Nghiên cứu động học dòng chảy trong bánh công tác tua bin tâm trục hai dãy cánh để thiết kế bánh công tác có hiệu suất cao

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRẦN CƠNG TRIỆU NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC DỊNG CHẢY TRONG BÁNH CÔNG TÁC TUA BIN TÂM TRỤC HAI DÃY CÁNH ĐỂ THIẾT KẾ BÁNH CƠNG TÁC CĨ HIỆU SUẤT CAO CHUYÊN NGÀNH : MÁY VÀ TỰ ĐỘNG THUỶ KHÍ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PG TS LÊ DANH LIÊN Hà Nội - 2010 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan Luận văn nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố Luận văn khác Các số liệu mơ thích, trích dẫn tham khảo từ báo, tài liệu gốc cụ thể Học viên thực Trần Công Triệu DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2-1: .29 Bảng 3-1: Hmin =Htt= 187(m) .45 Bảng 3-2: H1 = 195(m) 46 Bảng 3-3: HTT = 206,87(m) 47 Bảng 3-4: Thơng số hình học profile cánh bánh công tác 58 DANH MỤC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ Hình 1.1: Tuabin Francis James B.Francis năm 1868 Hình 1.2: Tuabin Francis J.MV.Voith năm 1886 10 Hình 1.3: Tuabin Francis J.M.Voith năm 1952 11 Hình 1.4: Tuabin Francis .12 Hình 1.5: Cánh hướng có độ mở nhỏ .13 Hình 1.6: Cánh hướng có độ mở lớn .14 Hình 1.7: Bánh cơng tác tuabin có cột nước cao (D90) 15 Hình 1.8: Bánh cơng tác tuabin có cột nước thấp (D551) 15 Hình 1.9: Bánh xe cơng tác tua bin francis hai dãy cánh 18 Hình 2.1: Chọn mặt ánh xạ 24 Hình 2.2: Lưới ánh xạ 27 Hình 2.3: Đắp độ dày cánh 30 Hình 2.4: Bản vẽ thiết kế cánh bánh công tác tuabin tâm trục 31 Hình 2.5: Dựng profil mặt cắt kinh tuyến 41 Hình 3.1: Đường đặc tính tổng hợp tuabin mơ hình .45 Hình 3.2: Đồ thị quan hệ hiệu suất η = f ( N ) 48 Hình 3.3: Sơ đồ tính tốn đường dịng buồng dẫn dịng tuabin tâm trục 50 Hình 3.4: Sơ đồ xây dựng đường dòng buồng dẫn tuabin 52 Hình 3.5: Sơ đồ máng dẫn bề mặt cánh mặt phẳng kinh tuyến bánh công tác tuabin .53 Hình 3.6: Biểu đồ phân bố vận tốc kinh tuyến theo chiều dài đường dòng 53 Hình 3.7: Profil mặt trụ phép biến hình bảo giác (tiết diện a-a) 58 Hình 3.8: Profil mặt trụ phép biến hình bảo giác (tiết diện b-b) 59 Hình 3.9: Profil mặt trụ phép biến hình bảo giác (tiết diện c-c) 60 Hình 3.10: Profil mặt trụ phép biến hình bảo giác (tiết diện d-d) 60 Hình 3.11: Profil mặt trụ phép biến hình bảo giác (tiết diện e-e) 61 Hình 3.12: Profil mặt trụ phép biến hình bảo giác (tiết diện f-f) 61 Hình 3.13: Profil mặt trụ phép biến hình bảo giác (tiết diện g-g) 62 Hình 3.14: Bản vẽ kỹ thuật cánh bánh cơng tác 62 Hình 3.15: Mặt lưng cánh .63 Hình 3.16: Mặt bụng cánh 63 Hình 3.17: Dãy cánh 64 Hình 3.18: Sơ đồ máng dẫn bề mặt cánh ngắn mặt phẳng kinh tuyến bánh công tác tuabin 65 Hình 3.19: Profil