Nghiên cứu, thiết kế quy trình công nghệ chế tạo cánh turbine bulb trong nhà máy Thủy điện.PDF

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - HỌ VÀ TÊN: LÊ THANH HUYỀN C C NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ R L T CHẾ TẠO CÁNH TURBINE BULB TRONG NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN DU CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ Mã số: 8520103 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng – Năm 2020 Cơng trình đƣợc hoàn thành TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS LƢU ĐỨC BÌNH Phản biện 1: TS Hoàng Văn Thạnh C C Phản biện 2: PGS.TS Phạm Đăng Phƣớc R L T DU Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ (ghi ngành học vị công nhận) họp Trường Đại học Bách khoa vào ngày 08 tháng 07 năm 2020 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Học liệu Truyền thông - Trƣờng Đại học Bách khoa – Đại Học Đà Nẵng - Thƣ viện Khoa Cơ Khí, Trƣờng Đại học Bách khoa – Đại Học Đà Nẵng MỞ ĐẦU LÝ DO CHỌN ĐỀ ĐỀ TÀI Trong phân bố ngành lượng Việt Nam thủy điện nhỏ chiếm vai trò quan trọng lĩnh vực an ninh lượng Turbine bulb dạng turbine cột nước thấp, toàn khối tổ máy bao gồm Turbine máy phát đặt dưới nước, thường có công suất lắp máy nhỏ 10MW Hiện nay, nhà máy thủy điện nhỏ hoạt động Việt Nam thường khơng có đội ngũ chun gia kỹ thuật để thực việc bảo trì sửa chữa chỗ Công việc thường thuê đơn vị sửa chữa chuyên nghiệp từ nhà máy thủy điện vừa lớn thực Bên cạnh đó, nhà thiết kế sản xuất turbine bảo mật công C C nghệ, không cung cấp vẽ chi tiết biên dạng cánh turbine Nhà sản xuất cung cấp vẽ lắp có vẽ chi tiết ghi kích thước để phục R L T vụ công tác lắp đặt hiệu chỉnh tổ máy Do đó, q trình bảo dưỡng sửa chữa nhà máy thủy điện nhỏ DU cánh turbine bị vật cứng va đập bị xâm thực gây nứt, gãy, ăn mòn… dẫn đến hiệu suất turbine giảm, phải dừng máy sửa chữa Việc thay sửa chữa cánh turbine thường phải phù thuộc vào chuyên gia nước cung cấp từ nước mà chủ yếu thị trường Trung Quốc Dẫn đến chi phí thực cao, tiến độ chậm, giá thành bị chi phối độc quyền đơn vị cung cấp, thời gian dừng máy sửa chữa kéo dài làm thiệt hại mặt kinh tế cho nhà sản xuất điện Vì vậy, việc nghiên cứu thiết kế chế tạo cánh turbine nói chung cánh Turbine Bulb việc làm cấp thiết có tình ứng dụng cao, đáp ứng yêu cầu thị trường sửa chữa, thay phục hồi cánh turbine cho nhà máy thủy điện nhỏ Việt Nam MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Thiết kế vẽ chế tạo turbine bulb cở sở thông số kỹ thuật Turbine nhà máy Thủy điện Bảo Lâm 3A Từ làm sở tính tốn thiết kế vẽ chế tạo cánh turbine cho nhà máy khác có yêu cầu thực việc sửa chữa bảo dưỡng, thay Luận văn thạc sĩ - Lê Thanh Huyền Trang: 1/ 23 Đưa qui trình cơng nghệ chế tạo cánh turbine bulb có cơng suất nhỏ phù hợp với điều kiện công nghệ Việt Nam ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 3.1 Đối tƣợng nghiên cứu: Turbine bulb kiểu: GZTF07B-WP-360 sản xuất Công ty TNHH turbine nước Trùng Khánh - Trung Quốc, thuộc Dự án thủy điện Bảo Lâm 3A, Công ty cổ phần thủy điện Đăk R’tih lắp đặt, thí nghiệm hiệu chỉnh Địa điểm xây dựng tại: Xã Đức Hạnh xã Lý Bôn huyện Bảo Lâm, tỉnh Cao Bằng Với thông số kỹ thuật sau: TT Các thông số kỹ thuật Lưu lượng định mức Cột nước lớn Cột nước nhỏ Cột nước trung bình Công suất định mức Tốc độ định mức Vượt tốc Đường kính turbine Đơn vị Trị số m3/s 82,66 C C m R L T DU m Ghi 9,39 5,46 m 5,5 MW 4,167 V/ph 115,38 v/ph 405 mm 3600 Bảng: 1.1: Các thông số nhà máy thủy điện Bảo Lâm 3A 3.2 Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu thiết kế vẽ chế tạo cánh Turbine bulb theo thông số kỹ thuật đầu vào Thiết kế qui trình công nghệ chế tạo cánh turbine bulb PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với trình kiểm tra nghiệm thu kích thước sản phầm máy scan 3D, kết hợp phương pháp thiết kế ngược để xây dựng qui trình chế tạo thu nhỏ mẫu thực nghiệm Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN 4.1 Ý nghĩa khoa học Việc nghiên cứu thiết kế vẽ chế tạo phục hồi cánh turbine bulb góp phần cho việc hồn thiện làm chủ cơng nghệ chế tạo turbine bulb làm sở cho Luận văn thạc sĩ - Lê Thanh Huyền Trang: 2/ 23 việc nghiên cứu chế tạo phục hồi loại turbine khác lĩnh vực thủy điện Việt Nam 4.2 Ý nghĩa thực tiễn Đề tài có tính ứng dụng thực tiễn sản xuất nhằm mục đích sửa chữa, thay phục hồi biên dạng cánh turbine cho nhà máy thủy điện nhỏ sử dụng turbine bulb Việt Nam CẤU TRÚC LUẬN VĂN Ngoài phần mở đầu kết luận cấu trúc luận văn gồm có chương Chương 1: Tổng quan turbine nhà máy thủy điện Chương 2: Qui trình chế tạo turbine bulb thiết kế lại cánh turbine bulb Chương 3: Thiết kế qui trình cơng nghệ chế tạo mơ hình turbine bulb thu nhỏ C C R L T DU Luận văn thạc sĩ - Lê Thanh Huyền Trang: 3/ 23 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TURBINE THỦY ĐIỆN 1.1 Tổng quan thủy điện việt nam 1.1.1 Nhu cầu lượng Việt Nam 1.1.2 Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia a Quy hoạch phát triển nguồn điện: b Cơ cấu nguồn điện năm 2020: c Cơ cấu nguồn điện năm năm 2025: 1.1.3 Tổng quan thủy điện Việt Nam a Tiềm thủy điện b Các giai đoạn phát triển C C Các vấn đề tuabine thủy lực 1.2 Nhà máy thủy điện tập hợp gồm có cơng trình thủy lợi, thiết bị điện R L T thiết bị khí chủ yếu tuabin để biến lượng dòng nước thành kéo máy phát điện DU Hình: 1.2: Cấu trúc khối tổ máy nhà máy thủy điện 1.2.1 Ưu điểm nhà máy thủy điện 1.2.2 Nhược điểm nhà máy thủy điện Luận văn thạc sĩ - Lê Thanh Huyền Trang: 4/ 23 1.3 Phân loại tuabine thủy lực 1.3.1 Phân loại tuabin áp dụng cho dự án thủy điện có cột nước địa hình cao Hình 1.3: Turbine Penllton Hình 1.4: Turbine francis Phân loại tuabin áp dụng cho dự án Thủy điện nhỏ vừa có cột nước địa 1.3.2 hình thấp - C C Turbin Kaplan (từ 20-100m) R L T DU Hình 1.5: Turbine Kaplan - Turbin Bulb (từ 4-20m) Hình 6: Turbine Bulb 1.3.3 Biểu đồ phân loại turbine đường đặc tính Turbine Bulb a Biểu đồ phân loại turbine Luận văn thạc sĩ - Lê Thanh Huyền Trang: 5/ 23 Bảng 1.2: Biểu đồ phạm vi sử dụng kiểu turbine Đường đặc tính Turbine bulb b C C R L T DU Bảng 1.3: Đường đặc tính turbine cột nước thấp (Turbine bulb) Bảng 1.4: Đường đặc tính tổng hợp turbine cột nước thấp (turbine bulb) 1.4 Nguyên lý làm việc turbine 1.4.1 Tuabin xung kích: Là dạng turbine lợi dụng phần động dịng chảy tác dụng lên bánh xe cơng tác cịn phần khơng Ở dạng turbine tồn dòng chảy Luận văn thạc sĩ - Lê Thanh Huyền Trang: 6/ 23 sau khỏi vòi phun biến thành động truyền lượng cho bánh xe công tác C C R L T DU Bảng 1.5: Sơ đồ nguyên lý làm việc turbine 1.4.2 Turbine phản kích Là dạng turbine lợi dụng động dòng chảy, mà chủ yếu Nó chuyển động phản lực dịng nước tác dụng lên cánh bánh xe cơng tác hình thành moment quay làm cho turbine quay Trong q trình làm việc bánh xe cơng tác ngập tồn dịng chảy có áp lực xung quanh buồng xoắn Luận văn thạc sĩ - Lê Thanh Huyền Trang: 7/ 23 CHƢƠNG 2: QUI TRÌNH CHẾ TẠO TURBINE BULB VÀ THIẾT KẾ LẠI CÁNH TURBINE BULB 2.1 Qui trình chế tạo turbine bulb 2.1.1 Thơng số kỹ thuật Dự án thủy điện Bảo Lâm 3A sử dụng Turbine bulb kiểu: GZTF07B-WP- 360 sản xuất Công ty TNHH Turbin nước Trùng Khánh - Trung Quốc có thơng số kỹ thuật Bảng: 1.1 2.1.2 Quy trình chế tạo turbine bulb nhà máy sản xuất QUÁ TRÌNH TẠO PHÔI ĐÚC TỪNG CÁNH TURBINE C C R L T GIA CÔNG CƠ DU PHAY TRÊN MÁY CNC TRỤC XỬ LÝ NHIỆT ĐẠT CƠ TÍNH VÀ HĨA TÍNH GHÉP CÁNH VÀO THÂN HÀN NỐI CÁNH VÀ0 THÂN MÀI VÀ ĐÁNH BĨNG TRỤC VÀ CÁNH ĐẠT Ra3,2 Hình 2.1: Trình tự chế tạo turbine bulb a Q trình tạo phơi Luận văn thạc sĩ - Lê Thanh Huyền Trang: 8/ 23 - Đúc cánh turbine theo biên dạng thiết kế, bổ sung thêm lượng dư gia công - Tạo phơi phương pháp dập nóng Đối với turbine bulb Nhà máy thủy điện Bảo Lâm 3A nhà sản xuất sử dụng cơng nghệ đúc C C Hình 2.2: Cánh turbine bulb sau đúc tạo hình b R L T Gia công biên dạng cánh turbine Tại nhà sản xuất cánh turbine phay máy phay CNC trục DU Hình 2.3: Gia cơng biên dạng cánh Turbine máy phay CNC trục c Xử lý nhiệt Luận văn thạc sĩ - Lê Thanh Huyền Trang: 9/ 23 Hình 2.4: Cánh turbine xử lý nhiệt đạt tính d Hàn cánh turbine vào thân C C R L T DU Hình 2.5: Cánh turbine hoàn chỉnh sau hàn e Mài đánh bóng Hình 2.6: Mài đánh bóng cánh turbine Luận văn thạc sĩ - Lê Thanh Huyền Trang: 10/ 23 f Tổ hợp tất cánh turbine kiểm tra chất lượng Từng cánh turbine tổ hợp vào trục chính, cân tĩnh nhà máy kiểm tra nghiệm thu theo tiêu chuẩn GB/T10969-2008 Trung Quốc Tại nhà sản xuất turbine loại nhỏ tổ hợp nối trục với rotor máy phát điện, nhà sản xuất tổ chức cân động, kiểm tra độ rung, độ đảo trục đảm bảo theo yêu cầu kỹ thuật cho phép C C R L T Hình 2.7 Tổ hợp rotor turbine đưa vào cân động DU Hình 2.8: Turbine Bulb lắp đặt tổ hợp hoàn chỉnh 2.1 Thiết kế biên dạng cánh turbine bulb Sử dụng kỹ thuật thiết kế ngược theo công đoạn sau đây:  Quét biên dạng cánh turbine thực: Sử dụng máy quét 3D cầm tay Einscan Pro để quét toàn biên dạng cánh turbine Luận văn thạc sĩ - Lê Thanh Huyền Trang: 11/ 23 Hình 2.9: Quá trình quét biên dạng cánh turbine C C  Xử lý liệu số sau quét: Từ liệu số sau quét, xuất liệu vào phần R L T mềm SolidWorks, sử dụng lệnh sửa bề mặt, làm cong hóa trơn bề mặt để có liệu chi tiết cánh turbine DU Hình 2.10: Biên dạng cánh Turbine sau quét scan 3D  Xuất vẽ chế tạo: Từ vẽ 3D SolidWorks xuất phần mềm Autocad để tạo vẽ chế tạo chi tiết turbine Bulb Bản vẽ chế tạo turbin bulb (dạng 2D) sau: Luận văn thạc sĩ - Lê Thanh Huyền Trang: 12/ 23 C C R L T DU Hình 2.11: Bản vẽ chế tạo turbine Bulb Luận văn thạc sĩ - Lê Thanh Huyền Trang: 13/ 23 CHƢƠNG: THIẾT KẾ QUI TRÌNH CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO MƠ HÌNH TURBINE BULB THU NHỎ 3.1 Bản vẽ chế tạo mơ hình turbine bulb 3.1.1 Thiết kế chi tiết Vì Turbine Bulb thực nhà máy lớn nên tác giả xây dựng mơ hình thu nhỏ có điều chỉnh lại kết cấu tỉ lệ 1:10 Turbine thực C C R L T DU Hình 3.1: Bản vẽ chế tạo mơ hình turbine thu nhỏ 3.1.2 Thiết kế cánh Turbine  Thiết kế thân turbine Hình 3.2: Thiết kế thân lệnh revolved Luận văn thạc sĩ - Lê Thanh Huyền Trang: 14/ 23  Thiết kế cánh Turbine: Hình 3.3: Vẽ phác tạo biên dạng cánh turbine Sau vẽ phác xong ta có hai biên dạng sau: C C R L T DU Hình 3.4: Kết vẽ phác tạo biên dạng cánh turbine Tạo hình cánh turbine lệnh lofte Boss-Base để tạo liên kết biên dang cánh Hình 3.5: Dựng hình cánh Turbine Cắt phần thừa Luận văn thạc sĩ - Lê Thanh Huyền Trang: 15/ 23 Hình 3.6: Cánh turbine cắt bỏ phần thừa C C Hình 3.7: Hình bo góc lệnh Fillet R L T  Thiết kế mayơ DU Hình 3.8: Mayơ turbine bulb  Lắp ghép cánh turbine vào mayơ Hình 3.9: Mơ hình Turbine Bulb hồn chỉnh 3.2 Chế tạo mơ hình turbine bulb Trên máy phay phay CNC trục model: MORI SEIKI MV-55 Ứng dụng phần mềm Pro Engineer để lập trình gia công chế tạo turbine Bulb Luận văn thạc sĩ - Lê Thanh Huyền Trang: 16/ 23 3.2.1 Chọn máy CNC MORI SEIKI MV-55 Thông số kỹ thuật máy CNC MORI SEIKI MV-55 - Nước sản xuất: Nhật Bản - Model: MV - 55; No: 1206 - Hệ điều hành: Fanuc 10M - Kích thước bàn: 1400 x 550 mm - Hành trình X: 1050 mm - Hành trình Y: 550 mm - Hành trình Z: 560 mm - Tốc độ trục chính: 4000 rpm - Số dao dự trữ lớn nhất: 30 - Loại đầu dao: BT 50 - Động trục (AC/DC): AC - Cơng suất động trục chính: 11 KW - Trọng lượng máy: 10 - Kích thước máy (DxRxC): 3615 x 3400 x 3000 mm C C R L T DU Hình 3.10: Máy phay CNC trục MV-55 3.2.2 Chế tạo mơ hình a b Chọn phơi thao tác chuẩn bị - Phơi chọn làm sản phẩm mơ hình làm nhơm ngun khối - Kích thước phơi là: 380x380x114,7mm - Khoan lỗ M16 để gá lên đế Gia công  Thiết lập phôi Luận văn thạc sĩ - Lê Thanh Huyền Trang: 17/ 23 Từ file chi tiết thiết kế trên, chuyển vào phần mềm Pro/E để thực bước trình gia công: Thiết lập phôi, chọn dao, chọn chế độ cắt; mơ gia cơng xuất file gia cơng Hình 3.11: Tạo lỗ kẹp chặt chi tiết gia công C C  Nguyên công  Bước : R L T Phay phá (lệnh volume) dao D35R5, chiều sâu cắt 2mm, vòng quay 2000v/p, bước tiến dao 2000mm/phút DU Phay tinh (lệnh volume profile) D25R0.8, chiều sâu cắt 0,5mm, vòng quay 3000v/p, bước tiến dao 2000mm/phút, lượng dư chừa lại để phay tinh 0.2mm Hình 3.12: Định vị phôi trước nguyên công Luận văn thạc sĩ - Lê Thanh Huyền Trang: 18/ 23 Hình 3.13: Mơ gia công bước nguyên công  Bước : Lật phôi lại, kẹp êtô Phay phá (lệnh volume) dao D35R5, chiều sâu cắt 2mm, vòng quay 2000v/p, bước tiến dao 2000mm/phút Phay tinh (lệnh volume profile) D25R0.8, chiều sâu cắt 0,5mm, vòng quay C C 3000v/p, bước tiến dao 2000mm/phút, lượng dư chừa lại để phay tinh 0.2mm Phay tinh (lệnh volume profile) lỗ dao trụ 10 R L T DU Hình 3.14: Mơ gia công bước nguyên công  Nguyên công 2:  Bước Dựng phôi đứng, chuẩn kẹp êtô mặt đầu chi tiết, rà ngang chuẩn tạo lỗ bước Phay phá (lệnh volume) dao D25R0.8, chiều sâu cắt 1mm, vòng quay 2000v/p, bước tiến dao 2000mm/phút, lượng dư chừa lại để phay tinh 0.2mm Luận văn thạc sĩ - Lê Thanh Huyền Trang: 19/ 23 Vét góc (lệnh volume) dao trụ 10, chiều sâu cắt 0,5mm, vòng quay 2000v/p, bước tiến dao 2000mm/phút, lượng dư chừa lại để phay tinh 0.2mm Phay tinh (lệnh surface mill, bám theo mặt sản phẩm) dao cầu 6, vòng quay 4000v/p, bước tiến dao 2000mm/phút, bước dịch ngang 0.3mm C C Hình 3.15: Định vị kẹp chắt trước chế tạo nguyên công R L T DU Hình 3.16: Mơ q trình gia cơng bước ngun cơng  Bước Quay phôi 120o tiếp tục bước nguyên công 2: Dựng phôi đứng, chuẩn kẹp êtô mặt đầu chi tiết, rà ngang chuẩn tạo lỗ bước Phay phá (lệnh volume) dao D25R0.8, chiều sâu cắt 1mm, vòng quay 2000v/p, bước tiến dao 2000mm/phút, lượng dư chừa lại để chạy tinh 0.2mm Luận văn thạc sĩ - Lê Thanh Huyền Trang: 20/ 23 Vét góc (lệnh volume) dao trụ 10, chiều sâu cắt 0,5mm, vòng quay 2000v/p, bước tiến dao 2000mm/phút, lượng dư chừa lại để chạy tinh 0.2mm Chạy tinh (lệnh surface mill, bám theo mặt sản phẩm) dao cầu 6, vòng quay 4000v/p, bước tiến dao 2000mm/phút, bước dịch ngang 0.3mm  Bước Quay phôi 120o tiếp tục bước nguyên công 2: Dựng phôi đứng, chuẩn kẹp êtô mặt đầu chi tiết, rà ngang chuẩn tạo lỗ bước Phay phá (lệnh volume) dao D25R0.8, chiều sâu cắt 1mm, vòng quay 2000v/p, bước tiến dao 2000mm/phút, lượng dư chừa lại để chạy tinh 0.2mm Vét góc (lệnh volume) dao trụ 10, chiều sâu cắt 0,5mm, vòng quay C C 2000v/p, bước tiến dao 2000mm/phút, lượng dư chừa lại để chạy tinh 0.2mm Chạy tinh (lệnh surface mill, bám theo mặt sản phẩm) dao cầu 6, vòng R L T quay 4000v/p, bước tiến dao 2000mm/phút, bước dịch ngang 0.3mm c Q trình gia cơng máy DU Hình 3.17: Q trình chế tạo mơ hình Luận văn thạc sĩ - Lê Thanh Huyền Trang: 21/ 23 C C Hình 3.18: Mơ hình hồn thiện sau chế tạo R L T DU Luận văn thạc sĩ - Lê Thanh Huyền Trang: 22/ 23 KẾT LUẬN – HƢỚNG PHÁT TRIỂN Kết luận - Việc chế tạo, phục hồi thành công cánh turbine bulb giúp cho nhà máy nhỏ giảm thời gian sửa chữa, tiết kiệm chi phí sản xuất thời gian - Với điều kiện công nghệ chế tạo Việt Nam hoàn tồn làm chủ việc gia cơng chế tạo, phục hồi sửa chữa loại turbine nhỏ, turbine cánh rời mà khơng cần đặt hàng từ nước ngồi - Việc thiết kế chép hình biên dạng cánh turbine nhờ cơng nghệ Scan 3D qui trình thiết kế ngược chép hình biên dạng loại turbine cánh rời turbine bulb cách dễ dàng với thời gian nhanh Hƣớng phát triển đề tài - C C Để thực khắc phục sửa chữa cánh turbine bị xâm thực, móp, gãy va đập vv cách xác hướng phát triển tiếp tục R L T nghiên cứu cơng nghệ chép hình biên dạng loại cánh turbine khác như: Turbine Penllton, Turbine francis, Turbin Kaplan nhà máy thủy điện - DU Sau chế tạo phục hồi sửa chữa cánh turbine bulb, sở phục hồi sửa chữa loại cánh turbine khác mà không cần phụ thuộc đến cơng nghệ kỹ thuật chun gia nước ngồi - Ngoài sở chế tạo làm chủ cơng nghệ chế tạo, thiết kế chế tạo mơ hình turbine máy phát nhỏ phục vụ cơng tác thí nghiệm mơ hình, nhằm mục đích tính tốn thiết kế tối ưu để tạo biên dạng cánh turbine có hiệu suất cao, từ làm sở thiết kế biên dạng cánh turbine phục vụ sản xuất Luận văn thạc sĩ - Lê Thanh Huyền Trang: 23/ 23 ... cứu thiết kế vẽ chế tạo cánh Turbine bulb theo thông số kỹ thuật đầu vào Thiết kế qui trình cơng nghệ chế tạo cánh turbine bulb PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với q trình. .. đầu kết luận cấu trúc luận văn gồm có chương Chương 1: Tổng quan turbine nhà máy thủy điện Chương 2: Qui trình chế tạo turbine bulb thiết kế lại cánh turbine bulb Chương 3: Thiết kế qui trình. .. vẽ chế tạo turbine Bulb Luận văn thạc sĩ - Lê Thanh Huyền Trang: 13/ 23 CHƢƠNG: THIẾT KẾ QUI TRÌNH CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO MƠ HÌNH TURBINE BULB THU NHỎ 3.1 Bản vẽ chế tạo mơ hình turbine bulb 3.1.1 Thiết