Nghiên cứu phổ biến và ứng dụng tua bin nghiêng trong phát triển thủy điện nhỏ ở Việt Nam

Một số thông tin khác

Ngoài hai đại diện trên, hãng NEWMILLS HYDRO (Anh) giới thiệu lọai TBTN trục đứng có nhiều mũi phun (hình 7).

Tình hình nghiên cứu và ứng dụng TBTN ở Việt Nam

Cơ sở lý thuyết và các kết quả nghiên cứu tBTN Trong TBTN, dòng chất lỏng phun vào cánh bánh công tác d−ới một góc. Cơ sở lý thuyết của TBTN được dựa trên lý thuyết về tác động tương hỗ giữa dòng tia và tấm bản.

Cơ sở lý thuyết TBTN

Từ đây ta thấy rằng để đạt yêu cầu tác dụng của dòng chảy lên tấm bản, diện tích hình chiếu của bản lên ph−ơng vuông góc dòng tia phải lớn hơn 4 lần diện tích tiết diện dòng tia. Nh−ng 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).

Thiết kế TBTN

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. Do tài liệu nghiên cứu vầ BCT tua bin tia nghiêng rất thiếu, hơn nữa phần lớn biên dạng cánh TBTN được xác định nhờ thực nghiệm, nên đề tài chọn phương pháp thiết kế cánh bằng ph−ơng pháp phân tích lý thuyết, lựa chọn, thiết kế theo mẫu, thử nghiệm trên mô hình để rút ra các chi tiết cần thiết.

Chọn kết cấu tổ máy, số vòi phun

- Điều kiện sản xuất số l−ợng không cao nên phù hợp với điều kiện sản xuất máy phát điện trục ngang. - 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.

Ph−ơng pháp thiết kế TBTN

Đối với loại vòi phun dài thì khắc phục đ−ợc các nh−ợc 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. Việc lựa chọn đ−ờng 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). Ngoài việc tính toán các thông số và đ−a vào tiêu chuẩn đ−ờng kính bánh xe công tác và số vòng quay (theo số vòng quay đồng bộ của máy phát), chương trình còn kiểm tra sự hợp lý của số liệu đầu vào và gợi ý cho ng−ời dùng chọn loại tua bin khác nếu các thông số của trạm thủy điện không phù hợp với việc sử dụng TBTN.

- Giá trị mặc định: cho phép người dùng có thể thay đổi các giá trị mặc định của đường kính BCT sẽ được tiêu chuẩn hoá và các số vòng quay mặc định khác trong trường hợp số vòng quay đồng bộ của máy phát không phù hợp (dùng bộ truyền để kéo). Nếu các thông của trạm nhập vào không phù hợp với việc sử dụng TBTN hoặc không vào vùng làm việc tối ưu, chương trình sẽ thông báo để người dùng biết để có thể thay. Khi các thông số đầu vào phù hợp hoàn toàn với việc sử dụng TNTN sẽ không xuất hiện các cửa sổ gợi ý, các thông số tính toán đ−ợc sẽ hiển thị trên cửa sổ kết quả.

H−ớng nghiên cứu TBTN

Đối với các máy thủy lực nói chung và tua bin nước nói riêng cho đến nay hầu nh− ch−a có lời giải chính xác bài toán động lực học bằng lý thuyết. Trên thực tế, ng−ời ta sử dụng nhiều ph−ơng pháp nghiên cứu thực nghiệm khác nhau và phương pháp mô hình hoá là phổ biến. Việc nghiên cứu đặc tính của các tua bin nguyên mẫu được thay thế bằng việc nghiên cứu đặc tính tương tự trên mô hình.

Dựa vào các kết quả thực nghiệm trên mô hình để kết luận đặc tính của tua bin nguyên mẫu. Để đạt đ−ợc điều đó, khi tiến hành thí nghiệm cần phải tuân theo những qui luật nhất định của việc mô hình hoá, đó là các tiêu chuẩn tương tự.

Thiết kế TBTN mô hình

Các góc β1i đ−ợc xác định tại mặt cắt trụ có bán kính Ri và trị số của nó đ−ợc ghi trong bảng 6. Các vòi phun của tua bin mô hình bố trí ng−ợc nhau và đối xứng qua bánh xe công tác. Nghiên cứu mô hình là giai đoạn không thể thiếu đ−ợc khi nghiên cứu thiết kế và chế tạo mới một chủng loại thiết bị của máy thuỷ khí nói chung và tua bin nói riêng.

Khi tua bin mô hình và tua bin nguyên hình đáp ứng đ−ợc ba điều kiện đồng dạng trên thì chúng đ−ợc gọi là đồng dạng thuỷ động lực học. Nh− vậy việc mô hình hoá để nghiên cứu TBTN cho phạm vi công suất và cột áp rộng như thế rất khó có thể đạt được đầy đủ các tiêu chuẩn tương tự. Do vậy, có thể cho phép đánh giá đặc tính các tua bin nguyên hình với độ chính xác chấp nhận đ−ợc.

Thực nghiệm tua bin mô hình

Nếu ta dùng một chất lỏng dẫn điện chảy qua giữa 2 cực của một nam châm và đo suất điện động sinh ra trong chất lỏng , thì có thể xác. Theo chiều tiến, mỗi lần tăng S một giá trị 10mm, tại mỗi giá trị của S, thay đổi số vòng quay của tua bin (bằng cách thay đổi công suất trên động cơ gây tải), tất cả. Trong đó: Kdl: Sai số tương đối của bộ dữ liệu đo Ymax: Giá trị đo đ−ợc lớn nhất của bộ dữ liệu Ymin: Giá trị đo đ−ợc nhỏ nhất của bộ dữ liệu YTB: Giá trị trung bình đo đ−ợc của bộ dữ liệu.

Các giá trị đo đ−ợc, sau khi xử lý có thể biểu diễn bằng một đ−ờng cong hay thẳng trên trục toạ độ (x,y) – Fit line – có giá trị sai số nhỏ nhất từ các điểm đo. Do quá trình thu thập dữ liệu là liên tục, bao gồm cả thời gian điều chỉnh tải, nên một số lớn các số liệu đ−ợc ghi nhận là không nằm trong chế độ bình ổn của tua bin, vậy trước khi đưa công cụ vào để xử lý, đánh giá ta cần có bước xử lý sơ bộ để gạt bỏ các giá trị ngoại lai hoặc các giá trị không đáng tin cậy. Các dữ liệu có d−ới 20 records cho cùng 1 điểm làm việc (Dữ liệu này không đủ độ tin cậy – các dữ liệu này có thể giữ lại trong bộ dữ liệu chuẩn nh−ng chỉ với t− cách để tham khảo).

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

Đường biểu diễn công suất trên trục và đường hiệu suất là đồng dạng, giá. FS: Diện tích mặt cắt ngang dòng tia tại độ mở S H : Cột áp làm việc của tua bin tại chế độ thử. Để xây dựng các đường đồng hiệu suất, từ các đường quan hệ η=f(n)Si thu.

Nối các điểm trong một tập hợp lại, ta được các đường đồng hiệu suất. Hình (36) mô tả phương pháp xây dựng các đường đồng hiệu suất, hình (37) là kết quả xây dựng đặc tính tổng hợp của tua bin mô hình.

Các kết luận rút ra từ thực nghiệm

- Hiệu suất vòi phun, hiệu suất chung và số vòng quay đặc tr−ng của tua bin mô hình và còn thấp, các thông số qui dẫn ch−a hoàn toàn phù hợp với tính toán. Qua nghiên cứu, tổng hợp và phân tích tình hình nghiên cứu và phát triển TBTN trên thế giới cho thấy rằng loại tua bin này với kết cấu hợp lý sẽ rất phù hợp với thủy điện nhỏ và cực nhỏ trong điều kiện tự nhiên, kinh tế và trình độ công nghệ của Việt Nam hiện nay do công nghệ chế tạo đơn giản, dễ lắp đặt, vận hành, bảo d−ỡng và đặc tính vận hành tốt. Đã đi sâu phân tích các quá trình của dòng chảy trong TBTN, đánh giá bản chất và tổn thất năng l−ợng của dòng chảy trong từng giai đoạn để có thể đ−a ra ph−ơng pháp thiết kế các bộ phận một cách hợp lý nâng cao hiệu suất chung của tua bin.

Xây dựng đ−ợc ph−ơng pháp và ch−ơng trình tính toán các thông số cơ bản của TBTN cho trạm thủy điện trên máy tính giúp cho công việc tính toán đ−ợc nhanh chóng và thuận tiện. Qua đề tài, các TBTN đầu tiên cho thủy điện cực nhỏ với công suất từ 200ữ7500W đã đ−ợc sản xuất và đ−a vào sử dụng với chất l−ợng tốt tại nhiều nơi trong cả nước và sản phẩm này đã bắt đầu xuất khẩu ra nước ngoài và được đánh giá. Dựa trên các phần mềm mạnh về tính toán động lực học chất lỏng (ANSYS, ..) để phân tích dòng chảy trong vòi phun và trên BCT tìm ra biên dạng tối.