Nghiên cứu tua bin hướng chéo cánh cố định ứng dụng cho thủy điện nhỏ ở việt nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ****** NGHIÊN CỨU TUA BIN HƯỚNG CHÉO CÁNH CỐ ĐỊNH ỨNG DỤNG CHO THỦY ĐIỆN NHỎ Ở VIỆT NAM Chuyên nghành: KỸ THUẬT MÁY VÀ THIẾT BỊ THỦY KHÍ Mã nghành: 62.52.16.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI 2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ****** PHẠM PHÚC YÊN NGHIÊN CỨU TUA BIN HƯỚNG CHÉO CÁNH CỐ ĐỊNH ỨNG DỤNG CHO THỦY ĐIỆN NHỎ Ở VIỆT NAM Chuyên ngành: KỸ THUẬT MÁY VÀ THIẾT BỊ THỦY KHÍ Mã ngành: 62.52.16.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: GS.TS Lê Danh Liên PGS.TS Bùi Quốc Thái HÀ NỘI 2012 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận án trung thực chưa cơng bố cơng trình khác TÁC GIẢ LUẬN ÁN MỤC LỤC Trang PHẦN MỞ ĐẦU 1 Sự cần thiết đề tài Mục đích phạm vi nghiên cứu 2.1 Mục đích nghiên cứu 2.2 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 2.3 Ý nghĩa khoa học thực tiễn CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ TUA BIN HƢỚNG CHÉO 1.1 Phạm vi làm việc tua bin hƣớng chéo 1.1.1 Sự đời tua bin hướng chéo 1.1.2 Phân loại phạm vi làm việc tua bin hướng chéo 1.2 Tổng quan kết nghiên ứng dụng tua bin hƣớng chéo giới 1.2.1 Tua bin hướng chéo công suất vừa lớn 1.2.2 Các kết nghiên cứu tua bin hướng chéo Nga (Liên Xô 1.2.3 Tua bin hướng chéo công suất nhỏ 13 cũ) 1.3 Tổng quan nghiên cứu ứng dụng tua bin hƣớng chéo Việt Nam 15 1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu khoa học đề tài 18 1.4.1 Phương pháp nghiên cứu 18 1.4.2 Nội dung nghiên cứu luận án 18 CHƢƠNG NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT TÍNH TỐN CHO MƠ HÌNH TUA BIN HƢỚNG CHÉO CÁNH CỐ ĐỊNH CÔNG SUẤT NHỎ 20 2.1 Lựa chọn phƣơng pháp tính tốn thiết kế profil cánh bánh cơng tác tua bin mơ hình hƣớng chéo 20 2.1.1 Thiết kế BCT tua bin hướng chéo theo phương pháp tọa độ 21 2.1.1.1 Cơ sở lý luận lựa chọn phương pháp tọa độ 21 2.1.1.2 Nội dung phương pháp tọa độ 21 2.1.2 Xây dựng tọa độ đường nhân đắp độ dày cho profil cánh 25 2.2 Cơ sở lý thuyết xác định phân bố vận tốc áp suất profil cánh 26 2.3 Cơ sở đánh giá tổn thất lƣợng dòng chảy qua tua bin 32 2.3.1 Tổn thất va đập 33 2.3.2 Tổn thất co hẹp mở rộng đột ngột dòng chảy 35 2.3.3 Tổn thất ma sát dòng chất lỏng với cánh dẫn chuyển động xoáy qua khe hở bánh công tác buồng tua bin 37 2.4 Cơ sở xây dựng đƣờng đặc tính lý thuyết tua bin hƣớng chéo 39 2.4.1 Phân loại đường đặc tính tua bin 39 2.4.2 Xây dựng đường đặc tính cột áp tua bin 40 2.4.3 Xây dựng đường đặc tính tổng hợp lý thuyết tua bin hướng chéo 45 2.4.3.1 Vẽ đường quan hệ Q = f(n) 45 2.4.3.2 Vẽ đường quan hệ η = f(n) 47 2.4.3.3 Xây dựng đường đặc tính tổng hợp lý thuyết 49 2.5 Tính tốn bánh cơng tác máy vi tính 51 2.5.1 Chương trình tính tốn phân bố vận tốc áp suất profil cánh 51 2.5.2 Chương trình tính tốn tổn thất bánh cơng tác 53 2.6 Nghiên cứu ảnh hƣởng độ mau lƣới cánh đến đặc tính làm việc tua bin 54 2.7 Các kết nghiên cứu TBHC cánh xoay 59 2.7.1 Các thơng số kết cấu tua bin hướng chéo 60 2.7.2 Các kết nghiên cứu hệ thống dẫn dòng TBHC cánh xoay 62 2.7.3 Các bước tính tốn lựa chọn thơng số kết cấu phần dẫn dịng TB 64 2.7.4 Lựa chọn thơng số phần dẫn dịng cho thiết kế TB mơ 67 hình đề tài CHƢƠNG 70 THIẾT KẾ VÀ THỬ NGHIỆM MƠ HÌNH TUA BIN HƢỚNG CHÉO CÁNH CỐ ĐỊNH CÔNG SUẤT NHỎ 3.1 Phƣơng pháp nghiên cứu thực nghiệm 70 3.2 Tính tốn thiết kế tua bin mơ hình 72 3.2.1 Cơ sở mơ hình hố chọn tua bin mơ hình 72 3.2.2 Tính tốn thiết kế phần dẫn dịng tua bin mơ hình 75 3.2.3 Tính tốn thiết kế bánh cơng tác tua bin mơ hình 81 3.2.3.1 Tính tốn thiết kế profile cánh mẫu BCT 3.2.4 Tính tốn tổn thất, hiệu suất mẫu cánh BCT, vẽ đường đặc tổng hợp tính lý thuyết đánh giá sơ đặc tính làm việc TB 3.2.5 Vẽ đường đặc tính tổng hợp lý thuyết 3.3 Thử nghiệm tua bin mơ hình 82 86 87 92 3.3.1 Xác định thơng số cần đo 92 3.3.2 Phương pháp xây dựng đường đặc tính tổng hợp 93 3.3.3 Giá thí nghiệm tua bin 94 3.3.3.1 Mô tả chung hệ thống 94 3.3.3.2 Các hạng mục thiết bị hệ thống 95 3.4 Phƣơng pháp thực nghiệm tua bin 98 3.4.1 Số liệu thực nghiệm 98 3.4.2 Quá trình đo 99 3.4.3 Xử lý liệu thí nghiệm 100 3.4.4 Xử lý liệu 101 3.5 Kết thực nghiệm 102 KẾT LUẬN 110 Đánh giá kết nghiên cứu 110 Những đóng góp đề tài 111 Kiến nghị 112 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 113 TÀI LIỆU THAM KHẢO 114 PHỤ LỤC 116 PHỤ LỤC I Kết tính tốn thiết kế mẫu cánh 117 PHỤ LỤC II Kết tính tốn thuỷ lực mẫu A 126 PHỤ LỤC III Kết tính toán thuỷ lực mẫu B 129 PHỤ LỤC IV Kết tính tốn thuỷ lực mẫu C 132 PHỤ LỤC V Kết tính tốn thuỷ lực mẫu 135 PHỤ LỤC VI Kết tính tốn thuỷ lực mẫu 138 PHỤ LỤC VII Đƣờng đặc tính thực nghiệm 141 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT BCT Bánh công tác CHD Cánh hướng dịng C0 Hằng số tích phân cx Hệ số lực cản cy Hệ số lực nâng cxp Hệ số lực cản profile cxp Hệ số tổn thất khe hở tương đối D Ký hiệu tua bin hướng chéo Nga: D30, D45, D60 D60 Tua bin hướng chéo loại góc nghiêng 60 độ D1 Đường kính bánh cơng tác (m) db Tỷ số bầu tương đối BCT db Đường kính bầu BCT E Năng lượng đơn vị (j/kg) F Diện tích (m2) H Cột áp tua bin (m) Hlth Cột áp lý thuyết (m) Hthực Cột áp thực tế (m) hc Sức cản thuỷ lực (m)  Tổn thất tương đối (không thứ nguyên) h  hthl  hbct  hoh  h profile Tổn thất thuỷ lực tương đối (không thứ nguyên) Tổn thất tương đối bánh công tác (không thứ nguyên) Tổn thất tương đối ống hút (không thứ nguyên) Tổn thất tương đối profile (không thứ nguyên) H Sai số giới hạn tương đối cột áp (%) g Gia tốc trọng trường (m/s2) L Chiều dài dây cung prôfin (m) l/t Độ mau dẫy cánh M Mô men (Nm) Ntd Số lượng tiết diện tính tốn N Cơng suất (W) Ntl Công suất thuỷ lực (W) Ntr Công suất trục (W) Nms Công suất tổn thất ma sát (W) N Sai số giới hạn tương đối công suất (%) N* Sai số mạch động công suất (%) N Sai số tổng cộng công suất (%) n Số vòng quay (vòng/phút) ns Số vòng quay đặc trưng (vịng/ph) n’1 Số vịng quay quy dẫn (khơng thứ ngun) P Áp suất (Kg/cm2) Pa Áp suất khí (Kg/cm2) Q Lưu lượng (m3/s) Qd Lưu lượng rò rỉ (m3/s) Qtt Lưu lượng thực tế (m3/s) Qlth Lưu lượng lý thuyết (m3/s) Q’1 Lưu lượng quy dẫn (không thứ nguyên) Q Sai số giới hạn tương đối lưu lượng (%) Q* Sai số mạch động lưu lượng (%) Q Sai số tổng cộng lưu lượng (%) Ri Bán kính tính tốn tiết diện (m) Rx Lực cản Ry Lực nâng Re Số râynôn (không thứ nguyên) t Bước cánh TB Tua bin TBHC Tua bin hướng chéo VNKHT Vành khe hở trụ TTĐ Trạm thuỷ điện u Tọa độ theo phương quay Cm Vận tốc tuyệt đối (m/s) Vz Vận tốc dọc trục (m/s) Vu Vận tốc xoáy (m/s) V2u Vận tốc xoáy lối khỏi BCT (m/s) U Vận tốc vòng (m/s) XM Giá trị đo tới hạn X Giá trị đo thực W Vận tốc tương đối (m/s) W1 Vận tốc tương đối lối vào lưới (m/s) W2 Vận tốc tương đối lối lưới (m/s) W Vận tốc dịng song phẳng khơng nhiễu (m/s) z Toạ độ vng góc với phương u ZCT Số cánh bánh công tác  Lưu số vận tốc  Trọng lượng riêng (N/m3) (s) Hàm xoáy  Khối lượng riêng (Kg/m3)  Hệ số nhớt động học (m2/s) Hình 1.6: Phân bố vận tốc profile tiết diện mẫu B Hình 1.7: Đồ thị áp suất profile tiết diện mẫu B 130 Hình 1.8: Vận tốc không thứ nguyên profile tiết diện mẫu B Hình 1.9: Bảng tính tốn tổn thất BCT mẫu B 131 PHỤ LỤC IV KẾT QUẢ TÍNH TỐN THỦY LỰC MẪU C 132 Hình 1.10: Phân bố vận tốc profile tiết diện mẫu C Hình 1.11: Đồ thị áp suất profile tiết diện mẫu C 133 Hình 1.12: Vận tốc khơng thứ ngun profile tiết diện mẫu C Hình 1.13: Bảng tính tốn tổn thất BCT mẫu C 134 PHỤ LỤC V KẾT QUẢ TÍNH TỐN THỦY LỰC MẪU 135 Hình 1.14: Phân bố vận tốc profile tiết diện mẫu Hình 1.15: Đồ thị áp suất profile tiết diện mẫu 136 Hình 1.16: Vận tốc khơng thứ nguyên profile tiết diện mẫu Hình 1.17: Bảng tính tốn tổn thất BCT mẫu 137 PHỤ LỤC VI KẾT QUẢ TÍNH TỐN THỦY LỰC MẪU 138 Hình 1.18: Phân bố vận tốc profile tiết diện mẫu Hình 1.19: Đồ thị áp suất profile tiết diện mẫu 139 Hình 1.20: Vận tốc không thứ nguyên profile tiết diện mẫu Hình 1.21: Bảng tính tốn tổn thất BCT mẫu 140 PHỤ LỤC VII ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH THỰC NGHIỆM 141 ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH THỰC NGHIỆM MẪU  Hình 1.22: Quan hệ η = f(Q1’) Hình 1.23: Quan hệ η = f(n1’, Q1’) 142 ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH THỰC NGHIỆM MẪU  Hình 1.24: Quan hệ η = f(Q1’) Hình 1.25: Quan hệ η = f(n1’, Q1’) 143 ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH THỰC NGHIỆM MẪU  Hình 1.26: Quan hệ η = f(Q1’) Hình 1.27: Quan hệ η = f(n1’, Q1’) 144 ... NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT TÍNH TỐN CHO MƠ HÌNH TUA BIN HƢỚNG CHÉO CÁNH CỐ ĐỊNH CÔNG SUẤT NHỎ Nghiên cứu tua bin hướng chéo cánh cố định có vành ngồi khe hở trụ phạm vi công suất nhỏ hướng nghiên cứu. .. nước Tua bin hướng chéo nằm vùng làm việc này, chưa nghiên cứu đưa vào ứng dụng cho thủy điện nhỏ cực nhỏ Việt Nam Tiềm thủy điện nhỏ thị trường cho ngành khí Việt Nam tham gia chế tạo thiết bị thủy. .. tua bin có đặc tính làm việc tốt cho thuỷ điện nhỏ cực nhỏ cho ta loại tua bin phản lực tốt thay tua bin hướng trục cánh cố định, tua bin tâm trục vùng làm việc Việc ? ?Nghiên cứu ứng dụng tua bin