Nghiên cứu, lựa chọn công nghệ và thiết bị để khai thác và sử dụng các loại N.Luợng

Nghiên cứu, lựa chọn công nghệ và thiết bị để khai thác và sử dụng các loại N.Luợng

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 tổ máy thủy điện cực nhỏ cột nước cao

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”

Chương I Mở đầu 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Tổng quan về TĐSN 1

1.3 Nội dung báo cáo 7

Chương II Phạm vi sử dụng và các thông số cơ bản của tổ máy 8

2.1 Tình hình nghiên cứu chế tạo TĐCN 82.2 Phạm vi sử dụng 9

2.3 Các thông số cơ bản 9

2.3.1 Tỷ số 01dD 9 2.3.2 Tỷ số 0mdd 10

2.3.3 Hiệu suất tổ máy 11

2.3.4 Xác định các thông số cơ bản của tổ máy 13

2.4 Lựa chọn kết cấu cho tổ máy 14

Chương III tính toán, thiết kế các bộ phận chính 16

3.1 Tiêu chuẩn hóa các bộ phận chính 16

3.5 Tính toán, thiết kế vòi phun 21

3.6.3 Tính sơ bộ đường kính các đoạn trục 26

3.6.4 Thiết kế kết cấu trục 27

3.6.5 Tính toán độ bền mỏi của trục 27

3.6.6 Tính toán trục tua bin về dao động 29

3.6.7 Kiểm nghiệm độ bền dập của then 30

3.7 Tính toán lựa chọn ổ lăn 31

3.8 Tính toán tổn thất thủy lực và lựa chọn đường ống 33

3.8.1 Tổn thất cột áp qua lưới chắn rác 33

3.8.2 Tổn thất cột áp ở cửa vào của ống dẫn 33

Chương V Hệ thống đo lường và điều khiển 43

5.1 Phân loại điều tốc tải giả và nguyên lý làm việc 43

5.1.1 Hệ thống phụ tải cố định 43

5.1.2 Hệ thống phụ tải thay đổi 44

5.2 Thiết bị điều khiển tải giả cho tổ máy công suất nhỏ hơn 1kW 48

5.2.1 Nguyên lý 48

5.2.2 Khối tải giả 49

5.3 Thiết bị điều khiển tải giả tổ máy thủy điện siêu nhỏ 50

6.3.2 Quản lý và bảo dưỡng sửa chữa 62

Chương VII Kết luận và kiến nghị 64

7.1 Các kết quả mà đề tài đã đạt được 64

7.2 Kiến nghị 64

Tài liệu tham khảo 65

Phụ lục 66

Chương I Mở đầu 1.1 Đặt vấn đề

Mặc dù lưới và nguồn điện quốc gia phát triển mạnh, nhưng ở nước ta, một bộ phận rất lớn người dân ở vùng sâu, vùng xa do sống quá phân tán, sẽ không có cơ hội được sử dụng nguồn điện này Chương trình phát triển nguồn năng lượng tái tạo (REAP) của chính phủ với sự tài trợ của các tổ chức quốc tế như UB, ADB, JICA … đang nỗ lực hỗ trợ kỹ thuật, tàI chính nhằm phát triển các dạng năng lượng táI tạo (NLTT) như: thủy điện nhỏ, năng lượng gió, năng lượng mặt trời, với mục tiêu cung cấp điện cho hơn 400 xã ở vùng sâu [1], [2]

Thiết bị thủy điện siêu nhỏ (TĐSN) đã được sử dụng rộng rãi ở Việt nam từ nhiều năm nay, theo số liệu của Viện Năng lượng, tới năm 2002, cả nước đã lắp đặt khỏang 120.000 tổ máy TĐSN, phần lớn các thiết bị nhập khẩu từ Trung Quốc ở trong nước, một số cơ quan cũng đã chế tạo thiết bị TĐSN như: Viện Vật liệu thuộc Trung tâm Khoa học Tự nhiên Quốc gia, Trường Đại học Bách khoa Hà nội

Trong đề tài KC07 - 04, với mục tiêu nghiên cứu thiết kế và chế tạo các thiết bị thủy điện nhỏ và siêu nhỏ phục vụ cho sinh họat và sản xuất, chế biến nông, lâm, thủy sản đã nghiên cứu thiết kế, chế tạo và hòan thiện nhằm nâng cao hiệu quả và giảm giá thành chế tạo thiết bị TĐSN Đồng thời phát triển thủy điện nhỏ và siêu nhỏ thành một hệ thống hòan chỉnh đáp ứng rộng rãi nhu cầu thực tiễn sản xuất

1.2 Tổng quan về TĐSN

Nhiều nước trên thế giới đã nghiên cứu và chế tạo thiết bị TĐSN, sử dụng 4 loại tua bin chủ yếu: tua bin hướng trục (TBHT), tua bin gáo (TBG), tua bin tia nghiêng (TBTN), tua bin xung kích hai lần TBXK2L Các tổ máy TĐSN được chia thành hai loại cơ bản là: tổ máy TĐSN cột nước cao và tổ máy TĐSN cột nước thấp