mặt trụ phép biến hình bảo giác (tiết diện a-a) 67 Hình 3.20: Profil mặt trụ phép biến hình bảo giác (tiết diện b-b) 67 Hình 3.21: Profil mặt trụ phép biến hình bảo giác (tiết diện c-c) 68 Hình 3.22: Profil mặt trụ phép biến hình bảo giác (tiết diện d-d) 68 Hình 3.23: Profil mặt trụ phép biến hình bảo giác (tiết diện e-e) 69 Hình 3.24: Profil mặt trụ phép biến hình bảo giác (tiết diện f-f) 69 Hình 3.25: Profil mặt trụ phép biến hình bảo giác (tiết diện g-g) 70 Hình 3.26: Bản vẽ kỹ thuật cánh bánh công tác 71 Hình 3.27: Mặt lưng cánh .72 Hình 3.28: Mặt bụng cánh 72 Hình 3.29: Hai dãy cánh 73 Hình 3.30: Bánh xe công tác 74 Hình 4.1: Xây dựng mơ hình tốn 75 Hình 4.2: Lưới bánh xe công tác hai dãy cánh 77 Hình 4.3: Phân bố áp suất mặt cắt qua trục tua bin ứng với trường hợp khơng có cánh phụ 87 Hình 4.4: Phân bố áp suất mặt cắt qua trục tuabin ứng với trường hợp hai dãy cánh .87 Hình 4.5: Phân bố áp suất tĩnh bánh cơng tác ứng với trường hợp khơng có cánh phụ .88 Hình 4.6: Phân bố áp suất tĩnh bánh công tác ứng với trường hợp hai dãy cánh 88 Hình 4.7: Phân bố vận tốc mặt cắt qua trục tua bin ứng với trường hợp khơng có cánh phụ 89 Hình 4.8: Phân bố vận tốc mặt cắt qua trục tuabin ứng với trường hợp hai dãy cánh .89 Hình 4.9: Phân bố vận tốc bánh cơng tác ứng với trường hợp khơng có cánh phụ .90 Hình 4.10: Phân bố vận tốc bánh công tác ứng với trường hợp tuabin hai dãy cánh .90 Hình 4.11: Phân bố áp suất tĩnh profile cánh thường 91 Hình 4.12: Phân bố áp suất tĩnh profile cánh hai dãy 91 Hình 4.13: Phân bố áp suất tĩnh profile cánh thường 92 Hình 4.14: Phân bố áp suất tĩnh profile cánh hai dãy 92 Hình 4.15: Quan hệ hiệu suất bánh xe công tác thông thường bánh xe công tác hai dãy cánh 94 PHẦN MỞ ĐẦU Nước ta có tiềm thuỷ điện dồi dào, khảo sát thống kê đầy đủ Tiềm kinh tế, kỹ thuật thuỷ điện nước vào khoảng 80 tỷ kwh/năm Trong đó, thuỷ điện vừa nhỏ chiếm khoảng 20 tỷ kwh/năm Cho tới nay, tiềm thuỷ điện vừa nhỏ khai thác khoảng 10% trữ kinh tế - kỹ thuật Trong 50 năm qua nhu cầu cải thiện hiệu suất tua bin trở thành thách thức cho nhà sản xuất Qua khảo sát thực tế cho thấy loại tuabin nước sử dụng cho trạm thuỷ điện tuabin Francis sử dụng rộng rãi Với ưu hiệu suất khả tận dụng tối đa cột nước địa hình, nơi có cột nước cao 200-400m người ta dùng tua bin francis Đối với tua tin tâm trục cột nước cao dùng dãy cánh số cánh dịng chảy cánh không gây tổn thất lớn, tăng số lượng cánh gây tượng chèn dịng lớn lối tua bin gây tổn thất Để khắc phục thực tế người ta sử dụng dãy cánh dài dãy cánh ngắn xen kẽ, để giảm không phân bố vận tốc áp suất dòng chảy làm tăng hiệu suất tua bin đồng thời làm tăng độ bền bánh công tác Bản luận văn tác giả sâu “Nghiên cứu động học dòng chảy bánh công tác tua bin tâm trục hai dãy cánh để thiết kế bánh cơng tác có hiệu suất cao” Do nội dung luận văn bao gồm nội dung sau: − Nghiên cứu tổng quan tua bin francis − Thiết kế bánh công tác lưới cánh hai dãy − Xây dựng đường đặc tính tổng hợp vận hành tua bin (theo mơ hình) − Xác định phân bố vận tốc áp suất chu tuyến prôphin lưới cánh hai dãy − Xác định tổn thất dòng chảy chảy bao lưới cánh − Đánh giá chất lượng lưới cánh Hiện nay, Việt Nam chưa có giàn thử nghiệm tua bin mơ hình để đánh giá, kiểm nghiệm lại tính tốn lý thuyết Việc sử dụng phần mềm nhằm mô phỏng, hiển thị đưa thông số vận hành giúp cho người thiết kế có sở để tối ưu phương án thiết kế, khẳng định tính tốn xác hiệu suất tua bin, giữ uy tín nâng cao lực thiết kế việc làm cần thiết phục vụ cho việc nội địa hoá thiết bị thủy điện theo chủ trương phủ Em xin bày tỏ lòng biết ơn giúp đỡ tận tình thầy giáo Viện bạn đồng nghiệp, đặc biệt bảo thầy hướng dẫn trực tiếp GS.TS Lê Danh Liên trình thực luận văn Em xin trân trọng cảm ơn! CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ TUABIN FRANCIS 1.1 Lịch sử phát triển tuabin francis Tuabin nước loại máy thuỷ lực loài người dùng để sử dụng nguồn lượng thiên nhiên phục vụ đời sống sản xuất, trước tiên việc lấy nước chế biến lương thực Tuabin nước bánh xe nước đơn giản sử dụng động dòng chảy Cho tới lịch sử chưa xác định đâu người phát minh bánh xe nước Người ta biết hàng nghìn năm trước cơng ngun Ai Cập, Ấn Độ Trung Quốc sử dụng bánh xe nước dạng thiết bị biến đổi lượng Đến nước ta bánh xe nước sử dụng suối vùng núi trung du Tại Pháp từ kỷ IV có máy xay xát chạy lượng nước Tuy nhiên tới kỷ XVI với phát triển chủ nghĩa tư việc sử dụng lượng nước tương đối rộng rãi bánh xe nước có cải tiến lớn Nhưng từ bánh xe nước đến tuabin nước loài người phải trải qua tìm kiếm nghiên cứu dài Năm 1834 kỹ sư Pháp Fuaray chế tạo thành cơng tuabin nước Sau năm, vào khoảng năm 1837 người thợ mộc Nga tên Xaphon chế tạo loại tuabin nước kiểu ly tâm Năm 1838 Hopd (Mỹ) cải tạo tuabin li tâm thành tuabin hướng tâm Năm 1848 James B Francis – kỹ sư người Mỹ cải tiến tuabin Hopd thành tuabin tâm trục có hiệu suất cao Các phương pháp tính tốn thiết kế ơng hiệu suất làm việc tuabin cao so với tuabin tồn trước Ngày người ta thường gọi tuabin tâm trục tuabin Francis Hình 1.1: Tuabin Francis James B.Francis năm 1868 − Tại lối ra, áp suất điểm bán kính khơng đổi số, đồng thời áp suất tâm mặt cắt (tâm ống hút) ta đặt điều kiện biên áp suất (pressure – outlet) − Tại bề mặt buồng xoắn, cột trụ, cánh hướng ta áp dụng quy luật phân bố trường vật lý lớp biên ta đặt điều kiện biên thành rắn (Wall) cố định − Tại bề mặt cánh, may vành bánh công tác ta áp dụng quy luật phân bố trường vật lý lớp biên Tuy nhiên lưu ý bề mặt cánh bề mặt chuyển động với vận tốc góc ω chế độ làm việc tính tốn Ta đặt điều kiện biên thành rắn (Wall) Dòng chảy tính tốn giá trị cột áp là: Hmin = 187(m) Ta xét thay đổi cánh ảnh hưởng đến hiệu suất tuabin giá trị cột áp tính tốn Htt = 187(m) Dịng chảy tính tốn tai chế độ làm việc tính tốn Trong q trình tính tốn ta có sử dụng hệ số không thứ nguyên sau: ϕ= Q - hệ số lưu lượng π ω.R ψ= 4.6 Kết bình luận 86 2.g H - hệ số cột áp ω R Hình 4.3: Phân bố áp suất mặt cắt qua trục tua bin ứng với trường hợp khơng có cánh phụ Hình 4.4: Phân bố áp suất mặt cắt qua trục tuabin ứng với trường hợp hai dãy cánh 87 Hình 4.5: Phân bố áp suất tĩnh bánh công tác ứng với trường hợp khơng có cánh phụ Hình 4.6: Phân bố áp suất tĩnh bánh công tác ứng với trường hợp hai dãy cánh 88 Hình 4.7: Phân bố vận tốc mặt cắt qua trục tua bin ứng với trường hợp khơng có cánh phụ Hình 4.8: Phân bố vận tốc mặt cắt qua trục tuabin ứng với trường hợp hai dãy cánh 89 Hình 4.9: Phân bố vận tốc bánh cơng tác ứng với trường hợp khơng có cánh phụ Hình 4.10: Phân bố vận tốc bánh công tác ứng với trường hợp tuabin hai dãy cánh 90 Hình 4.11: Phân bố áp suất tĩnh profile cánh thường Hình 4.12: Phân bố áp suất tĩnh profile cánh hai dãy 91 Hình 4.13: Phân bố vận tốc profile cánh thường Hình 4.14: Phân bố vận tốc profile cánh hai dãy 92 Nếu gọi N F η F tương ứng công suất hiệu suất tuabin sau tính tốn phần mềm Fluent kết đưa bảng sau: H = 187(m) ; ω = 78,54(rad / s ) độ ao (độ) Q (m3/s) 4,3 N ( MW) η (%) N F ( MW) η F (%) 1,020 1,551 82,88 1,552 82,93 6,2 1,639 2,734 90,88 2,768 92,01 8,7 2,329 4,679 95,38 4,685 95,50 12,55 3,363 5,886 95,38 5,899 95,60 16,7 4,278 7,290 92,88 7,292 92,90 TT Dựa vào kết ta xây dựng đường cong quan hệ hiệu suất công suất chế độ làm việc tính tốn tuabin 93 Hình 4.15: Quan hệ hiệu suất bánh xe công tác thông thường bánh xe công tác hai dãy cánh Như ta so sánh giá trị hiệu suất từ kết tính tốn lý thuyết từ kết tính tốn Fluent, hiệu suất nhận tính tốn lý thuyết Fluent sai lệch khơng đáng kể Dạng đường biểu diễn hiệu suất tính tốn lý thuyết Fluent tương tự, công suất lớn sai số nhiều Lưu ý hiệu suất nhận từ tính tốn Fluent hiệu suất thuỷ lực, hiệu suất nhận từ tính tốn lý thuyết theo thực nghiệm tuabin mơ hình nên hiệu suất nhận bao gồm tổn thất thuỷ lực, tổn thất khí tổn thất lưu lượng Theo kết tính tốn ta thất bề mặt bụng cánh có trường áp suất lớn so với bề mặt lưng cánh, bề mặt bụng cánh bề mặt lưng cánh có 94 chênh áp suất chênh áp suất sinh mômen làm quay cánh dẫn đến chuyển động quay bánh công tác Vùng áp suất lớn tập chung phần mép vào phía bụng cánh mayơ sau giảm dần phía mép cánh Áp suất nhỏ xuất phần mép vào phía lưng cánh vành cánh có xâm thực bọt khí xâm thực xuất vị trí Nhưng áp suất vị trí lớn áp suất bốc nên chưa xảy tượng xâm thực Đối với trường hợp thường, lối bánh cơng tác có tượng chèn dòng nên vận tốc lớn Trường hợp hai dãy cánh khắc phục tượng này, vận tốc lối thuận Qua kết phân tích ta nhận thấy thay đổi áp suất profil cánh, áp suất thay đổi từ mép vào mép thay đổi áp suất đường lưng cánh đường bụng cánh lớn Bề mặt cánh chịu tác động mômen uốn trạng thái chịu lực lưng cánh bụng cánh thay đổi lớn Khi có dãy cánh ngắn phân bố vận tốc chu tuyến profile hơn, khơng có xốy máng dẫn Về hiệu suất: Kết tính tốn cho thấy dạng đường hiệu suất tuabin ứng với trường hợp cánh bánh công tác tương tự Hiệu suất tuabin hai dãy cánh cao tua bin thông thường Như qua phân tích ta thấy tua bin tâm trục cột nước cao dùng bánh xe công tác hai dãy cánh cho dịng chảy khơng bị chèn dịng phía bánh cơng tác dẫn tới hiệu suất cao làm việc tin cậy Điều phù hợp với tua bin thực tế trạm thuỷ điện 95 KẾT LUẬN CỦA LUẬN VĂN Tiềm thuỷ điện nước ta lớn, đặc biệt thích hợp cho việc khai thác dự án thuỷ điện có cột nước cao, lưu lượng lớn Một loại tuabin sử dụng phổ biến tuabin tâm trục, việc đánh giá khả làm việc tuabin tâm trục đưa giải pháp tối ưu cho trình làm việc tuabin quan trọng Để đánh giá khả làm việc tuabin ta áp dụng phần mềm ANSYS Fluent – phần mềm thương mại hoá sử dụng rộng rãi giới Việc áp dụng phần mềm ANSYS Fluent để đánh giá khả làm việc tuabin tâm trục tương đối xác, kết đưa tương đối gần với thực nghiệm Trên sở nghiên cứu lý thuyết phân tích kết chạy tốn, luận văn đưa số kết sau: Tổng quan loại tuabin tâm trục phương pháp thiết kế cánh bánh công tác tuabin tâm trục Khi thêm dãy cánh ngắn hiệu suất tuabin thay đổi theo sơ lựa chọn chiều dài cánh ngắn cho tuabin làm việc đạt hiệu suất cao Luận văn mở hướng nghiên cứu cải tiến bánh xe công tác cho tua bin tâm trục cột nước cao hoạt động có hiệu suất thấp nhằm tận dùng tối đa lượng Qua mở phương hướng thiết kế bánh xe công tác tập trung vào công nghệ tách cánh để cải thiện hiệu suất bánh xe công tác Việc thiết kế tăng số cánh giảm chiều dày cánh so với thơng thường tối ưu hố thơng số đạt hiệu mong muốn Hạn chế Luận văn chưa đưa phương án cánh ngắn khác để so sánh tối ưu Đây hướng nhiều vấn đề cần nghiên cứu yêu cầu dãy cánh ngắn dãy cánh dài, tác giả tiếp tục dành thời gian để khắc phục 96 thiếu sót mở rộng nghiên cứu từ đưa quan hệ chiều dài cánh ngắn so với cánh dài góc đặt cánh ngắn nhằm nâng cao hiệu suất tua bin Rất mong giúp đỡ thầy cô mơn thuỷ khí bạn đồng nghiệp 97 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ PHẦN MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ TUABIN FRANCIS .8 1.1 Lịch sử phát triển tuabin francis .8 1.2 Nguyên lý hoạt động tuabin Francis 11 1.3 Các phận tuabin Francis 12 1.3.1 Buồng dẫn tua bin 12 1.3.2 Bánh công tác 14 1.3.3 Buồng hút 16 1.4 Phạm vi sử dụng tuabin francis 16 1.5 Tình hình nghiên cứu nước 16 1.6 Tình hình nghiên cứu nước 18 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 21 2.1 Các phương pháp thiết kế cánh bánh công tác tua bin tâm trục 21 2.2 Thiết kế cánh bánh công tác theo phương pháp toạ độ 22 2.2.1 Nội dung 22 2.2.2 Các bước tiến hành 26 2.3 Thiết kế bánh công tác tuabin tâm trục theo phương pháp hai toạ độ 31 2.3.1 Cơ sở lý thuyết 32 2.3.2 Các bước tiến hành 37 CHƯƠNG THIẾT KẾ CÁNH BÁNH CƠNG TÁC TUABIN 43 3.1 Các thơng số trạm thuỷ điện 43 3.2 Xác định thông số tính tốn .43 98 3.3 Xây dựng đồ thị quan hệ hiệu suất tua bin theo đặc tính mơ hình 44 3.4 Xây dựng đường dòng mặt cắt kinh tuyến bánh công tác 49 3.5 Xây dựng profile cánh (dài) bánh cơng tác tuabin 54 3.6 Xây dựng profile cánh phụ (ngắn) bánh công tác tua bin 64 CHƯƠNG PHÂN TÍCH ĐỘNG HỌC DỊNG CHẢY TRONG LƯỚI CÁNH 75 4.1 Xác định thông số cần tính tốn .75 4.2 Xây dựng mơ hình tốn 75 4.3 Chia lưới 76 4.4 Lựa chọn mơ hình tính tốn số cho tốn dịng chảy qua tuabin tâm trục .77 4.5 Xác định điều kiện biên .85 4.6 Kết bình luận .86 KẾT LUẬN CỦA LUẬN VĂN 96 MỤC LỤC 98 TÀI LIỆU THAM KHẢO .100 99 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt - Lê Danh Liên, Võ Sỹ Huỳnh, “Lý thuyết cánh” NXB- ĐHTHCN – 1977 - Lê Danh Liên, “Lý thuyết cánh”, Giáo trình giảng dạy cao học - ĐHBKHN 1998 3- Lê Phu, "Tua bin nước", NXB Khoa học kỹ thuật - 1974 - Hoàng Văn Thắng, Nguyễn Văn Toản,"Báo cáo kết nghiên cứu Tiềm thuỷ điện nhỏ Việt nam", Viện Khoa học Thuỷ lợi - 2000 - Tài liệu dịch Trung quốc, "Tua bin thuỷ lực ", Trung tâm thuỷ điện- Viện Khoa học Thuỷ lợi – 2001 - PGS,TS Võ Sỹ Huỳnh, TS, Nguyễn Thị Xuân Thu, “Tua bin nước” NXB Khoa học kỹ thuật – 2004 Tiếng Anh 7- S.Ramrutham, "Hydraulics fluid mechanics and fluid machines", Dahanpat Rai & sons-Delhi-1994 - Johnson V,E Mechanics of cavitation, - 1963, v89, No,3 100 ... tua bin tâm trục hai dãy cánh so sánh với thơng thường để có hướng thiết kế bánh cơng tác có hiệu suất cao 20 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Các phương pháp thiết kế cánh bánh công tác tua bin tâm trục. .. động học dịng chảy bánh cơng tác tua bin tâm trục hai dãy cánh để thiết kế bánh cơng tác có hiệu suất cao? ?? Do nội dung luận văn bao gồm nội dung sau: − Nghiên cứu tổng quan tua bin francis − Thiết. .. thiết kế nhắc lại nét lý thuyết cánh dùng cho tuabin tâm trục Xét quan hệ cánh với dịng chảy qua bánh cơng tác tuabin tâm trục ta nhận thấy: dòng chảy tuabin tâm trục dòng chảy đối xứng qua trục