Báo cáo tổng kết chuyên đề: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thử nghiệm tua bin xung kích 2 lần kiểu cink pptx

bộ nông nghiệp và phát triển nông thôn viện khoa học thủy lợi báo cáo tổng kết chuyên đề nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thử nghiệm tua bin xung kích 2 lần kiểu Cink thuộc đề tài kc 07.

bộ nông nghiệp và phát triển nông thôn

viện khoa học thủy lợi

báo cáo tổng kết chuyên đề

nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thử nghiệm tua bin

xung kích 2 lần kiểu Cink

thuộc đề tài kc 07.04:

“nghiên cứu, lựa chọn công nghệ và thiết bị để khai thác và

sử dụng các loại năng lượng tái tạo trong chế biến nông, lâm, thủy sản, sinh hoạt nông thôn và bảo vệ môi trường”

Mục lục

Trang

1.3 Những ưu điểm và nhược điểm của tua bin XK2L trong thuỷ

Chương III tổng quan nghiên cứu lý thuyết tua bin XK2L

và XK2L kiểu CINK

26

3.1.2 Chuyển động của dòng chảy qua BCT: 27

3.2 Mở rộng nghiên cứu lý thuyết cơ bản tua bin XK2L 36

3.2.3 Bề rộng đĩa cánh và góc ở tâm đĩa cánh 40

3.2.5 Mở rộng lý thuyết dòng chảy tuyệt đối qua tua bin XK2L. 45

4.1.1 Vòi phun và cơ cấu điều chỉnh lưu lượng 50

4.1.2 So sánh kết cấu cánh hướng của tua bin XK2L kiểu 54

4.1.4 ống hút 58

4.2 Giới thiêu chương trình tính toán tua bin XK2L 59

4.3.2 Lựa chọn kích thước, thông số cơ sở tua bin mô hình 63

4.3.3 Tính toán các thông số cơ bản của tua bin mô hình 63

4.6 Xây dựng đặc tính tổng hợp chính của tua bin mô hình 80

Mở đầu

Nước ta có một nguồn thuỷ năng vô cùng phong phú Với khoảng 3/4 diện tích lãnh thổ là đồi núi, địa hình cao, bị chia cắt mạnh cùng với lượng mưa trung bình năm khoảng 1960mm, với mạng lưới sông suối khá dày đặc và nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa đã tạo ra một nguồn tài nguyên quý báu để phát triển thuỷ điện

Theo một số kết quả nghiên cứu của các đề tài cho thấy trữ năng lý thuyết của thuỷ điện Việt nam thống kê trên 2864 sông suối có chiều dài L≥10km vào khoảng 271.000GWh/năm đến 318GWh/năm và trữ năng lý thuyết của thuỷ điện Việt nam khoảng trên 300.000GWh/năm với công suất lắp máy trên 34.000MW

Trong những năm gần đây và hiện nay, thế giới và các tổ chức quốc tế như Ngân hàng thế giới (WB), Ngân hàng châu á (ADB(, Quỹ năng lượng Nhật bản (NEF)

…đang quan tâm tới việc khai thác và phát triển các công nghệ về năng lượng tái tạo

mà trong đó phát triển thuỷ điện nhỏ đang là một mục tiêu quan tâm hàng đầu Đây là một giải pháp hiệu quả và bền vững, không chỉ góp phần phát triển kinh tế xã hội vùng sâu, vùng xa mà còn góp phần bảo vệ bền vững môi trường Hiện nay, với nhu cầu về tiêu dùng điện ngày càng tăng, ước tính khoảng 15%/năm, thì thuỷ điện nhỏ lại càng

đóng vai trò quan trọng hơn trong việc góp phần phát triển nguồn điện năng cho đất nước Với tình hình đầu tư thuỷ điện trong nước hiện nay thì việc đầu tư cho thuỷ điện nhỏ cũng sẽ có nhiều thuận lợi do quy mô vốn đầu tư phù hợp, có thể khuyến khích các thành phần kinh tế khác và người dân đầu tư

