Nghiên cứu, thiết kế chế tạo hệ thống điều tốc điện thủy lực cho turbine francis

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Vũ Minh NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC ĐIỆN - THUỶ LỰC CHO TURBINE FRANCIS LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY VÀ TỰ ĐỘNG THUỶ KHÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS NGÔ SỸ LỘC Hà Nội – 2010 MỤC LỤC Trang phụ bìa Lời cam đoan Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt Danh mục bảng Danh mục hình vẽ, đồ thị MỞ ĐẦU Chương – TỔNG QUAN VỀ TURBINE VÀ ĐIỀU TỐC TURBINE Trang 1.1 Phân loại turbine 1.2 Phân loại giới thiệu loại điều tốc Chương - CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 17 21 2.1 Cơ sở lý thuyết 2.2 Đặc tính hệ thống điều chỉnh turbine 2.2 Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều tốc 2.2.1 Sơ đồ kết cấu khí 2.2.2 Sơ đồ khối hệ điều khiển 2.2.3 Sơ đồ hệ thống thuỷ lực Chương – TÍNH TOÁN THIẾT KẾ 22 25 29 29 30 32 35 3.1 Thông số tuabin 3.2 Tính lực đóng mở cánh hướng 3.3 Tính toán hệ thống thuỷ lực 3.3.1 Tính toán xylanh đường kính xylanh 3.3.2 Tính áp suất lưu lượng lớn hệ thống 3.3.3 Tính toán lưu lượng hệ thống 3.3.4 Tính lưu lượng bơm cần thiết cung cấp cho hệ thống 3.3.5 Tính chọn đường ống cho hệ thống 3.3.6 Tính toán tổn thất áp suất hệ thống 3.3.7 Tính thể tích bình tích 3.3.8 Tính toán công suất cần thiết cung cấp cho bơm 3.4 Tính toán thùng dầu 3.5 Thiết kế bình tích 3.6 Kiểm tra bền bệ xylanh 3.7 Kiểm tra bền chốt xylanh 3.8 Chọn phần tử thuỷ lực 35 35 40 41 42 42 42 43 43 45 47 47 52 54 56 57 3.8.1 Chọn bơm nguồn 3.8.2 Chọn động điện 3.8.3 Chọn van tỷ lệ 3.8.4 Chọn Van điện từ 4/2 3.8.5 Chọn Van điện từ 2/2 3.8.6 Chọn lọc hồi 3.8.7 Chọn tiết lưu 3.8.8 Chọn bơm tay 3.8.9 Chọn xylanh thuỷ lực 3.8.10 Chọn van chiều 3.8.11 Chọn thước đo dầu 3.8.12 Chọn nắp đổ dầu 3.8.13 Chọn hút ẩm 3.9 Kiểm tra ổn định xylanh 3.10 Thiết kế manifold Chương - KHẢO SÁT ỔN ĐỊNH CỦA HỆ THỐNG 57 58 59 60 61 62 63 64 64 65 65 67 67 68 70 72 4.1 Sơ đồ hàm truyền hệ thống 4.1.1 Khâu Tuabin - máy phát 4.1.2 Khâu Khuyếch đại 4.1.3 Khâu đo vị trí 4.1.4 Khâu đo tốc độ 4.2 Xây dựng mạch vòng điều khiển 4.2.1 Mạch vòng điều khiển dịch chuyển xylanh 4.2.2 Mạch vòng điều chỉnh tần số 4.3 Mô điều chỉnh turbine KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ PHỤ LỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 72 72 74 74 75 75 75 77 79 82 84 95 CÁC BẢN VẼ CHẾ TẠO LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn công trình nghiên cứu khoa học riêng Các số liệu trích dẫn có sở nguồn gốc rõ ràng Kết nghiên cứu chưa công bố công trình Học viên Vũ Minh QUY ĐỊNH VỀ HÌNH THỨC LUẬN VĂN THẠC SĨ LUẬN VĂN ĐƯỢC TRÌNH BÀY THEO THỨ TỰ SAU: Trang bìa luận văn: Mẫu kèm theo Mục lục luận văn: Ghi chi tiết chương mục số trang chương mục Nôi dung luận văn: Trình bày rõ vấn đề theo trình tự: 3.1 Phần mở đầu - Lý chọn đề tài - Lịch sử nghiên cứu - Mục đích nghiên cứu luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu - Tóm tắt cô đọng luận điểm đóng góp tác giả - Phương pháp nghiên cứu Nội dung: - Chương - Chương - Chương Kết luận: - Những kết luận - Đóng góp kiến nghị tác giả sử dụng kết nghiên cứu luận văn 3.4 Danh mục tài liệu tham khảo (có hướng dẫn riêng kèm theo) - Các phụ lục (nếu có) để làm sáng tỏ nội dung luận văn Phải trình bày mạch lạc, rõ ràng, sẽ, theo yêu cầu công trình đưa in, kể tài liệu minh hoạ Các bảng biểu, đồ thị, hình vẽ … trình bày theo chiều ngang khổ giấy cần đóng đầu bảng biểu… vào gáy luận văn Các công thức, ký hiệu … phải viết thêm tay cần viết mực đen, rõ ràng, Luận văn in mặt giấy trắng khổ A4 (210 x 297mm), dày không 100 trang, không kể hình vẽ, bảng biểu, đồ thị danh mục tài liệu tham khảo Đối với luận văn khoa học xã hội khối lượng nhiều 20% đến 30% Luận văn sử dụng chữ VnTime (Roman) Times New Roman cỡ 13 Hệ soạn thảo Winword tương đương; mật độ chữ bình thường, không nén kéo dãn khoảng cách chữ; dãn dòng đặt chế độ 1,5 lines; lề 3,5cm; lề 3,0cm; lề trái 3,5cm, lề phải cm Số trang đánh giữa, phía trang giấy Luận văn đóng bìa cứng, khổ 210 x 297 mm, bìa có mạ chữ vàng Tuyệt đối không tẩy, xoá, sửa chữa luận văn HƯỚNG DẪN XẾP TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tham khảo xếp theo thứ tự ABC họ tên tác giả luận án theo thông lệ nước: - Tác giả người nước ngoài: xếp thứ tự ABC theo họ - Tác giả người Việt Nam: xếp thứ tự ABC theo tên giữ nguyên thứ tự thông thường tên người Việt Nam, không đảo tên lên trước họ - Tài liệu tên tác giả xếp theo thứ tự ABC từ đầu tên quan ban hành báo cáo hay ấn phẩm, ví dụ: Tổng cục Thống kê xếp vào vần T, Bộ Giáo dục Đào tạo xếp vào vần B, v.v… Tài liệu tham khảo sách, luận án, báo cáo phải ghi đầy đủ thông tin sau: • Tên tác giả quan ban hành (không có dấu ngăn cách) • (năm xuất bản), (đặt ngoặc đơn, dấu phẩy sau ngoặc đơn) • tên sách, luận án báo cáo, (in nghiên, dấu phẩy cuối tên) nhà xuất bản, (dấu phẩy cuối tên nhà xuất bản) • • nơi xuất bản, (dấu chấm kết thúc tài liệu tham khảo) (xem ví dụ trang sau tài liệu số 2, ,4, 23, 30, 31, 32, 33 Tài liệu tham khảo báo tạp chí, sách… ghi đầy đủ thông tin sau: • tên tác giả (không có dấu ngăn cách) • (năm công bố), (đặt ngoặc đơn, dấu phẩy sau ngoặc đơn) • “tên báo”, (đặt ngoặc kép, không in nghiên, dấu phẩy cuối tên) • tên tạp chí tên sách, (in nghiên, dấu phẩy cuối tên) • tập (không có dấu ngăn cách) • (sổ), (đặt ngoặc đơn, dấu phẩy sau ngoặc đơn) • số trang, (gạch ngang hai chữ số, dấu chấm kết thúc) (xem ví dụ trang sau tài liệu số 1, 28, 29) Cần ý chi tiết trình bày nêu Nếu tài liệu dài dòng nên trình bày sau cho từ dòng thứ hai lùi vào so với dòng thứ cm để phần tài liệu tham khảo rõ ràng dễ theo dõi Dưới ví dụ cách trình bày trang tài liệu tham khảo: TÀI LIỆU THAM KHẢO Anderson, J.E (1985), The Relative Inefficiency of Quota, The Cheese Case, American Economic Review, 75(1), pp 178-90 Borkakati R.P., Virmani S.S (1997), Genetics of thermosensitive genic male sterility in Rice, Euphytica 