đồ an tua bin tâm trục

đồ án thiết kế tua bin tâm trục ĐỒ ÁN MÁY CÁNH DẪN TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ TUABIN TÂM TRỤC 1. Nhiệm vụ thiết kế Tính toán thiết kế tuabin tâm trục theo đề bài yêu cầu của giáo viên. 2. Các thông số ban đầu: Với phương án đề ra là thiết kế Tuabin tâm trục với {█(H=30 mQ=5〖 m〗3s)┤

ĐỒ ÁN MÁY CÁNH DẪN TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ TUABIN TÂM TRỤC

1 Nhiệm vụ thiết kế

-Tính toán thiết kế tuabin tâm trục theo đề bài yêu cầu của giáo viên

2 Các thông số ban đầu:

-Với phương án đề ra là thiết kế Tuabin tâm trục với

Tra bảng(5.1-SGK63) với thông số H và Q đã cho ta chọn tuabin tâm trục :

- Tính chọn hệ loại tua bin

- Xác định thông số chính của tuabin ,n, N

- Chọn sơ bộ máy phát

5 Họ và tên cán bộ hướng dẫn : TS.Đỗ Huy Cương

Mục lục

Lời mở đầu

Hiện nay, nhu cầu sử dụng năng lượng điện cũng như các nguốn năng lượng khác

trên cả nước là vô cùng lớn Đất nước đang trên đà phát triển, công nghiệp hóa hiện đại hóa ở khắc mọi nơi Trong khi đó, tình trạng thiếu hụt năng lượng vẫn thường xuyên diễn

ra, đặc biệt vào những mùa, những ngày , những giờ cao điểm đã gây rất nhiều khó khăn trở ngại trong sinh hoạt cũng như phát triển sản xuất

Đất nước ta có nguồn tài nguyên nước vô cùng phong phú, hệ thống sông, suối, kênh, ngòi chằng chịt nối tiếp nhau từ Bắc vào Nam Trữ năng ly thuyết thủy điện trên cả nước ước tính là gần 300 tỷ kWh điện, với công suất khoảng 32 kW Trong đó, trữ năng thủy điện kĩ thuật là khoảng 80 tỷ kWh, công suất lắp máy 17438 MW Hơn nữa nguồn thủy năng có ưu điểm nổi trội mà các dạng năng lượng khác như than đá, dầu mỏ, năng lượng nguyên tử không thể có được đó là khả năng tái sinh.Thủy năng là một nguồn năng

lượng tuần hoàn, trong quá trình biến đỏi năng lượng sau khi biến đổi thành nhiệt năng và

cơ năng, thủy năng lại được tái tạo tự nhiên

Trong chiến lược phát triển năng lượng cảu chính phủ, việc xây dựng các nhà máy thủy điện nhỏ xen kẽ với sự phát triển các nhà máy thủy điện lớn, nhà máy nhiệt điện, nhà máy điện nguyên tử ở các khu vực khác nhau là giải pháp hữu hiệu để giải quyết các vấn đề nêu trên Nhiều nhà máy thủy điện đã và đang được xây dựng trên khắp cả nước Các nhà máy thủy điện Hòa Bình, Trị An, Thác bà, Thác Mơ… đang ngày đêm hoạt động

để đưa điện thắp sang đến từng nhà Và cũng còn rất nhiều nhà máy thủy điện cỡ nhỏ cũng đang được đầu tư xây dựng

Nhưng có một điểm chung ở tất cả các nhà máy thủy điện đó là tuabin, phần chính và cũng là trái tim của nhà máy thủy điện, thì chúng ta vẫn chưa sản xuất được trong nước

mà phải nhập ngoại hoàn toàn Bởi lẽ, tuabin nói chung và tuabin nước nói riêng vẫn còn khá mới mẻ ở Việt Nam.Với trình độ công nghệ và vật liệu nước ta hiện nay thì việc chế tạo các tuabin nước có công suất lớn còn gặp nhiều khó khăn, các cơ sở nghiên cứu trong nước chưa có đội ngũ cán bộ nghiên cứu chuyên ngành đủ mạnh, không có phòng thí nghiệm mô hinh, thiếu vốn đầu tư…có thể nói chúng ta chưa thể chế tạo tuabin công suất lớn trong nước