Với các tổ máy TĐSN cột nước cao (H>10m), người ta thường sử dụng một

trong hai loại tua bin: Tua bin tia nghiêng và tua bin gáo Ngoài yêu cầu về kỹ thuật, việc lựa chọn loại tua bin nào còn phụ thuộc vào chỉ tiêu giá thành thiết bị Một số nước có điều kiện tự nhiên cho phép xây dựng các trạm TĐSN cột nước rất cao thì thường thiên về hướng chọn tua bin gáo Hãng IREM (Italia) đã đưa ra ý tưởng kết

cấu rất độc đáo về tua bin gáo có buồng xoắn với tổ hợp 2 đến 6 mũi phun đơn giản (hình 1) Đồng thời việc chế tạo cánh gáo bằng công nghệ gia công áp lực có thể sản xuất hàng lọat cánh gáo với độ chính xác cao thì giải pháp chọn tua bin gáo là phù hợp

Theo hướng này còn có các nước ven núi Himalaya như: ấn độ, Nê pan, nhưng nhìn chung, cột nước cho TĐSN không dễ dàng có được trị số quá cao

Hình 1 Tổ máy TĐSN của hãng IREM

Khảo sát thực tế ở Việt Nam, tại các tỉnh như Hòa Bình, Nghệ An, Hà Giang cho thấy, cột nước phổ biến ở trong khoảng 5 ữ 50 m (trừ các trạm cột nước thấp) Do vậy áp dụng tua bin tia nghiêng cho TĐSN là phù hợp vì các ưu điểm sau:

- Kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, độ bền cao, giá thành hạ - Đặc tính năng lượng tốt

Và tua bin tia nghiêng hoàn toàn cạnh tranh tua bin xung kích 2 lần ở dải công suất siêu nhỏ

Từ năm 1993, các thiết bị TĐSN của Trung Quốc đã bán rộng rãi trên thị trường Việt Nam với qui mô công suất thực từ 100W đến 1000W, phạm vi cột nước 10 ữ 25m ở trong nước cũng đã nghiên cứu chế tạo lọai 200W và 500W Một số kết quả khảo sát như sau:

* TĐSN do Trung Quốc chế tạo:

Khảo sát các nhà máy sản xuất TĐSN ở tỉnh Quảng Tây-Trung Quốc chúng tôi nhận thấy đây là các cơ sở sản xuất nhỏ, phân bố ở vùng nông thôn Sản phẩm được sao chép lại từ các mẫu nghiên cứu trước đây, việc sao chép đã biến dạng do vậy hiệu suất rất thấp Bù lại với nguyên liệu tự sản xuất được trong nước (như nam châm cho máy phát) và chi phí nhân công rẻ, tổ chức sản xuất tốt làm cho giá thành cuat thiết bị rất rẻ (250.000đồng/tổ) Trong chương trình hợp tác cung cấp thiết bị thủy điện (ODA) giai đọan 1995 ữ 2000, phía đối tác Trung Quốc đặt hàng các cơ sở sản xuất này sản xuất loại thiết bị có chất lượng cao hơn (đủ công suất) thì giá thành thiết bị cũng tăng rất cao (720.000VNĐ cho tổ máy 300W)

Đặc điểm của thiết bị do Trung Quốc sản xuất là sử dụng nam châm Baki Ferit lọai chất lượng thấp để chế tạo máy phát nên kích thước máy khá lớn Tiêu hao các nguyên liệu khác cũng vì thế tăng theo Bánh công tác chế tạo từng lá cánh có biên dạng hình cầu nên hiệu suất thấp

Hình 2 Lá cánh BCT có biên dạng chỏm cầu

Hình 3 Kết quả thí nghiệm TĐSN cột nước cao do Trung Quốc chế tạo * Sản xuất TĐSN ở Viện Nam:

Viện Vật liệu (thuộc Trung tâm Khoa học Tự Nhiên và Công Nghệ quốc gia) đã nghiên cứu chế tạo TĐSN và đạt được những kết quả rất tốt Viện đã sử dụng nam châm đất hiếm để chế tạo rô to máy phát điện làm thu nhỏ kích thước, tăng tuổi thọ máy phát Đồng thời viện này cũng đã nghiên cứu công nghệ dập lá cánh BCT tốt hơn, lá cánh không bị cong vênh, nâng cao chất lượng gia công, chất lượng kim lọai và tiêu chuẩn hóa được hai lọai tua bin tia nghiêng là MHG-200HH và MHG-500HH

Hình 5 Tổ máy MHG500, 200 do Viện Vật liệu chế tạo

HS=f(n)

700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400

H=7mPoly (H=7m)

Đi kèm với các tổ máy, viên Vật liệu cũng đã nghiên cứu, sản xuất thiết phân tải, tải giả để điều chỉnh, ổn định điện áp cho tổ máy

Tuy nhiên các thiết bị này còn một số hạn chế sau:

- Phạm vi làm việc cột nước khá cao, trong khi nhu cầu thực tế có cột nước thấp hơn

- Hiệu suất tua bin còn thấp

Kết quả thí nghiệm các tổ máy MHG-200HH và MHG-500HH như hình 6 và hình7

Hình 6 Kết quả thí nghiệm TĐSN cột nước cao MHG - 200HH do Viện vật liệu chế tạo

Hình 7 Kết quả thí nghiệm TĐSN cột nước cao MHG - 500HH do Viện vật liệu chế tạo

700 800 900 10 11 12 13 14 n(v/ph)