88, pp 1-7 Boulding, K.E (1955), Economics Analysis, Hamish Hamilton, London (1), tr 10-16 …………………………… 28 Institute of Economics (1988), Analysis of Expenditure Pattern of Urban Households in Vietnam, Department of Economics, Economic Research Report, Hanoi QUY ĐỊNH VỀ HÌNH THỨC TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ TÓM TẮT LUẬN VĂN ĐƯỢC TRÌNH BÀY THEO THỨ TỰ SAU: Tóm tắt luận văn trình bày 2trang, cỡ chữ VnTime (Roman) Times New Roman cỡ 13 Hệ soạn thảo Winword tương đương; mật độ chữ bình thường, không nén kéo dãn khoảng cách chữ; dãn dòng đặt chế độ 1,5 lines; lề cm; lề 3,0cm; lề trái 3, cm, lề phải cm Số trang đánh giữa, phía trang giấy Tóm tắt luận văn phải phản ánh trung thực kết cấu, bố cục nội dung luận án, phải ghi đầy đủ toàn văn kết luận luận văn Tuyệt đối không tẩy, xoá, sửa chữa tóm tắt luận văn Nôi dung tóm tắt luận văn trình bày ngắn gọn vấn đề theo trình tự mẫu TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Đề tài:………………………………………………………………………………… Tác giả luận văn:.………………………………………………Khóa: …………… Người hướng dẫn: …………………………………………………………………… Nội dung tóm tắt: a) Lý chọn đề tài b) Mục đích nghiên cứu luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu c) Tóm tắt cô đọng nội dung đóng góp tác giả d) Phương pháp nghiên cứu e) Kết luận DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT f Tần số dòng điện H’ P Số đôi cặp cực máy phát n Sô vòng quay máy phát Pxl Lực tác xylanh Mt Mômen turbine sinh Dxl Đường kính xylanh Mc Mômen cản tải pxl Áp suất tác dụng lên xylanh J Mômen quán tính tổ máy Qd Lưu lượng dầu ω Vận tốc góc máy phát Qb Lưu lượng bơm Ntb Công suất turbine Đường kính ống γ Trọng lượng riêng nước ∆p Áp suất tổn thất Q Lưu lượng turbine ∆p d Tổn thất dọc đường H Chiều cao cột nước ∆p c Tổn thất cục η tl Hiệu suất thuỷ lực vcl Vận tốc dầu b0 Chiều cao cánh hướng Vb Dung tích bình tích α0 Góc quay cánh hướng VH Dung tích không khí β0 Góc đặt cánh ∆V Thể tích dầu sử dụng làm việc β2 Góc đặt cánh V3 Độ no dầu thuỷ lực Z0 Số cánh hướng Ndc Công suất động td Thời gian đóng cánh hướng t0mt Nhiệt độ môi trường P Áp lực nước tmax Nhiệt độ lớn P1 Lực tác dụng từ phía truyền Qt Nhiệt lượng toả L Chu vi Profil cánh δ t` chiều dày bình R Bán kính điểm đặt lực so với trục cánh Jxl Mômen quán tính xylanh Mvanh Mômen vành hướng V Cột áp đóng cánh hướng Vận tốc dòng chảy bao cánh Cp0, CM0 Hệ số lực mômen DANH MỤC BẢNG Bảng Tra hệ số C Bảng Tra hệ số λ DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Turbine hướng trục trục đứng Hình 3.9 Phân bố biến dạng Hình 1.2 Turbine Kaplan Hình 3.10 Sơ đồ tính toán Hình 1.3 Turbine tâm trục (Trục ngang) Hình 3.11 Bơm bánh Hình 1.4 Tâm trục (trục đứng) Hình 3.12 Động điện Hình 1.5 Turbine chéo trục Hình 3.13 Van tỷ lệ Hình 1.6 Turbine gáo trục ngang Hình 3.14 Sơ đồ kết nối điều khiển Hình 1.7 Turbine gáo trục ngang Hình 3.15 Van 4/2 Hình 1.8 Turbine tia nghiêng Hình 3.16 Lọc hồi Hình 1.9 Turbine xung kích hai lần Hình 3.17 Van tiết lưu