Tuy nhiên, với các loại tuabin nhỏ và trung bình thì chúng ta đã bắt đầu nghiên cứu chế tạo và bước đầu đạt được những kết quả khả quan, tuabin chế tạo có hiệu suất tương đối cao và hoạt động khá ổn định

Qua đây, em cũng xin phép gửi lời cảm ơn chân thành đến các Thầy cô trong bộ môn máy thủy khí , đặc biệt là Thầy giáo Ts Đỗ Huy Cương đã tận tình chỉ bảo em trong suốt quá trình học, đồng thời đưa ra nhưng hướng dẫn, ý kiến đóng góp ý kiến quý báu giúp chúng em hoàn thành đồ án này

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng năm

Sinh viên

Nguyễn Trọng Nghĩa

Bùi Quốc Nam

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ TUABIN THỦY ĐIỆN

1.1 Tuabin nước và quá trình phát triển

Ngành năng lượng học trên thế giới đang phát triển mạnh Loài người đang tíchcực tìm kiếm những nguồn năng lượng khác nhau để sử dụng cho các ngành kinh tế.trong đó năng lượng truyền thống như than đá, dầu, khí đốt, hạt nhân, thủy điện được coi

là dạng năng lượng cơ bản Còn những nguồn năng lượng như năng lượng gió, nănglượng mặt trời, năng lượng thủy triều, năng lượng thủy điện cực nhỏ… là nguồn nănglượng mới

Ở nước ta, có ba nguồn năng lượng chính được khai thác đó là : than, dầu khí vànăng lượng từ các dòng song suối lớn Còn các nguồn năng lượng khác nhau như nănglượng hạt nhân, năng lượng gió, năng lượng thủy triều, năng lượng mặt trời… đang đượcnghiên cứu sử dụng

Năng lượng dòng chảy trong các song suối của nước ta rất phong phú, đứng hang

22 trên thế giới về tiềm năng thủy điện Nguồn năng lượng quý giá này phân bố trên khắp

nước ta Trữ năng lý thuyết thủy điện trên cả nước ta ước tính khoảng (270-300) tỷkWh/năm, tương ứng với công suất 32.10^6 kW Trữ năng thủy điện kỹ thuật khoảng

80 tỷ kWh/năm, trong đó trữ năng thủy điện của thủy điện vừa và nhỏ là khoảng 16tykWh/năm

Thủy năng là dạng năng lượng tái tạo, khác với các nguồn năng lượng truyền thốngnhư than đá, dầu, khí đốt… không thể tái tạo, đây là nguồn năng lượng sạch, không gây ônhiềm môi trường, trạm thủy điện kết hợp với các công trình khác phục vụ cho nôngnghiệp, giao thông, du lịch nên thủy điện đang được cả thế giới quan tâm

-Tuabin nước là một thiết bị động lực dung để biến đổi năng lượng cảu của dòng chảythành cơ năng để kéo máy phát điện Đây là loại máy thủy lực đầu tiên được con người

sử dụng phục vụ cuộc sống và sản xuất

- Cùng với cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật, ngày nay các loại tuabin được cải tiến

và hoàn thiện ở mức độ cao Nhiều kiểu tuabin mới được đưa ra thực tiễn, nhưng chủ yếu

có 2 loại : Tuabin phản lực và tua bin xung lực

1.2 Phân loại và phạm vi sử dụng

Tuabin phản lực: làm việc nhờ cả hai phần động năng và thế năng của dòng chảy,

nhưng chủ yếu là thế năng Là hệ tuabin được sử dụng rộng dãi nhất, thường sử dụngtrong phạm vi cột nước 1,5-600m Bao gồm:

-Tuabin hướng trục: hướng chuyển dộng của dòng chảy trong phạm vi bánh công tácsong song với trục quay của tuabin Có 2 kiểu:

• Tuabin hướng trục cánh cố định

• Tuabin hướng trục cánh xoay (Kaplan) -Tuabin tâm trục (tuabin Francis): hướng chuyển độngc ủa dòng chảy ban đầu theophương hướng tâm, sau chuyển sang hướng song song song trục Đây là loại tuabin cóhiệu suất cao, nhưng chỉ thích hợp ở các trạm có cột nước ít thay đổi Ở nước ta nhà máythủy điện Hòa Bình, Trị An sử dụng tuabin tâm trục cơ trung bình, cũng như tại các trạmthủy điện Tasa, Na Ngần sử dụng tuabin tâm trục cỡ nhỏ

Hình 1.3 tuabin tâm trục và tuabin hướng trục -Tuabin hướng chéo: dóng chảy trong vùng bánh công tác của tuabin này hợp với trục quay bánh công tác một góc nào đó Tuabin làm việc trong phạm vi cột nước 30-150m,

có thể điều chỉnh cánh nên phạm vi điều chỉnh công suất có hiệu suất cao tương đối rộng -Tuabin xung lực: chỉ làm việc nhờ vào phần động năng của dòng chảy, phần thế năng không đổi Thường dung cho trạm có cột nước cao, lưu lượng nhỏ

Bao gồm:

-Tuabin gáo (tuabin penton) : được sử dụng rộng rãi nhất

-Tuabin tia nghiêng

-Tuabin xung kích hai lần (tuabin banki)

Hình 1.4 tuabin gáo

CHƯƠNG II : CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT KẾ

TUABIN NƯỚC

2.1 Xây dựng phần dẫn dòng của tuabin

Phần dẫn dòng vào và ra của tuabin bao gồm buồng dẫn dòng vào và buồng hút , yêu cầu chung với phần này là dẫn dòng vào và ra với tổn thất nhỏ nhất

Buồng dẫn dòng vao (buồng xoắn) có nhiệm vụ dẫn nước vào bánh công tác, hình thành dòng chảy trước mép vào của cánh hướng

Yêu cầu đối với buồng xoắn:

-Đảm bảo độ đồng trục

-Đảm bảo tổn thất trong buồng xoắn là nhỏ nhất

-Trong trạm thủy điện kích thước ngang của buồng xoắn là kích thước lớn nhất nó quyết định đến chiều ngang của máy Vậy yêu cầu của buồng xoắn là kích thước ngang nhỏ Các thông số đặc trưng của buồng xoắn :

-Chiều rộng buồng xoắn: B

-Góc ôm buồng xoắn :

* Các dạng buồng xoắn:

+ Buồng xoắn hở : Dùng cho các loại tuabin nhỏ cột áp H=3 Ưu điểm của loại này là tạo

ra dòng chảy đối xứng trục, tổn thất nhỏ nhưng nó có nhược điểm là khoảng cách giữa các tổ máy phải đủ lớn, bề rổng của tổ máy lớn B

+Buồng xoắn bê tông: thong thường loại này có tiết diện hình thang góc ôm nhỏ dùng cho các trạm có cột áp trung bình và thấp H= với các thông số chủ yếu sau:

B = (2,43,5),

+Buồng xoắn dạng kim loại: tiết diện gần mũi xoắn là elíp, dung cho các trạm có cột áp trung bình và cao , ,

*Ảnh hưởng của buồng xoắn đến đặc tính của tuabin

Ảnh hưởng của buồng xoắn đến việc hình thành dòng chảy và hiệu suất của tuabin đến dòng chảy ra khỏi buồn xoắn có lưu số nào đó tính theo công thức:

(2.1) Lưu số này phụ thuộc vào góc ôm và diện tích tiết diện vào,nếu tăng diện tích này và giảm góc ôm thì lưu số giảm, nếu giảm diện tích tiết diện vào thì sẽ làm giảm hiệu suất tuabin

