Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thử nghiệm tua bin xung kích 2 lần kiểu CINK

Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thử nghiệm tua bin xung kích 2 lần kiểu CINK

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 lợng tái tạo trong chế biến nông, lâm, thủy sản, sinh hoạt nông thôn và bảo vệ môi trờng Chủ nhiệm chuyên đề: ThS nguyễn tùng phong 5817-5 16/5/2006 hà nội 5/2006 Mục lục Trang Chơng I. tổng quan và phạm vi ứng dụng Tua bin XK2L 1 1.1. Tua bin xung kích 2 lần (XK2L) và quá trình phát triển. 1 1.2. Phạm vi sử dụng của tua bin XK2L: 3 1.3. Những u điểm và nhợc điểm của tua bin XK2L trong thuỷ điện nhỏ và cực nhỏ 8 1.3.1. Hiệu suất 8 1.3.2. Độ bền: 11 1.3.3. Giá thành chế tạo: 11 1.3.4. Hạn chế của tua bin XK2L 12 1.4. Kết luận 14 Chơng II . lý thuyết tua bin xung kích 15 2.1. Cột nớc, lu lợng, công suất và hiệu suất 15 2.2. Tác dụng tơng hỗ giữa dòng tia và tấm bản 18 Chơng III. tổng quan nghiên cứu lý thuyết tua bin XK2L và XK2L kiểu CINK 26 3.1. Lý thuyết đơn giản của tua bin XK2L 26 3.1.1. Mô tả tua bin XK2L 26 3.1.2. Chuyển động của dòng chảy qua BCT: 27 3.1.3. Lý thuyết cơ bản của tua bin XK2L 31 3.2. Mở rộng nghiên cứu lý thuyết cơ bản tua bin XK2L 36 3.2.1. Mở rộng lý thuyết tua bin XK2L 36 3.2.2. Góc đặt cánh 39 3.2.3. Bề rộng đĩa cánh và góc ở tâm đĩa cánh. 40 3.2.4. Đờng kính bánh xe và trục BCT 44 3.2.5. Mở rộng lý thuyết dòng chảy tuyệt đối qua tua bin XK2L. 45 Chơng IV . Nghiên cứu thực nghiệm tuabin XK2L kiểu CINK 49 4.1. Hớng nghiên cứu Tua bin XK2L kiểu CINK 49 4.1.1 Vòi phun và cơ cấu điều chỉnh lu lợng 50 4.1.2. So sánh kết cấu cánh hớng của tua bin XK2L kiểu Ossberger và tua bin XK2L kiểu CINK 54 4.1.3 Bánh xe công tác 54 4.1.4. ống hút 58 4.2. Giới thiêu chơng trình tính toán tua bin XK2L 59 4.3. Thiết kế Tua bin XK2L mô hình kiểu CINK 62 4.3.1 Lựa chọn kết cấu 62 4.3.2 Lựa chọn kích thớc, 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 4.3.4 Thiết kế bánh xe công tác 64 4.3.5. Vòi phun 65 4.3.6 ống hút 67 4.4. Mô hình hoá tua bin 68 4.5 Thực nghiệm tua bin mô hình 70 4.5.1 Hệ thống thí nghiệm 70 4.5.2 Thí nghiệm tua bin mô hình 74 4.6. Xây dựng đặc tính tổng hợp chính của tua bin mô hình 80 4.7. Các kết luận rút ra từ thực nghiệm 82 Chơng V. Kết luận 84 5.1 Các kết quả đề tài đã đạt đợc 84 2. Hớng nghiên cứu tiếp theo 85 Phụ lục 86 NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 1 Mở đầu Nớc 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 lợng ma trung bình năm khoảng 1960mm, với mạng lới 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 L10km 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 nh Ngân hàng thế giới (WB), Ngân hàng châu á (ADB(, Quỹ năng lợng Nhật bản (NEF) đang quan tâm tới việc khai thác và phát triển các công nghệ về năng lợng 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 trờng. Hiện nay, với nhu cầu về tiêu dùng điện ngày càng tăng, ớc 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 nớc. Với tình hình đầu t thuỷ điện trong nớc hiện nay thì việc đầu t cho thuỷ điện nhỏ cũng sẽ có nhiều thuận lợi do quy mô vốn đầu t phù hợp, có thể khuyến khích các thành phần kinh tế khác và ngời dân đầu t. Thuỷ điện nhỏ đã đợc 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 đợc 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 lợng thiết bị còn cha 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 lợng thiết bị đã đợc cải thiện nhiều. Tua bin xung kích 2 lần (XK2L) là một loại tua bin rất phù hợp với thuỷ điện nhỏ và đã đ ợc thiết kế, chế tạo và đa vào vận hành ở Việt nam từ 1967, với công suất NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 2 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 ngời dân ở miền núi . Tuy nhiên, với tình trạng chung ở giai đoạn trớc nên cũng không tồn tại đợc lâu. Nhận thấy những u 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 ngời 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 lợng 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 nh 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 lợng của tua bin XK2L kiểu CINK; 6. Đánh giá kết quả nghiên cứu thực nghiệm và kiến nghị. NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 3 Chơng 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 s ngời úc là A.G.M.Michele phát minh vào năm 1903. Sau đó, một giáo s ngời Hungary là Donat Banky đã xây dựng cơ sở lý thuyết tơng đối hoàn chỉnh vào năm 1916 - 1919, do vậy tua bin XK2L còn đợc gọi là Tua bin Banky. Năm 1922, kỹ s ngời Đức là K.L.Ossberger đã nghiên cứu, hoàn thiện và sản xuất rộng rãi loại tua bin này. Hãng Ossberger đã đa ra thị trờng hơn 5000 tổ máy XK2L với công suất từ 1 - 1000KW. Gần đây, năm 1993 -1994, giáo s Nadim M.Aziz và nhiều giáo s khác của trờng Đại học CLEMSON (Mỹ) vẫn tiếp tục nghiên cứu lý thuyết và bằng thực nghiệm loại tua bin này và đa 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 lợng 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 lợng cho BCT. Do vậy mà tua bin này đợc gọi là Tua bin XK2L. NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 4 ở Việt Nam loại tua bin này đãđợc 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 đợc chú trọng nên trên thực tế cho thấy loại tua bin này hoạt động với hiệu suất thấp và tuổi thọ thấp, ít đợc sử dụng trong thực tế. Thay thế vào đó, các tổ máy hớng trục và tâm trục đợc khuyến khích chế tạo và sử dụng. Ví dụ, các tổ máy theo mẫu GANZ của Hungari với cột nớc H = 10-20m, công suất N 20KW đợc 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 thớc 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 đợc 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 nhng cha 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 đợc 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 đợc đa vào nghiên cứu trong một đề tài KHCN cấp Nhà nớc và một số kết quả nghiên cứu đã đợc nghiệm thu. 1.2. Phạm vi sử dụng của tua bin XK2L: NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 5 Hình 2. Biểu đồ sử dụng tua bin XK2L của hãng Meiden (Nhật bản) NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 6 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) NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 7 Hình 5. Biểu đồ sử dụng tua bin XK2L của Hitachi Corp. (Nhật Bản) [...]...NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Hình 6 Biểu đồ sử dụng tua bin XK2L của Fuji Electric Corp (Nhật Bản) 8 Viện khoa học thuỷ lợi NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Hình7 Biểu đồ sử dụng tua bin XK2L của Linhai Corp (Trung Quốc) 9 Viện khoa học thuỷ lợi NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài... thuỷ lợi 29 NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Hình 16 Sự giao nhau của các dòng tia khi chảy qua bánh công tác Khi đó, các góc lệch và 1 sẽ đạt giá trị lớn nhất ở mép ngoài của dòng chảy Hình 17: Sơ đồ dòng chảy trên BCTcủa tua bin XK2L 3.1.3 Lý thuyết cơ bản của tua bin XK2L Viện khoa học thuỷ lợi 30 NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề... thuỷ lợi 24 NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK k1 = đề tài Kc07-04 Q.c cos g (2. 40) Động lợng cuối theo hớng đó: k2 = Q.(u + w cos 2 ) g (2. 41) Lực tác động lên bản theo hớng chuyển động: P= Q Q (c cos u w cos 2 ) = (c cos - u cos 2 c 2 + u 2 2. c.u cos ) g g (2. 42) Công suất do lực P sinh ra: N n = P.u = Q u.(c cos - u cos 2 c 2 + u 2 2. c.u cos ) g (2. 43) Hiệu... loại tua bin khác (max = 87 ữ 89%) Nhng do phạm vi vùng hiệu suất cao rộng hơn nên tổng điện lợng thu đợc của tua bin XK2L cao hơn so với tua bin tâm trục 10 Viện khoa học thuỷ lợi NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Hình 8 So sánh đờng hiệu suất của tua bin XK2L và tua bin tâm trục Hình 9 Quan hệ về điện lợng - thời gian trong năm của tua bin XK2L và tua bin tâm... sin 2 2 sin1cos1)] = 4 cos 1 [sin1 (cos21 - sin21) - 2cos1cos1sin1] = 0 sin 2 2 Muốn cho đạo hàm tl = 0 thì 1 sin1 (cos21 - sin21) - 2cos1 cos1sin1 = 0 ; tức là: tg1 = hay: sin 1 2 cos 1 sin 1 sin 2 1 = = = tg21; 2 2 cos 1 cos 1 sin 1 cos 2 1 1ln = 1 (3 -22 ) 2 Thế trị số 1ln có đợc ở (2- 22) vào (2- 18) ta có: tlmax = 4 sin( 1 ) sin 1 2 2 2 sin 1 cos 1 1 cos 1 2 cos 1 (1 cos 1 ) 2 =... thủy lực sẽ là: 2. u.(c cos - u cos 2 c 2 + u 2 - 2. c.u cos ) th = c2 (2. 44) Lực tác động theo hớng vuông góc với chuyển động cũng xác định tơng tự: P= Q (c sin sin 2 c 2 + u 2 2. c.u cos ) g (2. 45) Trên đây là các phơng trình lý thuyết có ý nghĩa trong việc phân tích quá trình làm việc của tua bin XK2L Viện khoa học thuỷ lợi 25 NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04... 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) Kiểu Osseberger Kiểu CINK Hình 15 Cấu tạo chung tua bin XK2L Vòi phun: có tiết diện ngang là hình chữ nhật, biên dạng là đờng thân khai, 1 cung tròn hoặc 2 cung tròn Viện khoa học thuỷ lợi 26 NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Vòi phun... ở tua bin trục ngang lấy ở giao điểm của trục dòng phun với đờng bán kính BXCT vuông góc với nó Công suất của dòng chảy qua tua bin: NH = QH 1 02 = 9,81QH KW (2. 10) Trong đó: = 100 Kg/m3; Q - m3/s Công suất của tua bin: N = NH. = 9,81.QH Viện khoa học thuỷ lợi (2. 11) 17 NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Trong đó: - hiệu suất tua bin Bánh xe công tác của tua bin. .. cuối cùng là: k2 = g fw(u + w cos ) (2. 24) Từ đây, theo (2. 13) ta có: P = k1 k 2 = f g w(c1 u w cos ) = f (c u ) 2 (1 cos ) g (2. 25) Công suất do lực P sinh ra: N n = P.u = f (c u ) 2 u (1 cos ) g (2. 26) Công suất của dòng tia: Nz = c 2 c2 Q = f 2g 2g (2. 27) Hiệu suất thủy lực: N n 2( c u ) 2 (1 cos )u th = = Nz c3 (2. 28) Để đạt max, đạo hàm vế trái theo u ta có: (c - u )2 - 2u(c - u) =... chủ yếu ở lần tác dụng thứ nhất, tức là khoảng 75- 80% năng lợng 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 Viện khoa học thuỷ lợi 27 NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Xét chuyển động của dòng chảy qua tua bin 1 1 B 2 2 3 3