H=5mH=6.2mH=8mPoly (H=5m)Poly (H=6.2m)Poly (H=8m)

H=10mH=9mH=8mPoly (H=10m)Poly (H=9m)Poly (H=8m)

Đối với các tổ máy TĐSN có cột nước thấp ( H ≤ 2ữ5 m ) người ta thường sử

dụng TBHT buồng hở hoặc buồng kín dạng ống, một số nước tiên tiến chế tạo TBHT có máy phát ngâm trong nước (loại tua bin chìm)

1.3 Nội dung báo cáo

Trong báo cáo này trình bày các nghiên cứu tòan diện về tổ máy TĐSN cột nước cao sử dụng TBTN nhằm hòan thiện các sản phẩm TĐSN và xây dựng gam tua bin TĐSN một cách có hệ thống, đáp ứng rộng rãi nhu cầu của nhân dân miền núi mà đề tài KC07 đã đưa ra

Chương II Phạm vi sử dụng và các thông số cơ bản của tổ máy

2.1 Tình hình nghiên cứu chế tạo TĐCN

Một đặc điểm cơ bản của thủy điện là các thông số cơ bản như cột áp H, công suất P luôn khác nhau, phụ thuộc vào điều kiện tự nhiên và nhu cầu sử dụng từng trạm Thực tiễn cho thấy TĐSN được sử dụng rộng rãi trong phạm vi H = 0,5 ữ20 m

Với tập quán sử dụng, các trạm thủy điện có H = 1 ữ 2 m thường sử dụng TBHT ở vùng cột nước thấp H ≤ 1 m có thể sử dụng TBHT, guồng nước (Water Well), tua bin kiểu XK2L hoặc nhân dân miền núi sáng tạo lọai guồng hướng trục (ảnh), có hiệu suất thấp Nhìn chung, cho tới nay, vùng H < 1 m và H = 2 ữ5 m, vẫn chưa có giải pháp công nghệ nào phù hợp (hiệu suất chấp nhận, giá rẻ) Phần lớn các tổ máy đang sử dụng có H = 1 ữ 2 m

ở vùng cột nước cao, các tổ máy do Trung Quốc sản xuất được sử dụng trong phạm vi H = 10 ữ 20 m, Viện vật liệu có sản xuất loại 200 W, H = 6 m, các thông số cơ bản như bảng 1

11 9,1 520

Nguồn: Cataloge của Asian Phoenex Resources Ltd

Một số nhận xét:

1 Các thiết bị TĐSN do Trung Quốc sản xuất đang bán tại thị trường Việt Nam, có hiệu suất rất thấp ηmax = 25% (hình 1.3), nguyên nhân chính là chất lượng của cả tua bin và máy phát đều thấp

2 Thiết bị TĐSN do Viện vật liệu sản xuất đã có những cải tiến đáng kể, đặc biệt là máy phát đã sử dụng nam châm đất hiếm có chất lượng cao, nên giảm kích thước và tăng công suất tổ máy, hiệu suất đã tăng lên (ηmax= 45%)

3 Vùng làm việc của tổ máy hẹp và chưa đáp ứng nhu cầu đa dạng của thực tiễn

Từ nhận xét trên, hướng giải quyết của đề tài bao gồm: 1 Nâng cao hiệu suất của tổ máy

2 Phân tích hệ thống để xác định phạm vi làm việc của từng thiết bị 3 Giảm giá thành của sản phẩm

2.2 Phạm vi sử dụng

Kết quả nghiên cứu trong phần gam thủy điện nhỏ và cực nhỏ đã gam hóa một số loại TBTN cỡ nhỏ với D1 = 10 cm và D1 = 15 cm Phạm vi và thông số làm việc cơ bản của TBTN có D1 = 10 cm cho TĐSN như bảng 2

D1: Đường kính bánh công tác (BCT)

d0: Đường kính dòng tia tại chỗ co hẹp nhất

Tỷ số 0

rất quan trọng vì nó quyết định kích thước và hiệu suất của tổ máy

Trong TBTN, lưu lượng qui dẫn xác định theo công thức: 2

1 3,41* *( )

Việc tăng 01

, sẽ làm tăng Q1’ , tăng công suất tổ máy

Kết quả nghiên cứu [8] cho thấy 01

=3.5 ữ 9.5

Trong đề tài, để tăng công suất tổ máy đã chọn 01

= 3.5 và 4 để thử nghiệm

2.3.2 Tỷ số

dm: Đường kính miệng ra của mũi phun

Việc lựa chọn 0m

có ảnh hưởng quan trọng tới khả năng làm việc và hiệu suất

của tua bin, với các mũi phun tiêu chuẩn, tỷ số 0m

= 1,1 ữ 1,25 Nhưng trong thiết

kế TĐSN, để giảm kích thước cho tổ máy trong điều kiện độ giảm hiệu suất trong giới hạn cho phép, nên các chi tiết được lựa chọn có một số thay đổi, cần phải kiểm tra lại các hệ số tính toán Đề tài đã tiến hành thí nghiệm thuỷ lực dòng phun,để xác định lại hệ số Km như hình 8

Kết quả thử nghiệm cho một số nhận xét sau:

