Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số hình học của bánh công tác đến đặc tính làm việc của máy thuận nghịch bơm tuabin ns thấp (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Thị Nhớ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THƠNG SỐ HÌNH HỌC CỦA BÁNH CƠNG TÁC ĐẾN ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC CỦA MÁY THUẬN NGHỊCH BƠM – TUABIN nS THẤP Ngành: Kỹ thuật khí động lực Mã số: 9520116 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Hà Nội – 2019 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Trương Việt Anh TS Vũ Văn Trường Phản biện 1: GS.TS Lê Danh Liên Phản biện 2: GS.TS Dương Thanh Lượng Phản biện 3: PGS.TS Thái Doãn Tường CHƯƠNG Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …… giờ, ngày … tháng … năm ……… Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội Thư viện Quốc gia Việt Nam DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN Nguyễn Thị Nhớ, Phạm Phúc Yên; Trương Việt Anh, “Nghiên cứu ảnh hưởng số thơng số hình học thiết kế thủy lực tuabin mơi hình tốn ứng dụng cho thủy điện Khesoong”, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, ISSN 0866-7056, tháng năm 2016 Nguyễn Thị Nhớ, Bùi Quốc Thái; Vũ Văn Trường; Trương Việt Anh, “Phân tích ảnh hưởng số thơng số hình học đến đặc tính lượng thiết kế máy thủy lực thuận nghịch bơmtuabin”, Hội nghị học thủy khí tồn quốc lần thứ 19, tháng năm 2016 Nguyễn Thị Nhớ, Vũ Văn Trường, Trương Việt Anh, “Mơ số 2D xác định đặc tính lượng tuabin vận hành mơ hình thuận nghịch bơm-tuabin”, Hội nghị học thủy khí tồn quốc lần thứ 19, tháng năm 2016 Nguyễn Thị Nhớ, “Phân tích lý thuyết ảnh hưởng số cánh đường kính chuẩn thiết kế tuabin vận hành mơ hình thuận nghịch bơm-tuabin”, Hội nghị khoa học thường niên Đại Học Thủy Lợi, ISBN:978-604-82-1980-2, tháng 12 năm 2016 Nguyễn Thị Nhớ; Đào Ngọc Hiếu, “Pumped storage hydropower in Viet Nam: Current situation and perspective”, Hội nghị khoa học thường niên Đại Học Thủy Lợi, ISBN:978-604-82-1980-2, tháng 12 năm 2016 Nguyễn Thị Nhớ, “Utilizing CFD numerical simulation to research the cavitation in reversible impeller of pump as turbine working in the pump mode”, Hội nghị khoa học thường niên Đại Học Thủy Lợi, ISBN:978-604-82-1980-2, tháng 12 năm 2017 Nguyễn Thị Nhớ, Vũ Văn Trường, Trương Việt Anh, “Theoretical prediction of performance curves of Pump - Turbine at a low specific speed”, Seventh International Conference and Exhibition on Water Resources and Renewable Energy Development in Asia, Volume 25 - Issue 2, tháng năm 2018 Nguyễn Thị Nhớ, Vũ Văn Trường, Trương Việt Anh, “Some improvement in design of a Pump - Turbine ata low specific speed”, Seventh International Conference and Exhibition on Water Resources and Renewable Energy Development in Asia, Volume 25 - Issue 2, tháng năm 2018 Nguyễn Thị Nhớ, Đặng Quang Hào, Trương Việt Anh, “Nghiên cứu thực nghiệm máy thuận nghịch bơm – tuabin có số vòng quay thấp”, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, ISSN 08667056, tháng năm 2019 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Bơm–tuabin (Pump as Turbine, viết tắt PaT) thiết bị thủy lực thuận nghịch vừa có khả làm việc bơm tuabin, dùng trạm thủy điện tích Thế giới cơng bố nhiều nghiên cứu dạng máy này, đặc biệt phận bánh cơng tác Các nghiên cứu sử dụng nhiều mơ hình tốn khác nhau, kỹ thuật mô thực nghiệm để dự báo đặc tính lượng máy PaT vận hành thuận nghịch kết trình thiết kế cải tiến biên dạng cánh Kết cho thấy máy thuận nghịch PaT làm việc lên đến 700m cột nước, công suất 500MW hiệu suất thủy lực trung bình máy đạt tới 91% Tuy nhiên, vấn đề thách thức đặc điểm phức tạp vấn đề nghiên cứu, là: (1) Lý thuyết thiết kế dự báo đặc tính thủy lực máy PaT chưa công bố đầy đủ, rõ ràng, áp dụng với đặc thù máy; (2) Đa số kết giới loại máy thực mô số thực nghiệm Đây khó khăn lớn điều kiện nghiên cứu Việt Nam Như vậy, tính xác để dự báo đặc tính lượng máy PaT lý thuyết để tính tốn thiết kế thơng số hình học biên dạng cánh hai thách thức lớn việc thiết kế, chế tạo tổ máy PaT Việt Nam Để đáp ứng nhu cầu thực tiễn, luận án chọn đề tài:“Nghiên cứu ảnh hưởng số thơng số hình học bánh cơng tác đến đặc tính làm việc máy thuận nghịch bơm–tuabin ns thấp” Luận án tập trung giải hai vấn đề lớn theo điều kiện giả thiết cho mơ hình máy cụ thể luận án Mục tiêu nghiên cứu luận án Luận án đưa ba mục tiêu sau: (1) Đưa sở tính tốn thiết kế bánh cơng tác thuận nghịch cho máy PaT có n s thấp (trong khảng 90-150) sở lý thuyết có (2) Đưa dạng mẫu cánh bánh cơng tác có thơng số hình học phù hợp với khả làm việc hai chế độ bơm tuabin (3) Áp dụng để phân tích cho dạng máy PaT cụ thể Việt Nam Đối tượng phạm vi nghiên cứu Theo bảng danh mục dự án Thủy điện tích giai đoạn 20112030 có điều chỉnh bảy phương án thủy điện tích (TĐTN) có khả xây dựng với tổng công suất lắp máy 2100MW Cũng theo quy hoạch, trạm TĐTN có cơng suất lắp máy 300MW cột nước cao Dựa vào thơng số tính tốn sơ cột nước, lưu lượng công suất dự kiến bảy phương án TĐTN (bao gồm TĐTN Bắc Ái phương án 1,2,3,4 Đông Phù Yên phương án 1,2) cho thấy trạm có số vòng quay đặc trưng n s thiết bị thủy lực dao động từ 90 đến 150 Vì vậy, tác giả lựa chọn phạm vi nghiên cứu luận án máy PaT có n s từ 90 đến 150 phù hợp với tình hình thực tế nghiên cứu Việt Nam Đồng thời nghiên cứu này, thơng số đầu vào lấy theo mơ hình tương tự TĐTN Phù Yên Đông Phương pháp nghiên cứu Tác giả sử dụng phương pháp tính tốn lý thuyết kết hợp với phương pháp mô số động lực học dòng chảy CFD thực nghiệm để giải mục tiêu nêu luận án Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án 1.1 Ý nghĩa khoa học luận án (1) Đề xuất phương pháp tiếp cận khoa học nghiên cứu để dự báo đặc tính lượng (cột nước (H), công suất (P) hiệu suất (η)) máy PaT làm việc chế độ bơm tuabin (2) Trên sở lý thuyết truyền thống thiết kế thơng số hình học bánh cơng tác bơm tuabin Luận án đề xuất phương pháp tính tốn thiết kế biên dạng cánh bánh cơng tác thuận nghịch PaT có cân nhắc đặc tính thủy lực cho bơm tuabin (3) Kết hợp phương pháp tính tốn mơ số thực nghiệm để đánh giá, kiểm chứng hiệu sở đề xuất từ lý thuyết 5.1 Ý nghĩa thực tiễn luận án (1) Với định hướng phát triển trạm thủy điện tích tương lai Chính phủ phê duyệt, luận án theo chiến lược phát triển khai thác nguồn tài nguyên nước Việt Nam Luận án vào giải vấn đề mang tính cấp thiết thời sự, nâng cao hiệu kinh tế cho xã hội (2) Phương pháp luận, phương pháp tính tốn, phương pháp đánh giá phương pháp thiết kế luận án có giá trị hữu ích cho kỹ sư nước chủ động thiết kế bơm–tuabin thuận nghịch nói riêng máy cánh nói chung (3) Đưa giải pháp cơng nghệ giúp nâng cao hiệu khai thác dòng chảy trạm thủy điện tích ứng dụng khác điều kiện Việt Nam Những đóng góp luận án (1) Luận án đưa phương pháp tính tốn dự báo đặc tính lượng (cột nước (H), cơng suất (P) hiệu suất (η)) sở tính tốn lý thuyết thành phần cột nước lý thuyết, cột nước tổn thất dòng chảy tổ máy PaT hai chế độ bơm tuabin Phương pháp áp dụng dự báo sơ đặc tính máy lựa chọn phương án thiết kế (2) Luận án xây dựng mẫu cánh cho máy thuận nghịch PaT theo dạng cung cong đối xứng, phù hợp với yêu cầu làm việc máy hai chế độ bơm tuabin (3) Luận án đánh giá ảnh hưởng thơng số hình học quan trọng bánh công tác thuận nghịch bơm tuabin, bao gồm: D; β1B; β2B Z Qua đó, luận án đề xuất dải giá trị hợp lý số thơng số hình học cho dạng máy PaT cụ thể có n s =104 (4) Luận án áp dụng phương pháp phân tích mơ số kết hợp với thực nghiệm để kiểm chứng phương pháp thiết kế cánh theo dạng cung cong đề xuất Cấu trúc luận án Chương 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu, thiết kế chế tạo PaT giới Việt Nam Chương 2: Xây dựng sở khoa học để thiết kế mơ hình thuận nghịch bơm–tuabin Chương 3: Nghiên cứu mơ tổ máy bơm–tuabin Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm tổ máy bơm–tuabin CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ MÁY THỦY LỰC THUẬN NGHỊCH BƠM–TUABIN 1.1 Giới thiệu chung bơm–tuabin Những nhà máy thủy điện tích (NMTĐTN) xuất châu Âu vào cuối kỷ XIX Cùng với phát triển khoa học công nghệ thiết kế chế tạo máy bơm –tuabin Các nghiên cứu khẳng định tất loại bơm từ trục đứng hay trục ngang, từ ly tâm hay hướng tâm vận hành dạng tuabin Cho đến nay, máy PaT làm việc tốt vùng cột nước từ 50m đến 800m, công suất đầu từ 10MW đến 500MW, hiệu suất tuabin bơm lên đến 91% 90,8% 1.2 Tình hình nghiên cứu PaT giới 1.2.1 Vấn đề 1: Lựa chọn vùng làm việc bơm tuabin - tỷ số cột áp lưu lượng điểm hiệu suất lớn Để tiện so sánh nghiên cứu, số tương đối cột nước h, lưu lượng q sử dụng phương trình (1-1) H Q  h  T ; q  T ;  T (1-1) HP QP P Q - lưu lượng (m3 /h m3 /s ); H – cột nước (m); η- hiệu suất (%); số T- tuabin; P-bơm Các nghiên cứu cố gắng để dự báo tỷ lệ điểm làm việc tốt bơm tuabin mơ hình thuận nghịch PaT để đánh giá sơ ban đầu khả làm việc máy Kết cho thấy, với phương án dự báo tốt sai số so với thực tế lên đến 20% Vì vậy, đề xuất đưa máy PaT phải kiểm tra để chắn đạt đặc tính tốt hai chế độ trước lắp đặt 1.2.2 Vấn đề 2: Dự báo đặc tính lượng máy PaT hoạt động chế độ bơm tuabin Khi chọn mơ hình máy PaT tỷ lệ làm việc lưu lượng (q) cột áp (h) điểm thiết kế hai chế độ việc dự đốn đặc tính cột nước (H), công suất (P) hiệu suất (η) hai mơ hình quan trọng Điều liên quan đến việc tính tốn vấn đề thủy lực dòng chảy để đưa phương trình cột nước, công suất hiệu suất theo thơng số hình học máy Các phương pháp thường sử dụng mô thực nghiệm Rất nghiên cứu lý thuyết công bố rõ ràng cho mơ hình thuận nghịch cụ thể, có áp dụng cho máy bơm tuabin độc lập Ngồi ra, khó để áp dụng kết nhiều thơng số chưa biết biết điều kiện áp dụng không rõ ràng 1.2.3 Vấn đề 3: Lý thuyết thiết kế bánh công tác thuận nghịch PaT Các mẫu cánh PaT đại thiết kế dựa kết hợp lý thuyết thiết kế cánh dẫn với lý thuyết quy hoạch thực nghiệm để đánh giá ảnh hưởng thơng số hình học đến đặc tính lượng PaT; lý thuyết việc tìm hàm tối ưu để hỡ trợ tìm giải hàm tối ưu kỹ thuật mô số CFD Kết cho thấy, máy PaT làm việc tốt vùng cột nước từ 50m đến 800m, công suất đầu từ 10MW đến 500MW, hiệu suất tuabin bơm lên đến 91% 90,8% 1.2.4 Vấn đề 4: Phân tích ảnh hưởng số thơng số hình học bánh cơng tác đến đặc tính vận hành bơm tuabin Các kết giới phân tích đưa xu ảnh hưởng số thông số quan trọng số cánh Z, góc đặt cánh β, đường kính D, chiều rộng máng cánh b góc tới δ đến đặc tính H(Q), P(Q) η(Q) hai chế độ Kết hợp kết với số kỹ thuật thiết kế cánh bo tròn mép cánh, mở rộng vùng mắt thắt hiệu suất tăng cường từ 1% đến 2,5% vùng vận hành thiết kế Tuy nhiên, cần có thêm kết để đưa đề xuất khuyến cáo cho việc lựa chọn thông số hình học theo dạng máy PaT khác 1.3 Tình hình nghiên cứu, thiết kế sử dụng PaT Việt Nam Theo dự báo tính tới năm 2030, Việt Nam có bảy phương án TĐTN đưa vào vận hành với tổng công suất đạt 2100MW Tuy nhiên, tới thời điểm tại, chưa có nghiên cứu dạng máy công bố 1.4 Kết luận chương Hai thách thức lớn với nhà khoa học Việt Nam nghiên cứu máy PaT là: (1) Các quy trình thiết kế mà giới làm phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm trình độ người thiết kế Đặc biệt, đòi hỏi điều kiện cơng nghệ kỹ thuật mà Việt Nam khó đáp ứng điều kiện thí nghiệm, điều kiện máy móc chương trình phục vụ mô (2) Lý thuyết thiết kế vấn đề thủy lực máy chưa công bố đầy đủ, rõ ràng khó áp dụng cho máy khác Các mơ hình tốn dự báo sai số mức cao so với thực tế Như vậy, tính xác để dự báo đặc tính lượng máy PaT hai chế độ bơm tuabin lý thuyết để tính tốn thiết kế thơng số hình học biên dạng cánh hai thách thức lớn cho thiết kế tổ máy PaT trình bày mục 2.1.3, ta đánh giá ảnh hưởng thông số đến hiệu suất hai chế độ Phương án cho hiệu suất trung bình bơm tuabin tốt lựa chọn Quá trình thiết kế lặp lặp lại tìm thơng số tốt dừng 2.2.2 Đề xuất mẫu biên dạng cánh nghiên cứu Tác giả đề xuất mẫu cánh trụ có đặc điểm sau: Về hình học, cánh BCT thiết kế cung tròn đối xứng với mặt (mặt hút) mặt (mặt áp suất), hình 2.2 hình 2.3 Với biên dạng này, độ dày lớn vị trí (Lj /L= 0,5) Theo phương pháp điểm Pfleiderer thiết kế bơm ly tâm dạng cánh trụ, đường nhân cánh xác định thông số Rj θj từ mặt cắt cửa vào đến cửa BCT f   R* L W W   Hình 2.2 Đặc tính biên dạng cánh bơm-tuabin thuận nghịch  Rj L j 1 R1 R2 Hình 2.3 Dạng hình học đường nhân prophin cánh 2.3 Thiết kế mặt cắt kinh tuyến - Phân tích ảnh hưởng số thơng số hình học đến chất lượng thủy lực vận hành chế độ bơm tuabin Trong nghiên cứu này, thông số ban đầu lấy theo thơng số mơ hình tương tự cho Trạm thủy điện tích Phù n Đơng bao gồm: số vòng quay đồng n=600 vòng/phút, lưu lượng thiết kế bơm (Q) 220m3 /h (0,067m3 /s) cột nước bơm (H) 9m Khi số vòng quay đặc trưng bơm 104 Áp dụng phương pháp thiết kế mục 2.2.1 kết hợp với phương trình H, P η mục 2.1.3, tác giả khảo sát đưa kết bảng 2.2 10 Bảng 2.2 cho thấy kích thước bánh cơng tác PaT có giao thoa, hài hòa thơng số hình học hai mơ hình bơm tuabin So sánh với bơm thiết kế ban đầu số cánh góc đặt cánh β1B β2B tăng đường kính d * =D2 /D1 góc ơm cánh θ giảm đáng kể Phương án β1B =24o -29o ; β2B = 30o -35o ; d * =D2 /D1 = 1,74-1,91 Z = 9-13 hiệu suất trung bình bơm tuabin vùng tốt Bảng 2.2 Đánh giá hiệu chỉnh thơng số hình học máy thuận nghịch bơm -tuabin so với bơm tuabin độc lập Thông số Bơm Tuabin D1 (m) 0,23 0,23 Bơmtuabin 0,23 D2 (m) 0,46 0,36 0,4-0,44 1,4 19 β1B (o) 20 35 1,74-1,91 9-13 24-29 d2* Z β2B (o) 25 70 θ (o) 98 50 30-35 56-72 2.4 Lựa chọn ba mẫu cánh nghiên cứu 2.4.1 Lựa chọn thông số ba mẫu cánh nghiên cứu Z 10 Bảng 2.3 Các thơng số hình học BCT D1 (m) D2 (m) b (m) b (m) β1B (o ) e1 =e2 (mm) 0,23 0,42 0,054 0,04 25 22° R1 R1 R2 30° R1 R2 R1 R3 R2 R3 ° 40 R2.7 R1 R1 38 R2 R3.1 ° R3.1 R2.7 R3.5 30° R2.7 R3.1 30° 23° R3.1 R3.5 R2.7 R3.1 23° R2.3 75 ° R1.9 R2.3 R2.7 R2.3 ° 66 25° R1.9 ° 59 ° 25 R1.9 R1.5 R1.5 25° Mẫu Mẫu Mẫu β*=β2B / β1B =1,6 β*=β2B / β1B =0,88 β*=β2B / β1B =1,2 Hình 2.4 So sánh ba mẫu biên dạng cánh khảo sát Tác giả đề xuất ba phương án mẫu cánh khác dựa thay đổi góc đặt cánh β2B thơng số khác khơng đổi Sau đó, sử dụng phương trình đường nhân cánh để đảm bảo cánh cong 11 đối xứng hoàn toàn để thiết kế cánh Ba phương án mẫu cánh với góc β1B cố định 250 , β2B 220 ; 300 400 Khi đó, tỷ số β*=β2B/ β1B tương ứng 0,88; 1,2 1,6 Các thơng số lại cho bảng 2.3 Với ba phương án trên, kết hợp với thông số bảng 2.3 xây dựng quy luật phân bố βj (Lj ) đề xuất mục 2.2.2 Cuối thiết kế mẫu cánh hình 2.4 2.4.2 Đánh giá hiệu suất chất lượng xâm thực ba mẫu cánh thiết kế, so sánh với mẫu thiết kế thông thường Mẫu 1- Phương án Mẫu 2- Phương án Mẫu 3- Phương án a) Chế độ bơm b) Chế độ tuabin Hình 2.5 Phân bố trường dòng mẫu cánh Kết đánh giá thủy lực hiệu suất cho mẫu mô số CFD (hình 2.5) cho thấy mẫu cánh mẫu cho hiệu suất bơm tốt với tuabin mẫu cánh Đánh giá trung bình hai chế độ mẫu cho hiệu suất trung bình tốt Mẫu cánh lựa chọn để kiểm chứng so sánh với mẫu thiết kế thông thường Các kết mô cho thấy mẫu cánh thiết kế với biên dạng cánh cong đối xứng cho thuỷ lực tốt so với mẫu thơng thường Các kết tính hiệu suất BCT cho thấy hiệu suất tăng cường 3,8% từ 86,68% lên 90,48% 12 2.5 Kết luận chương Các kết đạt Chương gồm: (1) Đã đưa sở lý thuyết để dự báo đặc tính lượng cột nước (H), hiệu suất (η) công suất (P) hai chế độ bơm tuabin từ thơng số hình học bánh cơng tác (2) Các kết khảo sát đưa dải giá trị hợp lý áp dụng cho q trình thiết kế bánh cơng tác thuận nghịch n s thấp sau: Phương án β1B =24o -29o ; β2B = 30o -35o ; d * =D2 /D1 = 1,74-1,91 Z = 9-13 hiệu suất trung bình bơm tuabin vùng tốt (3) Đã đề xuất mẫu cánh có quy luật cong đối xứng hoàn toàn việc thay đổi quy luật khác phân bố góc đặt cánh theo chiều dài cánh βj (Lj ) So với cánh thiết kế thông thường theo lý thuyết bơm mẫu cánh luận án tăng cường hiệu suất thủy lực cánh trung bình hai mơ hình bơm tuabin 3,8% (từ 86,68% lên 90,48%) CHƯƠNG NGHIÊN CỨU MƠ PHỎNG 3D DỊNG CHẢY TRONG HỆ THỐNG THUẬN NGHỊCH BƠM –TUABIN Cửa Cửa vào Buồng xoắn Cửa Cửa vào b Chế độ tuabin a chế độ bơm Hình 3.1 Điều kiện biên cho mơ PaT CFD (Computational Fluid Dynamics) – tính tốn động lực học chất lưu có trợ giúp máy tính ứng dụng nhiều thiết kế máy cánh Trong Luận án này, tác giả sử dụng phần mềm để 13 mơ 3D dòng chảy qua tổ máy PaT hai chế độ bơm tuabin Hình 3.1mơ tả điều kiện biên áp đặt cho tốn mơ dòng qua PaT hoạt động chế độ bơm tuabin 3.1 Các kết chế độ bơm Hình 3.2 Sự phân bố áp suất dọc theo biên dạng cánh mặt cắt dọc theo bề rộng cánh vùng bánh công tác s c tọa độ cong (từ đầu biên dạng) c chiều dài dây cung Hình 3.3 Sự phân bố áp suất mặt cắt 50% bề rộng cánh cho vùng bánh công tác cánh hướng Ps áp suất tĩnh Các kết hình 3.2 cho thấy khơng có vùng áp cao lưng cánh tác dụng dòng chất lỏng bị đẩy cánh tiếp sau Nghĩa dòng chảy không bị cản trở tượng chờm cánh nên chất lượng động lực học tốt Các kết phân bố vận tốc áp suất từ hình 3.3 cho thấy phân bố trường áp suất mặt lưng bụng cánh tốt để tạo lực nâng, bụng cánh đẩy chất lỏng áp suất cao 3.2 Kết chế độ tuabin Hình 3.4 cho thấy áp suất phân bố mặt lưng bụng cánh, áp suất phía lưng lớn phía bụng đảm bảo chênh lệch áp tạo 14 mômen quay cho cánh, tồn bề mặt cánh khơng sinh áp suất bão hoà, chênh lệch áp suất bụng lưng lớn vị trí gần giữ cánh (khoảng 35% đến 55%) tính từ mép vào theo chiều dòng chảy tuabin So với phân bố bơm phân bố áp suất dọc theo cánh tuabin tốt hơn, đặc biệt hai vị trí mép vào mép bánh cơng tác Hình 3.4 Phân bố áp suất (tải trọng cánh) dọc theo cánh Hình 3.5 Phân bố đường dòng hệ thống tuabin Hình 3.5 cho thấy phân bố áp suất vùng BCT tương đối đều, có vùng mép vào cột trụ với buồng xoắn có va đập dòng chảy dẫn đến hình thành vùng áp suất tăng cục Khi vận hành vùng thiết kế, phân bố áp suất BCT đối xứng với giảm dần từ áp suất cao (màu đỏ cam) đầu vào bánh công tác đến áp suất thấp (màu xanh) đầu (miệng hút) bánh công tác Tại đầu vào bánh cơng tác, giá trị áp suất trung bình P2 =100690Pa áp suất trung bình mặt cắt cửa P1 =7417Pa Khi 15 vận hành vùng thiết kế, áp suất phân bố vùng BCT có phần không đồng đều, nguyên nhân chủ yếu tính tương thích biên dạng buồng xoắn với lưu lượng 3.3 Đánh giá hiệu suất Hình 3.6 Đặc tính lượng PaT chế độ bơm Hình 3.7 Đặc tính lượng PaT chế độ tuabin Hình 3.6 cho thấy điểm thiết kế (Qtk =220m3 /h), hiệu suất bơm vùng giá trị cao (hiệu suất đạt giá trị cao điểm nằm khoảng 95% đến 110% lưu lượng thiết kế) Điều chứng tỏ điểm thiết kế phù hợp lựa chọn tốt Về cột nước, điểm thiết kế (Qtk =220m3 /h), cột nước đạt 10,2m, cao chút so với thông số thiết kế bơm ban đầu Công suất yêu cầu điểm thiết kế P = 6,37kw Hình 3.7 cho thấy thay đổi cột áp H, công suất P hiệu suất hệ thống theo lưu lượng chế độ tuabin Chúng ta thấy điểm BEP (Qtk =320m3 /h), hiệu suất đạt 74,2%, cột nước phát điện đạt 9,6m phát P = 6,2kw điện 3.4 Đánh giá phân bố tổn thất khối vùng tổ máy Kết đánh giá tổn thất vùng bơm (hình 3.8) tuabin (hình 3.9) cho thấy: (1) Trong vận hành bơm: Tổn thất vùng bánh công tác lớn nhất, chiếm gần 56,2%, tiếp sau cánh hướng ống hút với 18,56% 12,87% Tổn thất rò rỉ chiếm tỷ lệ thấp với 2,63% (2) Trong vận hành tuabin: Tỷ lệ tổn thất thủy 16 lực bánh công tác chiếm tỷ lệ nhiều 59,13%, sau vùng buồng xoắn với 11,69% a) Đánh giá tổn thất qua b) Tỷ lệ phân bố tổn thất khối vùng điểm thiết kế Hình 3.8 Đánh giá tổn thất chế độ bơm a) Đánh giá tổn thất qua khối b) Tỷ lệ phân bố tổn thất điểm thiết kế vùng Hình 3.9 Đánh giá tổn thất chế độ tuabin 3.5 Kết luận chương Chương tiến hành mô số 3D để đánh giá chất lượng thủy hai chế độ, kết cho thấy: (1) Về hiệu suất: Tại điểm thiết kế bơm (Qtk =220m3 /h), cột nước đạt 10,2m, công suất yêu cầu điểm thiết kế P = 6,37kW, hiệu suất đạt 79% Trong chế độ tuabin điểm BEP (Qtk =320m3 /h), hiệu suất đạt 74,2%, cột nước phát điện đạt 9,6m phát P = 6,2kW điện (2) Về phân bố tổn thất: Nhìn chung cho thấy tổn thất thủy lực vùng bánh công tác lớn nhất, 17 chiếm 50% chế độ bơm tuabin Trong chế độ bơm, tổn thất bánh công tác lớn với 56,2%, sau tổn thất vùng van (18,6%), vùng ống hút 12,9% Trong chế độ tuabin, sau tổn thất vùng BCT lớn với 59,13% lại vùng buồng xoắn với 11,69% Vùng van chiếm 7,92% thấp nhiều so với vận hành bơm (18,6%) Tổn thất rò rỉ hai mơ hình xấp xỉ chiếm tỷ lệ nhỏ CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM MÔ HÌNH BƠM – TUABIN THUẬN NGHỊCH 4.1 Giới thiệu hệ thống thử nghiệm Công ty CP chế tạo bơm Hải Dương Công ty CP chế tạo bơm Hải Dương xây dựng hệ thống thí nghiệm bơm Hải Dương với dung tích bể chứa ngầm W = 2500 m3 , thử bơm cơng suất Pmax = 1500 kW, lưu lượng Qmax = 50000 m3 /h Hệ thống xây dựng đồng với thiết bị đo đại, phần mềm phần cứng hãng Siemens nên có độ xác đồng cao 4.2 Các kết đặc tính lượng, so sánh với tính tốn lý thuyết mơ Hình 4.1 So sánh đường đặc tính Hình 4.2 So sánh đường bơm lý thuyết, mơ cong đặc tính tuabin CFD thực nghiệm, lý thuyết thực nghiệm, Phương án độ mở a 02 =10mm phương án độ mở a 02 =10mm 18 Hình 4.1 hình 4.2 thể kết thực nghiệm (EXP), mơ (CFD) tính tốn lý thuyết (Th) Nhìn chung, đường cong theo tính tốn lý thuyết phản ánh tốt xu đường cong theo thực nghiệm, đặc biệt đường cong hiệu suất Sai số tính tốn lý thuyết thực nghiệm η, H P không 10% vùng 90% đến 110% điểm thiết kế hai chế độ 4.3 Đánh giá ảnh hưởng độ mở cánh hướng đến vận hành bơm tuabin Hình 4.4 Ảnh hưởng độ Hình 4.3 Ảnh hưởng độ mở mở cánh hướng đến đặc tính cánh hướng đến đặc tính bơm tuabin với phương án với phương án độ mở cánh độ mở cánh hướng 5mm; hướng 5mm; 10mm 15mm 10mm 15mm Độ mở cánh hướng có ảnh hưởng khơng nhỏ đến hiệu làm việc tổ máy Các kết hình 4.3 hình 4.4 cho thấy độ mở tăng dần từ 5mm đến 15mm độ QBEP có xu tăng cột áp giảm Cụ thể, vận hành bơm, QBEP tăng từ 218,22m3 /h lên 300 m3 /h H giảm từ 8,82m tới 7,71 m Trong vận hành tuabin, QBEP tăng từ 270 m3 /h lên 320,9 m3 /h H giảm từ 9,78 m tới 8,94 m Xét mặt hiệu suất, phương án độ mở cánh hướng 10mm cho hiệu suất bơm tuabin tốt nhất, bơm đạt 77,07% tuabin đạt 72,8% 19 4.4 Đánh giá vùng làm việc bơm tuabin Hình 4.5 Vùng vận hành Hình 4.6 Vùng vận hành bơm bơm tuabin với phương án tuabin với phương án độ mở độ mở a 01 =5mm a 02 =10mm Hình 4.7 Vùng vận hành bơm tuabin với phương án độ mở a 03 =15mm Việc thiết kế bơm –tuabin thường gắn liền với cơng trình thực tế, với điều kiện thực tế dao động mực nước thượng hạ lưu, yêu cầu số phát điện bơm nước, đặc biệt giá điện theo khung Tác giả xây dựng vùng vận hành tổ máy cho chế độ bơm tuabin dựa điều kiện thực tế từ mơ hình tương tự cho TĐTN Phù n Đơng 20 Hình 4.5, hình 4.6 hình 4.7 so sánh ba vùng làm việc bơm tuabin ứng với ba phương án cánh khác Kết cho thấy phương án độ mở a 02 =10mm cho hiệu suất điểm thiết kế lớn bơm tuabin lại không nằm vùng vận hành cột áp yêu cầu lớn cột áp tạo trạm Trong đó, phương án độ mở a 01 =5mm a 03 =15mm đảm bảo điều kiện vận hành bơm tuabin cột áp phương án a 01 =5mm cho vùng hiệu suất cao hơn, phương án bao trọn vùng hiệu suất cao bơm tuabin 4.5 Đánh giá tỷ lệ cột nước lưu lượng điểm BEP Hình 4.8 Đánh giá tỷ lệ Q điểm BEP tuabin bơm Hình 4.9 Đánh giá tỷ lệ H điểm BEP tuabin bơm Như trình bày phương trình (1-1) mục 1.2.1, việc khó khăn ban đầu thiết kế máy PaT chọn tỷ số cột áp lưu lượng điểm hiệu suất lớn (BEP) chế độ tuabin bơm Đây sở để lựa chọn thơng số thiết kế hài hòa bơm tuabin Hình 4.8 hình 4.9 so sánh kết tỷ số cột áp h lưu lượng q điểm BEP tuabin bơm với nghiên cứu giới (các tác giả) Ba phương án ứng với ba độ mở khác so sánh Các kết nghiên cứu cho thấy phù hợp với nghiên cứu tài liệu tác giả giới Khi PaT vận hành chế độ tuabin cho H Q cao so với chế độ bơm hiệu suất điểm BEP lại thấp chế độ bơm Nhìn chung, điểm BEP, cột áp tuabin lớn gấp khoảng từ 1,07 đến 1,3 lưu lượng tuabin gấp khoảng 1,11 đến 1,16 lần 21 bơm, hiệu suất bơm cao hiệu suất tuabin từ 4,27% đến 6,39% Kết cho thấy phù hợp với nghiên cứu giới 4.6 Kết luận chương Các kết thí nghiệm cho thấy tổ máy PaT vận hành tốt chế độ bơm tuabin điểm lưu lượng (Q) cột áp (H) khác mà vấn đề vận hành xảy ra, hiệu suất lớn chế độ bơm tuabin 77,07% 72,8% So với chế độ bơm, bơm hoạt động chế độ tuabin cho H Q cao (9,49m cột nước so với 8,34m 315m3 /h so với 242,5 m3 /h) điểm có hiệu suất cao So sánh kết đo đạc thu từ trình thử nghiệm với kết tính tốn lý thuyết cho thấy xu đường cong cột nước (H), công suất trục (P) hiệu suất (η) phản ảnh với kết thí nghiệm mơ CFD Sai số lớn không 10% hai chế độ vùng thiết kế từ 90% đến 110%Q Những kết đạt Luận án Các kết đạt cụ thể sau: (1) Luận án đưa phương pháp tính tốn dự báo đặc tính lượng cột nước (H), hiệu suất (η) công suất (P) hai chế độ bơm tuabin từ thơng số hình học bánh cơng tác dựa sở tính tốn lý thuyết thành phần cột nước lý thuyết, cột nước tổn thất vấn đề thủy lực (2) Đã đánh giá ảnh hưởng thông số hình học quan trọng bánh cơng tác thuận nghịch PaT, bao gồm: D; β1B; β2B Z - Trong chế độ bơm: với tăng D2 , 1B, 2B Z giá trị H, P lưu lượng BEP tăng; đường cong H(Q) P(Q) trở nên phẳng hơn; 1B 2B có ảnh hưởng lớn nhiều ảnh hưởng D2 Z, đặc biệt Q>QBEP 22 - Trong chế độ tuabin: Góc đặt 1B có ảnh hưởng lớn đến giá trị H, P η so với ảnh hưởng thông số D2 , 2B Z - Đề xuất: Các kết khảo sát đưa dải giá trị hợp lý áp dụng cho q trình thiết kế bánh công tác thuận nghịch n s thấp sau: Phương án β1B =24o -29o ; β2B = 30o -35o ; d * =D2 /D1 = 1,74-1,91 Z = 9-13 hiệu suất trung bình bơm tuabin vùng tốt (3) Luận án đánh giá chất lượng thủy lực hệ thống PaT mô số CFD 3D thực nghiệm, kết cho thấy: - Về hiệu suất: Hiệu suất lớn chế độ bơm tuabin 77,07% 72,8% So với chế độ bơm, bơm hoạt động chế độ tuabin cho H Q cao (9,49m cột nước so với 8,34m 315m3 /h so với 242,5 m3 /h) điểm có hiệu suất cao - Phân bố tổn thất: Nhìn chung cho thấy tổn thất thủy lực vùng bánh công tác lớn nhất, chiếm 50% chế độ bơm tuabin Trong chế độ bơm, tổn thất bánh công tác lớn với 56,2%, sau tổn thất vùng van (18,6%), vùng ống hút 12,9% Trong chế độ tuabin, sau tổn thất vùng BCT lớn với 59,13% lại vùng buồng xoắn với 11,69% Vùng van chiếm 7,92% thấp nhiều so với vận hành bơm (18,6%) Tổn thất rò rỉ hai mơ hình xấp xỉ chiếm tỷ lệ nhỏ - Kiểm chứng mơ hình tính tốn lý thuyết: Các kết tính toán lý thuyết cho thấy xu đường cong cột nước (H), công suất trục (P) hiệu suất (η) phản ảnh với kết thí nghiệm mơ CFD Trong vùng hoạt động thông thường (Q từ 90% đến 110% Q thiết kế) hai chế độ sai số khơng 10% Những đóng góp luận án Như trình bày mục “Mở đầu” luận án 23 Những tồn luận án Những kết đạt kết nghiên cứu ban đầu cho mơ hình bánh cơng tác có n s =104 Cần thêm nhiều mẫu biên dạng cánh khác để cải thiện thiết kế hiệu suất tuabin Ngoài ra, kết khảo sát ảnh hưởng cánh hướng hạn chế Để nâng cao hiệu suất tồn hệ thống cần thêm nghiên cứu chuyên sâu tương tác lưới cánh hướng đến dòng chảy bơm tuabin Những kiến nghị đề xuất cho nghiên cứu (1) Các kết phân bố tổn thất gợi ý cho ta thấy việc cải thiện thiết kế biên dạng cánh để giảm tổn thất quan trọng để nâng cao hiệu suất máy, việc thiết kế biên dạng cánh van buồng xoắn có ý nghĩa quan trọng khơng (2) Vấn đề thiết kế dạng máy thuận nghịch PaT nên gắn liền với dự án, cơng trình cụ thể để đảm bảo tốt mục tiêu thiết kế Đặc biệt lưu ý vấn đề cân lượng hệ thống điện (3) Nghiên cứu dừng mức đánh giá số thông số đặc trưng bơm tuabin liên quan đến H, P η Cần có thêm nghiên cứu khác tương lai khảo sát chế độ lồng tốc, khởi động, tăng giảm tải trình vận hành Bơm Tuabin Điều đánh giá đầy đủ khả làm việc hiệu ổn định máy 24 ... tài Nghiên cứu ảnh hưởng số thông số hình học bánh cơng tác đến đặc tính làm việc máy thuận nghịch bơm tuabin ns thấp tập trung giải hai vấn đề lớn theo điều kiện giả thiết cho mơ hình máy. .. khoa học để thiết kế mơ hình thuận nghịch bơm tuabin Chương 3: Nghiên cứu mô tổ máy bơm tuabin Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm tổ máy bơm tuabin CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ MÁY THỦY LỰC THUẬN NGHỊCH BƠM TUABIN. .. suất trung bình bơm tuabin vùng tốt Bảng 2.2 Đánh giá hiệu chỉnh thông số hình học máy thuận nghịch bơm -tuabin so với bơm tuabin độc lập Thông số Bơm Tuabin D1 (m) 0,23 0,23 Bơmtuabin 0,23 D2