Thuỷ điện nhỏ đã được phát triển mạnh ở Việt nam từ những năm 80 trở lại đây Nhiều cơ quan đơn vị, nhà máy đã tiến hành nghiên cứu, chế tạo thiết bị cho thuỷ điện nhỏ Hàng trăm tổ máy thuỷ điện với tổng công suất tới hàng ngàn kW đã được chế tạo

và lắp đặt, góp phần phát triển kinh tế-xã hội, xoá đói giảm nghèo cho đồng bào vùng sâu, vùng xa Tuy nhiên, do công tác nghiên cứu, chế tạo còn nhiều hạn chế nên chất lượng thiết bị còn chưa bảo đảm yêu cầu, hiệu suất thấp, vận hành không ổn định, tuổi thọ kém Trong những năm gần đây, do khoa học công nghệ phát triển nên chất lượng thiết bị đã được cải thiện nhiều

Tua bin xung kích 2 lần (XK2L) là một loại tua bin rất phù hợp với thuỷ điện nhỏ và đã được thiết kế, chế tạo và đưa vào vận hành ở Việt nam từ 1967, với công suất

từ 5-60kW Đây là loại tua bin có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, quản lý vận hành và phù hợp với điều kiện và trình độ người dân ở miền núi Tuy nhiên, với tình trạng chung ở giai đoạn trước nên cũng không tồn tại được lâu

Nhận thấy những ưu điểm nổi bật của loại tua bin này, từ năm 1992 Trung tâm thuỷ điện - Viện khoa học thuỷ lợi đã đã tập trung nghiên cứu, chế tạo và lắp đặt khoảng hơn 100 trạm thuỷ điện với công suất từ 5kW đến 200 kW ở các tỉnh miền núi Kết quả thực tế cho thấy rằng các tua bin đều làm việc ổn định, độ bền khá cao và phát huy rất hiệu quả vào mục tiêu phục vụ sản xuất và sinh hoạt cho người dân ở miền núi Trung tâm cũng không ngừng nghiên cứu hoàn thiện lý thuyết, kết cấu, kiểu dáng và quy trình công nghệ chế tạo để nânng cao chất lượng của tua bin XK2L Trong đó, việc nghiên cứu nâng cao hiệu suất và mở rộng phạm vi hoạt động cho loại tua bin này là một trong những mục tiêu cần nghiên cứu giải quyết

Để giải quyết mục tiêu đó, nhóm nghiên cứu trong đề tài đã tập trung ngiên cứu những nội dung chính như sau:

1 Phân tích và đánh giá phạm vi sử dụng tua bin XK2L;

2 Nghiên cứu lý thuyết tua bin xung kích và tua bin XK2L kiểu CINK;

3 Nghiên cứu, thiết kế tua bin XK2L kiểu CINK;

4 Xây dựng và hoàn thiện phần mềm tính toán, thiết kế tua bin XK2L;

5 Nghiên cứu thực nghiệm và xây dựng đặc tính năng lượng của tua bin XK2L kiểu CINK;

6 Đánh giá kết quả nghiên cứu thực nghiệm và kiến nghị

Chương I tổng quan và phạm vi ứng dụng Tua bin XK2L

1.1 Tua bin xung kích 2 lần (XK2L) và quá trình phát triển

Tua bin XK2L (Cross - Flow Turbine) do một kỹ sư người úc là

A.G.M.Michele phát minh vào năm 1903 Sau đó, một giáo sư người Hungary là Donat Banky đã xây dựng cơ sở lý thuyết tương đối hoàn chỉnh vào năm 1916 - 1919,

do vậy tua bin XK2L còn được gọi là Tua bin Banky Năm 1922, kỹ sư người Đức là K.L.Ossberger đã nghiên cứu, hoàn thiện và sản xuất rộng rãi loại tua bin này Hãng Ossberger đã đưa ra thị trường hơn 5000 tổ máy XK2L với công suất từ 1 - 1000KW Gần đây, năm 1993 -1994, giáo sư Nadim M.Aziz và nhiều giáo sư khác của trường

Đại học CLEMSON (Mỹ) vẫn tiếp tục nghiên cứu lý thuyết và bằng thực nghiệm loại tua bin này và đưa ra nhiều kết quả nghiên cứu mới và các kết quả thực nghiệm hết sức quan trọng

Hình 1 Tua bin XK2L

Tua bin XK2L là loại tua bin kiểu xung kích, sử dụng thành phần năng lượng là

động năng của dòng chảy để chuyển hóa thành cơ năng trên trục quay của tua bin

Dòng chảy sau khi qua vòi phun của tua bin sẽ chảy vào bánh công tác (BCT), tác dụng lên BCT 2 lần và truyền toàn bộ năng lượng cho BCT Do vậy mà tua bin này