1 Thử nghiệm các mũi phun của TBTN đã sản xuất cho thấy: do lựa chọn kết cấu đơn giản, nên kim phun thường bị lệch, dòng tia không đối xứng trục Một số dòng tia bị phá vỡ cấu trúc, gây tổn thất cho tua bin với hai nguyên nhân: - Xuất hiện dòng ngang, tiêu hao một phần năng lượng

- Dòng tia bị lệch, một phần dòng không chảy qua cánh BCT, mà phun lên bầu và vành BCT gây tổn thất thể tích

2 ở khoảng cách nhỏ L ≤ 4 do độ loe của dòng tia bằng 1,17 ữ 1,2 d0

Hình 8 Thử nghiệm vòi phun tổ máy TĐSN

2.3.3 Hiệu suất tổ máy

Để phục vụ cho giai đoạn tính toán sơ bộ, cần xác định hiệu suất sơ bộ của tua bin và máy phát Kết quả thí nghiệm cho máy phát TĐSN do phòng thí nghiệm thiết bị điện, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội thực hiện như hình 9 và hình 10

Hình 9 Đặc tính máy phát 200W do Viện Khoa học Thủy lợi chế tạo

P f

Uf η

H×nh 10 §Æc tÝnh m¸y ph¸t 500W do ViÖn Khoa häc Thñy lîi chÕ t¹o

HiÖu suÊt cña tua bin phô thuéc vµo hiÖu suÊt cña dßng ch¶y qua vßi phun vµ qua BCT KÕt qu¶ nghiªn cøu cña I.N.XMIRNOP [7] cho thÊy, khi d0 < 55mm trÞ sè hiÖu suÊt tua bin gi¶m kh¸ nhanh (víi TB g¸o) KÕt qu¶ nµy cã thÓ sö dông cho TBTN:

H×nh 11 §é suy gi¶m hiÖu suÊt khi ®−êng kÝnh dßng tia < 55mm

Theo kÕt qu¶ trªn, ∆η1 = 2 ÷ 3%

HiÖu suÊt cßn bÞ ¶nh h−ëng cña c«ng nghÖ do TBTN T§SN cã kÝch cì nhá Tuy nhiªn trªn thùc tÕ, ¶nh h−ëng c«ng nghÖ tíi hiÖu suÊt TBTN cì nhá cã kh¶ n¨ng lín v×:

Pf

η

- Chất lượng mũi phun không tốt, có khả năng xẩy ra hiện tượng lệch hoặc khuyếch tán dòng tia

- Biên dạng cánh không đảm bảo

- Độ chính xác gia công không cao, gây lệch dòng phun vào cánh

Dựa vào kết quả nghiên cứu tua bin tâm trục, có thể lấy độ suy giảm hiệu suất do công nghệ ∆η2 = 3 ữ 4%

Do vậy hiệu suất thuỷ lực của BCT η = ηtb - ∆η1 - ∆η2 ở chế độ tối ưu: ηtu = 84% - 4% – 3% = 77%

ở chế độ Qi max: η = 81% - 4% – 3% = 74% Công suất tua bin được xác định:

(2.2)

ϕ: Hệ số vận tốc mũi phun ϕ = 0,96 ữ 0,98, chọn ϕ = 0,96 g: gia tốc trọng trường, g = 9,81 m/s2

D1 = 10cm

d0 = 2,6 và 1,8 cm n = 1000 và 1500 v/ph P = 200, 500, 1000 W

Từ đó tiêu chuẩn hóa được 05 lọai thiết bị TĐSN sử dụng TBTN như bảng 4 Bảng 4

1 2 3 4 5

TN200 - 10/1x2,6 TN500 - 10/1x2,6 TN200 - 10/1x1,8 TN1000 - 10/1x2,6

TN500 - 10/1x1,8

200W 500W 200W 1000W

500W

6,5 12 12 20 20

5,8 7,8 3,8 10 4,8

2.4 Lựa chọn kết cấu cho tổ máy

Với TBTN có 2 kết cấu:

+ Kết cấu trục ngang, thường sử dụng cho các tổ máy có số mũi phun 1 và 2,có máy phát điện sản xuất độc lập Kết cấu này dễ lắp đặt, sửa chữa, nhưng có kích cỡ lớn hơn kết cấu trục đứng

+ Kết cấu trục đứng: Thường sử dụng cho các tổ máy có máy phát được thiết kế, chế tạo riêng theo ý đồ của nhà thiết kế, có thể dùng cho tổ máy siêu nhỏ và một số hãng (như Newmill - Anh) dùng cho tổ máy công suất lớn và có số mũi phun Z > 2

+ Với thuỷ điện siêu nhỏ: Do tính chất sản xuất hàng loạt, để giảm nhẹ kích thước tổ máy và hạ giá thành thì đều dùng kết cấu trục đứng (hình 12)

Hình 12 Kết cấu tổ máy TĐSN dùng TBTN

Kết cấu như vậy có một số ưu điểm như sau:

- Thân ổ kéo dài xuống phía dưới nhằm làm giảm độ công son của cánh Tăng ổn định cho BCT và rotor của máy phát

- Tổ máy gọn nhẹ, dễ lắp đặt và sử dụng

Chương III tính toán, thiết kế các bộ phận chính 3.1 Tiêu chuẩn hóa các bộ phận chính