2.2 Dựng đường dòng đẳng thế

Hình 2.2 : Đường dòng đẳng thế trong mặt kinh tuyến của tuabin mô hình có

Xây dựng mặt dòng trong mặt cắt kinh tuyến bao gồm hai phần:

Dòng đẳng thế được đặc trưng bởi tính chất : không có xoáy (lưu lượng qua bánh công tác được tính theo công thức :

(2.2) Lưu lượng nguyên tố qua diện tích hình vành khuyên giữa hai đường dòng liên tiếp:

(2.3) =

= (2.5)

Nếu gọi:

(2.6)Thì :

(2.7) (2.8) Vậy sau khi dựng đường dòng đẳng thế, tính được độ chênh thế theo (2.8) ta có thể tính được trường vận tốc kinh tuyến

2.2.2 Phương pháp dựng đường dòng đẳng thế

- Vẽ mặt cắt kinh tuyến với đường kính , sau đó chọn giới hạn bản vẽ bởi mặt cắt I-I,

II-II sao cho mặt kinh tuyến bao hết vùng lá cánh và tiết diện dòng trước và sau lá cánh đủ

xa để dòng song phẳng không chịu ảnh hưởng của các lá cánh

-Chia tiết diện biên đầu và cuối thành các phần có diện tích bằng nhau sao cho :

(2.9)

i=5÷9 : số đường dòng

k: số thứ tự đường dòng cần tính

- Vẽ sơ bộ các đường dòng nối các điểm của hai tiết diện biên đầu và cuối

- Dựng đường vuông góc với các đường dòng, đây sẽ là các đường dòng đẳng thế, sao cho mm

- Tính toán vị trí các đường dòng theo tính toán phần (2.5) theo phương pháp tính gần đúng liên tiếp và lập bảng

- Tìm trường vận tốc theo 2.4 sau đó vẽ lại đồ thị

2.3 Xây dựng biên dạng cánh công tác

Để thiết kế một tuabin tâm trục người ta phân ra hai dạng bài toán : bài toán thuận và

bài toán ngược Bài toán thuận chủ yếu phục vụ cho mục đích nghiên cứu lý thuyết với nội dung:

+ Dựa trên cơ sở cá kích thước hình học, đã có hình dạng kích thước của các dãy cánh, ta cần xác định các thông số động học của hệ thống cánh dẫn Nghĩa là tính toán chảy bao lưới cánh bới dòng chất lỏng lý tưởng

+ Xác định chất lượng của dãy cánh, tính tổn thất và đánh giá khả năng xảy ra xâm thực

+ Tính lực, momen để điều chỉnh bánh hướng, bánh công tác và tính bền bánh công tác và bánh hướng

+ Đôi khi nó cũng được dung để kiểm tra bài toán ngược Tuy nhiên để áp dụng bài toán thuận và giải cho dãy cánh trong tuabin có kích thước bất kì là một điều hết sức phức tạp

Trong giải bài toán thuận phải kết hợp: phương pháp biến hình bảo giác và phương pháp phương trình tích phân

-Bài toán ngược thường được sử dụng để thiết kế hệt thống cánh dẫn cho tuabin

Nhiệm vụ của bài toán ngược là xác định kích thước hình dạng của profil dãy cánh sao cho đáp ứng được yêu cầu về mặt thủy động Để giải bài toán ngược trong tuabin có thể

có nhiều phương pháp từ đơn giản đến phức tạp

Đối với tuabin tâm trục có 2 phương pháp chủ yếu:

+ Phương pháp một tọa độ

+Phương pháp hai toạ độ

2.3.1 Nội dung phương pháp một tọa độ

Ở phương pháp này ta coi thong số chỉ thay đổi dọc theo đường dòng, các đường dòng

độc lập với nhau Sau khi chọn sơ bộ,vẽ mặt kinh tuyến , dựng đường dòng, chọn điều kiện mép vào và mép ra Ở tuabin tâm trục quan trọng nhất là chọn mặt ánh sau đó ta dùng các phương pháp ánh xạ biến đổi để đổi mặt dòng thành mặt trụ hoặc mặt nón Sau