Hình 1.10 Turbine xung kích hai lần Hình 3.18 Xylanh thuỷ lực Hình 1.11 Phân loại điều tốc Hình 3.19 Van chiều Hình 1.12 Bộ điều tốc khí Hình 3.20 Thước đo dầu Hình 1.13 Bộ điều tốc thuỷ - Hình 3.21 Nắp đổ dầu Hình 2.1 Đường đặc tính Hình 3.22 Hút ẩm Hình 2.2 Họ đường đặc tính a thay đổi Hình 3.23 Đồ thị xác định ξ Hình 2.3 Đặc tính điều chỉnh tổ máy Hình 3.24 Manifold Hình 2.4 Đặc tính với H thay đổi Hình 4.1 Sơ đồ hàm truyền Hình 2.5 Sơ đồ kết cấu điều chỉnh Hình 4.2 Sơ đồ khâu tuabin Hình 2.6 Sơ đồ khối điều khiển Hình 4.3 Sơ đồ khâu khuyếch đại Hình 2.7 Sơ đồ thuỷ lực Hình 4.4 Cấu trúc khâu khuyếch đại Hình 3.1 Sơ đồ phân bố cánh hướng Hình 4.5 Cấu trúc điều chỉnh xylanh Hình 3.2 Sơ đồ đặt lực cánh tay đòn Hình 4.6 Cấu trúc mạch điều khiển vị trí Hình 3.3 Sơ đồ tính toán kết cấu Hình 4.7 Cấu trúc điều chỉnh tần số Hình 3.4 Sơ đồ tính cân Hình 4.8 Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh tốc độ Hình 3.5 Kích thước tính thùng dầu Hình 4.9 Mạch vòng điều khiển vị trí Hình 3.6 Hình dáng thùng dầu Hình 4.10 Sơ đồ điều chỉnh tần số Hình 3.7 Hình dáng bình tích Hình 3.8 Phân bố ứng suất Tần số tổ máy ăn tải - Có thể thấy cho hệ thống ăn tải thời điểm giây thứ tần số có giảm xuống đôi chút (một giá trị cho phép) sau lấy lại cân ( sau vài giây) Thời gian lấy lại cân lớn tải hệ thống lớn - Với mômen quán tính turbine – máy phát lớn ăn tải biên độ ổn định nhỏ so với mômen quán tính tổ máy nhỏ Thời gian lấy lại cân ngắn - Khi xét đến thay đổi hệ số Ki PID ta thấy hệ số ảnh hưởng lớn đến độ ổn định tần số tổ máy ăn tải Ta xem phụ lục 14, 16, 17 ta thấy tăng Ki lên thị biên độ tần số ăn tải không thay đổi thời gian độ, ổn định ăn tải giảm nhiều Như từ nhận xét ta chọn lại thông số PID sau: R f = 220234,04 + 186172 + 0,021 p p 81 (87) KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN: Trong luận văn tác giả nghiên cứu loại turbine loại điều tốc chúng Đã chọn điều chỉnh tốc độ cho turbine Francis có công suất ≤ MW ứng dụng cho thuỷ điện nhỏ Việt Nam Đây nghiên cứu phục vụ nhu cầu nhiều đề tài nghiên cứu khoa học phục vụ sản xuất Viện Thuỷ điện Năng lượng tái tạo – nơi tác giả làm việc Tác giả chọn loại điều tốc điện thuỷ lực có ưu điểm đơn giản, gọn nhẹ kết cấu phù hợp với thực tế tiến van tỷ lệ thuỷ lực nay, giá thành rẻ Trên sở lý thuyết truyền thống xây dựng mô hình mô tả động lực học máy điều tốc khảo sát đặc tính độ máy điều tốc Kết thu cho thấy máy điều tốc điện thuỷ lực cho thấy có đặc tính bậc Ứng dụng phần mềm Simulink xây dựng đường độ phản ứng hệ thống có tải thay đổi Kết cho thấy trình độ khởi động nhỏ giây nhỏ giây đóng cánh hướng 100% Khi hệ thống điện ăn tải hệ thống vào trình độ ngắn, tần số dòng điện giảm xuống đôi chút sau hệ thống lấy lại gía trị 50Hz Thời gian độ nhỏ giây ứng với hệ số PID công thức (87) Đã khảo sát ảnh hưởng thông số tổ máy, tải hệ số Ki PID đến trình độ Kết cho thấy chất lượng động lực học trình độ tương đối tốt thoả mãn yêu cầu đặt ban đầu cho điều tốc Đã tính toán thiết kế