Nghiên cứu tua bin nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở Việt Nam

Nghiên cứu tua bin nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở Việt Nam

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

báo cáo tổng kết chuyên đề

nghiên cứu tua bin nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam

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”

Lời nói đầu

3.1.1 Tác động tương hỗ giữa dòng tia và tấm bản 9

3.1.2 Lý thuyết đơn giản của TBTN 14

4.1 Hướng nghiên cứu TBTN 43

4.2.5 Lựa chọn vòi phun 46

4.3 Mô hình hoá tua bin 47

4.4 Thực nghiệm tua bin mô hình 49

4.4.1 Hệ thống thí nghiệm 49

4.4.2 Thí nghiệm tua bin mô hình 53

4.5 Xây dựng đặc tính tổng hợp chính của tua bin mô hình 60

4.6 Các kết luận rút ra từ thực nghiệm 63

Kết luận 65

Tài liệu tham khảo 67

Phụ lục 68

Lời nói đầu

Mặc dù nguồn và lưới điện quốc gia phát triển mạnh, nhưng theo đánh giá của ngành năng lượng, tới năm 2010 vẫn còn khỏang 400 xã chưa được sử dụng điện từ lưới quốc gia vì chi phí quá cao cho phát triển lưới điện Hơn nữa, với điều kiện tự nhiên có nhiều thuận lợi cho phát triển thủy điện vừa và nhỏ thì việc phát triển thủy điện nhỏ và các nguồn năng lượng tái tạo khác để cấp điện là một giải pháp kinh tế bền vững, góp phần bảo vệ môi trường

Trên thế giới, thủy điện vừa và nhỏ ngày càng được quan tâm sử dụng không chỉ ở các nước đang phát triển mà còn ở ngay các nước phát triển như Anh, Pháp, Đức …

Nghiên cứu, chế tạo tua bin thủy điện vừa đòi hỏi có đội nũ cán bộ có năng lực nghiên cứu triển khai của nhiều nghành khoa học khác nhau (Cơ khí, Thủy lực, Điện, Điều khiển tự động …) vừa mang tính đơn chiếc, tốn nhiều nhân công Do vậy, khả năng cạnh tranh của Việt Nam là rất cao trong lĩnh vực này Do vậy, đẩy mạnh nghiên cứu phát triển thủy điện vừa và nhỏ vừa cung cấp cho thị trường trong nước lại vừa có khả năng xuất khẩu

Tua bin tia nghiêng là loại tua bin có đặc tính năng lượng tốt: hiệu suất khá cao và đường hiệu suất phẳng, vùng làm việc tương đối rộng Tuy nhiên công nghệ chế tạo chúng còn khá phức tạp (nhất là bánh công tác) Hiện nay, có rất ít tài liệu nói về loại tua bin này Để nghiên cứu và phát triển loại tua bin này ở Việt Nam, chúng tôi lựa chọn nghiên cứu một tua bin tia nghiêng mô hình dựa trên cơ sở một số lý thuyết tính toán của tua bin xung kích, các tua bin thực và dựa trên thực nghiệm để hoàn thiện Từ mô hình đã được nghiên cứu, dựa trên nguyên tắc về các tiêu chuẩn tương tự, chúng ta sẽ có được gam tua bin này

Chương I Mở đầu

1.1 Đặt vấn đề

Tua bin tia nghiêng (TBTN) thuộc nhóm tua bin có tỷ tốc thấp, nằm giữa tua bin gáo và tua bin XK2L Trong thực tế chế tạo tua bin, nhiều trường hợp phảI lựa chọn TBTN hoặc tua bin gáo nhiều vòi phun, vì nếu sử dụng các lọai tua bin khác là không kinh tế hoặc hiệu suất thấp ở Việt Nam, một số trạm thủy điện đã nhập thiết bị TBTN của nước ngoài như Trạm thuỷ điện Kỳ Sơn - Hà Tĩnh với hai tổ máy 250kW, Trạm thuỷ điện Nà Chá - Mộc Châu - Sơn La một tổ máy 130kW của hãng GILKES (Anh) và đã nhập hàng ngàn tổ máy thủy điện siêu nhỏ (TĐSN) có công suất 200 ữ 300W của Trung Quốc Thực tế cho thấy rằng các tổ máy này có kết cấu đơn giản, độ bền cao và hiệu quả năng lượng tốt Do vậy đề tài đã đặt vấn đề nghiên cứu TBTN cho thủy điện nhỏ trong giới hạn bước đầu là các tua bin có công suất dưới 200kW với các nội dung:

- Nghiên cứu lý thuyết và mô hình để xây dựng biên dạng cánh, phần dẫn dòng

- Xây dựng gam tua bin

- ứng dụng để thiết kế một số tổ máy: 200W, 500W, 1000W, 5kW và 10kW - Làm cơ sở cho thiết kế các tổ máy có công suất tới 200kW

1.2 Phương pháp nghiên cứu

Khi bắt đầu bước vào nghiên cứu TBTN, đề tài gặp phải các khó khăn lớn là: - Cơ sở lý thuyết về TBTNT là không hòan chỉnh, dựa trên lý thuyết đơn giản với rất nhiều giả thiết làm đơn giản hóa bài tóan

- Tài liệu nước ngòai cũng rất thiếu

Do vậy đề tài sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau:

- Nghiên cứu lý thuyết: Dựa vào lý thuyết đơn giản của TBTN, các nghiên cứu về tua bin gáo có thể ứng dụng cho TBTN

- Nghiên cứu theo mẫu: Lựa chọn các mẫu có chất lượng tốt, đo đạc và phân tích các số liệu mẫu

- Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm trên mô hình, xử lý số liệu - Thử nghiệm hiện trường

- Xây dựng các chỉ tiêu thiết kế chung để nhân rộng từ mô hình ra tua bin thực

Chương II Tổng quan về tua bin tia nghiêng

Ngay từ thế kỷ 15, Leona de Vinci đã phát minh ra dạng bánh xe nước, đó chính là dạng sơ khai nhất của TBTN ngày nay

Hình 1 Dạng TBTN cổ nhất còn giữ lại được đến nay tại bảo tàng Leonardo da Vinci ở Milano - Italy

Tổng kết tài liệu nghiên cứu và chế tạo TBTN trên thế giới cho thấy: TBTN được sử dụng cho phạm vi rộng nhất là:

Q = 5 m3/s Với 3 dạng kết cấu:

- TBTN trục ngang 1 vòi phun - TBTN trục ngang 2 vòi phun - TBTN trục đứng nhiều vòi phun

Hiệu suất cao nhất được đánh giá vào khỏang 86 ữ 87%

Một số nhà nghiên cứu nổi tiếng về TBTN như: шиΠyлин и Φ (I F

Sipulin);

ở Anh, hãng GILKES là hãng nghiên cứu hàng đầu về TBTN Từ năm 1993, hãng TANAKA (Nhật Bản) trên cơ sở nghiên cứu của GILKES cũng đã xây dựng gam TBTN của mình ở Trung Quốc, TBTN cũng đ−ợc sử dụng từ lâu nh−ng gần đây, viện nghiên cứu TRIED (Thiên Tân - Trung Quốc) cũng đã nghiên cứu tiêu chuẩn hóa TBTN cho trạm thủy điện có cột áp nhỏ hơn 180m

Một số thông tin về TBTN trên thế giới nh− sau:

Hình 2 Kết cấu TBTN của hãng GILKES

Hình 3 Biểu đồ sử dụng sản phẩm TBTN của hãng GILKES

TBTN do hãng GILKES sản xuất có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, lắp đặt và vận hành Tổ máy TBTN của GILKES lần đầu tiên sử dụng ở Việt Nam tai trạm Thủy điện Nà Chá (Mộc Châu - Sơn La là một trạm thủy điện kiểu mẫu về thủy điện nhỏ ở Việt Nam (hình 4)

Hình 4 TBTN đ−ợc lắp đặt tại TTĐ Nà Chá - Mộc Châu - Sơn La

Với kết cấu 2 mũi phun, TBTN có phạm vi làm việc rộng (2 lần) so với lọai TBTN do Trung Quốc sản xuất

2.2 TBTN do Trung Quèc s¶n xuÊt

Trung quèc sö dông réng r·I TBTN cho thñy ®iÖn võa vµ nhá víi kÕt cÊu trôc ngang, 1 vßi phun (h×nh 5)

H×nh 5 KÕt cÊu TBTN do Trung Quèc chÕ t¹o

TBTN ®−îc tiªu chuÈn hãa thµnh 2 mÉu XJ13 vµ XJ02 víi ph¹m vi lµm viÖc:

H = 30 ÷ 150 m

P = 5 ÷ 1250 kW

CÊp ®−êng kÝnh b¸nh c«ng t¸c D1= 12, 20, 25, 32, 40, 50cm §−êng kÝnh dßng tia d0= 5, 6, 7, 9, 11 vµ 12,5cm

Bé ®iÒu tèc ®−îc sö dông lµ ®iÒu tèc c¬ khÝ - thñy lùc

Hình 6 Biểu đồ sử dụng sản phẩm TBTN XJ02 do Trung Quốc sản xuất

2.4 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng TBTN ở Việt Nam

ở nước ta mới chỉ có một số trạm thuỷ điện nhỏ sử dụng loại tua bin này (đã nói trong phần mở đầu) Các tổ máy thủy điện cực nhỏ (sử dụng TBTN) đã được đưa vào sử dụng rộng rãi, các sản phẩm này từ hai nguồn: thuỷ điện Pico 200ữ500W nhập khẩu từ Trung Quốc và các tổ máy 200 ữ 7500W do Trung tâm Thủy điện - Viện Khoa học Thủy lợi chế tạo

Nhận thấy những ưu điểm của TBTN phục vụ phát triển thủy điện nhỏ và cực nhỏ trong nước, gần đây Trung Tâm Thủy Điện - Viện Khoa học Thủy lợi đã đầu tư nghiên cứu ứng dụng lọai tua bin này và bước đầu đã đạt được nhũng kết quả tốt tạo tiền đề cho các nghiên cứu sâu hơn

Chương III Cơ sở lý thuyết và các kết quả nghiên cứu tBTN

Trong TBTN, dòng chất lỏng phun vào cánh bánh công tác dưới một góc nghiêng α (hình 8)

Hình 8 Dòng chất lỏng phun vào BCT TBTN

Cơ sở lý thuyết của TBTN được dựa trên lý thuyết về tác động tương hỗ giữa dòng tia và tấm bản

3.1 Cơ sở lý thuyết TBTN

3.1.1 Tác động tương hỗ giữa dòng tia và tấm bản

3.1.1.1 Tấm bản cong đối xứng đặt cố định

Xét tác động của dòng tia lên tấm bản cong đối xứng đặt cố định (hình 9)

Hình 9 Sơ đồ dòng tia chảy lên tấm bản cong đối xứng đặt cố định

Với giả thiết chất lỏng là lý tưởng, áp dụng phương trình động lượng, ta có lực P do chất lỏng tác động lên tấm bản là:

β

Nếu f1 là hình chiếu của bản cong lên phương vuông góc với x, áp lực trung bình lên tấm bản là:

php = =

vì

≤ suy ra f1 ≥ 4f (3.4) Từ đây ta thấy rằng để đạt yêu cầu tác dụng của dòng chảy lên tấm bản, diện tích hình chiếu của bản lên phương vuông góc dòng tia phải lớn hơn 4 lần diện tích tiết diện dòng tia Nguyên tắc lý thuyết này được sử dụng để lựa chọn kích thước của BCT tua bin xung kích

3.1.1.2 Tấm bản cong đối xứng chuyển động theo trục dòng tia

Trên đây ta đã nói đến lực tác dụng tương hỗ giữa dòng tia và tấm bản Khi tấm bản đứng yên sẽ không có trao đổi năng lượng Muốn cho tấm bản nhận được năng lượng từ dòng tia, nó phải chuyển động với vận tốc u nào đó (sơ đồ trên hình 10)

Lúc này vận tốc của dòng tia so với tấm bản:

Trong đó: u - vận tốc theo c - vận tốc tuyệt đối

Sau một đơn vị thời gian, khối lượng nước chảy lên tấm bản là:

wfg

Hình 10 Sơ đồ dòng tia lên tấm bản cong đang chuyển động theo trục của dòng tia

áp dụng phương trình động lượng, ta có:

= γ (cưu)2(1ưcosβ)

Công suất do lực P sinh ra:

Công suất của dòng tia:

Hiệu suất thủy lực lớn nhất η max :

(1cos)27

β

lỏng này tỷ lệ với vận tốc tương đối w = c - u Nếu u càng nhỏ, lực tác dụng lên tấm bản càng lớn nhưng khi u = 0 chất lỏng sẽ không truyền năng lượng cho tấm bản nữa Muốn cho tấm bản nhận toàn bộ năng lượng của dòng tia thì vòi phun cũng phải chuyển động với vận tốc u Khi đó sau một đơn vị thời gian dòng chảy lên tấm bản với một khối lượng là:

Kết quả ta có:

= fccug

Công suất do lực sinh ra:

3.1.1.3 Tấm bản cong chuyển động dưới một góc α với trục dòng tia

Bây giờ ta xét trường hợp khác khi tấm bản chuyển động với vận tốc u tạo nên một góc α nào đó so với vận tốc của dòng tia (hình 11)

Từ tam giác vận tốc tại cửa vào ta xác định trị số của vận tốc tương đối:

uuc

c2 w2 u

uw1

Lực tác động lên bản theo hướng chuyển động:

2 cucuu

Công suất do lực P sinh ra:

.γ.u.(c.cosα-ucosβ2 c2 u2 2.c.u.cosα)

Hiệu suất thủy lực sẽ là:

Q

Trên đây là các phương trình lý thuyết có ý nghĩa trong việc phân tích quá trình làm việc của TBTN

Từ lý thuyết cơ bản của dòng tia và tấm bản, rút ra một số kết luận quan trọng:

- Diện tích chiếu của tấm bản lên phương vuông góc với dòng tia để thu được

hiệu quả cao là 1 =4ữ8

- Vận tốc chuyển động tối ưu của tấm bản để thu nhận năng lượng là:

utu=2

- Khi β = 1800, ηth = 1 (ở điều kiện lý tưởng)

3.1.2 Lý thuyết đơn giản của TBTN

Trong TBTN, nước chảy vào BCT tạo với mặt phẳng quay một góc ∝

Dòng chảy vào BCT từ một mặt và ra khỏi ở mặt khác Nước không chảy ra phía ngoài BCT do đó phía ngoài BCT cho phép dùng một vành néo, các cánh của bánh xe Đây cũng là ưu điểm về kết cấu BCT so với tua bin gáo Cánh có hình dạng gáo với cạnh cửa vào không lớn lắm và để ra khỏi cánh thuận lợi đòi hỏi cạnh cửa ra kéo dài hơn nhiều so với cạnh cửa vào Tuy vậy trong lý thuyết đơn giản về TBTN nó được giả thiết là quá trình chảy trên cánh xảy ra trên các mặt phẳng song song với trục BCT và trục dòng tia Sơ đồ chảy lên BCT thể hiện trên hình 12

Hình 12 Sơ đồ dòng chảy vào BCT TBTN

c1u

cu1d

Giá trị của vận tốc tương đối xác định theo công thức:

Trong đó:

ϕ : Hệ số vận tốc mũi phun

Biến đổi ta có:

βϕ

Như vậy hiệu suất thuỷ lực của TBTN phụ thuộc vào các góc α1, β1, β2 Ta cần phải xác định các giá trị tối ưu của các góc này ở công thức (3.29) ta thấy ηTLđạt max khi cosβ2 = -1 hay β2 = 1800

Để tìm giá trị tối ưu của α1 ta cần tìm đạo hàm riêng của η theo α1

Kết quả: α1 =2

Sau khi biến đổi ta có:

Lấy đạo hàm riêng của (3.31a) theo β1 ta có:

(3.32)

Như vậy hiệu suất cực đại theo lý thuyết đơn giản khi:

α1 = 0; β1 = 0; β2 = 1800 (3.33) Lúc đó:

Nếu giả thiết chất lỏng là lý tưởng thì ϕ = 1; ξ = 1 ta có: ηth max = 1

Như vậy về mặt lý thuyết, hiệu suất thủy lực của TBTN có thể bằng 1 Nhưng để đạt được điều này cần phải thoả mãn điều kiện α1 = β1= 0 và β2 =1800 có nghĩa là dòng chảy vào và ra phải trùng với phương của BCT Trên thực tế điều này không thể có được vì nếu dòng chảy ra với góc β2 =1800 thì dòng chảy ra của cánh trước đập vào lưng cánh sau Nhìn vào sơ đồ làm việc của TBTN ta cũng thấy không thể tạo được góc dòng vào α1 = 00 Như các phân tích cơ sở lý thuyết tua bin xung kích ta thấy rằng, khi tốc độ vòng quay BCT lệch đi so với tốc độ tối ưu về giá trị lớn hơn

hoặc nhỏ hơn hiệu suất đều giảm đi vì tổn thất liên quan đến vận tốc cửa ra tăng Nhưng ở TBTN, hiệu suất sẽ giảm nhanh hơn vì ngoài tổn thất do vận tốc ở cửa ra, tại cửa vào cũng tổn thất nhiều do hướng của vận tốc tương đối không còn trùng với tiếp tuyến mặt trong của cánh nữa (Điều này không xảy ra đối với tua bin gáo)

Từ các kết luận trên đây cho thấy rằng ngay cả lý thuyết và thực tế hiệu suất của TBTN luôn thấp hơn tua bin gáo Tuy nhiên với những ưu điểm của nó như đã phân tích ở chương I, TBTN được vẫn được sử dụng rộng rãi cho thủy điện nhỏ

Khi thoả mãn điều kiện α1 =

Lực hướng trục là:

Và hiệu suất với ϕ = 1; ξ = 1 là:

cos(cos

- Khỏang cách mũi phun đến bánh công tác, chất lượng dòng tia

- Chuyển động của dòng tia qua BCT và sau BCT, hệ số co hẹp và giãn nở của dòng tia

Để nâng cao chất lượng làm việc của TBTN, cần tập trung nghiên cứu các bộ phận và tham số trên

3.2.1 Biên dạng phần dẫn dòng của TBTN

3.2.1.1 Bộ phận ống dẫn

Bộ phận ống dẫn là bộ phận nối tiếp giữa đường ống áp lực của trạm thủy điện và vòi phun của tua bin Các yêu cầu chính đối với bộ phận ống dẫn là:

- Tổn thất thủy lực trong ống nhỏ

- Tạo ra trường vận tốc phân bố đều, không xóay trước bộ phận hướng dòng - Có kích thước nhỏ gọn

- Đối với các trạm thủy điện nhỏ, kích thước của bộ phận ống dẫn phảI phù hợp với các tiêu chuẩn ống thông dụng

Trong nghiên cứu, chế tạo tua bin gáo, các dạng ống dẫn đã được nghiên cứu khá sâu Do vậy, có thể phân tích lựa chọn các kích thước cho phù hợp

Việc lựa chọn các kích thước ống dẫn tiến hành như sau:

Đường kính ống dẫn xác định theo công thức:

Trong đó:

dod: đường kính ống dẫn dvp: đường kính vòi phun

Như vậy: dod= (3ữ3,5)*1,2d0

V0= (13ữ17,6)Vod

Hình dạng và kích thước tương quan của ống dẫn:

Kết quả nghiên cứu về mũi phun tại nhà máy kim khí Lêningrát về 3 phương án ống dẫn cong: α = 450, L = 5d; α = 450, L = 1,5d; α = 900 và L = 1,5d (hình 13) cho kết quả dòng tia như bảng 1

Phương án a, tổ chức dòng tia tốt nhất, tổn thất thủy lực nhỏ nhưng kích thước cồng kềnh, phương án c tổ chức dòng tia kém và tổn thất thủy lực lớn Do vậy, trong thiết kế thủy điện cực nhỏ có thể dùng phương án b Một lưu ý trong thiết kế là

dòng tia nở ra sau mặt cắt co hẹp với tỷ lệ Φ = 19,5%%

43ư = Khi thiết cần thu

hẹp khỏang cách giữa BCT và vòi phun và lựa chọn tỷ số

phù hợp để không gây

hiện tượng dòng tia phun lên vành và bầu BCT

(a)

b c

40

333631

374345 a

b c

20

303131

313838 a

b c

7,5

212222

222627

3.2.2 Thiết kế bộ phận hướng dòng (vòi phun)

Bộ phận hướng dòng của TBTN là bộ phận trong đó xẩy ra quá trình biến đổi áp năng của dòng chảy thành động năng Ngoài ra nó còn có chức năng điều chỉnh lưu lượng tua bin

Vòi phun hình côn tiết diện tròn với van kim đồng trục dịch chuyển theo hướng trục vòi phun (hình 14) là thực hiện tốt nhất các nhiệm vụ trên Khi ở vị trí tận cùng bên phải van kim đóng tiết diện cửa ra Dịch chuyển van kim sang trái, tiết diện cửa ra tăng lên, lưu lượng sẽ tăng Biên dạng của vòi phun sao cho lưu lượng thay đổi đều phụ thuộc vào hành trình của van kim và ở trên từng vị trí của van kim vận tốc dòng chảy tăng dần dọc theo đường dòng và lớn nhất tại cửa ra

Hình 14 Vòi phun tiết dện tròn điều chỉnh độ mở bằng van kim

Về mặt kết cấu nên làm sao cho hành trình cực đại của van kim nhỏ tới mức tối thiểu Thực tế vòi phun được chế tạo tương ứng với các thông số cơ bản (đường kính cửa vào và cửa ra), với kết cấu bộ phận điều khiển van kim và số liệu vận hành của các vòi phun đã sử dụng

Hình 15 Sơ đồ dòng chảy thế của đường dẫn trong vòi phun

Về nguyên tắc khi xem xét một số phương án biên dạng vòi phun Để cho

từng phương án, ta xây dựng hình chiếu đường kinh tuyến của ống dẫn khi độ mở

của bộ phận hướng dòng khác nhau (hình 15) Sau đó đưa lên hình chiếu kinh tuyến của ống dẫn các đường dòng và các đường đẳng thế xuất phát từ các giả thiết dòng chảy thế đối xứng Dòng chảy thế theo kinh tuyến được xác định bằng phương pháp đồ giải kết hợp giải tích gần đúng Cơ sở lý thuyết và phương pháp xây dựng đường đường dòng đẳng thế như sau:

a Cơ sở lý thuyết:

Dòng chảy trong bộ phận hướng dòng nói chung là phức tạp, tuy nhiên với giả thiết nó là dòng chảy thế, ta vẫn có thể giải bài toán thuận với độ chính xác chấp nhận được Dòng đẳng thế đặc trưng bởi tính chất: không có các xoáy xung quanh trục các phần tử chất lỏng Với biểu thức toác học Ωu= 0, dọc theo dòng chảy và

theo đường vuông góc với đường dòng cả vận tốc và áp lực đều thay đổi

Ký hiệu S1, S2 … , Si là các đường dòng và n1, n2 … , nj là các đường vuông góc với các đường dòng Lưu lượng qua vòi phun xác định theo công thức:

= R

Trong đó: r – bán kính trong phần dẫn dòng của vòi phun

R – bán kính biên dạng ngoài phần dẫn dòng của vòi phun

Lưu lượng nguyên tố ∆Q qua một diện tích vành khăn giữa hai đường dòng là: ∆Q = 2πr1Cm1∆n1 = 2πr2Cm2∆n2 = = const

Nếu gọi ∆Φ là độ chênh thế giữa 2 đường vuông góc đứng cạnh nhau, cách nhau khoảng ∆S, thì theo toán học đã chứng minh vận tốc Cm tính theo dòng đẳng thế bằng công thức:

thay vào công thức (3.43) ta có:

nSr

vậy:

Trong tính toán gần đúng, theo hình dạng thành ống dẫn ta vẽ một số đường dòng mà chúng cùng với các thành đường dẫn tạo thành n+1 đường cong Cần phải vẽ sao cho lưu lượng giữa từng cặp mặt dòng cạnh nhau là như nhau Để thỏa mãn điều kiện này, ở tiết diện đầu, khoảng cách từ các đường dòng tới trục đối xứng xác định như sau:

Rk= 2 r02n

+ (3.48) Trong đó k = 0,1,2,3 n

Khi k = n thì rk= rn= R (R là bán kính thành ngoài của đường dẫn nước) Khi k = 0 thì rk = ro (bán kính của cần van kim)

Tại tiết diện cuối các đường dòng đi qua các điểm có bán kính cũng được xác

định theo (3.48) nhưng ở đây rn=

Nếu như biết được đường đặc tính lưu lượng của vòi phun nghiên cứu thì theo vị trí của van kim xác định được lưu lượng và tiếp sau là đường kính dòng tia Nếu không thì d0 phải xác định gần đúng với giả thiết rằng trong đoạn từ cửa ra của ống vòi phun tới mặt cắt cuối vận tốc của dòng chảy không tăng hoặc tăng rất ít Đoạn này không bị giới hạn bởi các thành cứng và do đó biên dạng ngoài của nó cũng xác định gần đúng Vì thế dòng chảy trong đoạn này được xác định với độ tin cậy thấp hơn trong tất cả các đoạn còn lại khác

Sau khi xác định được điểm đầu và điểm cuối của các đường dòng, ta vẽ sơ bộ các đường dòng theo kinh nghiệm

Vẽ tiếp các đường vuông góc với các đường dòng (khi đạt độ chính xác yêu cầu, đây sẽ là các đường đẳng thế) Để giảm sai số ở đoạn cuối, cần vẽ một đường vuông góc với các đường dòng đi qua cạnh cửa miệng ra của ống vòi phun và xung quanh vị trí này cần tăng mật độ các đường đó

Để tìm vị trí chính xác của các đường dòng dựa vào cơ sở lý thuyết đã nêu trên, ta lập bảng tính toán như bảng (2)

Bảng 2 Số

đường dòng

r mm

∆S mm

r ∆S

r ∆S

∆n mm

∆Fi=

mm

∆Fi= ∑∆Fi i-1 mm

δ(∆Fi)= ∆Fi-∆Ftb mm

δ(∆n)i= δ(∆Fi) r

∆S tb

δ(∆n)i ∆n 100%S0

S1 S2 Sn

Tính toán bảng 2 cho từng đường vuông góc n-n và thay đổi vị trí các đường dòng sao cho giá trị ∆Fi dọc theo đường vuông góc n-n là bằng nhau Sai số của các giá trị này ký hiệu là δ(∆Fi)=∆Fi-∆Ftb Trong đó giá trị trung bình ∆Ftb

tính theo công thức:

Từ đó cần phải chuyển dịch đường dòng một khoảng cách là δ(∆n), chiều dịch chuyển phụ thuộc vào dấu δ(∆n) Tính δ(∆n) theo công thức:

∆∆=

nn i

Sau khi dựng được các đường dòng, ta tìm trường vận tốc của dòng theo các công thức (3.45), (3.47) và lập thành bảng (3)

Bảng 3 Đường dòng

Đường vuông góc

2π∑Fi=

nSr ∆

∆S m

Cmm/s

∆S m

Cmm/s

∆S m

Cmm/s

∆S m

Cmm/s0-0

1-1 2-2 j-j

Sau khi có kết quả ở bảng (3) ta vẽ đồ thị quan hệ Cm= f(S) Dựng đường dòng đẳng thế có thể thực hiện trên máy vi tính

Xây dựng đường dòng của vòi phun nói chung là khó khăn và phức tạp Do đó để đánh giá một cách tương đối chất lượng các phương án vòi phun người ta có thể tính toán và xây dựng các đường cong của sự thay đổi diện tích tiết diện dọc theo trục vòi phun khi các độ mở khác nhau Để tính toán các diện tích tiết diện cần xây dựng các mặt cắt kinh tuyến của đường dẫn nước vòi phun ở một số độ mở Sau đó trên từng mặt cắt dựng một số đường đẳng thế gần đúng Các mặt cong đẳng thế trong không gian được thay thế bởi các mặt côn thẳng, khi đó diện tích F sẽ là:

F = axπdx (3.49) Trong đó: ax là chiều dài côn thẳng

dx đường kính chính giữa hình côn

Các trị số : ax, dx được xác định trực tiếp trên hình vẽ (xem hình 15)

Sau đó xây dựng đường quan hệ F = f(l), l là khoảng cách từ mặt phẳng đi qua giữa hình côn đến mặt phẳng cửa ra của vòi phun

Thông thường ở vị trí đóng và ở độ mở nhỏ, diện tích tiết diện biến đổi tương đối đều, theo chiều tăng độ mở ở đoạn giữa của các đường cong có vùng biến đổi với gradien nhỏ hơn Do đó phải làm sao cho sự giảm gradien cục bộ này không lớn

Những nghiên cứu trong những năm gần đây cho thấy khi dòng chảy ở cửa ra bị nén sẽ cho dòng tia gọn và ít bị tóe nước Góc côn càng lớn dòng chảy bị nén càng nhiều Nhưng khi tăng góc côn của ống vòi phun sẽ làm cong mạnh đường dòng và do đó gây thêm tổn thất thủy lực và như vậy đường kính vòi phun phải tăng lên Ngày nay góc côn của ống vòi phun và van kim được xem là tối ưu là γ/α=600

/450, γ/α=800/540 và γ/α=850/600

Hình 16 Biên dạng vòi phun γ/α=800/540

Từ sơ đồ dòng chảy thế ta có thể biết được sự phân bố vận tốc theo bề mặt van kim cụ thể là dọc theo đường dòng S0 (hình 15), bằng phương trình Bernuli có thể tìm được sự phân bố áp lực:

Pi= H⎜⎜⎝⎛ưCgHi ⎟⎟⎠⎞2

2π dpidr (3.51) Trong đó: dmax là đường kính lớn nhất của van kim Khi vòi phun ở vị trí đóng, lực dọc trục tác dụng lên van kim (không kể diện tích cần đẩy) là:

(3.52)

3.2.3 Bộ phận lái, cắt dòng

Bộ phận lái (cắt) dòng có chức năng lái dòng ra ngoài không tác dụng vào BCT khi dừng tua bin để tránh va đập sóng va trong đường ống Trong quá trình điều chỉnh kép, khi ở chế độ làm việc ổn định, bộ phận lái, cắt dòng không chạm tới dòng tia Nhưng để cho khi cắt tải cơ cấu lái dòng có thể tham gia vào quá trình điều chỉnh càng nhanh càng tốt, cạnh công tác của nó phải nằm không xa mặt dòng tia Do đường kính dòng tia thay đổi tùy thuộc vào vị trí của van kim, để hòa hợp vị trí của bộ phận lái dòng với vị trí của van kim trong hệ thống điều chỉnh TBTN người ta sử dụng các liên kết đặc biệt

Để tính toán các liên kết cần phải biết quan hệ đường kính dòng tia với hành trình van kim Nếu đường đặc tính lưu lượng Q = f(s) của vòi phun đã biết thì quan hệ d0 = f(s) dễ dàng tìm được nhờ công thức xác định d0 qua lưu lượng

Để tính toán các thành phần của hệ thống điều chỉnh cần phải biết hàm quan hệ của công suất dòng chảy tác dụng lên BCT và mô men thủy lực tác dụng lên bộ phận lái dòng với vị trí của nó khi độ mở của bộ phận hướng dòng khác nhau Trong quá trình chế tạo bộ phận lái dòng, các quan hệ này được xác định gần đúng bằng đồ giải

Xác định trị số mô men thủy lực khi bộ phận lái dòng làm việc (hình 17) Bộ phận lái dòng được chế tạo và đưa vào dòng tia sao cho ở chỗ tiếp xúc đầu tiên của dòng tia với mặt của bộ phận lái dòng góc θi gần với 00

Do đó toàn bộ dòng tia bị lái chỉ có một mà không phải hai hướng chuyển động Khi tính toán giả thiết rằng hướng này trùng với hướng của tiếp tuyến với biên dạng của bộ phận lái dòng tại cửa ra

Nếu trục X hướng song song với trục dòng tia còn trục Y hướng lên trên và gốc tọa độ trùng với trục quay của bộ phận lái dòng ta có:

Mtl=Pxyi - Pyxi (3.53)

Hình 17 Vị trí của bộ phận lái dòng

Khi xác định biên dạng của bộ phận lái dòng và chọn vị trí trục quay của nó sao cho giá trị mô men thủy lực không lớn (cho phép giảm công suất và tương ứng kích thước máy tiếp lực)

3.2.4 Dòng tia tự do trong không khí

Sau khi ra khỏi vòi phun, dòng tia chuyển động tự do trong môi trường không khí trước khi đi vào BCT Các nghiên cứu cho thấy rằng, ngay sau khi ra khỏi vòi phun, dòng tia đạt được diện tích nhỏ nhất của mình và sau đó mở rộng ra Sự mở rộng dòng tia được giải thích là do sức cản của không khí đã làm chậm chuyển động của nó Bề mặt ngoài của dòng tia bị giảm cột áp (hình 17)

Hình 18 Biểu đồ phân bố áp lực cắt ngang dòng tia

Từ lý thuyết về tầng giới hạn, V Sulgin coi dòng tia trơn không khuyếch tán đã chỉ ra rằng ma sát nước và không khí rất nhỏ, có thể qua Những vùng lồi lõm của

θi

biểu đồ vận tốc theo biên ông giải thích bởi sự xuất hiện dấu vết của các tầng giới hạn Nhưng thực tế dòng tia không thể xem là trơn tuyệt đối Qua nghiên cứu bằng phương pháp chụp ảnh cho thấy bề mặt của dòng tia có tính chất lượn sóng, từ nó các phần tử chất lỏng bị tách ra Trong khi đó dòng tia chảy trong chân không có được bề mặt trơn nhẵn hơn nhiều Rõ ràng là trong môi trường không khí có ảnh hưởng thế nào đó tới cấu trúc lớp ngoài của dòng tia

Cho đến nay các nghiên cứu về dòng tia chảy trong không khí vẫn chưa được hoàn thiện để đánh giá đầy đủ các tổn thất Tạm thời chỉ có thể nói tới tổng tổn thất liên quan đến vòi phun và dòng tia mà chưa kết luận được tỷ lệ từng loại tổn thất riêng trong cân bằng năng lượng chung Hiệu suất vòi phun tính tất cả các tổn thất này khi thiết kế biên dạng hợp lý theo thực nghiệm có thể đạt 95 ữ 98% Trong thiết kế cũng cần tính toán đến độ mở rộng của dòng tia khi quyết định tỷ số D1/d0 để tránh dòng tia khi vào BCT có thể va chạm vào bầu hoặc vành làm giảm hiệu suất của tua bin

3.2.5 Nghiên cứu, thiết kế bánh xe công tác

3.2.5.1 Luận cứ về tỷ số

:

Tỷ số

là thông số rất quan trọng trong thiết kế tua bin dòng phun (tua bin

gáo, TBTN) Các thông số qui dẫn và số vòng quay đặc trưng của tua bin đều phụ thuộc vào công thức này, cụ thể như sau:

Vì:

Và: QQ *D2* H

Q π ϕ nếu lấy ϕ = 0,97 thì : 2

1 =3,41*z*⎜⎜⎝⎛Dd ⎟⎟⎠⎞

Q

Số vòng quay đặc trưng ns xác định theo công thức:

1* *

Nếu lấy η= 0,83 ; n1’= 41 tại trị số Q’

1max thì số vòng quay đặc trưng của tua bin xác định theo công thức :

zDdns 216* *

Tỷ số 0

của TBTN theo thực nghiệm xác định được có giá trị từ 3,5 ữ 7

Ngoài vùng trên, hiệu suất của tua bin giảm Bảng 4 so sánh các giá trị qui dẫn và số vòng quay đặc trưng của TBTN và tua bin gáo

1(l/s)

Tua bin gáo 8 ữ 18 27 ữ 12 53 ữ 10,5

Trong chuyên đề về gam thủy điện nhỏ, với các lọai thủy điện nhỏ có thể

chọn 01

Góc giữa vận tốc tương đối, trùng với góc đặt cánh tại mép vào β, theo tính

toán tối ưu là

Các góc ở các bán kính khác nhau được định theo công thức:

dD

- Chiều cao của bầu: H = 0,330D1 - Đường kính vành ở lối vào: Dv=1,440D1 - Đường kính lối ra lớn nhất: D3=1,750D1 - Đường kính lối ra nhỏ nhất: D2=0,283D1 - Chiều rộng của cánh: B1=0,373D1 - Chiều rộng cánh ở lối ra nhỏ nhất: B2=0,303D1 - Chiều rộng cánh ở lối ra lớn nhất: B3=0,174D1 - Đường kính ngoài của vành: DN=1,824D1 - Chiều cao của vành: h=0,113D1

b Kiểm tra các kích thước hình học của cánh:

Xây dựng mặt cắt và mặt bằng giao của dòng tia và BCT cho thấy: ở các chế

độ

= 4 ữ 5,5, kể tới độ nở của dòng tia tại mặt cắt T ≤ 5d0 , cho kết quả như sau:

Hình 20 Vị trí tác động của dòng tia trên mặt BCT

Khoảng cách giữa dòng tia và vành, bầu cánh ở chế độ, độ mở lớn nhất, với phương án ống dẫn khuỷu cong loại b

- Đường kính dòng tia d0: 55mm - Độ mở dòng tia: d0 x 19,5%: 67mm - Khoảng cách gần nhất: tới bàu và vành ∆δ Kết quả ∆δ >5mm: Đạt yêu cầu đặt ra

Hình 21 Vị trí của vòi phun so với BCT

- Xây dựng biên dạng cánh sau khi xử lý số liệu Kết quả đo như trong phụ lục 1

3.2.6 Vỏ tua bin

Vỏ tua bin ngoài việc bảo đảm cho nước không bị bắn ra sàn còn cần phải đảm bảo dòng nước ra khỏi bánh xe công tác không bắn ngược trở lại ảnh hưởng đến sự làm việc của tua bin Hiện nay, vỏ tua bin được coi là ưu việt nhất có kết cấu như hình 23 Cụm ổ trục tua bin được bố trí phía trước vỏ, các vòi phun bố trí hai bên Trên đỉnh vỏ có nắp dốc về phía sau đảm bảo cho thoát hết phần nước bắn lên trên và có thể thoát nhanh không ảnh hưởng đến sự làm việc bình thường của BCT Quá trình tháo lắp, bảo dưỡng cũng rất thuận tiện và đơn giản

3.2.7 Bố trí các bộ phận cơ bản của TBTN

Các TBTN hiện nay thường chỉ gồm hai loại 1 hoặc 2 vòi phun có kết cấu như hình 23 và hình 24 Các vòi phun được bố trí ngược nhau và đối xứng qua BCT Góc giữa trục vòi phun và mặt phẳng

bánh xe công tác chọn trong khoảng 22,5 ữ 250 Khoảng cách giữa vòi phun và mặt phẳng nhận nước của BCT là G (hình 16), thực nghiệm cho thấy rằng tổn thất năng lượng của dòng tia là nhỏ nhất khi G ≤ 5 d0

Mặt dòng tia trụ tròn cắt mặt phẳng cửa nhận nước của BCT có dạng hình ô van (gọi là hình ô van dòng tia) Thực nghiệm cho thấy vị trí ô van dòng tia có hướng ngược với chiều chuyển động (hình 22) Nếu sự dịch chuyển (T) này không gây cho dòng tia vấp phải vành bao ngoài có thể nâng cao số vòng quay đặc

trưng của tua bin Đồng thời Hình 22 Giao diện (ô van) giữa dòng tia và BCT

giảm bớt sự va đập vào vành bao ngoài của tua bin hoặc có thể giảm bớt số cánh Khoảng dịch chuyển T đ−ợc xác định nhờ thực nghiệm

3.3 Chọn kết cấu tổ máy, số vòi phun

Có 3 loại kết cấu TBTN:

+ Kết cấu trục đứng 1 mũi phun, 2 mũi phun + Kết cấu trục ngang 1 mũi phun, 2 mũi phun + Kết cấu trục đứng nhiều mũi phun

nh− các hình 21, hình 22 và hình7:

Hình 23 Kết cấu TBTN trục đứng 1 hoặc 2 vòi phun

Hình 24 Kết cấu TBTN trục ngang

Ưu nhược điểm của các kết cấu như ở bảng 5:

- Dễ chế tạo, lắp đặt, sửa chữa

- Cần chú ý ổ trục để nâng cao độ bền.

3

Loại trục đứng 1,2 và nhiều mũi phun

- Kết cấu gọn gàng, dễ lắp đặt, quản lý, vận hành

- Loại nhiều mũi phun có khung làm việc rộng

- Máy phát phải đồng bộ với tuabin; - ổ trục tuabin yêu cầu khả năng chịu lực dọc trục cao; - Làm kín mỡ tốt; - Phù hợp với các hãng sản xuất thiết bị đồng bộ

Trong phần nghiên cứu này chúng tôi lựa chọn kết cấu trục ngang 2 mũi phun với các lý do sau:

- Như đã phân tích trong gam thủy điện nhỏ và cực nhỏ.Yêu cầu về vùng làm việc của TBTN không quá rộng

- Điều kiện sản xuất số lượng không cao nên phù hợp với điều kiện sản xuất máy phát điện trục ngang

- Tổ máy dễ chế tạo, đơn giản cho quá trình vận hành

- Thực tế hãng Gilkes đã sản xuất tới 5.000 kW/tổ máy với nhiều TTD có cột nước khác nhau đều đảm bảo yêu cầu về độ bền và hiệu suất cao

3.4 Phương pháp thiết kế TBTN

Để xác định các thông số, kích thước của TBTN, cần cho trước các đại lượng: Cột áp lớn nhất, cột áp tính toán, cột áp nhỏ nhất: Hmax,Htt, Hmin và công suất tua bin N

trong đó: η - Hiệu suất TBTN sơ bộ chọn η=0.8

Đường kính dòng tia ứng với lưu lượng lớn nhất xác định theo công thức:

ttv gHZ

Từ đó suy ra:

Vòi phun ngắn có ưu điểm là lực ma sát nhỏ, hành trình S và kích thước tổ máy nhỏ, đặc biệt với tổ máy nhiều vòi phun cho kích thước kết cấu càng nhỏ Nhưng do hành trình của kim phun biến đổi không lớn, lưu lượng biến đổi nhiều, việc điều chỉnh đòi hỏi phải nhạy Cũng vì vòi phun ngắn, dòng chảy quặt gấp, có

thấp Đối với loại vòi phun dài thì khắc phục được các nhược điểm của vòi phun ngắn nhưng về mặt kích thước kết cấu sẽ rất lớn nếu tổ máy có ít vòi phun đồng thời loại vòi phun này có độ nén kém hơn nên nó phù hợp với cột nước cao Lọai vòi phun trung bình có các đặc điểm khắc phục các nhược điểm của hai loại ngắn và dài Nó phù hợp với cột nước trung bình Tóm lại, vòi phun có độ côn lớn phù hợp với cột áp thấp, vòi phun trung bình cho cột áp trung bình và vòi phun có độ côn nhỏ cho cột áp cao

Đối với TBTN, do cột nước làm việc không cao nên việc sử dụng loại vòi phun ngắn và trung bình là thích hợp Đối với các tổ máy có cột áp nhỏ hơn 50 m nên chọn loại vòi phun ngắn Các tổ máy có cột áp cao hơn nên chọn loại vòi phun trung bình

Sau khi tính toán, trị số D1 được làm tròn và qui về kích thước tiêu chuẩn Việc lựa chọn đường kính BCT phụ thuộc vào số vòng quay n, số vòng quay này thường được chọn theo số vòng quay đồng bộ của máy phát điện (nối trực tiếp) hay một số vòng quay thích hợp của bộ truyền (nối gián tiếp) Khi quyết định chọn tốc độ vòng quay nào đó cần quan tâm đến các kinh nghiệm thiết kế đã trình bày trong mục 3.2.1

Với TBTN, tỷ số D1/d0 nằm trong khoảng 3,4 ữ 9,5 Khi đã chọn số vòi phun có nghĩa là đã xác định được đường kính d0 nên khi tính toán đường kính BCT cần phải chú ý đến tỷ số D1/d0

c Các thông số khác của TBTN *.Lưu lượng qui dẫn:

Lưu lượng qui dẫn của TBTN xác định theo công thức chung của các máy thủy lực :

DQ