được gọi là Tua bin XK2L

ở Việt Nam loại tua bin này đãđược chế tạo từ năm 1967 với công suất từ từng

tổ máy từ 5KW đến 60KW Tuy nhiên, do công tác nghiên cứu, thiết kế và chế tạo loại tua bin này không được chú trọng nên trên thực tế cho thấy loại tua bin này hoạt động với hiệu suất thấp và tuổi thọ thấp, ít được sử dụng trong thực tế Thay thế vào đó, các

tổ máy hướng trục và tâm trục được khuyến khích chế tạo và sử dụng Ví dụ, các tổ máy theo mẫu GANZ của Hungari với cột nước H = 10-20m, công suất N ≈ 20KW

được sản xuất hàng loạt tại Nhà máy Công cụ số I, hoặc các tổ máy theo mẫu HL 360 - WG-30, 42 (tua bin tâm trục kiểu buồng chính diện) là những tổ máy có kích thước lớn, khó chế tạo và giá thành cao

Từ những năm 1980, những thông tin về tua bin XK2L do một số hãng của Nhật, Đức, CH Séc, Trung Quốc, Mỹ giới thiệu đã được các cán bộ khoa học của Trung tâm thuỷ điện (TTTĐ), Viện khoa học thuỷ lợi đặc biệt quan tâm Nhận thấy đây

là loại tua bin rất thích hợp cho thuỷ điện nhỏ nhưng chưa có cơ quan nào quan tâm nghiên cứu và chế tạo loại thiết bị này, TTTĐ đã tiến hành tập hợp các tài liệu nghiên cứu lý thuyết, tiến hành thực nghiệm và chế tạo thử Các tổ máy XK2L sau khi chế tạo, lắp đặt và vận hành ở các trạm thuỷ điện đã khẳng định được kết quả nghiên cứu và tính toán lý thuyết và công nghệ chế tạo loại tua bin này Phần nghiên cứu tính toán lý thuyết, phần dẫn dòng và biên dạng cánh BCT đã được đưa vào nghiên cứu trong một

đề tài KHCN cấp Nhà nước và một số kết quả nghiên cứu đã được nghiệm thu

1.2 Phạm vi sử dụng của tua bin XK2L:

Hình 2 Biểu đồ sử dụng tua bin XK2L của hãng Meiden (Nhật bản)

Hình 3 Biểu đồ sử dụng tua bin XK2L của Công ty KUBOTA (Nhật bản)

Hình 4 Biểu đồ sử dụng tua bin XK2L của Ossberger Corp (Đức)

Hình 5 Biểu đồ sử dụng tua bin XK2L của Hitachi Corp (Nhật Bản)

Hình 6 Biểu đồ sử dụng tua bin XK2L của Fuji Electric Corp (Nhật Bản)

Hình7 Biểu đồ sử dụng tua bin XK2L của Linhai Corp (Trung Quốc)

1.3 Những −u điểm và nh−ợc điểm của tua bin XK2L trong thuỷ điện nhỏ và cực nhỏ

Trong những năm gần đây, tua bin XK2L đ−ợc sử dụng ngày càng rộng rãi cho các trạm thuỷ điện nhỏ với phạm vi sử dụng:

dụ nh− tua bin tâm trục (Francis) nh−ng bù lại là phạm vi của vùng hiệu suất cao rất rộng, do vậy mà điện l−ợng thu đ−ợc của tua bin XK2L cao hơn so với tua bin tâm trục Các kết quả nghiên cứu gần đây nhất của hãng Entec (Thụy sĩ) cho thấy hiệu suất lớn nhất của tua bin XK2L có thể đạt ηmax = 86%, tuy hiệu suất đỉnh có thấp hơn một vài loại tua bin khác (ηmax = 87 ữ 89%) Nh−ng do phạm vi vùng hiệu suất cao rộng hơn nên tổng điện l−ợng thu đ−ợc của tua bin XK2L cao hơn so với tua bin tâm trục

Hình 8 So sánh đường hiệu suất của tua bin XK2L và tua bin tâm trục

Nhìn vào Hình 1-8 và Hình 1-9 ta thấy rằng tua bin tâm trục có hiệu suất đỉnh cao hơn tua bin XK2L, tuy nhiên vùng hiệu suất cao khá hẹp nên hiệu suất sẽ giảm rất

Hình 9 Quan hệ về điện lượng - thời gian trong năm của tua bin XK2L và

tua bin tâm trục

nhanh khi lưu lưîng gi¶m §Ó gi¶i thÝch ph¹m vi réng cña vïng hiÖu suÊt cao, xem H×nh 1-10

H×nh 10: §ưêng biÓu diÔn hiÖu suÊt cña tua bin XK2L ®ưîc x©y dùng tõ

3 ®ưêng hiÖu suÊt tư¬ng øng víi 1/3, 2/3 vµ ®Çy t¶i hay 1/3Q, 2/3Q

Theo kết cấu truyền thống và một số kết cấu mới thì hệ thống cánh hướng nước của tua bin XK2L rất đơn giản (chỉ có 1 cánh hướng), do vậy ít bị hỏng hóc so với hệ cánh hướng nhiều cánh (8 ữ 20 cánh) của các loại tua bin khác

Kết cấu vỏ chắc chắn, được định vị rất dễ dàng cho tháo lắp, sửa chữa nên cũng nâng cao độ bền của tổ máy

Với các đặc điểm đơn giản và chắc chắn trong kết cấu, tua bin XK2L có độ bền cao, đảm bảo hoạt động ổn định và lâu dài

1.3.3 Giá thành chế tạo:

Công nghệ chế tạo tua bin XK2L đơn giản hơn rất nhiều so với các loại tua bin khác

Tổng kết quá trình chế tạo cho thấy, giá thành chế tạo tua-bin XK2L bằng 50%

ữ 70% so với tua bin khác cùng công suất

Kết cấu vỏ bằng thép hàn dễ dàng cho chế tạo đơn chiếc Việc sử dụng ổ bi cho các tổ máy công suất lớn cũng làm giảm đáng kể giá thành chế tạo và lắp ráp

Với kết cấu gọn nhẹ và dễ tháo, lắp nên việc vận chuyển thuận lợi, đặc biệt cho những vùng giao thông còn khó khăn

Do cấu trúc đối xứng 2 đầu trục, nên bố trí thiết bị tốn ít diện tích và làm giảm giá thành xây dựng nhà trạm

Do lực đóng mở cánh hướng nhỏ, cũng làm giảm đáng kể giá thành của điều tốc

tự động

1.3.4 Hạn chế của tua bin XK2L

Theo cách phân loại truyền thống thì tua bin XK2L là loại tua bin xung kích tỷ

tốc thấp nên số vòng quay thấp ở những trạm có cột nước thấp phải có bộ truyền

động, do vậy làm tăng giá thành chế tạo tổ máy ở các nước công nghiệp tiên tiến, các

trạm thuỷ điện cột nước thấp dùng tua bin XK2L đều sử dụng bộ truyền bánh răng nối với máy phát tiêu chuẩn có vòng quay n = 1000-1500 v/phút

Do có nhiều ưu điểm so với các loại tua bin khác nên những năm gần đây, tua bin XK2L ngày càng được sử dụng rộng rãi cho thuỷ điện nhỏ và thuỷ điện cực nhỏ Nhìn chung, các trạm thuỷ điện nhỏ sử dụng tua bin XK2L đều vận hành ổn định và góp phần đáng kể vào việc nâng cao đời sống vật chất và tinh thần cho đồng bào các tỉnh vùng sâu, vùng xa của cả nước Hiện nay, nhiều phòng thí nghiệm và các cơ quan nghiên cứu ở một số nước vẫn tiếp tục nghiên cứu để nâng cao hiệu quả và mở rộng phạm vi sử dụng loại tua bin này

1.4 Kết luận

Qua những phân tích ở trên cho thấy rằng, tua bin XK2L là loại tua bin được sử dụng trên rất rộng rãi ở trên thế giới cho thủy điện nhỏ Với những ưu điểm về hiệu suất, kết cấu, độ bền và công nghệ chế tạo của loại tua bin này, có thể nói rằng tua bin

XK2L …rất phù hợp với điều kiện về kinh tế, trình độ công nghệ của Việt Nam ở

Việt Nam, nếu áp dụng những công nghệ chế tạo thích hợp, quản lý vận hành tốt thì tua bin XK2L sẽ phát huy được những ưu điểm nổi bật của nó đối với các dự án thủy

điện nhỏ, mà hiện nay đang được Nhà nước và các tổ chức quốc tế như WB, NEF, UNDP tổ chức thực hiện tại Việt Nam

Chương II lý thuyết tua bin xung kích

Như đã trình bày ở trên, tua bin XK2L đượ c phân loại như là một tua bin xung kích Do vậy, trước khi nghiên cứu về tua bin XK2L, chúng tôi sẽ đi vào nghiên cứu cơ

sở lý thuyết của tua bin xung kích vì đó là cơ sở lý thuyết ban đầu để xây dựng và phát triển tua bin XK2L

2.1 Cột nước, lưu lượng, công suất và hiệu suất

Công suất tua bin tỷ lệ thuận với lượng chất lỏng chảy qua nó trong một đơn vị thời gian, hiệu số tỷ năng dòng chảy trước và sau tua bin và hiệu suất của nó

Lượng chất lỏng chảy qua trong một đơn vị thời gian đo bằng lưu lượng Q l/s hoặc m3/s

Năng lượng một đơn vị trọng lượng chất lỏng (tỷ năng) ở cao trình mực nước

b b

b

g

C P

H

g

C P

g

C C P P E

E

2

2 2

Vận tốc nước chảy ở thượng lưu và hạ lưu thường không lớn và chúng không khác nhau bao nhiêu, có nghĩa là:

H

E

đường ống áp lực mà trong trường hợp tua bin phản kích cột nước cao chúng có chiều dài lớn, và tiêu hao trên các bộ phận dẫn dòng mà những bộ phận này không thuộc vào

do độ cao đặt BXCT cao hơn mực nước hạ lưu

Như vậy cột nước mà tua bin sử dụng có thể viết dưới dạng

n

H H

2g Z

C P

Tiết diện cửa vào lấy ở đoạn ống thẳng của đường ống nằm giữa van và bộ phần dẫn dòng Giả thiết lưu tốc và áp suât được phân bố đều trên toàn tiết diện này Như vậy P1, C1 là áp suất, vận tốc tại tiết diện 1, Z1 - cao trình trung tâm tiết diện 1

Nếu Q là lưu lượng chảy qua tua bin thì:

Trong đó: F1 - diện tích tiết diện 1

khoảng a1 thì:

1 1 1

a P

ra khỏi tua bin chỉ tính phần thế năng còn toàn bộ phần động năng được tính là tổn thất của tua bin Đối với tua bin phản kích tính như vậy ở mức độ nhất định chỉ là giả

định bởi vì vận tốc cửa ra ngay cả về mặt lý thuyết cũng không thể bằng không

ở các tua bin xung kích, tỷ năng dòng chảy ở cửa ra được xác định khi dòng chảy ra khỏi cánh BXCT, ở đó vận tốc tuyệt đối về lý thuyết có thể bằng không Vì vậy

2

2 1 1 2 1 1 2

1 ư = + ư + +

=

Nhưng dòng chảy ra khỏi BXCT không phải qua một điểm mà dọc theo các lá cánh của BXCT Ngoài ra cánh BXCT lại chuyển động không ngừng và các điểm ra thực tế cũng thay đổi Do đó cao độ điểm cửa ra tính toán được lấy ở một điểm trung bình nào đó: ở tua bin trục ngang lấy ở giao điểm của trục dòng phun với đường bán kính BXCT vuông góc với nó

Công suất của dòng chảy qua tua bin:

Trong đó: η - hiệu suất tua bin

Bánh xe công tác của tua bin xung kích chỉ sử dụng động năng của chất lỏng

Do đó cơ cấu hướng nước tua bin cần phải biến đổi thế năng của chất lỏng thành động

2

2

=

ở đây c - vận tốc dòng phun; ηc - hiệu suất của vòi phun

Từ đây ta có công thức Torichell về sự chẩy của chất lỏng dưới cột nước không

đổi:

c x

dù vậy, ở các tua bin XK2L và các loại tua bin phản kích khác, tiết diện dòng phun phải có dạng hình chữ nhật

2.2 Tác dụng tương hỗ giữa dòng tia và tấm bản

Tác dụng tương hỗ của dòng tia lên bản phẳng cố định vuông góc với dòng tia:

Giả thiết chất lỏng là lý tưởng, có thể coi trị số tuyệt đối của chất lỏng khi ra khỏi bản (v2) bằng trị số vận tốc tuyệt đối của vận tốc dòng tia ban đầu(v1) Dòng tia

f v g x

v x v Q g x

k x k

1

)21

(2

f - diện tích động mặt cắt ngang phun

Sự phân bố áp suất trên tấm bản theo thực nghiệm như hình 2.1:

Hình 11: Sơ đồ dòng tia chảy lan trên mặt bản cố định kích thước không giới hạn đặt vuông góc với trục dòng tia

Trong trường hợp tổng quát hơn xét bản cong có kích thước hạn chế đối xứng như sơ đồ Hình 12

Như trên ta có:

)(v1x v2x g

IIII

IIII

Hình 12: Sơ đồ dòng tia chảy lên tấm bản cong đối xứng

ở đây: v1x = v; v2x = v1x.cosβ

2 1

1 ư = ư

g

v g

v P

2 1

γ2

2

gf

f v f

h p

2

2 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 phương vuông góc dòng tia phải lớn hơn 4 lần diện tích tiết diện dòng tia Nguyên tắc lý thuyết này được sử dụng để lựa chọn kích thước của BCT tua bin xung kích

Trên đây ta đã nói đến lực tác dụng tương hỗ giữa dòng tia và tấm bản Sự tác động này sẽ đơn thuần là lực và không có sự trao đổi năng lượng nếu như tấm bản đứng yên Muốn cho tấm bản nhận được năng lượng từ dòng tia, nó phải chuyển động với vận tốc u nào đó (sơ đồ trên Hình 13)

Lúc này vận tốc của dòng tia so với tấm bản:

Hình 13: Sơ đồ dòng tia lên tấm bản cong

đang chuyển động theo trục của dòng tia

Động lượng ban đầu:

1

1 fwc g

§éng l−îng cuèi cïng lµ:

)cos(

1− =γ − − β = − − β

g

f w

u c w g

f k

k

C«ng suÊt do lùc P sinh ra:

)cos1()(

C«ng suÊt cña dßng tia:

f g

c Q g

c

Nz

2

γ 2

2 2

( 2

c

u u

c N

N

z

n th

chất lỏng này tỷ lệ với vận tốc tương đối w = c - u Nếu u càng nhỏ, lực tác dụng lên tấm bản càng lớn nhưng khi u = 0 chất lỏng sẽ không truyền năng lượng cho tấm bản nữa Muốn cho tấm bản nhận toàn bộ năng lượng 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 lượng là:

fc g

(

γ ] β cos ) ( [

γ ) β cos (

c u c fc g w

u c

Hiệu suất thủy lực:

2

) cos 1 ( ) ( 2

c

u u c

2 2

u u c

Hình 14 Sơ đồ dòng tia lên tấm bản cong

đang chuyển động dưới một góc so với trục của dòng tia

Để thoả mãn yêu cầu về điều kiện chảy vào của dòng tia, hướng của w phải trùng với tiếp tuyến của tấm bản Góc β1 biểu thị hướng của vận tốc tương

đối w1 với hướng chuyển động của bản được xác định từ tam giác vận tốc cửa vào:

1

1 1

α sin

β sin

α cos

γ

1 Q c g

Động lượng cuối theo hướng đó:

) β cos (

.

γ

2

2 Q u w g

Lực tác động lên bản theo hướng chuyển động:

) α cos 2 β

cos -

α cos (

γ ) β cos α

Q w

u c

g

Q

(2.42)

Công suất do lực P sinh ra:

γ u ( c cos α - u cos β2 c2 u2 2 c u cos α )

g

Q u P

Hiệu suất thủy lực sẽ là:

2

2 2 2 th

) α cos 2 - β

cos -

α cos (

2 η

c

u c u c u

sin α sin (

2 c u c u c

Chương III tổng quan nghiên cứu lý thuyết

tua bin XK2L và XK2L kiểu CINK 3.1 Lý thuyết dơn giản của tua bin XK2L

Lý thuyết cơ bản về tua bin xung kích 2 lần - XK2L được giáo sư người Hungary là Đonat Banky xây dựng và đưa ra vào năm 1920 Có thể nói rằng đây là lý thuyết kinh điển về loại tua bin này, và cho đến nay lý thuyết này vẫn giữ nguyên giá trị của nó Tuy nhiên qua tham khảo các tài liệu hiện có ở Việt Nam, Trung Quốc thì chưa có tài liệu nào trình bày sâu về lý thuyết của loại tua bin này Hầu hết các tài liệu chỉ dừng lại ở mức độ tính toán các thông số cơ bản, hiệu suất và cách xây dựng hình học cho bánh công tác ( BCT ) và phần dẫn dòng mà chưa nêu rõ cơ sở tính toán, thiết

kế và lựa chọn các thông số Do vậy trong phần lý thuyết cơ bản này sẽ xin trình bày rõ các lý thuyết cơ bản của tua bin XK2L

3.1.1 Mô tả tua bin XK2L

Tua bin XK2L là loại tua bin xung kích, sử dụng thành phần năng lượng là động năng của dòng chảy để chuyển hóa năng lượng đó thành cơ năng trên trục quay của tua bin

Tua bin XK2L gồm 2 bộ phận chính: Vòi phun (phần dẫn dòng) và Bánh xe công tác (phần công tác)

Hình 15 Cấu tạo chung tua bin XK2L

Vòi phun: có tiết diện ngang là hình chữ nhật, biên dạng là đường thân khai, 1 cung tròn hoặc 2 cung tròn

Vòi phun có nhiệm vụ hướng dòng chảy từ ống áp lực vào BCT sao cho không gây ra tổn thất cho quá trình truyền năng lượng cho BCT Ngoài ra vòi phun còn có nhiệm

vụ điều chỉnh lưu lượng vào BCT trong quá trình làm việc theo phụ tải yêu cầu và

đóng kín hoàn toàn dòng chảy khi tổ máy không làm việc

• Bánh công tác (BCT): Là một bánh xe hình trụ gồm 2 đĩa chính, trên đó có gắn các lá cánh trụ Ngoài ra, đối với một số BCT có bề rộng lớn thì có thêm một số

đĩa cánh mỏng phụ nhằm tăng độ cứng vững và ổn định khi tổ máy làm việc BCT có nhiệm vụ chuyển hóa năng lượng dòng chảy thành cơ năng trên trục quay tua bin Dòng tia đi qua BCT sau 2 lần tác dụng lên các lá cánh sẽ truyền toàn bộ năng lượng cho BCT

Ngoài ra, một số tua bin XK2L của một số hãng sau này còn lắp thêm phần ống hút để tận dụng thành phần năng lượng thế năng sau BCT

Như vậy, nhìn chung tua bin XK2L có kết cấu tương đối đơn giản hơn các loại tua bin khác rất nhiều, và như đã trình bày ở chương 2 thì phạm vi sử dụng của nó tương đối rộng, do vậy loại tua bin này mang lại hiệu quả kinh tế tổng hợp khá cao

3.1.2 Chuyển động của dòng chảy qua BCT:

Đặc điểm cơ bản của tua bin XK2L là dòng chảy từ mũi phun vào BCT sẽ tác dụng lên các lá cánh 2 của BCT Các tài liệu nghiên cứu và thực nghiệm mới nhất của trường Đại học Clemson (Mỹ) cho thấy công suất được truyền cho BCT chủ yếu ở lần tác dụng thứ nhất, tức là khoảng 75- 80% năng lượng của dòng chảy truyền cho BCT ở lần "va đập" thứ nhất Do vậy loại tua bin này là loại tua bin có 2 cấp vận tốc, chất lỏng chỉ điền đầy một phần của BCT trong một thời điểm nhất định

Xét chuyển động của dòng chảy qua tua bin

Hình16 Chuyển động của dòng chảy qua BCT

Giả thiết tâm của dòng chảy bắt đầu vào bánh công tác ở điểm A

Cung AB là biên dạng cánh tua bin

C1 - Vận tốc tuyệt đối

k - Hệ số vận tốc phụ thuộc đường kính vòi phun

H - cột nước của tua bin tính tại điểm A (m)

β

1

Dòng chảy đi qua khỏi cánh bánh công tác AB lần thứ nhất tại điểm B, tại đây có:

Sau lần tác dụng thứ nhất BCT nhận được khoảng 70 - 80% năng lượng của dòng chảy

Giả thiết rằng, sau khi ra khỏi cánh ở lần va đạp thứ nhất tại điểm B, dòng tia đi vào lá cánh lần thứ 2 tại điểm C Cung CD là biên dạng cánh mà dòng tia tác dụng lên bánh công tác lần thứ 2

Giả thiết không có sự thay đổi vận tốc tuyệt đối C2 thì: C2 = C3

Dòng chảy đi từ C đến D và đi ra khỏi bánh công tác có thể xác định được Do

đó:

α1 = α3

β2 = β3

β1 = β4

Tuy nhiên, thực tế không phải hoàn toàn dòng tia chảy theo đường đi này, bởi vì

có một số phần tử chất lỏng có xu hướng cắt ngang qua bánh xe công tác

Hình 16 Sự giao nhau của các dòng tia khi chảy qua bánh công tác

Khi đó, các góc lệch θ và θ1 sẽ đạt giá trị lớn nhất ở mép ngoài của dòng chảy

3.1.3 Lý thuyết cơ bản của tua bin XK2L

Hình 17: Sơ đồ dòng chảy trên BCTcủa tua bin XK2L

Như đã trình bày ở trên, khi ra khỏi vòi phun, dòng chảy đi vào cạnh ngoài của

chảy ra cánh qua các cạnh trong của chúng và cắt qua khoảng không gian bên trong BCT và đi vào csc lá cánh lần thứ 2 Để dòng chảy đi vào BCT dưới một góc làm với vận tốc quay như nhau ở toàn bộ cung vào, vách của vòi phun phải có biên dạng cong với bán kính cong giống nhau trên cùng một phương song song với trục tua bin (sẽ đề cập kỹ ở các phần sau)

Để cho dòng chảy vào BCT dưới một góc như nhau so với vận tốc vòng trên toàn bộ chiều dài cung cửa vào, phía ngoài của vòi phun phải có biên dạng cong

trùng với hướng của các đường tiếp tuyến với mặt trong của cánh đi qua các cạnh

Khi đó, từ cấu tạo hình học của BCT ta thấy:

β4 = 180o - β1

Từ sự bằng nhau của các tam giác vận tốc với chỉ số 2 và 3, và kể tới điều kiện

Từ tam giác tốc độ cửa ra, tính tới điều kiện (3-9)a và (3-13) ta có:

U W C

1 1 1

1 1

η = 4 1 1 1 1

2 1

hệ đơn trị với nhau bởi điều kiện (3-9)a

Để tìm giá trị α1 và β1 có lợi nhất, ta lấy đạo hàm phương trình (3-18) lần lượt theo α1 rồi sau đó theo β1 và cho bằng 0, ta có:

Lấy đạo hàm riêng theo α1 ta có:

∂η

∂α

β β

tl

1

1 2 2

cossin

β

β [sinβ1 (cos2α1 - sin2α1) - 2cosβ1cosα1sinα1] = 0

β β

α α

1 1

1 1 2

1

2 1

1 1

2 1

1 2 1

ηtlmax = 2

1

1 1

coscos

β β

tl max sin ( cos ) cos sin

1

21

Biểu thức để xác định hiệu suất tương ứng với công thức (2-21) có thể viết dưới dạng:

3.2 Mở rộng nghiên cứu lý thuyết cơ bản tua bin XK2L

3.2.1 Mở rộng lý thuyết tua bin XK2L

Từ phương trình (3-9) ta có thể viết công thức tính công suất trên trục ra của tua bin như sau

)coscos

1 1 1 1 1

coscos

coscos

βα

βα

W u C

W u C

Giả thiết rằng hướng của vận tốc tương đối ở cửa vào và cửa ra cùng hướng với

hướng của tiếp tuyến với một cánh phía trong, ta có điều kiện sau:

3 0 2

1 0 4

180

180

ββ

ββ

cos 1 ).(

cos (

) cos cos

cos cos

(

) cos cos

(

1

1 1 1

1 1 1

4 1

1 1 1 1

1 1 1

4 4 1 1 1 1

β

αψψα

γ

ββ

αψ

αγ

βα

γ

u u

C u g Q

u C

u C

u g Q

W u C

u g

Q

N ra

− +

−

=

− +

−

=

= +

2 1

HP K

C Q g

1

1 1 1

1 1 1

2

cos

cos.1)

cos(

%100

K QC

u u

C u g Q N

N

vao ra

γ

β

αψψα

2

1

1 1 1

1

2

ψα

u K

max (1 )cos2

tâm Dòng chảy sẽ xuyên tâm khi:

1 1

1 cos

K u

+

Điều này có được khi K và ψ bằng nhau, có nghĩa là không có tổn thất cột

áp ở vòi phun và trên các lá cánh BCT

không thể nhỏ quá, thường lấy α1 = 160; cosα1= 0,96

Vì hiệu suất tỷ lệ với bình phương hệ số vận tốc K của vòi phun nên cần phải chú ý tới lưu lượng của vòi phun để tránh tổn thất

Hình 20,19,18 Bước cánh

Hình 19 Bước cánh

β 2=

β 1