chế tạo số chi tiết quan trọng máy điều tốc: Thùng dầu, bình tích năng, bệ xylanh, chốt xylanh… Kết thiết kế đem chế tạo KIẾN NGHỊ 82 Trong điều kiện thấy hoàn toàn bặt kịp thiết kế lắp ráp vận hành máy điều tốc Tuy nhiên kết nghiên cứu phục vụ chủ yếu cho đề tài luận văn tài thạc sỹ tác giả Những kết cần phải đầu tư nghiên cứu thực tế để đưa vào chế tạo thử nghiệm sản xuất đại trà áp dụng cho công trình quan tác giả thương mại hoá sản phẩm Để có kết thực tế mong muốn cần có quan tâm đơn vị liên quan để đề tài hoàn thiện tốt thực tế hoá đưa vào sản xuất 83 PHỤ LỤC Bảng Số cánh hướng cấu λ 16 24 32 0,034 0,03 0,028 Phụ lục Kêt chia lưới kiểm tra bệ xylanh 84 Phụ lục Kết tính ứng suất bệ xylanh Phụ lục Kết biến dạng bệ xylanh 85 Phụ lục Biểu đồ mômen tính chốt xylanh Phụ lục Biểu đồ ứng suất tính chốt xylanh 86 Phụ lục Miền ứng suất trục turbine 87 Phụ lục Hiển thị làm việc mạch vòng điều khiển vị trí cánh hướng Phụ lục Tần số tải 88 Phụ lục Tần số tăng10% Mômen đà tổ máy Phụ lục 10 Tần số tăng20% Mômen đà tổ máy 89 Phụ lục 11 Hiển thị tần số tăng 50% Mômen đà tổ máy Phụ lục 12 Hiển thị tần số giảm mômen đà 90 Phụ lục 13 Hiển thị tần số tăng Kq Phụ lục 14 Hiển thị tần số ăn tải (10%) thời điểm 5giây 91 Phụ lục 15 Tần số ăn tải (10%) với Mômen đà tổ máy tăng 50% Phụ lục 16 Tần số ăn tải (10%) với hệ số Ki tăng lần 92 Phụ lục 17 Tần số ăn tải (10%) với hệ số Ki tăng 10 lần 93 Phụ lục 16 Bố trí lắp đặt hệ thống 94 TÀI LIỆU THAM KHẢO Võ sỹ Huỳnh Nguyễn Thị Xuân Thu (2004), Tuabin nước, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội Tiêu chuẩn tính toán tuabin nước Cộng Hoà Nhân Dân Trung Hoa Trần Doãn Đỉnh, Phạm Xuân Mão, Nguyễn Ngọc Lê (2002), Truyền dẫn thuỷ lực chế tạo máy, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội Nguyễn Đình Châm (2002), Sức bền vật liệu , Nhà xuất Xây Dựng, Hà Nội Tài liệu kỹ thuật (2006), Công ty Tân Nam Bùi Hải (2008), Kỹ Thụât Nhiệt, Nhà xuất Khoa học Kỹ Thuật Trần Văn Địch (2006), Sổ tay thép giới, Nhà xuất Khoa Học Kỹ Thuật, Chen Wai – Fah (1999), Structural Engineering Handbook, CRC Press LCC GS.TS Nguyễn Trọng Thuần (2006), Điều khiển logic ứng dụng, Nhà xuất khoa học kỹ thuật 10 Bộ môn Tự động hoá, Đại học bách khoa Hà Nội (2006), Mô hình Hoá Mô hệ thống điều khiển tự động 11 Nguyễn Phùng Quang (2006), Matlab & simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, Nhà xuất Khoa Học Kỹ Thuật 95 ... cú mi liờn h ngc cng - B iu tc cú mi liờn h ngc mm 1.2.5 Theo phng phỏp iu chnh máy điều tốc điều chỉnh lu lợng Cơ khí điều chỉnh phụ tải Cơ điện điện tử thuỷ lực thuỷ lực điện analog digital... ch to turbine nh ang dn c hon thin v phỏt trin - Trong lun ny tỏc gi t mc tiờu ca ti : Nghiờn cu, Thit k ch to h thng iu tc in - Thu lc cho turbine Francis Turbine c a lun ny c s dng cho Cụng... m u - Lý chn ti - Lch s nghiờn cu - Mc ớch nghiờn cu ca lun vn, i tng, phm vi nghiờn cu - Túm tt cụ ng cỏc lun im c bn v úng gúp mi ca tỏc gi - Phng phỏp nghiờn cu Ni dung: - Chng - Chng - Chng