Ứng dụng phần mềm nghiên cứu và thiết kế tuabin francis

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Vamengher XAYLIAVUE ỨNG DỤNG PHẦN MỀM NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ TUABIN FRANCIS LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hà Nội – 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Vamengher XAYLIAVUE ỨNG DỤNG PHẦN MỀM NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ TUABIN FRANCIS LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Chuyên ngành: CHẾ TẠO MÁY NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS PHAN BÙI KHÔI Hà Nội - 2016 MỤC LỤC Chương 1: Tổng quan tuabin thủy lực .1 1.1 Tình hình phát triển thủy điện Lào 1.2 Tuabin thủy lực 1.2.1 Lịch sử phát triển tuabin Francis 1.2.2 Sơ đồ kiểu nhà máy thủy điện 1.2.3 Các thơng số dịng chảy tuabin nước 1.3 Phân loại phạm vi sử dụng tuabin .11 1.3.1 Phân loại theo dạng lượng dòng chảy qua tuabin 11 1.3.1.1 Tuabin phản lực .12 1.3.1.2 Tuabin xung lực 16 1.3.2 Phân loại theo số vòng quay đặc trưng tuabin .19 1.3.3 Phạm vi sử dụng tuabin .22 1.4 Tuabin Francis tuabin Kaplan 23 1.4.1 Tuabin Francis .23 1.4.2 Tuabin Kaplan .24 1.4.3 Sự khác biệt tuabin Francis tuabin Kaplan 24 1.5 Kết luận 26 Chương 2: Cơ sở thiết kế bánh công tác tuabin tâm trục (tuabin Francis) 27 2.1 Cấu trúc nguyên lý hoạt động tuabin Francis .27 2.1.1 Cấu trúc .27 2.1.2 Nguyên lý hoạt động tuabin Francis 27 2.1.3 Các trạng thái dòng chảy BXCT 31 2.2 Các phận tuabin Francis 32 2.2.1 Vòng bệ tuabin (Stator) 33 2.2.2 Buồng dẫn tuabin (Spiral casing) .34 2.2.3 Buồng hút (Draft tube) 36 2.2.4 Cánh hướng nước (Guide vanes and stay vanes) 36 2.2.5 Bánh công tác (Runner) .37 2.2.6 Trục tuabin (Shaft) 39 2.3 Tính tốn thiết kế bánh cơng tác tuabin Francis 40 2.3.1 Cơ sở lý thuyết tính tốn thiết kế bánh cơng tác 40 2.3.2 Các phương pháp thiết kế cánh BXCT tuabin tâm trục 43 2.3.3 Thiết kế cánh BXCT tuabin tâm trục theo phương pháp tọa độ 44 2.3.4 Thiết kế cánh BXCT tuabin tâm trục theo phương pháp hai tọa độ 53 2.4 Ứng dụng phần mềm thiết kế bánh xe công tác tuabin tâm trục .60 2.4.1 Các phần mềm ứng dụng thiết kế 60 2.4.2 Giới thiệu phần mềm CATIA 62 2.4.3 Ưu điểm hạn chế phần mềm CATIA .65 2.5 Kết luận 66 Chương 3: Tổng quan công nghệ Reverse Engineering 68 3.1 Giới thiệu công nghệ Reverse Engineering .68 3.1.1 Sự cần thiết RE .69 3.1.2 Định ngĩa RE 70 3.1.3 Quy trình ứng dụng RE .71 3.2 Các ứng dụng phổ biến RE 74 3.3 Ưu điểm nhược điểm thiết kế ngược 79 3.3.1 Ưu điểm thiết kế ngược 79 3.3.2 Nhược điểm thiết kế ngược 79 3.4 Nghiên cứu ứng dụng RE .79 3.4.1 Ứng dụng phương pháp đo tiếp xúc 79 3.4.2 Ứng dụng phương pháp đo không tiếp xúc 80 3.5 Một số phần mềm thông dụng RE 83 3.5.1 Phần mềm CATIA .84 3.5.2 Phần mềm Geomagic Studio .84 3.5.2 Phần mềm Repidform XOR 85 3.6 Ứng dụng RE để thiết kế biên dạng BXCT 88 3.6.1 Máy quét 3D ATOS I (2M) 88 3.6.2 máy quét 3D Laser Faro 91 3.7 Kết luận 91 Chương 4: Ứng dụng kỹ thuật ngược thiết kế bánh công tác tua bin Francis 93 4.1 Chu trình thiết kế BXCT tuabin tâm trục (tuabin Francis) 93 4.2 Thiết kế mơ hình 3D 95 4.3 Áp dụng thiết kế BXCT tuabin tâm trục .99 4.3.1 Sự cần thiết phải thiết kế ngược 99 4.3.2 Các bước thực khôi phục cánh tuabin CATIA 101 4.4 Kết luận 113 Kết luận chung 114 Tài liệu tham khảo 115 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1-1: Nhà máy thủy điện Lào Hình 1-2: Sơ đồ nhà máy thủy điện .4 Hình 1-3: Sơ đồ nhà máy thủy điện kiểu lịng sơng Hình 1-4: Sơ đồ nhà máy thủy điện kiểu đường dẫn .6 Hình 1-5: Sơ đồ nhà máy thủy điện kiểu tổng hợp Hình 1- 6: Sơ đồ cột áp NMTĐ Hình 1-7: Xác định cột nước tubin phản lực có cột nước thấp vừa Hình 1-8: Xác định cột nước tubin phản lực có cột nước trung bình cao Hình 1-9: Bố trí chung tua bin phản ứng .11 Hình 1-10: Tuabin hướng trục .13 Hình 1-11: Tuabin tâm trục đứng 15 Hình 1-12: Tuabin hướng chéo 15 Hình 1-13: tuabin cánh quay 16 Hình 1-14: Tuabin gáo 17 Hình 1-15: Tuabin tia nghiêng loại vòi phun 18 Hình 1-16: tuabin xung kích lần 19 Hình 1-17: Phân loại tuabin theo ns .20 Hình 1-18: Phạm vi sử dụng cột nước lưu lượng 21 Hình 2-1: Khối nước m chảy qua BPHN (1), khe hở cánh (2) bánh công tác .29 Hình 2-2: Vịng bệ tuabin (Stator) 33 Hình 2-3: Buồng dẫn tuabin buồng xoắn 35 Hình 2-4: Buồng hút .36 Hình 2-5: Cánh hướng nước 37 Hình 2-6: Bánh cơng tác (Runner) 39 Hình 2-7: Trục tuabin 40 Hình 2-8: Sơ đồ để chọn điều kiện dịng chảy thơng số khác BXCT tuabintâm trục 42 Hình 2-9: Quan hệ Cur=f(S) P=f(S) 43 Hình 2-10: Chọn mặt khai triển mặt xoáy .45 Hình 2-11: Chọn mặt xoay thay mặt dịng .47 Hinh 2-12: Lưới ánh xạ 50 Hình 2-13: Đắp độ dày cánh 51 Hình 2-14: Bản vẽ thiết kế BXCT tuabin tâm trục 52 Hình 2-15: Dựng profile mặt cắt kinh tuyến .59 Hình 2-16: Giao diện phần mềm khởi động CATIA .63 Hình 3-1: Sơ đồ chu kỳ phát triển sản phẩm 71 Hình 3-2: Sơ đồ ý tưởng cơng nghệ RE 73 Hình 3-3: Quy trình lấy mẫu tơ áp dụng công nghệ RE 74 Hình 3-4: Cơng nghệ RE dựng mơ hình CAD cho tác phẩm nghệ thuật 75 Hình 3-5: Ứng dụng công nghệ kỹ thuật ngược lấy mẫu hoa văn thủ cơng 75 Hình 3-6: Ứng dụng cơng nghệ kỹ thuật ngược để thiết kế lại 76 Hình 3-7: Ứng dụng RE thiết kế lại, cải tiến mẫu mã sản phẩm 76 Hình 3-8: Cơng nghệ thiết kế ngược khảo cổ học .77 Hình 3-9: Ứng dụng thiết kế đảo chiều để tạo hàm .77 Hình 3-10: Ứng dụng công nghệ kỹ thuật ngược tạo mảnh sọ não dùng Trong y học 77 Hình 3-11: Ứng dụng cơng nghệ kỹ thuật ngược trang phúc phim 78 Hình 3-12: Cấu tạo máy CMM 80 Hình 3-13: Máy quét laser 82 Hình 3-14: Máy quét COMET Measuring system .83 Hình 3-15: Quy trình làm việc Repidform Redesign XOR 85 Hình 3-16: Sơ đồ cơng nghệ kỹ thuật ngược Repidform XOR 86 Hình 3-17: máy quét 3D ATOS I (2M) 88 Hình 3-18: Khả linh hoạt máy 90 Hình 3-19: Máy quét đo Faro Focus 3D 91 Hình 4-1: Chu trình thiết kế cho kiểu đối tượng tua bin cụm chi tiết 93 Hình 4-2: Xây dựng mơ hình 3d cơng nghệ gia cơng bánh cơng tác tua bin 94 Hình 4-3: Máy quét 3D FARO .95 Hình 4-4: Trong mơi trường CAM có modul xử lý biên dịch lệnh gia cơng 97 Hình 4-5: Kết lập trình CAM trợ giúp gia công xuất NC file 98 Hình 4-6: BXCT bị mài mịn .100 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1-1: Số vòng quay đồng 10 Bảng 1-2: phân loại tuabin theo ns .20 Bảng 1-3: Số vòng quay đặc trưng theo ns 21 Bảng 1-4: Phạm vi sử dụng tuabin 23 Bảng 1-5: So sánh khác biệt tuabin Francis tuabin Kaplan 25 Bảng 2-1: Bảng kích thước vịng bệ (đơn vị Cm) 33 Bảng 2-2: Góc ơm cánh hình chiếu bằng, ký hiệu , chọn theo ns H 41 Bảng 2-3: Độ dày profile chất lượng cao, phân bố mặt nón khai triển 50 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU H= Cột áp tuabin [m] Htt= cột nước tính tốn [m] Hmax= Cột áp lớn [m] Hmin= Cột áp nhỏ [m] N= Công suất trạm [kW, MW] Z= Số tổ máy P= Cơng suất [kW, MW] = Góc Z= Cao trình mặt nước [m] V= vận tốc mặt cắt ống hút [m/s] = Trọng lượng riêng nước [Kg/m3] Q= Lưu lượng [m3/s] Ndc= Công suất dịng chảy [kW] NT= Cơng suất trục tuabin [kW] = Hiệu suất tuabin [%] – Hiệu suất thủy lực [%] góc ơm cánh mặt nón = góc ơm cánh hình chiếu Hệ số chèn dòng độ dày cánh f= tần số [Hz] g= gia tốc trọng trường [m/s2] = tốc độ trục quay [Rad/s] R= khoảng cách từ điểm xét đến trục quay [m] ⃗ = hướng tiếp tuyến với vịng trịn tâm trục quay, bán kính Z1= Số cánh bánh xe cơng tác D= Đường kính bánh xe cơng tác [m] ns= Số vịng quay [v/ph] ni = Số vòng quay quy dẫn [v/ph] Qi = Lưu lượng quy dẫn [m3/s] = Lưu lượng nguyên tố [m3/s] B= áp suất khí trời Zx= khoảng cách từ tiết diện x-x [m] hệ số xâm thực tuabin Hs = khoảng cách từ tâm cánh hướng đến hạ lưu [m] K = hệ số dư trữ ( hệ số an toàn) hệ số xâm thực tổ máy HSTM= chiều cao hút thực tế tổ máy [m] t= thời gian làm việc tuabin [s] K0=hệ số chịu mài mòn vật liệu M= mật độ hạt [R] 1mm chất liệu bền Tại nơi dịng chảy có vận tốc lớn bề mặt cánh phải giảm độ cong, tránh ngoặt gấp co hẹp đột biến dòng chảy Đối với trạm đặt nơi dịng chảy có nhiều dư lượng hạt, cần chọn tuabin có vận tốc giảm Các chi tiết bị mài mịn cần thiết kế có khả tháo lắp, sửa chữa thuận tiện 4.3.2 Các bƣớc thực khôi phục cánh tuabin CATIA Nhận liệu từ phần mềm thiết bị quét Atos, định dạng *.stl theo hình sau: Click vào nút Import để nhận file 101 Giao diện nhập liệu vào môi trường Digitized shape editor CATIA hình sau: Dữ liệu đám mây điểm định dạng STL nhập vào CATIA để xử lý, khơi phục biên dạng cánh tuabin: 102 Hình ảnh đám mây điểm Dữ liệu từ máy quét đưa vào máy tính xử lý số liệu hiển thị hình ảnh 3D mơ hình đối tượng 103 Hình ảnh 3D mẫu sản phẩm Chuyển sang môi trường Quick surface reconstruction để thực tạo lớp biên dạng cánh cắt từ đám mây điểm mặt phẳng vuông góc với trục bánh cơng tác (trùng với trục tuabin), mơ tả hình sau: 104 Chọn lệnh Planar sections môi trường Quick surface reconstruction để tạo mặt phẳng cắt: Ở đây, ta chọn số mặt cắt 25 ô Number, khoảng cách mặt cắt cách nhập Step 20mm (vì chiều cao cánh tuabin gốc Nhà máy tính từ mặt đầu vai trục đến mặt lối vành tuabin 500mm) Kết lớp biên dạng cánh cắt hình sau: 105 Kết mặt cắt biên dạng từ đám mây điểm: 106 Như hình ta thấy chỗ bị khuất, tia lase thiết bị quét chiếu đến nơi khơng tạo đám mây điểm nên biên dạng cánh chỗ rời rạc Ta cần chọn lựa từ nhiều vị trí cánh khác, kết hợp nội suy để nối trơn, tạo thành biên dạng cánh đầy đủ mặt lưng mặt bụng cánh Ở chỗ bị che khuất hoàn toàn, tia laser không chiếu tới ta dùng bột thạch cao đắp vào vùng cánh đó, chờ cho bột thạch cao cứng lại, lấy tiến hành quét khối thạch cao Cần ý lấy mặt chuẩn để ghép nối với vùng cánh quét trước Trong trường hợp này, tác giả dùng mặt trụ mặt đầu lỗi chi tiết vành để làm mặt chuẩn 107 Kết mặt cắt biên dạng cánh khối thạch cao: Sau có đủ số mắt cắt cần thiết cho khôi phục biên dạng cánh Kết khôi phục biên dạng cánh mặt cắt sau: 108 109 Tiếp theo, tác giả tiến hành ghép mặt cắt biên dạng theo thứ tự, khoảng cách Định vị ghép mặt theo hệ trục xoy, gốc o phương x, y Kết ghép mặt cắt lại sau: 110 Sau đó, đăng nhập vào mơi trường thiết kết khung dây, bề mặt Wirefram and surface design CATIA, kết dựng lại bề mặt cánh tuabin sau: 111 Hình ảnh cánh tuabin sau khơi phục biên dạng: Hình ảnh tồn bánh cơng tác tuabin tâm trục thiết kế lại từ liệu mây điểm: 112 4.4 Kết luận Chương trình bày quy trình ứng dụng kỹ thuật ngược thiết kế BXCT, trình bày bước thực quy trình thiết kế ngược Áp dụng để thiết kế mẫu BXCT tuabin tâm trục có hỏng hóc, mịn vận hành Kết nhận thiết kế 3D BXCT tuabin Francis với hỏng học, mòn khắc phục 113 Kết luận chung ♦ Luận văn nghiên cứu tổng quan nhu cầu phát triển ngành thủy điện Lào, nhà máy thiết bị thủy điện quan tâm nghiên cứu tuabin Francis ♦ Nghiên cứu sở lý thuyết, tính tốn thiết kế tuabin Francis nói chung BXCT nói riêng ♦ Nghiên cứu kỹ thuật ngược để áp dụng thiết kế BXCT theo mẫu ♦ Nghiên cứu ứng dụng phần mềm Catia, phần mềm mạnh nhất, để áp dụng thiết kế theo mẫu BXCT nhờ áp dụng kỹ thuật ngược ♦ Luận văn áp dụng kỹ thuật ngược phần mềm Catia để thiết kế theo mẫu BXCT bị mòn trình vận hành, khai thác ♦ Kết nhận thiết kế 3D BXCT với BXCT mẫu với hư hỏng mòn phục hồi Hƣớng phát triển: ♦ Tiếp tục hoàn thiện phương pháp thiết kế ngược áp dụng phần mềm Catia để thiết kế toàn tuabin Francis ♦ Đồng thời nghiên cứu mở rộng việc thiết kế cho sản phẩm khác ngành khí nói chung ngành thủy điện nói riêng 114 Tài liệu tham khảo Barlit V V Tuabin thủy lực NXB Giáo dục Kiev, 1977 Võ Sỹ Huỳnh, TS Nguyễn Thị Xuân Thu Tuabin nước (NXB Khoa học kỹ thuật 2005) Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế tuabin tâm trục hệ thống thủy lực điều khiển quay cánh hướng dòng, GVHD: TS Huỳnh Văn Hồng, HVTH: Nguyễn Chí Linh(2008) Trần Tú Anh Nghiên cứu ứng dụng công nghệ reverse engineering thiết kế khuôn mẫu, ứng dụng thiết kế, chế tạo khuôn đùn giăng cao su cho xe tải Luận văn thạc sĩ 2016 http://www.edlgen.com.la/en/page.php?post_id=30 http://xemtailieu.com/tai-lieu/nghien-cuu-dac-tinh-nang-luong-cua-tua-bin-tamtruc-voi-banh-cong-tac-co-day-canh-ngan-35743.html http://www.differencebetween.com/difference-between-kaplan-and-vs-francisturbine/ http://www.green-mechanic.com/2014/03/frances-turbine-vs-kaplan-turbine.html http://clips9.com/files/2016/01/difference-between-kaplan/D9Fu9lDJbXU.html 10 Nhà máy thủy điện Sơn La, Trần Thanh Hải 11 http://123doc.org/document/1336654-do-an-tot-nghiep-ung-dung-phan-memcatia-trong-qua-trinh-thiet-ke-san-pham-va-lap-trinh-gia-cong-khuonmau.htm?page=31 12 http://www.daotaocadcam.info/thiet-ke-khuon-mau-tren-cac-phan-mem-co-khi/ 115 ... mềm nghiên cứu thiết kế sản phẩm dựa kỹ thuật thiết kế ngược hướng nghiên cứu phù hợp Kết nghiên cứu áp dụng thiết kế BXCT tuabin Francis sở để hoàn thiện mở rộng nghiên cứu thiết kế tuabin Francis. .. ? ?Ứng dụng phần mềm nghiên cứu thiết kế tuabin Francis? ?? Mục đích đối tượng nghiên cứu Mục đích q trình nghiên cứu ứng dụng phần mềm thiết kế BXCT xong em nâng cao kiến thức để ứng dụng nước CHDCND... pháp nghiên cứu Kết hợp nghiên cứu sở lý thuyết tính tốn thiết kế BXCT với việc ứng dụng phần mềm catia, thiết bị đại thiết kế theo mẫu BXCT Từ liệu quét hình mẫu sản phẩm thiết bị đại, áp dụng phần