Đang tải... (xem toàn văn)
Bài báo trình bày công trình nghiên cứu khảo sát tuabin hướng trục của nước ngoài đ ược lắp trong nước, nghiên cứu tính toán thiết kế thử nghiệm tạo ra mẫu cánh công tác phục vụ thiết kế chế tạo tuabin trong nước. Mời các bạn tham khảo!
KHOA HỌC CƠNG NG HỆ NGHIÊN CỨ U TÍN H TOÁN , THIẾT KẾT, CHẾ TẠO TUAB IN HƯỚNG TRỤC, TRỤC ĐỨNG Á P DỤNG C HO THỦY ĐIỆN CỘT NƯỚC THẤ P V IỆT NAM TS Phạm Phúc Yên, Nguyễn Tiến Dũng & nnc Viện thuỷ điện Năng lượng tá i tạo Tóm tắt: Việc chế tạo thiết bị nhà m áy thuỷ điện nước quan tâm từ lâu, nhiên tính đơn loại tuabin phụ thuộc vào địa hình dự án thuỷ điện, có đơn vị nghiên cứu thiết kế tuabin thuỷ lực nước có đầy đủ mẫu cánh bánh công tác cho thiết kế chế tạ o tu abin Do chủ đ ầu tư th uỷ điện chưa tin tưởng khả sản xuất nước Bài báo trình bày cơng trình nghiên cứu khảo sát tuabin hướng trục n ước đ ược lắp n ước, nghiên cứu tính tốn thiết kế th nghiệm tạo m ẫu cánh công tác phục vụ thiết kế chế tạo tuabin nước Từ khóa: tuab in hư ớng trục, bá nh công tác tuab in, Viện thủy điện Sumarry: Produ ction of hydropower plan t equipment in Vietnam is consid ered fo r long tim e Ho wever, du e to typ e of turbine depend s on position of h ydropo wer project, th ere are very few Vietnamese water-tu rbine study and design firms who ve enough vane wh eel im peller m odel for d esigning and m anufacturing a tu rbine That is the rea son wh y th e h ydropo wer project owners not belive in tu rbine manufacturing ability in Vietnam The repo rt will p resent the stud ying o f a foreign axia l tu rbin e that is in stalled in Vietnam for resea rching and calcula ting a trial designing of van e wheel impeller m odel that supporting to m anufacture of a turbine in Vietnam Key word s: axia l turb ine, turbine runner, IHR I ĐẶT VẤN ĐỀ * Tuabin h ướn g tr ục loại tuabin nước tron g nh m áy thuỷ điện Về kết cấu bánh côn g tác, tuabin h ướn g tr ục có lo ại cánh cố định cánh điểu chỉnh Nếu cánh gắn chặt với bầu gọi cánh cố định (tuabin chong chóng) Nếu cánh quay quanh tr ục gắn với bầu gọ i tuabin hướn g trục cánh điều chỉnh Loại t uabin n ày có phạm vi làm việc, tuỳ theo công suất, với cột nước H = 1,5-40m Phân loại theo số vòng quay đặc trưng ns, tua bin hướn g trục nói chung có ns = 270 900v/ph Tron g gam thiết Người phản bi ện: GS.TS L ê Danh Li ên Ngày nhận : 28/ 7/2014 Ngày t hông qua phả n bi ện: 13/3/2015 Ngày duyệt đăn g: 24/ 4/2015 bị th uỷ điện nhỏ, công suất tuabin 5Mw, tuabin h ướn g tr ục cột nước thấp giới hạn tron g phạm vi cột nước H< 25m Trong phạm vi này, tuabin hướn g trục lại chia làm v ùn g làm việc[1]: - Vùn g cột nước cực thấp: H 8m: ns =600-800 - Vùn g cột nước thấp: H= 25m: ns =450 600 Trong báo ch ún g giới thiệu nghiên cứu liên quan đến tuabin hướng trục vùn g cột nước thấp, trục đứng cánh cố định v công suất nhỏ 5M w Kiểu tuabin ph ù hợp với tình hình phát triển thuỷ điện nước ta Từ đầu năm 2000 đến n ay, nhiều dự án thuỷ điện lớn nhỏ xây dựn g Về cột nước tuabin, điểm khai thác thủy năn g thuận lợi với cột nước cao, trung bình nước TẠP C HÍ KHOA HỌC VÀ CÔ NG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 26 - 2015 KHOA HỌC CÔNG NG HỆ ta triển khai triệt để Do dự án thuỷ điện có cột nước thấp, cực thấp thời gian tới khai thác, trạm thuỷ điện nhỏ cơng suất 5M w có quy hoạch đến vài trăm trạm [2] Về lĩnh vực thiết bị, toàn thiết bị thuỷ điện nhỏ 10M w Trun g quốc cung cấp, dù n ay n gành khí - điện tự động hố nước ch ế tạo Trong tình hình trị liên quan đến Biển Đôn g nay, ph ụ thuộc vào n guồn cung cấp thiết bị từ Trung quốc làm ảnh hưởn g lớn đến dự án thuỷ điện nước Tuy nhiên cũn g hội cho nhà chế tạo nước chủ động sản xuất thiết bị thuỷ điện nhỏ Từ nhu cầu thực tiễn vậy, báo trình bày nội dung nghiên cứu, thiết kế chế tạo cho loại t uabin hướn g trục cột n ước thấp côn g suất 5Mw góp phần thúc đẩy nội địa hoá thiết bị thuỷ điện II C ÁC NỘ I DUNG NG HIÊN C ỨU, TH IẾT K Ế CH Ế TẠO TUA BIN H ƯỚ NG TRỤC C ỘT NƯỚC TH ẤP Trong phần n ày, báo trìn h bày phương pháp thiết kế mẫu bánh công tác, thiết kế kết cấu khí kiểu trục đứn g loại tuabin hướn g trục cột nước thấp, sở khảo sát thiết bị nước n go ài lắp đặt dự án Việt nam thời gian qua Nghiên cứu tuabin n ước 2.1.1 Lấy mẫu từ thiết bị nước ngồi: Trong cơng tác ngh iên cứu tuabin nước, để có m ột mẫu cánh hiệu suất cao cho loại tuabin m ới, cần phải nghiên cứu t hiết kế tổ chức thử nghiệm hàng ch ục mẫu Phòn g thí nghiệm phải đại, đầy đủ thiết bị có độ xác, độ tin cậy cao (hiện só nước có nghiên cứu tuabin thuỷ lưc phát triển m ới đầu tư) Khối lượng thực thí nghiệm lớn Tuy nh iên có m ột phương pháp hiệu quả, khoa học kinh tế tham khảo kết n ghiên cứu nước n goài, nghiên cứu vận dụn g phù hợp điều kiện làm việc Việt nam Nhóm tác giả chọn pháp Chọn mẫu cánh thực nước n gồi- có hiệu suất cao, phạm vi ứng dụn g- lấy m ẫu, nghiên cứu chuyển m hình kiểm tra thử nghiệm lại Trong phạm vi nghiên cứu, nhóm tác giả chọn thiết bị 02 dự án thuỷ điện nhà máy thuỷ điện Khe soon g công suất 3.6 M w, nhà máy thuỷ điện Kẻ Gỗ công suất 3Mw Phương pháp tiến hành sau: 2.1.2 Thông số nhà máy thuỷ điện Khe Soong: Thông nhà máy Cột nước tính tốn HTK 11 m Cột nước lớn nh ất HMax 12,7 m Cột nước nhỏ HMin 9,0 m Côn g suất bảo đảm Nbđ80% 3032 kW Côn g suất lắp m áy Nlm 3790 kW Số tổ m áy Z tổ Thông số tuabin: Loại tua bin: t ua bin h ướn g trục, trục đứng, cánh cố định ; Cột áp thiết kế : Htk = 11 m; Lưu lượn g thiết kế : Qt k = 19,03 m /s; Côn g suất tổ máy: Ntm = 1895 kW; Số tổ máy: Z = 2; TẠP C HÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 26 - 2015 KHOA HỌC CÔNG NG HỆ Đườn g kính bánh g tác: D1 = 1900 m m; Vòng quay đồng bộ: n = 214,3 v g/ph ; Mẫu cánh tuabin, theo ký hiệu Tr ung Quốc: JP502; Phạm vi làm việc: ns = 565vg/ph, hiệu suất max: η=92%; đường kính BCT mơ hình D=420m m Mẫu cánh thực kh ảo sát, lấy mẫu thiết bị lase h iện đại Số liệu quét m ẫu xử lý 3D, tiến h ành xử lý số liệu, thiết kế x ây dựng vẽ chế tạo cánh cơng tác nguy ên hình Do có sai số chế tạo, sai số phép đo lấy m ẫu… biên dạng cánh lấy m ẫu khơng đún g hồn tồn mẫu mơ hình n guy ên loại tuabin này, dùn g n gay hiệu suất tuabin khơng đạt m ong m uốn Vì cần thiết phải đưa dạn g m hình thu nhỏ, thiết kế chế tạo t ua bin mơ hình phịn g thí nghiệm tiến hành thử nghiệm dạn g cánh để tìm mẫu tối ưu 2.1.4 Tính tốn thiết kế m ẫu cánh, tua bin m hình: - Loại tuabin khảo sát: Tuabin hướng trục Trung quốc, có ký hiệu JP502 Đườn g kính bánh cơng tác Tỉ số: : D1 = 1900 m d b0 0,4 , b 0,35 D1 D1 Số cánh bánh công tác: Z = cánh Mật độ dãy cánh : l l 0,914 , 1,650 t biên t bau Chiều dày profile cánh : 2.1.3 Các bước thử nghiệm mẫu tuabin mơ hình: 2,5 % , 12 ,0 % l biên max l bau max Các bước tiến hành nh sau: - Các thông số trạm thử tuabin m hình: - Chọn m ẫu tuabin ngun hình kiểu JP502Trung Quốc; mơ hình hoá m ẫu thực làm sở nghiên cứu Cột áp lớn nhất: HMax = m - Tính tốn thiết kế mẫu cánh mới, thay đổ i m ột số thông số mẫu JP502, tối ưu hố đặc tính làm việc thay đổi góc đặt cánh từ φ = lên φ = điểm làm việc tối ưu giữ n guyên thông số lưới cánh nhằm m rộng phạm vi làm việc Cột áp nhỏ nhất:HM in = m Cột áp thiết kế :HTK = 3,5 m Lưu lượn g lớn nhất:Q = 0,33 m /s Lưu lượn g quy dẫn :Q1’ = 1,75 m3/s - Tính tốn thiết kế tuabin mơ hình cho loại cột nước thấp, phù h ợp thơng số phịng Đườn g kính bánh cơng tác tuabin mơ hình :D1 = 300 m m thí nghiệm Cụ thể tính tốn chọn m ẫu cánh m hình sau: Số vịng quay quy dẫn tuabin mơ hình:n1’ = 125vg/ph - Mẫu cánh m hình 1: Tính tốn bánh cơng tác JP502 tham khảo mẫu cánh JP502 Trung Quốc chế tạo Việc tính tốn thiết kế mẫu cánh mơ hình từ cánh mẫu khảo sát, tiến h ành theo bước sau: - Mẫu cánh m hình 2: Tính tốn, thiết kế cánh bánh g tác theo phươn g pháp ph ân bố xốy Các thơng số cánh quy luật lấy theo mẫu - Xác định profile ứng với tiết diện cánh bánh công tác mẫu khảo sát - Mẫu cánh m hình 3: Tính tốn, thiết kế cánh bánh công tác theo phươn g pháp phân bố xoáy, - Xác định quy luật đắp độ dày cho profile m ẫu khảo sát - Xác định đường nhân profile mẫu khảo sát TẠP C HÍ KHOA HỌC VÀ CÔ NG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 26 - 2015 KHOA HỌC CÔNG NG HỆ - Xác định tỉ số l/t tiết diện kh ảo sát .- Để xác định đườn g nhân cho profile cánh bánh côn g tác tuabin m ô hình đề tài, ta áp dụn g luật tươn g tự hình họ c để x ác định Hình 1: Bánh cơng tác m ẫu JP502 Trung Quốc ch ế tạo mẫu 3D Hình 2: Các p rofile cánh công tá c mẫu JP502 Trung Quốc chế tạo TẠP C HÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 26 - 2015 KHOA HỌC CƠNG NG HỆ Dưới hình ảnh c ác đ ườn g nhân đắp độ dày profil e m ẫu c ánh mơ hìn h 1: Hình 3: Đường nhân prof ile cánh tiết diện Hình 4: Đường nhân pro file cánh tạ i tiết diện Hình 5: Đường nhân profile cánh tiết diện Hình 6: Đường nhân profile cánh tiết diện 2.1.5 Phân tích dịng chảy qua bánh cơng tá c m hình mơ hình tốn Hình 7: Đường nhân pro file tiết diện Để đánh giá ch ất lượn g làm việc bánh g tác cần phân tích dịn g chảy qua bánh cơng tác cho mẫu cánh mơ hình tuabin h ướn g trục cột nước thấp thông qua tính tốn phân bố vận tốc áp suất profile, h iệu suất cánh Việc phân tích v m dịng chảy qua bánh cơng tác nhằm phân tích cải thiện bánh g tác tuabin TẠP C HÍ KHOA HỌC VÀ CƠ NG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 26 - 2015 KHOA HỌC CƠNG NG HỆ bằn g phương pháp tính tốn độn g lực học chất lỏng ( CFD) Để đưa chế tạo mẫu bánh công tác, ch ún g cần phải trải qua giai đo ạn sau: Xử lý thiết kế bánh côn g tác Đún g Xây dựn g mơ hình D Sai Xây dựn g lưới Mơ 3D Xây dựng lại mơ hình Phân tích kết Kết thử n ghiệm vật lý Các thơng số đầu vào phân tích dịng chảy qua bánh cơng tác m hình: Lưu lượn g thiết kế : 0,295 m 3/s Cột áp nhỏ : m Cột áp lớn nh ất : 4m Tốc độ quay: 780 vịn g/phút Số cánh cơng tác: Cột áp thiết kế : 3.5 m Đườn g kính bánh g tác: D1 = 300 mm Tỉ số b0 d ,4 , b 0,35 D1 D1 Mật độ dãy cánh (l/t)bien = 0.914, (l/t)bầu = 1.650 2,5 % , Chiều dày profile cánh: l biên max 12 ,0 % l bau max Tính tốn thể thành phần kinh tuyến vận tốc tuyệt đối đầu vào 2,5m /s Phân tích bánh cơng tác bắt đầu với việc tạo lưới sàng lọ c lưới miền bánh g tác (miền bánh cơng tác thay đổi dịng chất lỏng thay đổi) Thứ hai, điều kiện ban đầu v điều kiện biên đặc trưng lưới Cuối cùn g, tính toán chung làm hiển thị để xác định yếu tố tác độn g đến hiệu suất bánh g tác Bằng ph ần mền phân tích dịng chảy qua bánh côn g tác cho ta kết biến thiên vận tốc, áp suất tổn thất bánh công tác Qua kết phân tích dịng ch ảy qua bánh cơng tác ta thấy vận tốc tiết diện bánh g tác biến thiên đều, khơng có bước nhảy; áp suất tiết diện profile cánh lớn áp suất bão hò a điều n ày chứng tỏ bánh công tác chế độ thiết kế làm việc ổn định, êm , không gây tổn thất lớn, khôn g xảy tượng xâm thực cánh bánh công tác bánh côn g tác làm việc đạt hiệu suất cao Vì m ẫu cánh đưa r a chế tạo thực n ghiệm Kết thử nghiệm mô hình vật lý Các BCT thiết kế, kết kiểm tra TẠP C HÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 26 - 2015 KHOA HỌC phân tích độn g lực học dịng ch ảy mơ hình tốn cho phép chế tạo tuabin mơ hình Quá trình thử n ghiệm đo giá trị cột áp H, lưu lượn g Q, m ô m en trục tuabin M S TT Mẫu (HTĐ00) Mẫu (HTĐ02) Mẫu (HTĐ01) Q 1’(m /s) n 1’(m /s) CÔNG NG HỆ theo độ mở khác a0 mẫu cánh mơ hình Sau kh i tiến hành lập g, x lý số liệu đo mẫu cánh, ta có kết cho g sau: η( %) ηmax(%) N( KW) 1,43÷1,85 89,6÷191,6 0,4 ÷ 0,69 0,69 3,67 ÷ 6,88 1,14÷1,48 83,5 ÷ 59,6 0,46 ÷ 0,83 0,83 3,45 ÷ 6,57 1,3÷1,69 89,6÷191,6 0,518÷0,894 0,894 4,33 ÷ 8,13 Dựa vào bảng số liệu đo kết hợp với kết xử lý số liệu ta có số kết luận sau: - Mẫu cánh bánh côn g tác số có ph ạm vi làm việc ứng với số vòng quay quy dẫn : n1’ = 89,6 ÷ 191,6 v /ph, lưu lượng quy dẫn Q1’ = 1,3 ÷ 1,69 m 3/s - Hiệu suất tuabin đạt từ : η = 0,518 ÷ 0,894 - Hiệu suất lớn : ηmax = 0,894 ứng với điểm làm việc n 1’ = 137,2 v/ph, Q1’ = 1,61 m /s độ mở cánh hướn g a0 = 90% b - Tỉ số chiều cao cánh hướn g : 0,4 Tỉ số D1 db ,35 D1 - Số c ánh bánh công tác: Z = cánh; góc đặt cánh φ = l l - Mật độ dãy cánh : 0,914, 1,65 t Biên t Bau Như thông qua trình tính tốn, thiết kế, thử nghiệm mẫu cánh tuabin hướng trục cột nước thấp từ mẫu cánh khảo sát thực tế, ta có mẫu cánh tối ưu dạng mơ hình T mẫu cánh này, tính tốn thiết kế phục vụ chế tạo tuabin thực theo điều kiện c ụ thể dự án thuỷ điện cột nước thấp bầu: 2.2 Tính tốn, thiết kế chế tạo tuabin ngun hình: Để tính toán thiết kế vẽ chế tạo tuabin hướn g trục cột nước thấp cho nhà máy thuỷ điện c ụ thể, c ác bước tiến hành nh sa u : T ính tốn lựa chọn loại tua bin, kiể u kết c ấ u c khí, thông số c tua bin : Căn c ứ vào thơng số cơng trình tính tốn cột nước, lưu lượn g, g suất lắp máy, số tổ m áy…chọn c ác thông số T ính tốn thơng số kỹ thuật cá c chi tiết phần dẫn dịn g tuabin bánh công tác, buồn g xo ắn, hệ thống cánh hướn g, ống xả, tr ục chính, ổ dẫn hướn g… T ính chọn vật liệ u, tính bền cá c ch i tiết c tua bin làm sở thiết kế vẽ chế tạo hoàn thiện tua bin T hiết kế vẽ chế tạo ho àn chỉnh cá c ch i tiết tuabin : từ bố trí lắp đặt đồng nh m áy đến chi tiết nhỏ c tua bin ; xây dựn g quy trình ch ế tạo m ột số chi tiết : bánh cơng tác, ổ h ướn g, tr ục chính… 2.2.1 Một số nội dung tính tốn thiết kế ch ế tạo tuabin h ướng trục cho nhà m áy thuỷ điện Khe Soong, Quảng Ninh: Trong phần khảo sát tính tốn thủy xác định thông số Nhà m áy thủy điện Khe Soong nh m ục 2.1.4 T đườn g đặc tính tổng h ợp c tua bin m hình, chọn cá c thơng số quy dẫn c tua bin: Hiệ u suất tua bin:ηT B = 0,90; Lưu lượn g quy dẫn : Q1’ = 1,60 m /s; TẠP C HÍ KHOA HỌC VÀ CÔ NG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 26 - 2015 KHOA HỌC CƠNG NG HỆ Số vịn g quay quy dẫn :n1’ = 125 v/ph; Buồn g xoắn : Hệ số xâm thực: σ = 0,365 - Buồng xoắn kiểu bê tơng kín, tiết diện m ặt cắt ngan g h ình thang, n ửa phẳn g; Sơ đồ tính tốn thơng số cua tua bin hướn g trục, trục đứn g[3]: - Góc ơm buồng xo ắn: φbx = 180 ; - Chiều cao buồn g xoắn: B1 = 2548 mm; - Số lượn g cột trụ: Z2 = 16 III KẾT LUẬN Hình 8: Các thơng số phần dẫn dịng tua bin HT trục đứng T ính chọn m ột số thông số c ph ần dẫn dòng t ua bin h ướn g tr ục: Bánh g tác: - Đườn g kính bánh cơng tác : D1 = 1900 mm ; - Số cánh: Z = Hệ thống cánh hướn g dòn g: - Đườn g kính phân bố cánh hướng dịn g: D0 = 2280 mm ; - Chiề u cao cánh hướng dòn g:b0 = 760 mm ; - Số cánh hướn g dòng: Z0 = 16 Bài báo trình bày số kết n ghiên cứu lấy mẫ u, thiết kế thử n ghiệm mơ hình tuabin phịn g thí n gh iệm, chọn m ẫu cánh tối ưu cho loại tua bin cột nướ c thấp, tr ục đứn g vẽ chế tạo tua bin n guyên hình cho nhà máy thủy điện Hiện g trình giai đoạn chế tạo tuabin, sau lắp đặt thử n ghiệm nhà m áy thuỷ điện Kh e soong, tỉnh Quản g ninh T kết trên, ch ún g ta khẳng định thiết kế, chế tạo loạ i tuabin (tua bin hướng trục, tua bin Francis, tuabin gáo…) cho nhà máy thuỷ điện nướ c Nếu ch ủ đầ u tư dự án thuỷ điện bắt tay với đơn vị n ghiên cứu, nh chế tạo đượ c nhà nước quan tâm có chế ủn g hộ (đún g nghĩa với việc hỗ trợ “ nội địa hoá” sản xuất thiết bị thuỷ điện thể chế rõ r àng), cá c thiết bị đồn g cho nhà máy thuỷ điện nhỏ chế tạo nước chiếm đến 80% Chất lượng c thiết bị cải thiện nhanh chóng sa u m ột thời gian n gắn vận hành, đạt tương đươn g nước n goà i TÀI LIỆU THAM KHẢO [1][2][2][3][4]- Võ Sỹ Huỳnh, Nguyễn Thị Xuân T hu Tuabin nước NXB Khoa họ c & kỹ thuật, 2004 Văn phê duyệt quy hoạch dự án thủy điện nhỏ nối lưới năm 2009 Bộ Công thương Kovalev N N T ua bin thủy lực NXB Chế tạo máy Lenigrat, 1971 (bản tiến g Nga) П Г КИСЕ ЛЕ ВА Sổ tay thiết kế thủy lực NXB Mock ba, 1972 (Bản tiến g Nga) T.C Se golev, I U.E Garkavi, - T ua bin th ủy lực v điều khiển hoạt độn g c tua bin NX B Masgis Mockva - L eningrat 1957 [5]- Axtafev V A , Barkov N K T ua bin nước v thiết bị ph ụ trợ NXB Năng lượn g quốc gia Maxtcơva - Leningr at, 1958 TẠP C HÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 26 - 2015 ... c ụ thể dự án thuỷ điện cột nước thấp bầu: 2.2 Tính tốn, thiết kế chế tạo tuabin ngun hình: Để tính tốn thiết kế vẽ chế tạo tuabin hướn g trục cột nước thấp cho nhà máy thuỷ điện c ụ thể, c ác... cấu khí kiểu trục đứn g loại tuabin hướn g trục cột nước thấp, sở khảo sát thiết bị nước n go ài lắp đặt dự án Việt nam thời gian qua Nghiên cứu tuabin n ước 2.1.1 Lấy mẫu từ thiết bị nước ngoài:... g hội cho nhà chế tạo nước chủ động sản xuất thiết bị thuỷ điện nhỏ Từ nhu cầu thực tiễn vậy, báo trình bày nội dung nghiên cứu, thiết kế chế tạo cho loại t uabin hướn g trục cột n ước thấp côn
