Phương pháp và kết quả tính toán thiết kế tuabin cột nước thấp ứng dụng khai thác điện thủy triều ở Việt Nam

Bài báo này trình bày phương pháp và kết quả tính toán thiết kế tuabin cột nước thấp ứng dụng khai thác điện thủy triều ở Việt Nam, đồng thời mô phỏng dòng chảy trong phần dẫn dòng của tuabin để đánh giá đặc tính làm việc của tuabin. Tuabin tính toán mô hình có thông số cột nước H = 1,2 m, công suất N = 1 KW.

KHOA HỌC CƠNG NGHỆ PHƯƠNG PHÁP VÀ KẾT QUẢ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TUABIN CỘT NƯỚC THẤP ỨNG DỤNG KHAI THÁC ĐIỆN THỦY TRIỀU Ở VIỆT NAM PGS TS Nguyễn Vũ Việt ThS Đỗ Anh Tuấn, KS.Trần Tiến Dũng Viện khoa học Thuỷ lợi Việt Nam Tóm tắt: Xuất phát từ nhu cầu sử dụng điện Việt Nam nói chung vùng sâu, vùng xa, đặc biệt vùng ven biển Hải đảo nói riêng, việc nghiên cứu, thiết kế, chế tạo lắp đặt vận hành tổ máy tuabin điện thủy triều công suất vừa nhỏ phục vụ đời sống dân sinh kinh tế vùng ven biển Hải đảo cần thiết cấp bách Bài báo trình bày phương pháp kết tính tốn thiết kế tuabin cột nước thấp ứng dụng khai thác điện thủy triều Việt Nam, đồng thời mơ dịng chảy phần dẫn dòng tuabin để đánh giá đặc tính làm việc tuabin Tuabin tính tốn mơ hình có thơng số cột nước H = 1,2 m, công suất N = KW Summary: Starting from the demand for power in Vietnam in general and the regional and rem ote areas, especially coastal regions and Islands in particular The research,design, fabrication and installation and operation of tidal power turbine capacity to serve small and people's daily economic life of coastal regions and Islands is essential and urgen t This report presents methods and results of calculations designed low head turbine applications exploiting tidal power in Vietnam, and simulate the flow in the diversio n of the turbine to evaluate the characteristics of the turbine work Turbine model calculates the water column parameters H = 1,2 m, N = KW capacity I TỔNG QUAN4 Nhu cầu sử dụng điện giới nói chung Việt Nam nói riêng khơng ngừng gia tăng, đời sống người dân ngày nâng cao dân số liên tục tăng Trong nguồn tài nguyên thiên nhiên, lượng hóa thạch ngày cạn kiệt Việc bổ sung cho nguồn lượng hóa thạch thiếu hụt khơng làm cân môi trường sinh thái ảnh hưởng đến hệ tương lai thách thức lớn mà nhân loại phải đối mặt Vì vậy, việc nghiên cứu để khai thác hiệu dạng lượng mới, lượng tái tạo lượng mặt trời, lượng gió, thủy điện vừa nhỏ, lượng sóng, lượng thủy triều.v.v… cần thiết.[2] Người phản biện: TS Vũ Chí Cường Với ưu điểm không gây hại cho môi trường giá thành cạnh tranh nhờ cải tiến công nghệ vật liệu chế tạo, điện thủy triều xem nguồn lượng thay hữu ích, nhiều nước trọng phát triển Hiện việc nghiên cứu ứng dụng điện thủy triều Việt Nam giai đoạn đầu Các nghiên cứu thời gian gần quy mơ thí nghiệm Hướng nghiên cứu chủ yếu tập trung vào dạng trạm điện thủy triều có đập dâng dùng lưu tốc dòng chảy Năm 2010, đề tài cấp bộ: “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo lắp đặt tổ máy điện thủy triều có cơng suất đến 5KW phục vụ dân sinh kinh tế vùng ven biển hải đảo” Viện Thủy điện Năng lượng tái tạo – Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam triển khai thực đến có số kết bước đầu TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 14 - 2013 29 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ II TÍNH TỐN THIẾT KẾ TUABIN 2.1 Lựa chọn phương pháp tính tốn thiết kế tuabin Tính tốn thiết kế tuabin điện thủy triều bao gồm: tính tốn thiết kế phần dẫn dịng buồng, bánh cơng tác, ống hút, cánh hướng, quan trọng bánh công tác (BCT) Tuabin ứng dụng trạm điện thủy triều thường tuabin hướng trục cột nước thấp, vậy, phương pháp tính tốn thiết kế Tuabin điện thủy triều theo phương pháp thiết kế Tuabin hướng trục Ba phương pháp tính tốn thiết kế bánh công tác tuabin hướng trục thường sử dụng là: phương pháp lực nâng, phương pháp phân bố xoáy phương pháp phân bố xoáy – nguồn Cả ba phương pháp dựa giả thiết dịng chảy bánh cơng tác hướng trục: dịng thế, chảy theo mặt trụ có trục trùng với trục quay tuabin Trong báo này, chúng tơi trình bày nội dung tính tốn thiết kế tuabin theo phương pháp phân bố xoáy Đây phương pháp ứng dụng phổ biến nước ta 2.2 Tính tốn thiết kế tuabin mơ hình - Các thơng số tính tốn tuabin: + Cột nước tính tốn: HTK = 1,2 m + Cơng suất tính tốn: NTK = KW + Mẫu mơ hình tuabin tham khảo : ПΛΓ – 9a1 + Theo đường đặc tính tổng hợp mơ hình ПΛΓ – 9a1 có : + Lưu lượng quy dẫn: Q1’ = 1,8 m3/s + Số vòng quay quy dẫn: n1’ = 170 v/p + Tỉ số bầu: d b = 0,35 D1 + Số cánh bánh công tác: Z = cánh - Xác định thông số thủy lực: Lưu lượng qua tua bin xác định theo công thức: Q= 30 N TK = = 0,15 m s 9,81.H TK ηTM 9,81.1,2.05 Trong đó: η - Hiệu suất chung tổ máy (vì tổ máy cơng suất nhỏ nên sơ lấy ηTM = 0,5) Đường kính bánh cơng tác D1 xác định theo công thức: D1 = = N TK = 9,81.Q1' H KT ηTM = 0,247(m) 9,81.1,8.1,2 1,2.0,5 Trong : - Q1’ : Lưu lượng quy dẫn điểm thiết kế - Chọn D1 = 0,25 m Xác định số vịng quay tuabin theo cơng thức: n= n1, H TK 170 1,2 = = 745( v / ph ) D1 0,25 Trong đó: - n1’: Số vịng quy dẫn điểm thiết kế - Tính tốn thiết kế cánh bánh cơng tác: Lưới profile cánh thiết kế theo phương pháp phân bố xoáy cung mỏng Lêxôkhin Các thông số ban đầu dùng để tính tốn bánh cơng tác cột áp, lưu lượng, số vịng quay, đường kính bánh cơng tác đường kính bầu tương đối db/D1, số cánh bánh công tác Z tỷ lệ chiều dài cánh mật độ dãy cánh l/t Bánh cơng tác tính toán cho tiết diện tạo mặt trụ đồng tâm từ đường kính bầu 0,35m đến đường kính tính tốn 1m Các thơng số ban đầu kết tính tốn mẫu cánh cho phần kết tính tốn gồm: Bảng tính thông số tua bin Bản vẽ profile tọa độ tương đối cho tiết diện tính tốn mặt phẳng x, y Trên vẽ rõ góc đặt profile, góc va, mật độ dãy cánh, độ võng tương đối fmax/L profile Biểu đồ phân bố vận tốc áp suất profile TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 15 - 2013 KHOA HỌC Các biểu đồ sử dụng để đánh giá sơ chất lượng khả làm việc lưới - Kết tính tốn thiết kế: CƠNG NGHỆ cánh, đồng thời sử dụng để xác định tổn thất dịng chảy bao profile cánh CÁC THƠNG SỐ CƠ BẢN CỦA LƯỚI CÁNH BÁNH CÔNG TÁC VỚI (n1’ = 170 v/ph, Q1’ = 1,8 m3/s, D1 = m, Z = cánh) CÁC THƠNG SỐ TÍNH TỐN Bán kính tính tốn Ri =ωri (m) Góc vào dịng β1 (độ) c m1 tgβ1 = u − c u1 Góc dịng β2 (độ) cm2 tgβ = u − cu2 Mật độ dãy cánh l/t ( t = πr1 Z ) Trị số góc va α (độ) A0 sin α i = 2kWmi Trị số góc đặt cánh (độ) βi = β mi + α i Chiều dài đường nhân (m) 0.18 CÁC TIẾT DIỆN TÍNH TỐN 0.26 0.34 0.42 0.50 80.15 45.41 31.92 25.10 21.01 38.90 30.50 25.15 21.45 18.80 0.990 0.815 0.732 0.670 0.620 8.420 2.975 1.294 0.850 0.256 46.339 33.723 26.872 22.290 19.59 0.280 0.333 0.391 0.442 0.487 Hình 2: Profile cánh tiết diện thứ Hình 3: Profile cánh tiết diện thứ Hình 4: Profile cánh tiết diện thứ Hình 5: Hình chiếu cánh BCT TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 14 - 2013 31 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Hình 6: Biểu đồ phân bố vận tốc profile tiết diện Hình 8: Hình chiếu đứng cánh BCT Hình 7: Đồ thị áp suất profile tiết diện Hình 9: Bảng kết tính tốn tổn thất lưới cánh BCT Để đánh giá chất lượng hiệu suất Tua bin, chúng tơi tính tốn lý thuyết phân bố vận tốc áp suất profile cánh tổn thất chảy bao lưới cánh Kết tính tốn cho hình 6, 7, hình 10 hình dạng 3D bánh công tác Mặt khác, để phù hợp với địa hình ứng dụng Tuabin khai thác điện thủy triều, chúng tơi tính tốn, thiết kế phận dẫn dịng vào khỏi tua bin với hình dạng đặc trưng cho điều kiện trạm thủy điện cột nước thấp (xem hình 11,12,13) Hình 10: Bánh cơng tác Hình 11: Buồng tuabin 32 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 15 - 2013 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Hình 13: Cánh hướng Hình 12: Ống hút III PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ TÍNH TỐN THIẾT KẾ Mơ hình chia lưới tự Ansys – geomestry Để đánh giá chất lượng Tuabin thiết kế chúng tơi tiến hành mơ q trình làm việc tuabin phần mền Fluent Điều kiện biên mơ phỏng: Hình 14: Mơ hình mơ Tên miền Điều kiện biên Inlet Velocity- inlet Outlet Pressure – outlet Tường bao Wall Vùng phân tích Fluid Kiểu chia lưới: khơng cấu trúc, lưới tự Mơ hình tính tốn: k - ε standand Hình 15: Mơ hình chia lưới TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 14 - 2013 33 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Pressure 18 Y 24295.061 20250.966 16206.871 12162.776 8118.680 4074.585 30.490 -4013.605 -8057.700 -12101.795 17.5 17 16.5 11.5 12 12.5 13 13.5 X Hình 16: Phân bố áp suất vận tốc tuabin Hình 17: Phân bố áp suất bề mặt cánh BCT 34 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 15 - 2013 14 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ X Velocity 18 Y 5.245 4.720 4.194 3.669 3.143 2.618 2.092 1.567 1.041 0.516 17.5 17 16.5 11.5 12 12.5 13 13.5 14 X Hình 18: Phân bố vận tốc tuabin Hình 19: Phân bố vận tốc bề mặt cánh BCT theo trục x,y,z Từ kết mơ dịng chảy ta thấy vận tốc tiết diện bánh công tác biến thiên đều, khơng có bước nhảy, khơng có xốy cục bộ; áp suất (áp suất dư đạt nhỏ -58338,8 Pa, lớn 29601.9 Pa) tiết diện profile cánh lớn áp suất bão hòa điều chứng tỏ bánh công tác chế độ thiết kế làm việc ổn định, êm, không gây tổn thất lớn, không xảy tượng xâm thực bánh công tác bánh công tác làm việc đạt hiệu suất cao TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 14 - 2013 35 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ IV KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU Trên chúng tơi trình bày phương pháp ứng dụng phần mềm để tính tốn thiết kế phân tích dòng chảy tuabin cột nước thấp ứng dụng khai thác điện thủy triều Việt Nam Kết thu cho thấy: Mẫu cánh thiết kế có chất lượng thủy lực tốt Lá cánh suôn đều, hiệu suất lưới cánh tương đối cao, khơng có điểm áp suất nhỏ áp suất bão hịa cứu tính tốn thiết kế với hình dạng đặc trưng phù hợp với điều kiện cột nước thấp Kết cấu tương tự có số trạm thủy điện nhỏ Nga Trung Quốc Tuy nhiên để đánh giá xác chất lượng hiệu suất máy cần có nghiên cứu thực nghiệm Chúng tơi chế tạo tua bin mơ hình, xây dựng giá thí nghiệm, lắp đặt Tuabin chuẩn bị tiến hành thí nghiệm Các kết kiểm nghiệm thực tế giới thiệu công bố Phần dẫn dòng Tuabin nghiên TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội – Trung Tâm nghiên cứu Năng lượng Báo cáo khoa học: Đề tài nghiên cứu cấp nhà nước thủy điện nhỏ “Nghiên cứu thiết kế, công nghệ chế tạo khảo nghiệm thiết bị toàn tổ máy thủy điện nhỏ có cơng suất từ hàng trăm đến hàng nghìn KW” – Hà Nội 1994 [2] Đặng Đình Thống – Lê Danh Liên Cơ sở lượng tái tạo – Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật – Hà Nội 2006 [3] ВВ Барлит, Гидравлические Турбины , Ҝиев Изд “Вища Школа” 1977 [4] Л.Я Бронштейн и другие, Справочник Машиностроение’, Ленинград 1971 конструктора гидротурбин Изд [5] Г.А.Свинарев, А.А.Меловцов, Горизонтальные Гидротурбины осевого типа Издат “Наукова Думка” КИЕВ 1969 36 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 15 - 2013 ... (BCT) Tuabin ứng dụng trạm điện thủy triều thường tuabin hướng trục cột nước thấp, vậy, phương pháp tính tốn thiết kế Tuabin điện thủy triều theo phương pháp thiết kế Tuabin hướng trục Ba phương pháp. ..KHOA HỌC CƠNG NGHỆ II TÍNH TỐN THIẾT KẾ TUABIN 2.1 Lựa chọn phương pháp tính tốn thiết kế tuabin Tính tốn thiết kế tuabin điện thủy triều bao gồm: tính tốn thiết kế phần dẫn dịng buồng, bánh... tuabin Trong báo này, trình bày nội dung tính tốn thiết kế tuabin theo phương pháp phân bố xoáy Đây phương pháp ứng dụng phổ biến nước ta 2.2 Tính tốn thiết kế tuabin mơ hình - Các thơng số tính