đó tính chuyển tọa độ từ mặt dòng ra mặt ánh xạ, trên mặt ánh xạ đó ta dựng được đường nhân profil, sau đó đắp độ dày cho profil Cuối cùng tính chuyển tọa độ từ mặt ánh xạ về mặt dòng Vậy khâu quan trọng nhất của phương pháp này là chọn mặt ánh xạ và các phép tính chuyển đổi từ mặt dòng sang mặt ánh xạ và ngược lại

2.3.2 Nội dung phương pháp hai tọa độ

Dòng chảy của tuabin tâm trục là dòng đối xứng qua trục, số cánh của tuabin tương đối lớn có thể dựa vào giả thiết số cánh nhiều vô cùng Trên cơ sở dòng chảy tương đối tạo bởi mặt dòng, có thể thay mặt cánh bằng mặt xoáy có cùng cường độ

Đồ án được giao là thiết kế tuabin tâm trục, để thiết kế đồ án có hai phương pháp tuy nhiên đối với phương pháp một tọa độ có thể dễ dàng hơn cho việc thiết kế song phương pháp này chỉ dựa trên các công thức kinh nghiệm mà thiếu cơ bản về mặt ý thuyết vì vậy chúng em sẽ dung phương pháp hai tọa độ để thiết kế đồ án (phương pháp này còn có tên gọi là phương pháp Bauerspheldo)

2.3.3 Cơ sở lý thuyết phương pháp hai tọa độ

Để tìm hiểu kĩ về phương pháp thiết kế này chúng ta nhắc lại những nét cơ bản nhất của lý thuyết cánh dung cho tuabin tâm trục Xét quan hệ giữa cánh với dòng chảy qua bánh công tác của tuabin tâm trục ta nhận thấy : Dòng chảy trong tuabin tâm trục là đối xứng qua trục Số cánh tuabin tương đối lớn và có thể dựa vào giả thiết số cánh lớn vô cùng

Trên cơ sở giả thiết dòng chảy tương đối tạo bởi mặt dòng, có thể thay mặt cánh bằng mặt xoáy với cường độ

Trong tọa độ trụ (r,z,x) ta có phương trình mặt cánh có dạng chung:

F(r,z,x)=0

Để đảm bảo dòng chảy không tách dòng thì mặt cánh phải trùng với mặt dòng, hay nói một cách cụ thể hình chiếu của các thành phần biến đổi của mặt dòng bằng đại lượng thay đổi tương ứng của các phần tử mặt cánh theo ba phương, nghĩa là:

(2.10)

Ta có thể xác định các thành phần vận tốc tương đối theo tọa độ mặt dòng:

(2.11) Thay từ biểu thức (2.9) trở lên ta có:

Tiết diện kinh tuyến cảu cánh theo phương vuông góc z=const có dạng như sau: (2.17c)

Tiết diện kinh tuyến của cánh theo r = const có dạng:

(2.17d)

Vậy nếu cho trước cường độ xoáy với các thành phần vận tốc của nó và trường vận tốc thành phần trong phạm vi bánh công tác từ phương trình b, c, d ta có thể xác định được phương trình mặt cánh F(r,z,x)

Trong thực tế rất khó xác định được thánh phần xoáy và vận tốc một cách chính xác

để đáp ứng được chất lượng bánh công tác

Để xây dựng biên dạng cánh bánh công tác theo phương phap hai tọa độ ta có hai trường hợp:

- Trường hợp dòng chảy là dòng thế

- Trường hợp dòng chảy xem là dòng xoáy

*Xây dựng cánh trong trường hợp

Trong trường hợp này dường xoáy phân bố trong mặt cắt kinh tuyến:

ta xét trường hợp từ phương trình (2.17b) ta có:

Với nên ta có:

(2.18) Thay giá trị:

Vào phương trình (1.14) ta có:

*Xây dựng cánh trong trường hợp

Trường hợp tổng quát ta có phương trình xoáy liên hợp:

(2.21) Trong đó dr, dz, r là hình chiếu của các phần tử xoáy

ở đây khác với trường hợp , đường xoáy không phải là đường cong của mặt

phẳng Từ biểu thức trên có thể viết thành hai phương trình sau:

Phương trình xoáy theo phương u có dạng:

Vậy với các dạng khác nhau của thì các đại lượng đó sẽ khác nhau dẫn tới những biên dạng khác nhau.

Giải phương trình (2.21) với điều kiện được xác định bởi kích thước và hình dạng dẫn dòng của tuabin là vấn đề phức tạp, phương trình này chỉ giải được đơn giản trong trường hợp đẳng tốc vì rằng trong dòng đẳng tốc thì vấn tốc kinh tuyến và hằng số dọc theo đường vuông góc với đường dòng

Về mặt vật lý trong trường hợp thì dòng đẳng tốc phù hợp với dòng xoáy còn dòng đẳng thế thì thích hợp vs dòng không xoáy

Để xác định được của dòng đẳng tốc giữa 2 đường dòng và 2 đường vuông góc giữa 2 đường dòng đó tạo thành chu tuyến ABCD

Ta coi các mặt cánh là do các đường xoáy tạo nên Cường độ xoáy đó là Trên

cơ sở đó ta có phương trình vi phân:

, hay:

Trong đó: - Phần tử góc do sự tồn tại của

- hình chiếu của phần tử đường xoáy theo u

Ta chọn 1 đường cong chuẩn , chọn quy luật biến đổi tương tự như trường hợp

=0 Tính toán cho đường dòng chuẩn này cũng như trường hợp ; theo công thức (2.20)

CHƯƠNG III : CHỌN VÀ XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG

SỐ CỦA TURBINE.

3.1 Chọn Tuabin và tính toán các thông số cơ bản.

3.1.1.Chọn tuabin thiết kế

- Với phương án đề ra là thiết kế Tuabin tâm trục với

* Theo công thức (1.7-SGK11) ta có công xuất của chạm

N=9,18.Q.H=9,18.30.5=1471 (KW)

* Với công xuất trên ta chon Tuabin tâm trục loại công xuất nhỏ :

Tra bảng (5.1-SGK63) vơi thông số H & Q đã cho ta chọn Tuabin tâm trục :

3.1.2 Tính toán các thông số chính của tuabin tâm trục

a tính toán đường kính bánh xe công tác (D1)

- áp dụng công thức (5.1-SGK62) ta có cách xác định đường kính bánh công tác của Tuabin tâm trục đã chọn là :

c Tính lại công xuất tuabin thiết kế :

- Theo công thức (2.17- SGK33) ta có công xuất tuabin thiết kế :

)

CHƯƠNG IV TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BÁNH CÔNG

TÁC TURBINE TÂM TRỤC

4.1 Chọn biên dạng mặt cắt kinh tuyến và một số thông số khác

4.1.1 Thông số đầu vào

l/t = 1,5÷3,5 → chọn l/t =2

- Vị trí mép vào và mép ra của bánh công tác

Do Áp dụng công thức đối với tiết diện sát vành dưới bánh côn tác

* Tại tiết diện (I-I) ta giả thiết

Trong đó: + :Vận tốc theo chiều cao cánh hướng

+

- Ta chia tiết (I-I) ra thành n=i-1 =7-1=6 phần

Ta có chiều cao mỗi đoạn :

- Vận tốc trung bình tại tiết diện (I-I) theo công thức (5.52SGK93)

- Sau khi chia vị chí đầu và cuối của 5 đường dòng tại 2 tiết diện trên, ta vẽ sơ bộ

đường dòng theo kinh nghiệm

- vẽ tiếp các đường vông góc với các đường dòng đó với khoảng cách

-Lập bảng tính toán để tìm vị trí xác định của các đường dòng theo cơ sở lý

thuyết với các tính toán sau: