Nghiên cứu thiết kế chế tạo thử nghiệm tua bin thủy điện cột nước thấp

Nghiên cứu thiết kế chế tạo thử nghiệm tua bin thủy điện cột nước thấp

bộ nông nghiệp và phát triển nông thôn viện khoa học thủy lợi

báo cáo tổng kết chuyên đề

nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thử nghiệm tua bin thủy điện cột nước thấp

thuộc đề tài kc 07.04:

“nghiên cứu, lựa chọn công nghệ và thiết bị để khai thác và sử dụng các loại năng lượng tái tạo trong chế biến nông, lâm, thủy sản, sinh hoạt nông thôn và bảo vệ môi trường”

Trang

Chương I Tổng quan về thuỷ điện nhỏ cột nước thấp 2

1.2 Nghiên cứu và sản xuất tua bin hướng trục thủy điện nhỏ của các

1.2.1 Tuabin hướng trục thủy điện nhỏ của Trung Quốc: 3

1.2.2 Tuabin hướng trục thủy điện nhỏ của Tiệp khắc (cũ) 3

1.2.3 Tuabin hướng trục của Liên Xô (cũ) 4

1.2.4 TBHT của hãng Kushiro (Nhật) [34] 5

1.2.5 TBHT của hãng Toshiba (Nhật) [34] 6

1.2.6 Gam TBHT của hãng Turboatom (Nga) 8

1.2.7 Gam tuabin hướng trục của hãng Sulzer (Thụy Sĩ ) 9

1.2.8 Một số loại kết cấu đặc biệt khác: 11

1.3 Nghiên cứu và sản suất tuabin hướng trục ở Việt Nam: 14

1.5 Ưu điểm của tổ máy tua bin hướng trục kiểu dòng chảy thẳng trục ngang

1.6 Nhiệm vụ nghiên cứu khoa học của đề tài nhánh 17

Chương II NC lý thuyết thiết kế tbht cột nước thấp 19

2.1.1 Tổng quan về phương pháp thiết kế tua bin hướng trục 19

2.1.2 Thiết kế tua bin hướng trục theo phương pháp phân bố xoáy 23

2.2 Cơ sở lý thuyết của phương pháp phân bố xoáy 25

2.3 Xác định tọa độ đường nhân profile và xây dựng profile có độ dày:

Chương III Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm tua bin mô hình

3.1.Chọn kết cấu tổ máy 52

3.1.1 Tua bin dạng capxun: 523.1.2 Tua bin dòng nửa thẳng: 523.1.3 Phần dẫn dòng của tua bin thí nghiệm: 53

3.3.1 Đường đặc tính tổng hợp chính của tua bin và các thông số cần phải đo đạc

Phần mở đầu

Việc sử dụng các nguồn năng lượng mới và tái tạo đã và đang được nghiên cứu và triển khai ở Việt nam Năng lượng thuỷ điện có những ưu điểm nổi bật như hiệu suất cao, giá thành thấp và đảm bảo vệ sinh môi trường

Tua bin thuỷ điện là bộ phận quan trọng của trạm thuỷ điện, kiểu loại tua bin phụ thuộc vào điều kiện thuỷ năng như cột nước, lưu lượng Các vị trí có điều kiện thuỷ năng thuận lợi với cột nước địa hình cao cho các trạm thuỷ điện nhỏ đã được khai thác nhiều Còn lại phổ biến là các điểm có cột nước thấp, lưu lượng lớn Mặt khác xây dựng các trạm thuỷ điện cực nhỏ cột nước thấp là rất cần thiết phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt và sản xuất của đồng bào vùng núi cao, xa lưới điện quốc gia

Từ những năm 1980 trở lại đây đã có nhiều cơ sở sản xuất và nghiên cứu tham gia vào việc thiết kế chế tạo thiết bị thuỷ điện nhỏ Song kết cấu và các mẫu cánh tua bin cột nước thấp mới chỉ được nghiên cứu rất sơ bộ, chủ yếu là việc sao chép từ các bản vẽ nước ngoài, nên việc ứng dụng tua bin cột nước thấp còn rất hạn chế

Xuất phát từ nhu cầu thực tế đó phần đề tài nhánh của đề tài KC07 - 04 đề cập đến các nội dung sau:

- Nghiên cứu tổng quan về ứng dụng tua bin cột nước thấp Phần này đề cập một cách khái quát đến nhu cầu khai thác năng lượng cột nước thấp ở nước ta, tóm tắt quá trình nghiên cứu và ứng dụng các tổ máy cột nước thấp của các nước trên thế giới và ở Việt Nam

- Tính toán thiết kế tua bin hướng trục Trong phần này chúng tôi trình bày cơ sở lý thuyết của phương pháp thiết kế tua bin hướng trục, đánh giá tổn thất và hiệu suất của tua bin Cũng như tổng kết việc áp dụng công cụ máy tính và khai thác các chương trình tính toán đã được thiết lập

- Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm tổ máy thuỷ điện nhỏ cột nước thấp Với mục đích thiết lập một qui trình thiết kế chế tạo tổ máy thuỷ điện cột nước thấp và đáp ứng nhu cầu cụ thể về tổ máy thuỷ điện cực nhỏ, sau khi phân tích và lựa chọn kết cấu chúng tôi thiết kế cánh bánh xe công tác có ứng dụng phương pháp tính toán với trợ giúp của máy tính Các kết quả của việc chế tạo và thử nghiệm tổ máy cho phép kiểm tra đánh giá quá trình tính toán thiết kế tổ máy và kiểm tra khả năng ứng dụng thực tế của tổ máy thuỷ điện nhỏ

Chương I Tổng quan về thuỷ điện nhỏ cột nước thấp

1.1 Phạm vi làm việc của tua bin hướng trục:

Để xác định phạm vi làm việc của tuabin hướng trục, trước hết cần phải phân loại tua bin Có hai phương pháp chính để phân loại tuabin hiện nay là:

- Phân loại theo cột nước

Phân loại tuabin theo cột nước chỉ được áp dụng cho các tổ máy lớn ở các

sẽ có sự trùng lặp các vùng làm việc của các tuabin khác nhau và cách phân loại này thể hiện đặc tính xâm thực, khả năng thoát, khả năng quay nhanh của tuabin

Hệ số tỉ tốc của tua bin hướng trục

Để lựa chọn tua bin thủy lực cần dựa vào các thông số công suất (N), cột nước

thông số kể trên

một mã lực

Tính theo các thông số quy dẫn:

STT Loại tuabin Tỷ tốc thấpTỷ tốc trung bình Tỷ tốc cao

1.2 Nghiên cứu và sản xuất tua bin hướng trục thủy điện nhỏ của các nước

1.2.1 Tua bin hướng trục thủy điện nhỏ của Trung Quốc:

Gam tua bin thuỷ điện nhỏ của Tung Quốc bao gồm 5 loại tuabin: ZZ760, ZZ600, ZZ560, ZZ500, ZZ450 có tỷ tốc tương ứng: 760, 600, 560, 500, 450 Các chỉ tiêu kỹ thuật được trình bày trên bảng sau:

Bảng 2 Các thông số cơ bản trong gam tua bin hướng trục của Trung Quốc

Chế độ tối ưu Phạm

vi cột nước

(m)

Kiểu BCT

Đường kính BCT mô hình

Chiều cao cánh hướng

nước bo/D1

Tỷ số bầu

do/D1

Số lá cánh

Vòng quay quy dẫn (v/ph)

Lưu lượng

quy dẫn (m3/s)

1.2.2 Tua bin hướng trục thủy điện nhỏ của Tiệp khắc (cũ)

Tua bin hướng trục thủy điện nhỏ của Tiệp Khắc chỉ gồm 4 mẫu cánh trong đó

có hai mẫu cánh dùng cho các loại tuabin có kết cấu trục đứng và trục ngang cổ điển là 4K84 và 4K69, có hai mẫu cánh dùng cho tuabin hướng trục có phần dẫn dòng hình chữ S là 4PK - 10 và 4PK - 26

1.2.3 Tua bin hướng trục của Liên Xô (cũ)

Tua bin hướng trục của Liên Xô năm 1962 cho TĐN, có 3 loại BCT, sử dụng trong phạm vi cột nước H < 30m Có số hiệu ΠΛ70, ΠΛ510, ΠΛ587 Sau đó bánh công tác ΠΛ510 được thay thế bởi bánh công tác ΠΛ20/661, các chỉ tiêu kỹ thuật như ở bảng 4

Bảng 4

Loại bánh công tác Các chỉ tiêu kỹ thuật

1.2.4 TBHT của h∙ng Kushiro (Nhật) [34]

Hình 1 Tua bin hướng trục hoàn thiện của hãng Kushiro

Hãng Kushiro đưa ra một mẫu kết cấu chung cho tua bin ống dùng cho các trạm thuỷ điện mini và micro Sản phẩm của hãng dùng công nghệ cao: dùng bộ bánh răng hành tinh để dùng máy phát có vòng quay cao Toàn bộ tua bin, hộp bánh răng hành tinh và máy phát được đặt trong nước và được thể hiện ở hình 2

Hình 2 Cấu tạo cơ bản của tua bin Kushiro

Hình 3 Biểu đồ lựa chọn sản phẩm tua bin của hãng Kushiro

Hình 5 Cấu tạo cơ bản của tua bin Toshiba

Hãng Toshiba đưa ra mẫu tua bin cáp xun có phần tua bin nằm trong nước nhưng máy phát lại nằm ngoài và dùng đai truyền động Loại máy này có thể lắp rất linh hoạt, trên bất kỳ một đường ồng dẫn nước nào có thế năng Biểu đồ lựa chọn sản phẩm tua bin của hãng thể hiện trên hình 6

Hình 6 Biểu đồ lựa chọn sản phẩm tua bin của hãng Toshiba

1.2.6 Gam TBHT của h∙ng Turboatom (Nga)

Hình 7 Cấu tạo cơ bản của tua bin Turboatom

Hãng Turboatom đ−a ra mẫu tổ máy hình chữ S có thể di chuyển cơ động đ−ợc Kết cấu tổ máy rất gọn nhẹ, dùng máy phát không đồng bộ 3 pha và điều tốc tải giả Đặc tính của tổ máy đ−ợc thể hiện ở hình 8

Hình 8 Đặc tính của tuabin Turboatom

ηη = η η

Phạm vi làm việc:

1.2.7 Gam tuabin hướng trục của h∙ng Sulzer (Thụy Sĩ )

1 TBHT trục đứng, buồng kín benton:

So với các loại TBHT buồng xoắn benton kiểu cũ, loại TB này có kích thước gọn nhẹ và buồng TB đơn giản hơn, cho phép giảm giá thành của thiết bị, xây dựng, lắp đặt và bảo dưỡng Buồng xoắn được thay thế bằng loại buồng có áp, chiều cao không đổi, tuabin nối với máy phát qua bộ truyền động

Hình 9 TBHT buồng benton của hãng Sulzer

Hình 10 Phạm vi làm việc TBHT hãng Sulzer 2 Tua bin ống trục đứng và xiên:

Hình 11 Bố trí công trình TBHT do hãng Sulzer chế tạo

Bộ truyền đai được sử dụng trong phạm vi công suất P < 600KW

1.2.8 Một số loại kết cấu đặc biệt khác:

1 Tua bin ống của hãng Neyrpic(Pháp)

Để hạ thấp cao trình lắp máy, nâng cao hiệu suất tổ máy và giảm kích thước Neyrpic đã đưa ra kết cấu TB ống như hình 11.

Hình 12 Hình dáng hoàn thiện của TB Neyrpic

H×nh 13 Ph¹m vi lµm viÖc cña TB Neyrpic

2 Tua bin hướng trục kiểu cáp xun buồng hở và buồng xi phông

Để sử dụng cho các TTD cột nước thấp, hãng ESAC (pháp) đưa ra ba kiểu kết cấu: TBHT kiểu bóng đèn, buồng hở

Hình 14 Bố trí tổng thể của tuabin kiểu bóng đèn buồng hở

• TBHT kiểu bóng đèn buồng kín, phạm vi làm việc với cột nước lớn hơn Phạm vi làm việc:

Hình 15 TBHT buồng xiphông

1.3 Nghiên cứu và sản suất tuabin hướng trục ở Việt Nam:

TBHT được chế tạo từ những năm 60 Lúc đầu chỉ là những tua bin hết sức đơn giản, như tua bin gỗ, tua bin với cánh bằng thép tấm có bề dầy không đổi, hàn với bầu cánh

Vào đầu những năm 80, do nhu cầu phát triển TĐN, phục vụ cho phát triển kinh tế - xã hội khu vực miền núi, đã thúc đẩy nhanh chóng phát triển TĐN

Bộ đồ án thiết kế thủy điện Kẻ Gỗ có công suất 1000KW là bản thiết kế hoàn chỉnh đầu tiên do Viện Thiết Kế Thủy Lợi - Thủy Điện thực hiện Sau đó hàng loạt cơ quan đã thiết kế, chế tạo hàng trăm tổ máy có công suất 5-1000 KW TTĐ Phú Ninh là công trình cỡ lớn đầu tiên được lắp đặt tuabin và điều tốc sản suất trong nước Trường đại học Bách Khoa Hà Nội cũng nghiên cứu và đưa ra BCT mới như

Các TBHT sản suất trong nước, sơ bộ được thống kê như sau: Bảng 7 Một số TBHT sản suất trong nước

TT Tên thiết bị Cơ quan sản suất D1 (cm)

N (kW)

Cột áp (m)

20 - 40

trục ngang

Các thiết bị TBHT sản suất trong các kiểu kết cấu như sau:

60; 80cm, với công suất từ 200W-90 kW, Viện Nghiên cứu máy chế tạo tổ

• TBHT, buồng hở, trục ngang: một số trạm thủy điện đã sử dụng kết cấu này, trạm có công suất lớn nhất tại Quảng Ninh do Trường Đại Học Bách Khoa

• Các tổ máy sử dụng BCT được nhập từ rất nhiều nguồn bao gồm: Πp70, ΠΛ20/661, ΠΛ30/587, ΠΛ10 từ Liên Xô 4K - 84, 4K - 69 từ Tiệp khắc, mẫu CCQ - 25 sao từ tổ máy của Hungari

Về tỷ tốc, các BCT này có thể phân làm ba nhóm: - Nhóm tỷ tốc cao: 4K - 84, Πp70, ΠΛ10 - Nhóm tỷ tốc trung bình: ΠΛ20/661, 4K - 69 - Nhóm tỷ tốc thấp: ΠΛ30/587

100, 120, 132cm

1.4 Tổng kết về các nghiên cứu TBHT

• Trong TĐN, TBHT giới hạn trong phạm vi cột nước H< 20m Trong phạm

các loại TB có kết cấu truyền thống như TB buồng hở buồng xoắn trục đứng có thể dùng BCT với 2 cấp:

Một số kết cấu mới cho phép hạ thấp cao trình đặt máy như: TB kiểu capxun,

Như vậy, trong điều kiện cụ thể của nước ta hiện nay, có thể lựa chọn hai loại BCT để hoàn thiện, trở thành 2 loại BCT của gam TBHT là BCT kiểu 4K - 84 và ΠΛ20/661 Để mở rộng cho phạm vi làm việc của tuabin, có thể xem xét hai vùng

- Vùng có tỷ tốc cao: Vùng này chưa có BCT nào

• Tổng kết rất nhiều xu hướng nghiên cứu và sản suất cho thấy trong TBHT có một số dạng kết cấu như ở bảng sau:

Bảng 8

TT Loại kết cấu

Phạm vi cột nước

(m)

Phạm vi công suất

Hiện nay ít sử dụng

Đang được sử dụng, một số nước đã cải tiến

bộ truyền

Kết cấu phần dẫn dòng của tuabin thủy điện nhỏ rất phong phú, khác với các loại tua bin hướng trục trục đứng kiểu cũ có khả năng thoát không cao và có kết cấu xây dựng rất nặng nề, tốn kém, một số tuabin hướng trục có kết cấu mới hiện nay, cho phép tăng khả năng thoát và giảm đáng kể giá thành xây dựng

Do vậy trong đề tài chúng tôi tập trung nghiên cứu các loại tua bin trục ngang kiểu mới: Nghiên cứu tua-bin phần dẫn dòng TBHT kiểu ống và tua bin cáp xun

1.5 Ưu điểm của tổ máy tua bin hướng trục kiểu dòng chảy thẳng trục ngang

Tua bin thuỷ lực hướng trục kiểu dòng chảy thẳng trục ngang do nó có nhiều ưu điểm:

- Có khả năng qua nước lớn, có tỷ tốc cao, vùng hiệu suất cao rộng

- So với tổ máy hướng trục trục đứng truyền thống có cùng đường kính bánh công tác, cùng cột nước thì công suất có thể cao hơn tới 20 – 25%

- Khi có cùng công suất, cùng cột nước thì đường kính bánh công tác của loại tua bin trục ngang dòng thẳng có thể giảm nhỏ đến 7 – 8%

- Tua bin hướng trục dòng thẳng không cần dùng đến buồng xoắn vì thế khoảng cách giữa các tổ máy nhỏ, giảm được diện tích nhà trạm, khác với kiểu tổ máy trục đứng, chiều cao của cầu trục không cần phải cao bằng tổng chiều cao của tổ máy phát điện, mà chỉ cần bằng đường kính tua bin Như vậy, so với tổ máy kiểu trục đứng chiều cao nhà xưởng giảm đi rất nhiều

- Do tua bin kiểu dáng thẳng có trục máy nằm ngang, hình dạng khối tổ máy đơn giản, giảm được nhiều khối lượng đào đất đá khi xây dựng công trình xét về hiệu ích kinh tế việc đầu tư cho trạm thuỷ địên kiểu này so với tổ máy trục đứng giảm khoảng 20%

1.6 Nhiệm vụ nghiên cứu khoa học của đề tài nhánh

Dựa vào tổng quan đã nêu trên ta thấy có rất nhiều vấn đề cần nghiên cứu để ứng dụng có hiệu quả tua bin hướng trục cột nước thấp với kết cấu trục ngang với công suất từ 5 đến 200kW Các công việc chính cần phải làm trong thiết kế, thử nghiệm tua bin thuỷ lực là:

- Nghiên cứu các phương pháp thiết kế, chọn các thông số phù hợp để nâng cao hiệu suất thuỷ lực của cánh công tác

- Nghiên cứu thiết kế phần dẫn dòng của tua bin

Trong khuôn khổ của đề tài chúng tôi nghiên cứu chọn mẫu phần dẫn dòng tua

bin trục ngang và tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số kết cấu BCT tới đặc tính làm việc của tua bin hướng trục

Phương pháp luận của đề tài là:

Bằng lý thuyết xây dựng mẫu cánh có dựa trên một số thông số tham khảo của BCT của nước ngoài, Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số kết cấu BCT đến tổn thất thuỷ lực Dùng thực nghiệm để kiểm chứng các kết quả tính toán lý thuyết, từ đó vẽ được đường đặc tính tổng hợp của BCT và xác định được ảnh hưởng của các thông số kết cấu của BCT đến đặc tính làm việc cuẩ tua bin, cuối cùng đưa ra nhận xét vầ kết luận của đề tài nhánh

Chương II Nghiên cứu lý thuyết thiết kế tbht

cột nước thấp

2.1 Chọn phương pháp thiết kế tua bin mô hình

2.1.1 Tổng quan về phương pháp thiết kế tua bin hướng trục

Ngày nay khi hiệu suất chung của những tổ máy thuỷ điện cỡ lớn vượt quá 90% trong đó hiệu suất của các tua bin thủy lực đạt tới 93 - 95% tại điểm tính toán thì không thể không kể đến những đóng góp của những nghiên cứu tính toán và thí nghiệm phần dẫn dòng tua bin thuỷ lực Ngay từ những năm 60 người ta thấy rằng có 4 phương hướng để làm tốt hơn nữa các chỉ số thủy lực của tua bin là :

- Tính toán tới đặc trưng không gian của dòng chảy và tổn thất không profile - Thiết kế bánh công tác trên dòng thực được tạo lập bởi cánh hướng dòng nhưng với sự tính tới ảnh hưởng của bánh công tác lên dòng trước nó

- Tổ chức hợp lý dòng trước bánh công tác để đảm bảo tổn thất nhỏ nhất trong ống hút

- Tính toán bánh công tác trong tổng thể của toàn phần dẫn dòng

Như vậy để nâng cao hiệu suất và chất lượng xâm thực của tua bin ngoài việc tính tới đặc tính không gian của dòng người ta cần chú ý tới sự tương tác giữa các phần tử của phần dẫn dòng Xu hướng 2,3 và đặc biệt là xu hướng 4 đặt việc thiết kế tính toán bánh công tác trong tổng thể toàn phần dẫn dòng Vì các phương trình mô tả dòng chảy trong tua bin có dạng eliptic nên sự làm việc của bất kỳ phần tử nào đều chịu ảnh hưởng của các phần tử khác trong phần dẫn dòng một cách trực tiếp hay gián tiếp nên đây là xu hướng hiện đại nhất và cũng chỉ phát triển trong những năm 90 khi những phương pháp giải số như phương pháp phần tử hữu hạn hoặc phương pháp phần tử biên có những thành công nhất định Các phương pháp này đòi hỏi phải giải lặp nhiều lần hệ phương trình có ẩn số lên tới hàng chục ngàn (nếu chia toàn phần dẫn dòng ra khoảng 3000 phần tử) do vậy cần có máy tính và các phần mềm mạnh Cùng với điều đó là các số liệu thí nghiệm trên mô hình để giúp cho việc mô tả toán học sự tương tác giữa các phần tử được chính xác Hiện nay việc thực hiện xu hướng này chỉ có được tại các trung tâm tính toán mạnh gắn liền với phòng thí nghiệm máy thuỷ lực có lịch sử hoạt động đủ dài để có được một chuỗi số liệu thí nghiệm đủ lớn Do vậy dưới đây chỉ đi sâu về đặc tính không gian của dòng và các bài toán thiết kế có liên quan

Đặc tính không gian của dòng chảy trong phần dẫn dòng

Kết cấu dòng trong phần dẫn dòng tua bin rất phức tạp do các nguyên nhân sau:

- Phần dẫn dòng có độ cong thay đổi dọc theo dòng rất đáng kể dẫn tới sự không đều của vận tốc và áp suất ở các tiết diện khác nhau của dòng

- Số lượng hữu hạn của cánh hướng dòng và cánh bánh công tác gây ra sự thay đổi vận tốc và áp suất theo toạ độ và thời gian ở các tiết diện của dòng

- Kết cấu của dòng phức tạp do ảnh hưởng của độ nhớt, đặc biệt ở trong các chế độ khác với chế độ tính toán Sự phát triển của lớp biên và sự tách lớp biên khỏi mặt chảy bao dẫn tới phức tạp hoá mặt dòng do đó làm thay đổi rất đáng kể mặt dòng so với mặt dòng đối xứng trục

Để nghiên cứu dòng không gian trong phần dẫn dòng người ta thường sử dụng hệ toạ độ cong địa phương q1, q2, q3 Trục q1 là giao tuyến giữa mặt kinh tuyến và

phẳng vuông góc với đường tâm trục tua bin và mặt dòng đối xứng trục Trên mặt phẳng kinh tuyến trục q2 là những đường vuông góc với đường dòng của dòng kinh tuyến

Khái niệm về các bài toán trong lý thuyết máy turbo

Các nghiên cứu tính toán lý thuyết các quá trình công tác của tua bin thuỷ lực (tính toán sự trao đổi năng lượng giữa dòng và bánh công tác trong phần dẫn dòng với việc tính tới các tổn thất thuỷ lực ) liên quan tới việc sử dụng phương trình chuyển động, năng lượng, động lượng trong dòng tuyệt đối cũng như tương đối Các nghiên cứu tính toán và thiết kế phần dẫn dòng tua bin dựa trên việc sử dụng các sơ đồ thuỷ lực với các giả thiết làm đơn giản hoá hình ảnh thực tế của dòng chảy để có thể mô tả bằng các phương trình toán học

Trong lý thuyết tua bin thuỷ lực thường nghiên cứu các vấn đề sau:

- Nghiên cứu tính toán dòng chất lỏng lý tưởng trong phần dẫn dòng đã cho và thiết kế cánh khi đã biết dạng dòng (thường gọi là bài toán thiết kế tính toán dãy cánh trên mặt dòng đối xứng trục) Phụ thuộc vào điều kiện cụ thể mà người ta chia ra thành bài toán thuận và nghịch

+ Trong bài toán thuận giả thiết rằng đã biết dạng của vật bị chảy bao và cho các điều kiện biên cần thiết, xác định phân bố vận tốc, áp suất trong vùng được

khảo sát

+ Trong bài toán nghịch thì cho biết các số liệu nào đó về đặc tính của dòng đủ để giải bài toán xác định được hình dáng vật chảy bao Trong lý thuyết tính toán máy turbo thì bài toán thuận được sử dụng để tính toán kiểm tra chảy bao hệ cánh đã có với mục đích đánh giá các chỉ số của chúng còn bài toán nghịch dùng để thiết kế cánh trong các điều kiện đã cho

- Nghiên cứu dòng chảy thứ cấp : Là sự nghiên cứu dòng chảy có dạng mặt dòng khác với chuyển động đối xứng trục được thừa nhận

Để xác định gần đúng dạng dòng trong bánh công tác với các giả thiết được thừa nhận người ta sử dụng bài toán thuận mặt dòng đối xứng trục Sự làm chính xác mặt dòng trong quá trình giải bài toán thuận cho phép tìm ra hướng để làm tốt hình dạng hình học phần dẫn dòng và làm giảm tổn thất năng lượng phụ

Bài toán nghịch thì cho biết trước phân bố rcun tại các mép vào và ra của cánh tiến hành xác định dòng kinh tuyến

- Nghiên cứu dòng chất lỏng thực và tổn thất thuỷ lực nhờ lý thuyết lớp biên Giai đoạn đầu tiên là thực hiện các tính toán đối với dòng chất lỏng lý tưởng trong phần dẫn dòng, cho phép tính gần đúng phân bố vận tốc và áp suất trên bề mặt cánh Giai đoạn thứ hai là tính toán lớp biên và tổn thất profil cánh cho khả năng trên cơ sở phân tích các số liệu tính toán nhận được để chọn lựa phương án tối phần dẫn dòng

Nhưng để có sự lựa chọn cuối cùng cần phải có những thí nghiệm trên mô hình vì các tính toán đều phải dựa trên các giả thiết gần đúng mô tả quá trình công tác của tua bin Các thí nghiệm còn cho các số liệu cho phép làm chính xác và hoàn thiện hơn các phương pháp tính toán phần dẫn dòng

Sự nghiên tính toán lý thuyết dòng chảy chỉ có khi thừa nhận một số giả thiết, từ đó có thể mô tả và phân tích dòng nhờ công cụ toán học Thông thường thừa nhận giả thiết sau: dòng trong phần dẫn dòng là không nhớt, không nén được, dòng trung bình là ổn định, chuyển động của các phần tử chất lỏng xảy ra dọc theo mặt dòng tròn quay Trong lý thuyết máy tuabin phụ thuộc và số toạ độ mà sự thay đổi của các thông số của dòng được tính mà chia ra dòng một chiều, dòng hai chiều, dòng ba chiều

- Dòng một chiều chỉ tính tới sự thay đổi của các thông số dọc theo mặt dòng

tức là dọc theo toạ độ q1

Dòng được coi là đối xứng trục nghĩa là không tính tới sự thay đổi vận tốc và áp suất

vận tốc trên đường dòng và pháp tuyến của nó là nhiệm vụ cơ bản khi xây dựng dòng kinh tuyến Phương pháp này được sử dụng khá phổ biến trong thực tế vì nó mô tả tình hình dòng chảy chính xác hơn dòng một chiều và cũng đủ đơn giản để cho phép tính bằng tay

- Dòng ba chiều: Trong dòng thực của máy turbo vận tốc và áp suất thay đổi theo cả ba toạ độ Vì rằng vận tốc và áp suất thay đổi theo khi giữa các cánh nên mặt dòng thực tế không phải là mặt tròn quay Do đó sự chảy bao xảy ra không phải trên

các cánh mặt dòng S2 không trùng với mặt cánh Sc Sự tính toán dòng không gian có khó khăn lớn về mặt toán học Để đơn giản thường sử dụng phương pháp tựa ba chiều Khi đó việc giải bài toán ba chiều được chia ra thành hai bài toán hai chiều: xác định mặt dòng đối xứng trục Sm; tính dãy cánh profil của bánh công tác trên mặt

trong kênh giữa các cánh

Đối với Tua bin hướng trục: Thường thừa nhận mặt dòng đối xứng trục là các mặt trụ có trục trùng với trục tua bin Cánh trên mặt trụ được tính theo các phương pháp sau

- Phương pháp phân bố xoáy: Được sử dụng để tính cánh mỏng vô cùng có độ cong nhỏ Sự tác động của cánh lên dòng được thay thế bằng các xoáy phân bố theo một quy luật nhất định trên đường nhân profil Bước đầu tiên thì xoáy được đặt dọc dây cung profil và trong quá trình tính toán tiếp theo xác định dạng của đường nhân Sự xây dựng profil dầy thực hiện theo phương pháp không tính toán nghĩa là đắp profil theo một trong những profil đối xứng sau khi biết độ dày cánh lớn nhất từ tính toán bền cánh

- Phương pháp phân bố xoáy nguồn (phương pháp Lêxônkin): Sử dụng để tính dãy cánh profil có chiều dày Sự tác động của cánh lên dòng được thay thế bằng một hệ thống các xoáy, nguồn, hút phân bố theo một quy luật nhất định trên đường nhân profil Đường dòng kín của dòng hợp thành từ hệ thống các xoáy, nguồn hút nói trên

với dòng tương đối được coi như profil cánh

- Phương pháp lực nâng: là phương pháp lựa chọn các profil từ atlat các profil thuỷ động đảm bảo giá trị lực nâng yêu cầu đối với dãy cánh trong điều kiện đã cho Phương pháp này ngày nay ít được sử dụng vì phụ thuộc vào kinh nghiệm của người thiết kế khi lựa chọn các hệ số trong tính toán

- Phương pháp ánh xạ bảo giác: ánh xạ dòng trong dãy cánh lên mặt phẳng phụ nhờ các hàm ánh xạ đặc biệt rồi tiến hành các tính toán về lực nâng, mômen, phân bố vận tốc, áp suất

Phương pháp phân bố xoáy đòi hỏi khối lượng tính toán không lớn, thuận tiện cho việc tính toán bằng máy tính tay và lập trình trên máy vi tính Nếu biết chọn đúng các thông số tính toán, các hệ số ảnh hưởng của lưới cánh có chiều dày hữu hạn, phương pháp này cũng sẽ cho các profile cánh phù hợp tạo nên các bánh xe công tác có chất lượng cao Vì vậy chúng tôi đã đi sâu nghiên cứu và thiết kế cánh tua bin hướng trục theo phương pháp phân bố xoáy

Trên cơ sở phân tích trên cần phải hoàn thiện các phần mềm trợ giúp phần tính toán lý thuyết:

- Tính toán cánh tua bin, bơm hướng trục theo phương pháp phân bố xoáy - Chương trình tính toán tổn thất trong bánh công tác tua bin

- Chương trình tính toán phân bố vận tốc trên profil cánh trong lớp chiều dày biến thiên

Tính toán tua bin hướng trục bao gồm: Tính toán thiết kế phần dẫn dòng như buồng, BCT, ống hút, cánh hướng, trong đó quan trọng nhất là BCT Phần này đi sâu phân tích cơ sở lý thuyết của phương pháp thiết kế bánh công tác của tua bin hướng trục

2.1.2 Thiết kế tua bin hướng trục theo phương pháp phân bố xoáy

Bánh công tác (BCT) là bộ phận quan trọng nhất của tua bin hướng trục, thực hiện chức năng biến đổi năng lượng của dòng chất lỏng thành cơ năng và điện năng BCT có ảnh hưởng quyết định tới hiệu suất và chất lượng của máy Vì vậy thiết kế BCT là 1 khâu rất quan trọng cần phải được thực hiện một cách chuẩn xác, khoa học

Trong tính toán tua bin hướng trục thường thừa nhận mặt dòng đối xứng trục là

các mặt trụ có trục trùng với trục tua bin Cánh trên mặt trụ được tính theo các phương pháp sau:

- Phương pháp phân bố xoáy để thiết kế các profile mỏng vô cùng và có độ cong nhỏ

- Phương pháp phân bố xoáy, các nguồn đẩy và hút còn gọi là phương pháp điểm kỳ dị, dùng để thiết kế các profile có chiều dày hữu hạn

- Phương pháp lực nâng: là phương pháp lựa chọn các profile từ atlat các profile thủy động đảm bảo giá trị lực nâng theo yêu cầu đối với dãy cánh trong điều kiện đã cho Phương pháp này ngày nay ít được ứng dụng vì phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm của người thiết kế khi lựa chọn các hệ số trong tính toán

- Phương pháp biến hình bảo giác bằng ánh xạ dòng trong dãy cánh lên mặt phẳng phụ trợ nhờ các hàm ánh xạ đặc biệt rồi tiến hành các tính toán về lực nâng, mô men, phân bố vận tốc

Trong thực tế thiết kế chế tạo tua bin hướng trục, người ta thường sử dụng hai phương pháp: Phương pháp phân bố xoáy và phương pháp các điểm kỳ dị

Nội dung cơ bản của phương pháp phân bố xoáy là thay thế tác động của các profile lên dòng chất lỏng bởi các xoáy phân bố dọc theo đường nhân profile theo một quy luật xác định Lần đầu các xoáy được phân bố dọc theo dây cung profile Kết quả tính toán ta nhận được hình dạng đường nhân profile Trong lần tính gần đúng tiếp theo các xoáy được phân bố theo đường nhân profile vừa mới nhận được trong các lần tính trước Profile có chiều dày hữu hạn sẽ nhận được bằng phương pháp dựng hình dựa theo quy luật phân bố độ dày của profile mẫu đối xứng trên cơ sở chiều dày cực đại chọn trước của profile thiết kế

Phương pháp các điểm kì dị có nội dung tương tự như phương pháp phân bố xoáy Trong phương pháp này tác động của profile lên dòng chất lỏng thay thế bởi các xoáy, các nguồn đẩy và hút phân bố trên đường nhân profile Đường dòng tổng cộng khép kín của chuyển động tương đối chính là chu tuyến của propil có chiều, dãy hữu hạn Việc tính toán thiết kế cánh tua bin hướng trục bằng phương pháp các điểm kì dị đòi hỏi một khối lượng tính toán rất lớn cần nhiều thời gian và công sức Với sự phát triển của kĩ thuật tính toán trên máy tính, phương pháp này ngày càng được ứng dụng rộng rãi

Phương pháp phân bố xoáy đòi hỏi khối lượng tính toán ít hơn so với phương pháp các điểm kì dị thuận tiện cho việc tính toán bằng máy tính tay và lập trình trên máy vi tính Nếu biết chọn đúng các thông số tính toán, các hệ số ảnh hưởng của lưới cánh có chiều dày hữu hạn, phương pháp này cũng sẽ cho các profile cánh phù hợp tạo nên các bánh xe công tác có chất lượng cao

Vì vậy trong phạm vi luận văn sẽ chỉ đi sâu nghiên cứu và thiết kế cánh tua bin hướng trục theo phương pháp phân bố xoáy

2.2 Cơ sở lý thuyết của phương pháp phân bố xoáy

Trong chuyển động của dòng chất lỏng, các profile có độ cong nhỏ trong lưới cánh có thể thay bằng các xoáy với quy luật phân bố xác định dọc theo đường nhân profile

Khi khảo sát chuyển động của chất lỏng tiếp xúc trực tiếp với bề mặt cánh ta cần phải tính tới tác động của lực nhớt ở lớp biên, trên bề mặt cánh vận tốc dòng chất lỏng thay đổi từ không tới giá trị xác định của dòng chảy Sự thay đổi đột ngột của vận tốc dòng chất lỏng là nguyên nhân tạo thành xoáy trong lớp biên Vì vậy, lớp biên có thể thay thế bởi lớp xoáy bao gồm các xoáy có cường độ nhất định phân bố liên tục dọc theo bề mặt cánh

Bề mặt cánh được tạo nên bởi tập hợp các đường dòng của chuyển động tương đối và các xoáy liên hợp Vì vậy, để xác định các profile cánh cần phải tìm đường dòng tổng hợp của chuyển động tương đối

Vận tốc tổng hợp của dòng tương đối ở một điểm bất kỳ có thể xác định bằng tổng vận tốc dòng không nhiễu và vận tốc cảm ứng tạo nên bởi các xoáy phân bố trên tất cả các profile tại điểm đó Vận tốc tổng hợp này phải tiếp tuyến với cung

Hình 16 Sơ đồ bố trí lưới profile

y

Trong đó:

x, y : Tọa độ điểm tại đó có phân bố xoáy

Để tính vận tốc cảm ứng tại các điểm tính toán của profile cần phải cho trước quy luật phân bố xoáy dọc theo profile

Quy luật phân bố xoáy có thể cho dưới dạng chuỗi lượng giác của Glauert:

Trong đó:

Lưu số vận tốc bao quanh profile tạo ra bởi các xoáy phân bố theo quy luật xác định dọc theo profile được xác định bằng:

Trong đó : γ(s) - cường độ xoáy phân bố theo profile

s - biến số tích phân không thứ nguyên L - chiều dài dây cung của profile

Hình 17 Sơ đồ bố trí profile trong lưới

thế biểu thức lượng giác của γ(s) vào biểu thức lưu số ta được:

∑ ∫∫

0 θ θ θ ππ

(2.9)

Tất cả các tích phân dạng này đều bằng không trừ một số hạng có k = 1 Do vậy, ta có lưu số vận tốc bao quanh profile bằng:

Từ biểu thức này ta thấy rằng lưu số vận tốc bao quanh profile được tạo nên

Các thành phần còn lại của chuỗi hàm γ(σ)chỉ ảnh hưởng tới phân bố vận tốc theo profile mà không làm thay đổi lưu số vận tốc bao quanh profile đó

ζγ

Đối với các lưới cánh bánh công tác hướng trục, quy luật phân bố xoáy thường

thức phân bố xoáyΓ(σ) Ta có:

Trong đó:

Trong đó biến số

dưới dấu tích phân có dạng bất định

Để có thể tích phân được trong trường hợp này, vận tốc cảm ứng tại mỗi điểm của profile sẽ tách thành hai thành phần:

- Thành phần vận tốc cảm ứng V' tạo nên bởi các xoáy phân bố trên profile gốc

- Thành phần vận tốc cảm ứng V'' tạo nên bởi các xoáy phân bố trên tất cả các profile còn lại

Trong đó: τ = 2T/L

Đường tích phân (dây cung profile) được chia thành 6 phần bằng nhau và ta sẽ xác định vận tốc cảm ứng tại 7 điểm 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, (-1, -2/3, -1/3, 0, +1/3, +2/3, +1) theo hình dưới:

Hình 18 Sơ đồ phân bố các điểm tính toán trên dây cung profile

Xa = 0

)1(

Thành phần vận tốc V''xα được xác định theo tích phân D.A.Nepomniaxy:

s ωπηπ

Đối với tiết diện gốc, góc va α đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra lưu số vận tốc của profile Vì vậy, C' lấy giá trị lớn Có thế lấy C'= 0,3 - 0,6 Đối với các tiết diện biên lấy C' < 0,1

(2.26a)

(2.26b)

=Γ=Γ

πα = Γα

Trong đó K là hệ số ảnh hưởng của profile trong lưới

Các hệ số a và b có thể xác định bằng các biểu thức toán học đã cho ở trên hoặc bằng toán đồ cho trong các tài liệu thiết kế

2.3 Xác định tọa độ đường nhân profile và xây dựng profile có độ dày:

Như phần trên ta đã biết, một profile mỏng vô cùng có thể xem như đường dòng tổng hợp của chuyển động tương đối Để xác định tọa độ các điểm tính toán của đường nhân Tại mỗi điểm cần phải xác định vận tốc của dòng chảy tổng hợp và các hình chiếu vận tốc trên phương trục x và y, góc và chiều dài đoạn dây cung profile Chiều dài dây cung được chia làm 6 đoạn bằng nhau bởi các điểm có tọa độ tương đối: 6 = -1, -2/3, -1/3, 0, 1/3, 2/3, 1

Trước tiên ta xác định giá trị các thành phần vận tốc tương đối của dòng tổng hợp các điểm -1, -2/3, -1/3, - 0, 1/3, 2/3, 1 trên các phương chiếu x và y bằng các biểu thức sau:

và tọa độ các điểm chia đó các giá trị trung gian:

++++=

các giá trị tổng cộng:

Dựa vào các giá trị tọa độ x, y ta xây dựng được đường nhân cho các tiết diện tính toán của cánh trong mặt phẳng x, y

Đường nhân vừa dựng được chính là profile mỏng vô cùng trong lần tính gần đúng thứ nhất Trong lần tính gần đúng tiếp theo các xoáy được phân bố trên đường nhân của profile vừa mới nhận được Trong thực tế tính toán thường chỉ cần tính hai lần là đủ

Cuối cùng, để được profile có độ dày ta sử dụng quy luật phân bố độ dày của profile mẫu có đặc tính năng lượng và xâm thực tốt và chọn độ dày max cho từng tiết diện

Hình 19 Xây dựng profille có độ dầy hữu hạn

Đắp độ dày trên đường nhân theo quy luật trên, ta sẽ nhận được các profile thực của cánh Xâu các profile lại với nhau theo một quy luật nhất định ta nhận được cánh hoàn chỉnh của bánh công tác

2.4 Xác định phân bố vận tốc và áp suất trên profile cánh:

Sau khi xây dựng xong profile cánh cho các tiết diện tính toán của cánh, để sơ bộ đánh giá chất lượng cánh, ta tiến hành tính toán phân bố vận tốc và áp suất trên các profile Đó là một trong các nhiệm vụ chủ yếu của bài toán thuận trong lý thuyết

cánh

Khi quan sát các biểu đồ phân bố vận tốc và áp suất trên các profile tính toán, nếu phân bố vận tốc đều đặn, không có các bước nhảy và áp suất không có điểm nào có giá trị nhỏ hơn áp suất hơi bão hòa thì cánh công tác sẽ có hiệu suất làm việc tốt và không bị xâm thực trong quá trình làm việc

Các thông số ban đầu để giải bài toán thuận là kích thước hình học của cánh công tác, hình dạng profile, lưu lượng, cột áp và vòng quay làm việc của máy Việc xác định phân bố vận tốc và áp suất trên cánh được thực hiện dựa trên cơ sở các phương pháp mô tả chuyển động của dòng chất lỏng qua lưới cánh

Dòng chất lỏng chuyển động qua lưới cánh có thể xem như tổng của dòng thế không nhiễu và dòng cảm ứng tạo bởi hệ các xoáy thay thế cho tác dụng của profile lên dòng chất lỏng

Trong trường hợp chung bề mặt dòng trong máy là bề mặt cong tròn xoay và lớp dòng có chiều dày thay đổi Để giải quyết bài toán thuận người ta sử dụng biến hình bảo giác để đưa về mặt trụ Đối với tua bin hướng trục, bề mặt dòng trong buồng dẫn dòng là mặt trụ chiều dày không đổi, bài toán sẽ trở nên đơn giản hơn

Hàm dòng của dòng không nhiễu xác định bằng:

Trong đó:

u: Tọa độ theo phương quay

z: Tọa độ chạy vuông góc với phương u C0: Hằng số tích phân

với biến số tích phân theo cung S của chu tuyến profile

T - Bước lưới

profile tại điểm với tọa độ u, z xác định bằng:

Trong đó:

Đối với lưới quay đều với vận tốc, ta có: αω

Để giải bài toán thuận ta có các điều kiện biên như sau:

TVVuu Γ

±= 1

Dấu (+) ứng với máy bơm

Γ : Lưu số vận tốc bao quanh chu tuyến profile - Trên chu tuyến profile:

Trong chảy bao không tách dòng, chu tuyến profile chính là đường dòng của chuyển động tương đối Theo phương u và z

Từ điều kiện này ta xác định được hàm dòng trên chu tuyến profile:

ư=

)(zhCconst= L

Đối với lưới quay đều C1 = 0, C2 = -ωr

(2.40)

sở các điều kiện biên Theo điều kiện thứ 3- chu tuyến profile là đường dòng trong chuyển động tương đối Khi đó hàm dòng tổng cộng ở một điểm bất kỳ trên chu tuyến sẽ bằng hàm dòng tại điểm đó của chu tuyến với ý nghĩa là đường dòng trong chuyển động tương đối

Như vậy ta có phương trình:

Lfs +Ψ =ΨΨ

ta được phương trình:

Để giải được phương trình này ta cần có thêm điều kiện ra của dòng chảy ở đuôi profile

Điều đó mô tả như sau: Trong điều kiện chảy bao không tách dòng vận tốc tương đối về hai phía của profile tại điểm dời (điểm ra) của dòng chảy có giá trị bằng nhau và trái dấu Dưới dạng biểu thức ta có:

Với hệ hai phương trình trên ta có thể lập và giải phương trình ứng với từng

Lưu số vận tốc bao quanh profile có thể xác định thông qua các hàm xoáy bằng:

V γ (σ) σ γ (ξ,η) ξ η

(với γf = (r/r0)22ωcosα )

và điều kiện ra của dòng chảy ở đuôi profile :

Biết các đại lượng này ta xác định được các thông số cần thiết là: - Lưu số bao quanh profile :

22 0 12

⎛ ±Γ+

2.5 Đánh giá tổn thất và hiệu suất của tua bin:

Tổn thất thủy lực trong máy thủy lực cánh dẫn xảy ra trên suốt chiều dài đường đi của dòng chất lỏng từ lối vào tới lối ra của máy Có thể liệt kê các dạng tổn thất thủy lực như sau:

- Tổn thất ở buồng dẫn dòng và cánh hướng dòng vào - Tổn thất ở cánh công tác

- Tổn thất ở buồng dẫn dòng ra