~ chong chống (tuabin propeller): Là loại tuabin hướng trục

Một số hệ khác của loại tuabin phản kích:

+ Tuabin dong chiy thing và nữa thẳng (wabin Cápun dành cho cột nước rất

thấp): Thường dùng cho các trạm thuỷ điện thuỷ triều.

(ch~ Tuabin thuận nghịch ((uabin ~ bơm): Dùng cho các tram thuỷ di

‘Tua bin xung kích gồm các hệ sau.

~ Tua bin gio (tuabin Pelton): Trục tia nước tiếp xúc với vòng tròn trung bình của các gáo và nằm trong mặt phẳng đối xứng của BCT.

= Tua bin tia nghiêng (tuabin Turgo): Trục tỉa nước tạo với mặt phẳng BCT mộtsóc nhọn thường là nhỏ hơn 85 độ.

2

~ Tua bin xung kích há lẫn uabin Banki): Dang tia hai lẫn chây qua khe 2 lá cánh

của bánh công tác

Trong các hệ tua bin xung kích ké rên ngày nay trong công nghiệp thường dùng

twa bin go, còn tua bin xung kích ha lẫn đồng rt it

Phân loại tuabin hướng trục theo kết cầu trục đứng hoặc ngang hoặc = Tuabin kiểu trục đứng buỗng xoắn: Hỗ, trỏ, vung, v.V

+ Tuabin kiểu trục ngang cột nước cực thi

(tuabin bóng đèn) [7].

Phân loại tuabin hướng trục theo công suất [7]

„ kiểu chữ S, tuabin dòng chảy thing

= Cong suất từ hàng chục đến hàng trăm MW: Thường là tuabin hướng trục trục

đứng, cảnh quay, đường kính bánh công tác DI lồn và số vòng quay a thấp.

= Công suắt nhỏ từ 1 MW + 30MW, cột áp thấp H = 10m + 40m, Loại này thường được sử dung cho tuabin hướng trục trục đứng, cánh cô định hoặc cánh quay và

số vòng quay thấp, trung bình

= Đối với công suất nhỏ < 30MW cột áp cực thấp H < 10m Loại này thường sử

dụng tuabin hưởng trục trục ngan — kiéu chữ S hoặc tuabin dng chảy thing(uabin capsule)

+ Đối với công suất cực nhỏ: N < 200KW Loại này thường sử dụng tuabin hướng

trực trục đứng, cánh cổ định van rung bình,

Tuabin có các thông số cơ bản như sau:

H— Cột nước làm việc, đơn vị m

'Q~ Lưu lượng qua tuabin, đơn vị mẺ/s.

IN Công suit rn trụ tua bi, đơn vị KW,

— Số vòng quay, đơn vị vòng/phút.

ng TY ốc

Dị ~ Đường kính bánh xe công tác, đơn vị m.

”

Hình 1.1 Sơ đồ làm việc của trạm thủy điện chúng ta có thé xây dựng lên sơ đỗ khối quả trình lưu chuyển của đồng nước từ cũa vào ở thượng lưu đến kênh xả ở hạ lưu.

‘Nese ‘Cra vào Budog

‘Ha lưukênh xã ống xả

công tác

Hình 1.2 Sơ đồ kh

11-4 Kết cấu và vật liệu lầm BCT

Chúng ta có một số loại bánh công te điền hình như sau

"Hình 1.3 Các loại bánh công tie tuabin tiêu biểu

25

Tay thuộc vào kích thước, độ phức tạp bánh công tác, công nghệ chế tạo =>

"bánh công tác sẽ đúc iễn lá cánh với baw hay chế tạ riêng lá cánh sau hàn với bầu khi

đồ cách nghiên cứu lựa chọn vật liệu có thé là giống hay khác nhau,

Đối với tuabin hudng trục cánh cổ định, Bánh công tác D > 1.0m thông thường,

bu cánh và các lá cánh được chễ tạo riêng rẽ, kĩ sư thiết kế công nghệ chễ tạ tính oán thết kế công nghệ và lượng dư để sau hàn các lá cảnh với bầu cảnh dim bảo kỹ thuật & không có khuyết tật ving hàn ghép,

cảnh vi các li cánh được chế ạo bằng phương pháp di rồi iêng biệt su

đá tiến hành gia công từng phin xác định các nguyên công tinh thô dé lại lượng dư sau

khi tổ hợp cũng yêu cầu kỹ thuật rit cao ĐỂ đảm bảo các yêu cầu làm việc, vật liệuchế tạo lá cánh phải déo dai chịu được mai mòn thường là các loại thép đúc không gi

độ bền cao (phối trộn Cr và Ni hoặc Mo, thành phan Cr từ 10,5% khối lượng trở lên

rộng ri nhất Các loại thp trên thuộc nhm thép không gi họ mactomit,thép cổ độ bên, độ déo dai tương đối cao, khả năng chống ăn mòn tốt, đặc biệt là tính đúc và tính.

han rất tốt.[12,LI,13]

“Thành phần hóa học và các đặc tính cơ học của các loại thép trên được dẫn

trong các bảng 1.2 và bảng 1 3:

Bảng 1.2 Thành phần hóa học của một số loại thép không gi độ bền cao sử dung trong

chế tạo bet tuabin hướng trục [7]

“Thành phin các nguyên tô (%)

Bang 1.3 Cơ tính của các loại thép ở bảng trên [7]

Mácbép | Ot banchiy T ĐêĐễnKếo TDG gin ani [DO cing

1.2- Tuabin nước hướng trục với bánh công tác cánh cổ định

Goi là turbine hướng trục vì huớng chảy của dòng nude trong phạm vi bánh

công tác theo huớng trục quay của turbine Ở những tài liệu khác nhau có thể cách gọi

là tuabin hướng trục cánh cổ định, tuabin chong chóng, tuabin cánh quạt cũng đều nói

về loại tuabin hướng trục mà bánh công tác có các lá cánh gắn cổ định với bau Bánh.

sông tie ding tuabin này luôn luôn làm việc ngập chim trong nước, nên luôn chịu tácdụng bởi môi trường nước.

[Nae từ buồng xoắn chảy qua cột trụ ving bệ vào cảnh hướng nước (sắp xếp

cùng chiều) đổi hướng và chảy vào vùng bánh công tác truyền năng lượng lên các lá

cánh làm quay trục sau đó ra khỏi cánh của BCT theo chiều đọc trục va theo ống xa về

hạ lưu nhà máy (anh bên dưới mô phòng làm việc diễn hình của một tuabin hưởng true

trục đứng) [9]

mr

Tuabin hướng trục được sử dụng cho cột nước thấp (3-5) m đến (35-40) m cũng cổ nơi sử dung cho cột nước đến (60-70) m Hướng chảy dng nước trong phạm vi

"bánh công tác theo hướng trục trục quay của tuabin Tuabin hướng trục gdm hai loại

“Cảnh quatichong chóng (cánh cổ định) và cánh quay (Kaplan), Phạm vi luận văn này

tác giả luận van di tim hiểu, nghiên cứu về loại cánh cổ định.

Về cấu tạo gồm có: Bau cánh, các lá cánh, chóp cánh thoát nước Bầu bánh

công tác có 2 phần; phần trụ tròn để các lá cánh gắn vào, chóp cánh thoát nước (phần

chép cầu hoặc chóp nón), phần chóp nón có thé gắn liên cùng phần trụ hoặc là lấp

ghếp từ

tác thuận dong hơn, vận tốc giảm din va tan dụng năng lượng dư thừa côn lại

phần Chóp thoát nước có tác dụng kim cho nước chảy khỏi khỏi bánh công

Hình 1.6 Bánh công tác tuabin hướng trục cánh cổ định

my en ge)

Hình 1.7 Bánh công tác tuabin hướng trục cánh quay

”

Khi làm việc, cánh BCT tuabin hưởng trục ở trong chất lỏng có áp chịu tác

đụng áp lực nước Khắc với cảnh BCT tuabin tim trục, ở diy các lá cánh không có

cùng liên kết với vành dưới nên nó chịu lực của kiểu dim conson, tại nơi tiếp giáp lá

sánh với bầu chịu mô men tốn lớn nhất Để thích ứng với điều kiện đó, it diện của lí cánh ting din từ ngoài vào trong Thực tế người ta đã đo được áp lực nước tắc dụng lên một cánh BCT tuabin cánh quay có thé đạt tới 240T (tắn).

1.3- Các bài toán về thiết kế bánh công tác tuabin hướng trục

Trong thực tế nghiễn cứu vả thiết kế bánh công tác tuabin thường phân ra hai

bài toán thuận và nghịch như lý thuyết cánh máy thủy lực.

Bai toán thuận thường nghiên cứu một số vẫn để sa

~ Trên cơ sở đã có các thông số kích thước dãy cánh, hình dạng day cánh, đi xác định sự tao đổi năng lượng của dãy cảnh và đồng chit lng để xem xết sự phủ hợp của các

thông số tính toán ban đầu cột áp H, lưu lượng dòng chảy Q và nhận được kết quà

sông suit N trong qué trình biến đổi năng lượng

~ Xác định chất lượng day cánh tim phân bổ vận ốc để tỉnh tổn tt, tìm phan bổ áp

suất để đánh giá sự xâm thực

‘Tink lye, nh sức bền lá cánh bảnh công tác.

Bai toán nghịch thường di nghiên cứu vẫn để sau

“Xác định kích thước của diy cánh, hình dạng profin của dãy cánh để thỏa mãn về

mặt thủy động

Hiện nay để giải bài oán nghịch trong thiết kế cánh tuabin (hủy lực có thé dùng nhiều phương pháp từ đơn giản đến phức tap Việc tính toán trong bài toán nghịch thường được đơn gián hóa, chưa có được các công thức tính toán đầy đủ và các công thức tính là chưa cổ cơ sở khoa học vững vàng, còn dựa nhiều vào kiểm nghiệm bằng

thực nghiệm,

theo hai

"Thiết kế bánh công tác tuabin hướng trục cũng ải toán thuận và bàitoán nghịch như trên và người ta có thể ding bài toán thuận để đánh gi, phân íchkiếm tr lạ bài oán nghịch [1]

Bánh công tc à chi tết quay trong nước phức tap, hình dang và kich thước của

BCT cũng phức tạp Việc tính toán chính xác kích thước của BCT sẽ làm tăng rõ rệt

30

hiệu suất của tua bin Với mỗi loại tuabin khác nhau BCT có hình dang đặc thù riêng.

nên bảnh công tic cũng được thiết kể có những điểm khắc nhau.

Đối với tuabin hướng trục cũng có nhiều phương pháp thiết kế BCT cho tuabin.

ướng trục nhưng có 3 phương pháp thường được sử dụng để tính toán thiết kể cánhbánh công túc (BCT) như sau [1]

1 Phương pháp lực nâng.

2 Phương pháp phân bổ xoáy

3 Phương pháp phân bé xoáy ~ nguồn.

CCả 3 phương pháp này dựa trên giả thiết về đồng chảy trong bánh công tá tuabin là

Dang chây qua tuabip là dong chất lông lý tường, không nền được.

= Dòng chảy qua bánh công tác gồm các lớp tương ứng vớije mặt dong, không xétlẾn sự qua lại giữa các mặt dòng với nhau, dng chảy, chảy theo mặt trụ có trục cùngvới true quay tuabin, đồng chảy có hướng song song với trục tuabin.

Bén cạnh 3 phương pháp thưởng ding trên cỏn có phương pháp biến hình bảo.

giác rất phức tạp về toán học và chất lượng cánh thiết kế không cao nên ít được sử

cdụng so với 3 phương pháp trên.

1-4- Lựa chọn phương pháp thiết kế profil cánh bánh công tác

1.4.1 Phương pháp lực nâng

Là phương pháp don giản dựa trên những biên dạng đã được nghiên cứu thực.nghiệm đưa ra cá số tay tra cứu của các cơ sở nghiên cứu BHM, NACA, MYHK,

v.v Từ các thông số đã chọn tuabin xác định hệ số tue nânga diy cánh, Chọn

profil đơn và gốc tới sao cho dat hệ số lực năng lớn nhất, tu điềm là thiết kế nhanh và

nếu có kinh nghệm thiết kế thi chất lượng tương đối tốt nhược điểm của nó là việc sử

dụng hệ số K của diy cánh tắm phẳng không th tính đến sự ảnh hưởng của độ võng

và chiễu diy của profil [4]

1.42 Phương pháp phân bố xoáy

Là phương pháp dùng đến toán để giải bài toán ngược cho profil đơn Két quả

xây dựng profil đơn có thé được dùng cho đấy cánh Ở bài toán thuận khảo sắt một sé

profil đơn giản như tắm phẳng ming vô cùng và rt ra kết luận đồng chảy bao quanh

3

tắm phẳng mỏng vô cùng có thể thay thể bing day cánh bao lớp xoáy phân bổ theo

quy luật phân bé xoáy y(S) nào dé đã xác định Bai toán ngược sẽ có nội dung: cho

trước đồng song song và quy luật phân bổ xoáy 7S, edn xác biên dang profil Quy luật

phân bỗ xoáy có thé biểu diễn đưới dạng chuỗi với hệ số Ao, AI, A2 Các hệ số này

được xác định theo các công thức cóquan tới cột áp H, lực nâng Py và các thông,

số của dãy cánh đã cho trước, Tông các đường cong khép kin đó chính là profil mỏng vô cùng ta cần thiết kế, ưu điểm là dựa trên cơ sở lý thuyết cơ học chất long và đã được nghiên cứu kỳ bằng bài toán thuận, kết quả của tuabin thiết ké cũng đạt yêu cầu.

1-43 Phương pháp phân b xoáy ~ nguồn

Được sử đụng để xây dưng profil cánh có độ dày hầu hạn Muốn vậy ban đầu

chúng ta dũng phương pháp phân bố xoấy y(S) để tạo ra độ dày của profil Phương

pháp này còn gọi là phương pháp Lêxôkhin ở đây tổng các đường dong song song.

xoáy, nguồn và tự tạo nên một đường cong khép kín, chỉnh là profil o6 độ dày hữu hạn mà ta cần tìm [4] [6].

xoáy ~ nguẫn

Quy trình thiết kể bảnh công tác theo phưởng pháp phân.

“Trước khi di vào tính toán thiết ké cánh bánh công tác cho tuabin hướng trục, ta

tiến hành chọn các thông số thủy lực và biên dạng phần dẫn dòng cho tuabin mô hình.

theo các bước sau

= Chon các thông số Dị, n và biên dạng phần dẫn đồng:

Với các thông số kỹ thuật cho trước như cột nước: Hua, Hơn, Hua Công suất thiết kế Ning, hiệu suất lớn nhất từ đỏ ta tiền hành lựa chọn mô hình

tuabin dựa theo các đặc tinh và từ đó xác định Dy, n.

~ Chon độ mau day cánh t số Vi tại ác ti diện cánh bánh công tác

Sau khi chọn được mô hình tính toán, tỷ số Vt phải lấy tuân theo quy luật của model đã chọn Tỉ số này nó có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng vé khả

năng xâm thực của cánh bánh công tác.

+ Chọn tỉsố bau đ/Dị

3

Ti số bau ảnh hưởng đến khả năng thoát lưu lượng và hệ số xâm thực õ Người ta đã rút ra quan bg của ba thông số này qua biểu thức

Tỉ số bầu bị ảnh hướng bởi điều kiện kết ấn, sao cho bổ trí được các chuôi

cánh và hệ thing thanh truyền điều khiển sự quay cánh bánh công tác

"Ngoài ra còn có các thông số hình học khác nhuc: Số cánh bánh công tác Z,

«49 dày lớn nhất của các profile cánh va quy luật độ day cho từng tiết điện Chọn quy luật phân bổ mô men vận tắc Cur = fir) và thành phần vận tắc

hướng trục C: = flr)

“Thông thưởng người ta giả thiết đồng chảy trong vùng cánh bánh công táccủa tuabin hướng trục là dòng cahyr theo mặt trụ đối xứng qua trục quay của

tuabin, Trong thiết kế người ta thưởng chọn quy luaath này như sau

Chọn điều kiện ở phần ra của bánh công tác

Sau khi chọn được các thông số cơ bin trên, chúng ta sẽ tiền hành tính toán thit

kế profile cánh bánh công tác theo phương pháp xoáynguồn ứng với các bược sauBước Ì: Tinh toán và xáy dung đường nhân của profile các tiết điện ứng với các"ánh kính khác nha

Bước 2: Dip độ dày cho các profile cánh bánh công tác.

Bước 3: Xâu các profile cánh bánh công tác lại thành bánh công tác hoàn chỉnh.

3

Kết luận chương 1

Học viên đã giới thiệu tổng quit vétuabin nước của nhà máy thủy điện, các loại

tuabin nước khác nhau, cách phân loại tuabin nước hiện nay, các thông số cơ bản của

twabin nước Bánh công te là bộ phận quan trọng của tuabin quyết định đến việc dẫn

động máy phát điện, ở nội dung trên cũng đã giới thiệu thêm về vật liệu lim bánh công

tức, các bài toán về thiết kế inh công tác tusbin hướng ve

Bánh công tác là bộ phận chủ yêu của tuabin, tuabin lạ là thiết bi chủ yếu của trạm thủy điện, khi tuabin hợp với máy phát điện (ngoài ra còn thêm thiết bị phụ hỗ trợ

khác) ta được một tổ máy phát điện thủy lực.

Cong tác thiết kế phục hồi bánh công tác tuabin bin hư hồng là một dang của

là cảnh Từ kíchinh sau đó là

bài toán thiết kế ngược, dựng biên dạng một lá

thước biên dang lí cánh đã hư hông, âm cơ sử thất ại bánh cổng tác thực (hiết kể

bánh công tác theo phương pháp phân bố xoáy nguồn), thu nhỏ thành mô hình để mô phỏng thử nghiệm đánh giá hiệu chinh tiết kế, quả rin được ập lại nhiề lần với các mô hình khác nhau, iến hành chế tạo các mô hình & lắp đặt thử mô hình rên hệ thống thử (lun văn không đề cập đến nội dung ch ạo và lắp đặt thử nghiệm các mô hình) so sánh các kết qua thir để chọn mô hìnhtối ưu nhất, su đó quay ại với cánh thực và

CHƯƠNG 2: NGHIÊN COU THIET KE PHỤC HÒI BANH CÔNG TÁC TUABIN

2.1- Các dang hư hông (hường gặp đối với BCT

Hình 2.1 Vết nứt đường hàn sắt bầu cánh

Hình 2.3 Xam thực kết hợp mai mon làm rỗ thủng bề mặt lá cánh

35s

Hinh 2.4 Khuyết tật liệ lá cảnh và khuyết tật hàn

Bánh công tác tuabin thường bị hông do các nguyên nhân chính sau

2.1.1 Hồng do xâm thực.

Do tr vẫn tính toán thiết kế chọn vũng lim việc trên đường đặc tỉnh tổng hợp,

chưa tối ưu nhất

Do quá trinh vận hành của cán bộ vận hành nhà mây vận hành tuabin làm việc

vào ving không theo khuyén cáo lim việc của các nhà tư vấn thiết kể may thủy lực đã

chọn lựa

Hu hỏng bánh công tác do hiện tượng khi thực, khi xảy ra khí thực sẽ có tiếng

động tiếng nỗ nhỏ, bộ phận BCT có thể bị rung động mạnh, hiệu suất giảm, khả năng

thoát nước của tuabin giảm,

2.1.2 Hong do nguồn nước.

Bánh công tác của tua bin hướng trục tong quá trình làm việc chịu tác dụng

của áp lực đông nước, ma sắt của nước lẫn phủ sa lên bé mặt các lá cánh, tỉnh chit hồn

học của nước (chất lượng nước kém, hay bị 6 nhiễm — nhiều cát, vật mãi mòn,

“Có trường hop bảnh công tác bị hư hong do bánh công tác quay lồng (Số vòng

quay lớn nhất xảy ra khi cánh bướng nước bị vướng, ket, gây dẫn đến cảnh hướng

không đóng được, hoặc hệ thống điều chỉnh tuabin bị hỏng, được gọi là tốc độ quay

Tổng) với tốc độ lớn mã việc tính toán đảm bảo bén là chưa đủ.

36

2.1.3 Hồng do mỗi

Vige lấp đặt bạc đỡ, ở hướng định tim quay, hoặc cân bằng đồng tim của tre

bánh công tác khi cân chỉnh sai số lớn làm ảnh hưởng khi bánh công tác quay bi đảo

bị rung động va chạm Hoặc khi khỏi động t6 máy chưa đúng quy trình vận hành,

mảng dầu thủy lực ở bac chưa kịp hình thành,

Hong bánh công tác còn một nguyên nhân khác là mỗi sau một thời gian vận

hành do chế tạo kém, sự không đồng nhất giữa 3 vật liệu bằu cánh, lá ánh, vật iệu

"hàn, kỹ thuật công nghệ hàn > có ving bắt liên tục hay khuyết tật hàn

2.14 Hãng bánh công tác bởi nguyên nhân khác

“Trường hợp bit khả kháng do thiên ti, lũ lụt cồng lâm hư hing nhà máyhay tổ máy phát điện trong đó có thể bánh công tá tuabin cũng hư hỏng theo.

Cie vẫn đề được nêu ở trên sẽ làm cho lá cánh bánh công tác bị rỗ cụ bộ, bị ănmôn, bị mãi min bề mặt, bị mài mòn đường kinh Di, bị nút, hoặc lá cánh bánh côngtắc cong vênh, gầy hong

2.2 Phát hiện nguyên nhân, đánh giá các hư hỏng của BCT tuabin hướng trục

Hình 2.5 Xuất hiện vũng bạt khi ở bề mặt lá cảnh

~ Rỗ bề mặt do ảnh hưởng của hiện tượng xâm thực — khí thực vùng kim việc

của bánh công tác Một trong những nguyên nhân chính để xuất hiện khí thực là mach

động mạnh của áp động lực ở những vị tri dong chảy tại những vùng có chân không.

xuất hiện, trong một khu vục nào đồ cia đồng chảy, dp lục hte giảm xuống đến áp lực hóa hơi (Py) thì tại đó nuớc sẽ bốc hơi và hình thảnh các bọt khí, trong đó chứa day

không khí và hot nuốc Các bọt đó bi cuỗn vio ving có ấp lực cao hơn áp lực hóa hơi.

ở đồ hơi nude bị ngung tụ đột ngột với th tích bé hơn rất nhiễu lần so với thé ích cũa

”

bạt vậy các phần tir nude ở xung quanh lập tức trin vào lắp chỗ trồng với vận tốc cực lớn (nước va) Tại trung tâm cia các bọt khí, các phần tử đồ gặp nhau và đột ngột dimg lại, làm áp lực đột biển tăng lên đến hàng trim át mốt phe, bàng nghìn át mốt phe Sau đó, vì va chạm mạnh ở trung tâm các bot khí, các phin tử đó lại bắn trở 1a Lim cho áp lực ở trung tâm bọt khí cũ lại giảm xuống Như vậy, áp lực tai điểm đó

lại bị dao động theo thời gian và bị công hưởng và kh đó áp lực có thể đạt đến một trị

Tớn: hàng nghìn at mốt phe, Nếu các bọt khí xuất hiện gần bé mặt kim loại và mặt bê tông tiếp xúc với dòng nước thi sẽ làm phá hoại các bề mặt đó như bị các viên dan sắc nhọn bắn vào Ngoài ra khi có khí thực còn thấy xuất hiện hiện tuợng điện

phân do chênh lệch nhiệt độ và các phản ứng hóa học làm cho kim loại nhanh chóng bị

oxy hóa, bởi éxy cổ rit nhiễu trong các bot khi Một trong các giải phip của hiện

tượng này là các nhà tư vẫn phải chọn được cao tình đặt mây chính xác, vi chọn vật

liệu làm bánh công tác déo dai và bên bị.

Hình 2.6 Phá hủy do an mòn hóa kết hợp xâm thực

~ Ăn mòn hóa học, mài mòn cơ học, xâm thực bề mặt lá cánh do nước bị ô nhiễm năng thiện tượng phá rừng phía thượng nguồn, do trong nước có kèm phủ s nhi, do nước có lẫn tạp chất (cát, đá, cây, rác, ) trong thực té dong chảy trên sông suối luôn có lẫn các tạp chất (hat phủ sa, hạt khoáng, bạt cất, lơ lừng trong nước ) Các hạt này theo dòng chay vào buồng xoắn tăng dan tốc độ chuyển động và qua buồng bánh công t xâm thực, theo thời gian mai mòn Lim tổn hao bề mặt

sắc há cánh, mép cánh, Sự mài môn của các chỉ tết còn được biễu diễn dưới dạng hàm,

tác gây mài mòn, ăn mòn,

số phụ thuộc vào: Mật độ các hạt có trong nước, vận tốc dòng chảy tại vị trí tinh toán,

38

thời gian làm việc của tuabin, hệ số chịu mài môn của vật ligu, đường kính bánh công

tác [1] Cơ sỡ trên là một trong các li do xác định thời gian bảo dưỡng thay thé phục

hồi bánh công tác đã làm việc lâu năm.

~ Gay lá cánh, dan nứt lá cánh, dan nứt đường hin do áp lực nước (lực dọc trụ) đề

lên lá cánh bánh công tác như kiểu lực côn xôn, do tổ chức vật liệu vùng hàn không đồng đều

Lực đọc trục phụ thuộc vào cột nước, chủng loại và kích thước của bánh xe công.

túc, độ mở của cánh hướng nước Bởi thể, tị số chính xác của lực doc trục có thể xác định được bằng phương pháp cơ học chất long hoặc bằng phương pháp thí nghiệm.

“Trong tính toán sơ bộ, lực dọc trục thường được xác định theo công thứ P=kTDỈH,„ [Tấn] en Odiy, Di - Đườngkính bảnh xe công tác

Hows - Cột nước lớn nhất (m).

k——_ -Hệ số thực nghiệm

Đồng chay qua bánh công tác tuabin hướng trục là đồng liên tục, áp lực tại mép vào

lá cánh lớn hơn tại mép ra Khe dẫn nước về ống xã giữa 2 lá cánh liễn nhau sẽ giống như dong chảy trong bình cong, áp lực đồng chảy lên lá cánh cũng bằng phản lực của 1á cánh lên dong chảy nhưng theo hướng ngược nhau Ap lực của đồng chảy tác dụng lên cảnh bánh công tác do vận tốc khe dẫn (giữa 2 lá cánh) luôn thay đổi về hướng va

trị số, khi giá trị này lớn hơn nội lực (vật liệu, độ đầy, ) lá cánh có thể gay dan nútgãy lá cánh bánh công tác.

39

~ Gay, vỡ mảnh hoặc cong vênh lá cảnh do bj kẹt vật thể lạ (đá, sỏi) khi chuyển.

động quay của bánh công tic va vào thành buồng tuabin, Ding nước bắt đầu chuyển

động từ cửa lắy nước dẫn vào khu vực làm việc bánh công tác đôi khi bị lẫn vật thể lạ (do lưới chin rắc hỏng, con người tác động, cuỗn theo trên đường dẫn tổn xốt ở giải đoạn thi công ban đầu) xen lẫn vào khe hờ giữa các lá cánh và thành buồng có thể gây

vỡ mảnh, cong vênh, mai mòn cục bộ khi nó chuyển động qua khu vực làm việc của.

bánh công tác

~ Quá trình gia công han lá cánh với bau cánh còn dur ứng suất, vùng bắt liên tục.

mỗi hin phat tiển khi bánh công tic lâm cũng có thể gây nguy hại cho lá

trong quả trình làm vige dẫn đến vết nứt xảy ra ở ví tí tiếp xúc lá cánh và bầu cánh

~ Môn đường kính ngoài bánh công tác Dị nguyên nhân do khi một phần dng nước

chuyển động qua khe hở giữa phần động vi tinh có lin tạp chit sẽ làm mài môn dẫn

mép cánh, đồng thời do 6 bạc, 6 đỡ không còn giữ được chức năng định tâm quay, Sau một thời gian di lâm việc các bạc bbï đầu thay lực, 6 đỡ hướng bait đầu thủy lục bị mài mòn lớp bạc babit, mắt màng dầu là bình thưởng, tuy nhiên nó có thể ảnh

bưởng đến khe hở đường kính Di của BCT do các 6 bị mai môn Kim sai lệch tâm quaygây ra mài min kính thước này của BCT do tác động ma sát với buồng tuabin

~ Đôi khi hiện xâm thực, nứt, ăn mòn lại kết hợp cũng nhau xảy ra trên lá cánh

bảnh công tác tuabin, dẫn đến hư hỏng lá cánh.

Khi nắm bắt được các nguyên nhân và lí do hư hong bánh công tác là cơ sở vận

"hành quan lí sau khi đã phục hỗi bảo đưỡng lại.

2s Xây dựng qui trình phục hồi BCT hư hồng.

Banh công tác tuabin là một chỉ tiết máy của máy thủy lực khi làm việc không.

tránh được hư hing và cin được phục hồi sửa chữa, điểm khác biệt là bánh công tác

tuabin thường xuyên làm việc trong điều kiện chịu áp lực nước, chịu ma sắt với nước,

đồng nước truce khi đi vào khu vục bánh công tác thì vận tốc tăng din đều the tị

diện hẹp din đều của buồng xoắn dạng xoắn ốc, sau đó đổi hướng theo hướng dọc trục

với trục tabin, hic này trong vũng áp suất vũng bảnh công tác biển đổi phức tap để bị

xâm thực, như vậy sẽ không tránh khỏi bị mai môn, hao mòn kích thước, rổ bé mặt,

trầy xước bể mặt, nứt gay, các vết nứt rỗ dù nhỏ không làm hư hỏng ngay bánh công

40