Tổ máy TĐSN sử dụng TBTN gồm 3 bộ phận chính: thân tua bin, cụm mũi phun và cơ cấu kim phun, máy phát và trục, để tổ hợp thành 4 loại tua bin với phạm vi sử dụng khác nhau như dã trình bày trong chương II, có một số chi tiết dùng chung và có một số chi tiết phải thay đổi

3.2 Vỏ tua bin

Với chức năng bảo đảm thoát nước sau khi ra khỏi BCT với D1 = 10 cm và là giá đỡ cho các cụm chi tiết khác như máy phát, mũi phun Kết quả thực tế vỏ tua bin như sau:

- Tổ máy TN200 - 10/1x2,6 và TN200-10/1x1,8 loại vỏ nhỏ

- Tổ máy TN500 - 10/1x2,6 và TN1000-10/1x2,6 và TN500-10/1x1,8 có kích thước vỏ lớn hơn

3.3 Khoảng cách từ vòi phun đến bánh công tác

Khoảng cách L phụ thuộc vào kết cấu của vỏ tuabin và cấu trúc dòng chảy sau khi ra khỏi mũi phun Khoảng cách L càng lớn, dòng chảy càng bị loe, dẫn tới khả năng giảm hiệu suất thủy lực của tổ máy Theo kết quả nghiên cứu [8], L ≤ 5d0(hình 13)

Hình 13 Vị trí của vòi phun so với BCT

Theo kết quả thử nghiệm các mũi phun tại phòng thí nghiệm HPC, do kết cấu và công nghệ chế tạo vòi phun đơn giản nên cho thấy chọn L ≤3,5 d0 tương ứng các yếu tố đặt ra (hình 14)

L

Hình 14 Thí nghiệm xác định đường kính dòng tia tại các mặt cắt ngang khác nhau tại HPC

3.4 Thiết kế bánh công tác

3.4.1 Phương hướng thiết kế bánh công tác

Hiện này có 2 xu hướng thiết kế và chế tạo BCT cho TBTN cỡ nhỏ:

+ Lá cánh BCT có dạng mặt cầu Dạng cánh này dễ chế tạo, giá thành thấp Thường chế tạo bằng phương pháp ép nguội Nhược điểm cơ bản của phương pháp này là hiệu suất thủy lực nhỏ do năng lượng không truyền được hết cho BCT

+ Lá cánh có biên dạng theo đúng thiết kế của TBTN cỡ lớn Dạng cánh này có ưu điểm là hiệu suất cao nhưng khó chế tạo Để nâng cao hiệu suất tổ máy, đề tài đi theo hướng thiết kế, chế tạo cánh BCT có biên dạng theo đúng tính toán, thiết kế nhưng trên giải pháp công nghệ để hạ giá thành chế tạo

Biên dạng được thiết kế theo mẫu BCT của TBTN (được trình bày trong phần báo cáo kết quả nghiên cứu TBTN) nhưng được đơn giản hóa ở một số chi tiết:

- Thay thế vành ngoài bằng vành thép đai có mặt cắt tròn hoặc vuông Nhờ giải pháp này, có thể giảm

từ 4 xuống 3,5

- Lá cánh có độ dày biến đổi được thay thế bởi lá cánh có độ dày không đổi (được ché tạo bằng phương pháp ép nguội)

- Một số mặt cắt sát vành và bầu được sửa theo điều kiện công nghệ

3.4.2 Xác định các kích thước cơ bản của cánh BCT

Dựa vào kích thước cơ bản BCT mẫu, xác định được các kích thước cơ bản của BCT với D1 = 10 cm như sau:

Hình 15 Các thông số hình học cơ bản của BCT TBTN

- Đường kính bầu ở lối ra: dbR = 0,507D1 = 50,7mm- Bán kính cong của bầu: Rb = 0,487D1 = 48,7mm

- Chiều rộng cánh ở lối ra nhỏ nhất: B2 = 0,303D1 = 30,3mm- Chiều rộng cánh ở lối ra lớn nhất: B3 = 0,174D1 = 17,4mm

3.4.3 Xác định các góc vào của cánh gáo

Các góc vào ở mép vào của cánh gáo xác định theo công thức:

αα

- Số cánh được chọn theo mẫu, sao cho tỷ lệ constL

Hình 19 Vòi phun tiết diện tròn cho khả năng làm việc tốt nhất

Vòi phun có thể có các kết cấu, hình dạng tiết diện dòng tia khác nhau, nhưng cho đến nay, loại vòi phun hình côn có tiết diện tròn với van kim đồng trục dịch chuyển theo hướng trục của vòi phun (kết cấu như hình 19) cho khả năng làm việc tốt nhất

LS

ở vị trí kim phun sát vào miệng vòi, lưu lượng qua vòi bằng không khi kim dịch chuyển ra, diện tích hình vành khuyên cửa ra tăng lên, lưu lượng sẽ tăng Vấn đề là cần xác định biên dạngvòi phun sao cho lưu lượng thay đổi đều theo hành trình của kim và ở mỗi vị trí của kim vận tốc sẽ tăng dần dọc theo đường dòng và đạt giá trị lớn nhất tại cửa ra Để làm được điều này, cần phải xét một số phương án biên dạng vòi phun Cho từng phương án, xây dựng hình chiếu kinh tuyến của ống dẫn (giữa miệng vòi và van kim) khi độ mở của vòi khác nhau Sau đó đưa lên hình chiếu kinh tuyến của ống dẫn các đường dòng và các đường đẳng thế xuất phát từ giả thiết dòng chảy thế đối xứng Dòng chảy thế theo kinh tuyến được xác định bằng phương pháp đồ giải kết hợp với giải tích gần đúng

Việc xây dựng dòng chảy thế của vòi phun là rất khó khăn và phức tạp Để đơn giản, khi đánh giá chất lượng một biên dạng vòi phun, người ta tính toán xây dựng các đường cong của sự thay đổi diện tích tiết diện ống dẫn dọc theo trục của vòi phun khi các độ mở khác nhau Do trường vận tốc dọc theo đường dòng lớn hơn nhiều so với đường đẳng thế nên sự thay đổi diện tích tiết diện phản ánh sự thay đổi vận tốc trung bình của dòng chảy sẽ cho ta được đặc tính vòi phun đủ tin cậy trong tính toán gần đúng Điều này có nghĩa là một phương án biên dạng được coi là tốt khi ở mọi độ mở của vòi phun, đường biểu diễn quan hệ giữa diện tích tiết diện và chiều dài dọc theo chiều trục vòi phun thay đổi đều

Qua nghiên cứu người ta đi đến khẳng định rằng khi dòng chảy ở cửa ra bị nén sẽ cho dòng tia gọn và ít bị toé Góc côn càng lớn, dòng chảy càng bị nén nhiều Nhưng khi tăng góc côn của miệng vòi sẽ làm cong mạnh đường dòng do đó gây thêm tổn thất thuỷ lực và như vậy kích thước đường kính của vòi phun phải tăng lên

3.5.2 Tính toán vòi phun cho tổ máy TĐSN

Hiện nay, các vòi phun đã được nghiên cứu tương đối kỹ lưỡng cả về lý thuyết và thực nghiệm Có 3 loại vòi phun cơ bản có hiệu suất khá cao để tính đổi cho các loại tua bin khác nhau đó là: loại vòi phun ngắn(850/600), loại vòi phun trung bình(800/550), và loại vòi phun dài(620/450)

Loại 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 tiết đòi hỏi phải nhạy Cũng vì vòi phun ngắn, dòng chảy quặt gấp, có thêm tổn thất do dòng rối 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 Như vậy ta thấy rằng loại vòi trung bình dung hoà được các ưu nhược điểm trên của hai loại vòi phun ngắn và dài, do đó với tổ máy TĐSN chúng tôi chọn loại vòi phun trung bình Thực nghiệm đã xác định biên dạng vòi phun trung bình có kích thước như hình 20

Căn cứ vào hệ số λ, ta xác định được các kích thước của vòi phun thực

+ Tính toán hành trình của kim phun:

Hành trình kim phun S cần phải đảm bảo đường kính dòng phun d0 và cần đảm bảo số dư là 5%

S = 40mm

* Tính tóan vòi phun cho các tổ máy khác Đường kính dòng tia của tổ máy là d0= 18mm

vị của tua bin Đồng thời giảm bớt sự va đập vào vành bao ngoài của tua bin hoặc có thể giảm bớt số cánh

Thực nghiệm cho thấy khoảng dịch chuyển hợp lý của các tổ máy TĐSN là (4,5 x cotgα1) ≈ 10mm

3.6 Tính toán thiết kế trục:

Các tổ máy TBTN siêu nhỏ là các tổ máy có số vòng quay cao (ở chế độ tính toán n = 1000v/ph và 1500v/ph) do vậy dạng hỏng chủ yếu là do mỏi, do tác động lâu dài của ứng suất thay đổi có chu kỳ Ngoài ra trong trường hợp mất tải đột ngột, số vòng quay tăng rất nhanh, trục còn có thể bị hỏng do dao động

Như vậy, với tổ máy TBTN siêu nhỏ cần tính toán trục về độ bền, độ cứng và

Hình 21 Thực nghiệm về giao diện (ô van) giữa dòng tia và BXCT

dao động Dưới đây, ta tính toán trục cho tổ máy TN1000 - 10/1x2,6 còn các tổ máy khác việc tính toán tương tự

Như vậy lực hướng trục của TBTN siêu nhỏ có giá trị siêu nhỏ so với trọng lượng bản thân của bánh công tác có thể bỏ qua

- Trọng lượng bánh công tác G = 3,5kg; Rô to R = 5kg

- Vật liệu chế tạo trục là thép 45 có σb = 600MPa

3.6.2 Biểu đồ nội lực

Từ công suất N = 1,15kW và số vòng quay n = 1500v/ph, ta xác định được mô men xoắn trên trục:

- Lực dọc trục trên đoạn l : N = +3,5kg = 35N

Q

Hình 22 Sơ đồ chịu lựccủa trục tổ máy TĐSN

- Lực dọc trục trên đoạn l1: Nd2 = -5kg = -50N

Biểu đồ nội lực được thể hiện trên hình 23

3.6.3 Tính sơ bộ đường kính các đoạn trục

Căn cứ vào biểu đồ nội lực, ta xác định được sơ bộ đường kính các đoạn trục theo công thức:

][1,0 σtd

Mtd- mô men tương đương tại mặt cắt tính toán

Mux - Mô men uốn theo trục Ox

Mu14,6Nm 7,3Nm

Q

Muy - Mô men uốn theo trục Oy Trục z trùng với tâm trục

Mx - mô men xoắn tại mặt cắt tính toán

Như vậy, trong đoạn l1 và l2 mặt cắt chịu lực nguy hiểm nhất tại gối đỡ trục dưới và đường kính mặt cắt xác định sơ bộ theo công thức:

Để đảm bảo an toàn ta chọn đường kính trục tại mặt cắt này là d = 20mm

3.6.4 Thiết kế kết cấu trục

Do đặc điểm kết cấu của tổ máy TBTN siêu nhỏ như đã trình bày trong mục (2.4) Để tăng cường độ cứng vững cho trục và đơn giản cho việc tháo lắp, ta thiết kế kết cấu trục của tổ máy TN1000 - 10/1x2,6 như hình 24

Hình 24 Các kích thước trục tổ máy TN1000 - 10/1x2,6

Tại vị trí lắp bánh công tác và tại vị trí lắp rô to máy phát chọn kiểu lắp lỏng k6

3.6.5 Tính toán độ bền mỏi của trục

Vì các tiết diện trục đều đã lấy tăng đường kính (để đảm bảo lắp ghép) nên trong trường hợp đang xét chỉ cần kiểm nghiệm hệ số an toàn ở tiết diện nguy hiểm nhất (tiết diện lắp vòng bi dưới)

Kết quả tính toán như sau:

- Trục được gia công trên máy tiện có độ nhám Ra = 2,5 ữ 0,63; với σb = 600MPa hệ số tập trung ứng suất do trạng thái bề mặt nên Kx = 1,06 không dùng phương pháp tăng bền bề mặt nên Ky = 1

- Hệ số kích thước phụ thuộc vào sự thay đổi tiết diện trục (tập trung ứng suất), chế độ lắp vòng trong của ổ bi và σb tra được:

Kσ/εσ = 2,75; Kτ/ετ = 2,05

Như vậy các hệ số kσd và kτd xác định theo công thức:

k d =(k+kx ư1)/ky =(2,75+1,06ư1)/1=2,81

kd =(k+kx ư1)/ky =(2,05+1,06ư1)/1=2,11

- Trục quay và chịu mô men uốn nên:

=18,6MPa

- Với σb = 600MPa, ψσ = 0,05; ψτ = 0 Vậy ta có:

+ ≈1,6 > [S] =1,5 và trục đảm bảo điều

kiện bền mỏi

3.6.6 Tính toán trục tua bin về dao động

Vì một nguyên nhân nào đó, trong quá trình làm việc của tổ máy, tải bị mất đột ngột làm cho số vòng quay tua bin tăng rất cao Để đảm bảo an toàn cho trục ta cần tính toán kiểm tra khả năng chịu lực của trục trong trường hợp này

Nếu toàn bộ rô to của tổ máy hoàn toàn đồng tâm sẽ không có dao động xảy ra Trong thực tế, điều này không thể đạt được ở đây, ta giả thiết độ lệch tâm của rô to là e, khối lượng lệch tâm là w, số vòng quay đột biến là nl

- Đối với đoạn trục l2 + l3(lắp rô to máy phát) ta có:

c= là độ cứng của đoạn trục 1, ta có:

Suy ra: m(y + e)w2 = cy hay

w= th = hay nth =30.wth/π =(30/π) c/m

Trong lý thuyết tính toán trục về dao động, cho phép chọn n ≤ 0,7nth ta có:

JE

e = 0,05mm m = 3,5kg

Thay vào ta tính được nth = 10730v/ph

Như vậy với số vòng quay lồng của tua bin nl ≈ 3000v/ph, trục vẫn đảm bảo an toàn về dao động

3.6.7 Kiểm nghiệm độ bền dập của then

Độ bền dập của then xác định theo công thức:

Qua phân tích lực để tính toán trục ở mục 3 cho thấy các ổ của tổ máy tua bin tia nghiêng siêu nhỏ chủ yếu là chịu lực dọc trục do trọng lượng của toàn bộ rô to gây nên, lực hướng tâm rất nhỏ do lực quán tính ly tâm gây ra (nguyên nhân là do sai số trong chế tạo)

Vì tải trọng tĩnh tác dụng lên các ổ rất nhỏ nên trong tính chọn ổ chỉ cần tính tính toán chọn kích thước ổ theo khả năng tải động

Khả năng tải động tính toán của ổ được xác định theo công thức

Cđ = Q.L1/m (3.9) Trong đó:

Q là tải trọng làm việc quy ước (KN) L là tuổi thọ cần thiết (triệu vòng)

m = 3 đối với bi cầu, m = 10/3 đối với bi đũa Nếu tuổi thọ tính bằng giờ Lh thì

Fa: lực dọc trục tùy thuộc vào từng loại ổ KN

Đối với ổ chọn cho TĐSN, chọn 2 loại ổ: ổ bi đỡ phía trên và ổ bi đỡ lòng cầu 2 dãy phía dưới, lực dọc trục Fa đối với 2 loại ổ này đều xác định bằng tổng các lực dọc trục ngoài tác dụng lên trục truyền lên ổ

Vậy: Q = (x.Fr + y.Fa) Đối với ổ trên:

Fr1 Fqtrotomroto.w2e

= mroto = 5kg

e = 0,05mm

w = πn/30 = 105rad/s

Fr1 = 5.1052.0,5.10-3/2 = 13,8N Đối với ổ dưới:

FrFrFqtBCTFrmBCT.w e 13,8 19,3 33,1N

Lực dọc trục đối với 2 ổ là như nhau:

Fa1 = Fa2 = Fa = Groto + GBCT + Gtrục ≈10kg = 100N Hệ số x và y tra bảng theo Fr và Fa và loại ổ ta có:

Vậy: Qổ trên = (x.Fr + y.Fa) = (0,56.13,8 +2,3.100) = 237,7N Qổ dưới = (x.Fr + y.Fa) = (0,56.33,1 +2,3.100) = 248,5N

Căn cứ vào kết cấu của tổ máy, chọn loại ổ bi đỡ N06004 cho ổ trên và ổ bi lòng cầu 2 dãy cho ổ dưới số hiệu N01204 của hãng SKF có các thông số sau:

- ổ N06004: Cđ = 9,63KN - ổ N01204: Cđ = 12,7KN Tuổi thọ của các ổ là:

7,12

Với tuổi thọ của ổ như tính toán ở trên, trong suốt quá trình làm việc, nếu được kiểm tra bảo dưỡng định kỳ, không cần phải thay ổ

Trên đây, trong mục 3 và mục 4 đã trình bày phương pháp tính toán thiết kế và kết quả tính toán thiết kê trục và ổ đỡ cho tổ máy siêu nhỏ TBTN1000 - 10/1x2,6 Đối với các tổ máy khác, việc tính toán thiết kế cũng hoàn toàn tương tự, kết quả thể hiện trong tập bản vẽ các tổ máy TĐSN

3.8 Tính toán tổn thất thủy lực và lựa chọn đường ống

Những tổn thất áp lực có trên đường dẫn nước từ bể áp tới van ở cửa vào của tuabin mà chúng gây ra sự khác biệt giữa cột áp tổng với cột áp làm việc bao gồm các lọai tổn thất và được tính tóan như sau:

3.8.1 Tổn thất cột áp qua lưới chắn rác

Htt1 = B sinθ.34

bt ⎟⎠⎞⎜⎝⎛

V: Vận tốc trung bình của dòng chảy qua lưới chắn rác (m/s)

3.8.2 Tổn thất cột áp ở cửa vào của ống dẫn

Htt2 = k.

Htt2 : Tổn thất cột áp ở cửa vào của ống; V: Vận tốc trung bình trong ống dẫn (m); k: Hệ số ma sát;

g: Gia tốc trọng trường (m/s2)

Hệ số ma sát đối với các cửa vào khác nhau của ống dẫn được chọn như sau: Cửa vào sắc mép k = 0,5; Cửa vào gốc lượn nhỏ k = 0,23; Cửa vào miệng loe (elip) k = 0,04

Htt/1m: Tổn thất cột áp đối với 1 m đường ống (m/m)

L: Tổng chiều dài của đường ống từ bể áp lực tới lối vào của của tuabin (m) Do vậy tổng tổn thất cột áp trong hệ thống ống dẫn là:

Ghi chú:

1 Sau khi xem xét tổn thất áp lực do ma sát và tính ổn định của sự vận hành tuabin, thì độ dài của hệ thống ống dẫn càng ngắn càng tốt nếu như điều kiện địa lý của trạm thuỷ điện thiết kế cho phép

2 Bởi vì nhiều kích thước của hệ thống ống dẫn có thể thay đổi trước khi tổ máy được lắp đặt thực sự, người mua máy phải chịu trách nhiệm đối với các thông số: Cột áp thực tế và lưu lượng, các thông số này sẽ giúp cho việc lựa chọn cuối cùng đối với tổ máy

Chương IV Thí nghiệm và xây dựng đặc tính vận hành

- Giữ nguyên van kim phun ,tăng tải với ∆=50W(khoảng này có thể thay đổi tùy theo chế độ)

- Đợi máy chạy ổn định, thực hiện lại các thao tác i… đến vii Thực hiện cho đến khi tải N = Nmax sau đó giảm tải với ∆N = 50W và thực hiện cho đến khi tải N = 0

- Thực hiện tiếp 1 lần tăng và 1 lần giảm tải như trên

b Vẫn đặt van tại mức cột áp cũ ,điều chỉnh vòi phun đóng 25%, thực hiện các dộng tác i… cho đến ix

c Tiếp tục điều chỉnh vòi phun 25% và thực hiện như điểm b

d Điều chỉnh van để tăng cột áp một lượng ∆H = 0,5m, thực hiện lại a,b,c sau đó tiếp tục thay đổi H với ∆H cho đến khi đạt Hmax

Xử lý số liệu và xây dựng đường đặc tính vận hành

Số liệu sau khi đo được cần xử lý bằng cách loại bỏ các giá trị sai khác quá nhiều so với các giá trị trung bình Sau đó lấy các giá trị trung bình tại mỗi điểm đo để xây dựng đường đặc tính vận hành

Kết quả xây dựng đặc tính vận hành của các tổ máy phát điện TĐSN như các hình sau: