Báo cáo 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 n−ớc 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 l−ợng tái tạo trong chế biến nông, lâm, thủy sản, sinh hoạt nông thôn và bảo vệ môi tr−ờng” Chủ nhiệm chuyên đề: ThS nguyễn vũ việt 5817-2 16/5/2006 hà nội – 5/2006 Mục lục Trang Mở đầu 1 Ch−ơng I. Tổng quan về thuỷ điện nhỏ cột n−ớc thấp. 2 1.1 Phạm vi làm việc của tuabin h−ớng trục: 2 1.2. Nghiên cứu và sản xuất tua bin h−ớng trục thủy điện nhỏ của các n−ớc. 3 1.2.1. Tuabin h−ớng trục thủy điện nhỏ của Trung Quốc: 3 1.2.2. Tuabin h−ớng trục thủy điện nhỏ của Tiệp khắc (cũ). 3 1.2.3. Tuabin h−ớng 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 h−ớng 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 h−ớng trục ở Việt Nam: 14 1.4 Tổng kết về các nghiên cứu TBHT. 16 1.5 Ưu điểm của tổ máy tua bin h−ớng trục kiểu dòng chảy thẳng trục ngang. 17 1.6 Nhiệm vụ nghiên cứu khoa học của đề tài nhánh. 17 Ch−ơng II. NC lý thuyết thiết kế tbht cột n−ớc thấp. 19 2.1. Chọn ph−ơng pháp thiết kế tua bin mô hình. 19 2.1.1. Tổng quan về ph−ơng pháp thiết kế tua bin h−ớng trục. 19 2.1.2. Thiết kế tua bin h−ớng trục theo ph−ơng pháp phân bố xoáy. 23 2.2. Cơ sở lý thuyết của ph−ơng pháp phân bố xoáy. 25 2.3. Xác định tọa độ đ−ờng nhân profile và xây dựng profile có độ dày: 31 2.4. Xác định phân bố vận tốc và áp suất trên profile cánh: 32 2.5. Đánh giá tổn thất và hiệu suất của tua bin: 37 2.6. Tính toán bánh công tác trên máy vi tính: 42 2.6.1 Ch−ơng trình tính toán thiết kế profile cánh: 42 2.6.2. Tính toán profile cánh theo ph−ơng pháp phân bố xoáy. 43 2.6.3. Xâu cánh (xếp các profile) theo ph−ơng chiếu đứng và ph−ơng chiếu bằng. 46 2.6.4. Ch−ơng trình tính toán phân bố vận tốc và áp suất trên profile cánh. 46 2.6.5 Ch−ơng trình tính toán tổn thất và hiệu suất của bánh công tác: 49 2.7. Kết luận 49 Ch−ơng III. Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm tua bin mô hình. 52 3.1.Chọn kết cấu tổ máy. 52 3.1.1. Tua bin dạng capxun: 52 3.1.2 Tua bin dòng nửa thẳng: 52 3.1.3. Phần dẫn dòng của tua bin thí nghiệm: 53 3.2. Thiết kế BXCT tuabin mô hình. 53 3.2.1. Xác định các thông số của l−ới cánh và các thành phần vận tốc của dòng chảy qua BCT tua bin (cho mẫu cánh 4K84) 53 3.2.2. Xác định các thông số của l−ới cánh và các thành phần vận tốc của dòng chảy qua BCT(cho mẫu cánh ΠΛΓ9a1). 57 3.2.3. Tính toán, thiết kế profile cánh: 58 3.2.4.Tính toán hiệu suất các mẫu cánh. 60 3.3. Thử nghiệm tua bin mô hình. 62 3.3.1. Đ−ờng đặc tính tổng hợp chính của tua bin và các thông số cần phải đo đạc. 62 3.3.2.Giá thử nghiệm tua bin. 63 3.3.2.1 Mô tả chung hệ thống. 63 3.3.2.2. Các thông số chính của các bộ phận trong hệ thống. 65 3.3.3. Xác định các thông số của tua bin mô hình cột n−ớc thấp và hệ thống thí nghiệm. 68 3.3.3.1 Chọn đ−ờng kính bánh công tác tua bin mẫu. 68 3.3.3.2 Chọn các thông số chính của hệ thống thí nghiệm. 68 3.3.4. Ph−ơng pháp thực nghiệm Tua bin. 69 3.3.4.1. Các số liệu thực nghiệm. 69 3.3.4.2. Quá trình đo. 70 3.3.4.3. Xử lý dữ liệu thí nghiệm. 70 3.3.4.4 Xử lý bộ dữ liệu. 71 Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột n−ớc thấp Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thuỷ Lợi 1 Phần mở đầu Việc sử dụng các nguồn năng l−ợng mới và tái tạo đã và đang đ−ợc nghiên cứu và triển khai ở Việt nam. Năng l−ợng thuỷ điện có những −u điểm nổi bật nh− hiệu suất cao, giá thành thấp và đảm bảo vệ sinh môi tr−ờng. Tua bin thuỷ điện là bộ phận quan trọng của trạm thuỷ điện, kiểu loại tua bin phụ thuộc vào điều kiện thuỷ năng nh− cột n−ớc, l−u l−ợng. Các vị trí có điều kiện thuỷ năng thuận lợi với cột n−ớc địa hình cao cho các trạm thuỷ điện nhỏ đã đ−ợc khai thác nhiều. Còn lại phổ biến là các điểm có cột n−ớc thấp, l−u l−ợng lớn. Mặt khác xây dựng các trạm thuỷ điện cực nhỏ cột n−ớc thấp là rất cần thiết phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt và sản xuất của đồng bào vùng núi cao, xa l−ới 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 n−ớc thấp mới chỉ đ−ợc nghiên cứu rất sơ bộ, chủ yếu là việc sao chép từ các bản vẽ n−ớc ngoài, nên việc ứng dụng tua bin cột n−ớc 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 n−ớc thấp. Phần này đề cập một cách khái quát đến nhu cầu khai thác năng l−ợng cột n−ớc thấp ở n−ớc ta, tóm tắt quá trình nghiên cứu và ứng dụng các tổ máy cột n−ớc thấp của các n−ớc trên thế giới và ở Việt Nam. - Tính toán thiết kế tua bin h−ớng trục. Trong phần này chúng tôi trình bày cơ sở lý thuyết của ph−ơng pháp thiết kế tua bin h−ớng trục, đánh giá tổn thất và hiệu suất của tua bin. Cũng nh− tổng kết việc áp dụng công cụ máy tính và khai thác các ch−ơng trình tính toán đã đ−ợc thiết lập. - Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm tổ máy thuỷ điện nhỏ cột n−ớc thấp. Với mục đích thiết lập một qui trình thiết kế chế tạo tổ máy thuỷ điện cột n−ớc 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 ph−ơng 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. Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột n−ớc thấp Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thuỷ Lợi 2 Ch−ơng I. Tổng quan về thuỷ điện nhỏ cột n−ớc thấp. 1.1. Phạm vi làm việc của tua bin h−ớng trục: Để xác định phạm vi làm việc của tuabin h−ớng trục, tr−ớc hết cần phải phân loại tua bin. Có hai ph−ơng pháp chính để phân loại tuabin hiện nay là: - Phân loại theo cột n−ớc. - Phân loại theo hệ số tỉ tốc Ns. Phân loại tuabin theo cột n−ớc chỉ đ−ợc áp dụng cho các tổ máy lớn. ở các trạm thủy điện nhỏ việc phân loại tuabin theo Ns là hợp lí vì với cùng một cột n−ớc 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 h−ớng trục. Để lựa chọn tua bin thủy lực cần dựa vào các thông số công suất (N), cột n−ớc (H), số vòng quay (n). Ng−ời ta dùng Ns làm đại l−ợng đặc tr−ng tổng hợp cho 3 thông số kể trên. Hệ số tỷ tốc Ns đ−ợc định nghĩa là số vòng quay của một tuabin mẫu có đ−ờng kính bánh xe công tác D1 = 1m, làm việc với cột n−ớc là H=1m và phát ra công suất một mã lực. 4 1. HHD NnNS = (1.1) Tính theo các thông số quy dẫn: 1 ' 1 ' .65,3 QnNs η= (1.2) Bảng 1. Phân loại tuabin theo tỷ tốc NS STT Loại tuabin Tỷ tốc thấp Tỷ tốc trung bình Tỷ tốc cao 1 Tuabin h−ớng trục 270 - 500 500 - 750 750 - 1000 2 Tuabin tâm trục 60 - 150 150 - 220 220 - 350 3 Tuabin XK2 lần 42 - 80 80 - 120 120 - 170 4 Tuabin gáo 19 35 60 5 Tuabin tia nghiêng 20 40 70 Nh− vậy tuabin h−ớng trục có tỷ tốc NS nằm trong khoảng từ 270 - 1000v/ph, tuabin h−ớng trục cột n−ớc thấp có tỷ tốc NS = 750 - 1000v/ph. Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột n−ớc thấp Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thuỷ Lợi 3 1.2. Nghiên cứu và sản xuất tua bin h−ớng trục thủy điện nhỏ của các n−ớc. 1.2.1. Tua bin h−ớng 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 t−ơng ứng: 760, 600, 560, 500, 450. Các chỉ tiêu kỹ thuật đ−ợc trình bày trên bảng sau: Bảng .2. Các thông số cơ bản trong gam tua bin h−ớng trục của Trung Quốc Chế độ tối −u Phạm vi cột n−ớc (m) Kiểu BCT Đ−ờng kính BCT mô hình Chiều cao cánh h−ớng n−ớc bo/D1 Tỷ số bầu do/D1 Số lá cánh Z1 Vòng quay quy dẫn (v/ph) L−u l−ợng quy dẫn (m3/s) Hiệu suất (%) ZD760 250 0,45 0,35 4 3 - 8 ZZ600 195 4 142 1,03 85,5 6 - 15 ZZ560 460 0,40 0,33/0,38 4 140 1,06 89,0 15-22 ZZ560 460 0,40 0,35/0,40 4 140 1,08 88,3 18-30 ZZ500 460 0,40 0,40/0,44 5 128 0,98 89,5 25-40 ZZ450 350 0,375 0,45/0,50 6 120 0,92 90,5 Kết cấu của các loại tua bin ở bảng trên có kết cấu cổ điển là buồng xoắn bê tông hoặc buồng xoắn kim loại, trục đứng, ống hút thẳng hoặc cong. Tua bin h−ớng trục đ−ợc bổ xung thêm một số mẫu cánh cột n−ớc thấp. Các thông số cơ bản của tua bin h−ớng trục kiểu ống đ−ợc nghiên cứu ở Trung Quốc nh− bảng 3. Bảng 3 H(m) b/D1 db/D1 Z1 n1'(v/ph) Q1'(l/s) < 7 0,4 0,35 3 172 - 175 1600 - 2800 < 12 0,35 0,40 4 150 - 155 1300 - 2400 < 18 0,32 0,43 5 135 - 142 1250 - 2000 1.2.2. Tua bin h−ớng trục thủy điện nhỏ của Tiệp khắc (cũ). Tua bin h−ớng trục thủy điện nhỏ của Tiệp Khắc chỉ gồm 4 mẫu cánh trong đó Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột n−ớc thấp Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thuỷ Lợi 4 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 h−ớng trục có phần dẫn dòng hình chữ S là 4PK - 10 và 4PK - 26. 1.2.3. Tua bin h−ớng trục của Liên Xô (cũ). Tua bin h−ớng trục của Liên Xô năm 1962 cho TĐN, có 3 loại BCT, sử dụng trong phạm vi cột n−ớc H < 30m. Có số hiệu ΠΛ70, ΠΛ510, ΠΛ587. Sau đó bánh công tác ΠΛ510 đ−ợc thay thế bởi bánh công tác ΠΛ20/661, các chỉ tiêu kỹ thuật nh− ở bảng 4. Bảng 4 Loại bánh công tác Các chỉ tiêu kỹ thuật ΠΛ70 ΠΛ510 ΠΛ587 Hệ số tỷ tốc NS 810 670 600 QI ’Max (l/s) 2150 1850 1700 bO/D1 0,415 0,4 0,4 db/D1 0,35 0,4 0,45 Phạm vi cột n−ớc (m) 2 - 7 4 - 16 16 - 30 Phạm vi công suất (KW) 10 - 3000 10 - 5000 5000 Vào những năm thập kỷ 70 - thế kỷ XX Liên Xô (cũ) đã xây dựng gam tua bin h−ớng trục trục ngang chủ yếu dùng kết cấu capxun bao gồm các mẫu cánh ΠΛΓ - gaI, ΠΛΓ - 11a, ΠΛΓ - 16, ΠΛΓ - 16 - 1 có các thông số của chế độ tối −u nh− ở bảng 5: Bảng 5. BXCT N’1 (v/ph) Q’1 (l/s) η (%) σkp ΠΛΓ - gaI 173 1680 88,5 1,3 ΠΛΓ - 11a 175 1550 86,5 1,5 ΠΛΓ - 16 158 1760 87,5 1,17 ΠΛΓ - 16 - 1 157 1730 87,5 1,23 Để trình bày rõ hơn những thay đổi trong kết cấu gam TBHT, trong phần này giới thiệu một số hãng tiêu biểu về TĐN sau: Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột n−ớc thấp Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thuỷ Lợi 5 1.2.4. TBHT của h∙ng Kushiro (Nhật) [34]. Hình 1. Tua bin h−ớng trục hoàn thiện của hãng Kushiro. Hãng Kushiro đ−a 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 đ−ợc đặt trong n−ớc và đ−ợc thể hiện ở hình 2. Hình 2. Cấu tạo cơ bản của tua bin Kushiro. Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột n−ớc thấp Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thuỷ Lợi 6 Hình 3. Biểu đồ lựa chọn sản phẩm tua bin của hãng Kushiro. Phạm vi làm việc: Cột n−ớc H 1 ữ 35 m L−u l−ợng Q 0,3 ữ 15 m3/s Công suất P 10 ữ 1000 kW TB này cũng sử dụng 2 loại BCT có phạm vi nh− trên, toàn bộ tổ máy đặt trong ống kín, nối trực tiếp vào ống áp lực và ống xả. 1.2.5. TBHT của h∙ng Toshiba (Nhật) [34]. Hình 4. Tua bin h−ớng trục hoàn thiện của hãng Toshiba. Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột n−ớc thấp Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thuỷ Lợi 7 Hình 5. Cấu tạo cơ bản của tua bin Toshiba. Hãng Toshiba đ−a ra mẫu tua bin cáp xun có phần tua bin nằm trong n−ớc nh−ng máy phát lại nằm ngoài và dùng đai truyền động. Loại máy này có thể lắp rất linh hoạt, trên bất kỳ một đ−ờng ồng dẫn n−ớc 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. Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột n−ớc thấp Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thuỷ Lợi 8 Phạm vi làm việc: Cột n−ớc H 1 ữ 50 m L−u l−ợng Q 0,1 ữ 4 m3/s Công suất P 5 ữ 200 kW Tuabin này cũng sử dụng 3 mẫu với cùng phạm vi cột n−ớc nh−ng có phạm vi l−u l−ợng và công suất khác nhau. 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. η η η=η η Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột n−ớc thấp Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thuỷ Lợi 9 Phạm vi làm việc: Cột n−ớc H 2 ữ 5m L−u l−ợng Q 0,1 ữ 4m3/s Công suất P 1,5 ữ 5,5 kW 1.2.7. Gam tuabin h−ớng 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 th−ớc gọn nhẹ và buồng TB đơn giản hơn, cho phép giảm giá thành của thiết bị, xây dựng, lắp đặt và bảo d−ỡng. Buồng xoắn đ−ợc 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 Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột n−ớc thấp Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thuỷ Lợi 10 Hình 10. Phạm vi làm việc TBHT hãng Sulzer 2. Tua bin ống trục đứng và xiên: Phạm vi làm việc: Cột n−ớc H 2 ữ 3 m L−u l−ợng Q 2 ữ 100 m3/s Công suất P 0,1 ữ 10 MW Với ph−ơng thức truyền động trực tiếp hoặc thông qua bộ truyền động bánh răng. 3. Tua bin dòng thẳng sử dụng bộ truyền đai hoặc bánh răng vuông góc. Phạm vi làm việc: Cột n−ớc H 2 ữ 12m L−u l−ợng Q 2,5 ữ 45m3/s Công suất P 0,1 ữ 2,6MW Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột n−ớc thấp Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thuỷ Lợi 11 Hình 11. Bố trí công trình TBHT do hãng Sulzer chế tạo. Bộ truyền đai đ−ợc 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 th−ớc Neyrpic đã đ−a ra kết cấu TB ống nh− hình 11. Hình 12. Hình dáng hoàn thiện của TB Neyrpic. Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột n−ớc thấp Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thuỷ Lợi 12 Hình 13. Phạm vi làm việc của TB Neyrpic Phạm vi làm việc: Cột n−ớc H 5 ữ 20m L−u l−ợng Q 3 ữ 33m3/s Công suất P 0,2 ữ 3MW Đặc biệt là TB của Neyrpic đ−a ra 5 kích th−ớc bầu BCT tiêu chuẩn, mỗi bầu t−ơng ứng với 2 BCT khác nhau nh− ở bảng 6. Bảng 6. Kích th−ớc bầu và đ−ờng kính BCT trong TB ống của Neyrpic D1(mm) 750,850 950,1060 1180,1320 1500,1700 1900,2120 D.db(mm) 320 405 500 640 810 Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột n−ớc thấp Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thuỷ Lợi 13 2. Tua bin h−ớng trục kiểu cáp xun buồng hở và buồng xi phông. Để sử dụng cho các TTD cột n−ớc thấp, hãng ESAC (pháp) đ−a ra ba kiểu kết cấu: TBHT kiểu bóng đèn, buồng hở. Phạm vi làm việc: Cột n−ớc H 1,5 ữ 8m L−u l−ợng Q 3 ữ 9m3/s Công suất P 37 ữ 1272MW 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 n−ớc lớn hơn. Phạm vi làm việc: Cột n−ớc H 8 ữ 15m L−u l−ợng Q 4,5 ữ 13,5m3/s Công suất P 0,4 ữ 1,6MW Cấu trúc giống nh− TB bóng đèn của hãng Fuji Electric • TBHT buồng kín kiểu Xiphông. Để sử dụng cho các công trình đập có sàn, nhiều hãng đã đ−a ra cấu trúc TBHT buồng Xiphông, TB này có thể lắp đặt mà không cần phá vỡ cấu trúc của công trình thủy công có sẵn, cấu tạo của phần trạm rất đơn giản. Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột n−ớc thấp Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thuỷ Lợi 14 Hình 15. TBHT buồng xiphông 1.3. Nghiên cứu và sản suất tuabin h−ớng trục ở Việt Nam: TBHT đ−ợc chế tạo từ những năm 60. Lúc đầu chỉ là những tua bin hết sức đơn giản, nh− 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 đ−ợc lắp đặt tuabin và điều tốc sản suất trong n−ớc. Tr−ờng đại học Bách Khoa Hà Nội cũng nghiên cứu và đ−a ra BCT mới nh− mẫu BCT của TBHT có Ns ≈ 600 vào năm 1982,… Các TBHT sản suất trong n−ớc, sơ bộ đ−ợc thống kê nh− sau: Bảng 7. Một số TBHT sản suất trong n−ớc. TT Tên thiết bị Cơ quan sản suất D1 (cm) N (kW) Cột áp (m) 1 4K - 69 Nhà máy công cụ I 132 1000 8 - 13,6 2 ΠΛ30/587 “ 1000 14 - 18 3 CCQ - DK - 25 “ 25 16 - 20 8 - 18 4 BT - 40 Nhiều cơ quan 40 10 - 30 2 - 4 5 CC70 - 120 Viện nghiên cứu máy 120 150 4 6 4K84 - DH - 75 Viện KH thủy lợi 75 70 4,5 Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột n−ớc thấp Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thuỷ Lợi 15 7 CCQ661 - K - N - 80 “ 80 135 9,5 8 COQ587 - ON - 60 “ 60 80 9 - 12 9 4K84 - H - 30,40,60 Nhiều cơ quan 30 - 60 10 - 40 2 - 4 10 Tuốc bin ống D1 = 20 - 40 ĐH Bách Khoa và nhiều cơ quan 20 - 40 2 - 10 1 - 40 11 TBHT buồng hở trục ngang Đại học Bách Khoa 95 200 6 - 8 Các thiết bị TBHT sản suất trong các kiểu kết cấu nh− sau: • TBHT, buồng hở, trục đứng, đ−ờng kính BCT D1 = 12; 15; 20; 25; 30; 40; 60; 80cm, với công suất từ 200W-90 kW, Viện Nghiên cứu máy chế tạo tổ máy có D1 = 120cm, công suất 150KW với cột n−ớc H = 4,5m. • 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 Tr−ờng Đại Học Bách Khoa nghiên cứu, chế tạo với D1 = 95cm, cột n−ớc H = 6 - 8m và công suất P max = 200 kW. • Tổ máy TBHT buồng xoắn + kim loại trục đứng do nhiều cơ quan chế tạo: Tổ máy có khối l−ợng lớn theo mẫu GANZ của Hungari, có công suất P = 12 - 20KW, cột n−ớc H = 10 - 20m. Tổ máy lớn nhất tại TTĐ Phú Ninh với D1 = 132cm, công suất tới 1000kW. • Tổ máy TB ống do nhiều cơ quan chế tạo nh−:Đại Học Bách Khoa, Viện Khoa học Thủy Lợi, Viện Nghiên cứu máy, Công ty TB điện Đông Anh. Quy mô lớn nhất đạt tới 100 kW với D1 = 80cm. • Các tổ máy sử dụng BCT đ−ợc 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. • Các cấp BCT rất đa dạng: D1 = 12, 13, 15, 18, 20, 25, 30, 60, 75, 80, 95, Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột n−ớc thấp Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thuỷ Lợi 16 100, 120, 132cm. 1.4. Tổng kết về các nghiên cứu TBHT. • Trong TĐN, TBHT giới hạn trong phạm vi cột n−ớc H< 20m. Trong phạm vi này, tùy theo đặc điểm của tổ máy để xác định tỷ số Ns của BCT khác nhau: Với các loại TB có kết cấu truyền thống nh− TB buồng hở buồng xoắn trục đứng.. có thể dùng BCT với 2 cấp: - Vùng cột n−ớc H ≤ 8m : Ns = 750 - 800 - Vùng cột n−ớc H = 8 - 20m : Ns = 550 - 600 Một số kết cấu mới cho phép hạ thấp cao trình đặt máy nh−: TB kiểu capxun, TB ống của hãng Neyrpic (hình 10)…có thể sử dụng BCT có Ns= 800 - 900. Nh− vậy, trong điều kiện cụ thể của n−ớc 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 phụ: - Vùng có tỷ tốc thấp: BCT ΠΛ30/587 - Vùng có tỷ tốc cao: Vùng này ch−a có BCT nào • Tổng kết rất nhiều xu h−ớng nghiên cứu và sản suất cho thấy trong TBHT có một số dạng kết cấu nh− ở bảng sau: Bảng 8. TT Loại kết cấu Phạm vi cột n−ớc (m) Phạm vi công suất (KW) Đặc điểm 1 Kết cấu buồng hở trục đứng 2 - 6 300 Công trình trạm lớn, trục dài dễ chế tạo 2 Kết cấu buồng hở trục ngang Hiện nay ít sử dụng 3 Buồng xoắn benton, trục đứng 6 - 20 5000 Đang đ−ợc sử dụng, một số n−ớc đã cải tiến 4 Buồng kiểu chữ S 3 - 18 5000 Rất hay đ−ợc sử dụng 5 Tuabin ống trục đứng 5 - 18 2000 6 TB dòng thẳng sử dụng bộ truyền Các n−ớc công nghiệp tiên tiến 7 TB kiểu bóng đèn Các n−ớc công nghiệp tiên tiến Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột n−ớc thấp Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thuỷ Lợi 17 Kết cấu phần dẫn dòng của tuabin thủy điện nhỏ rất phong phú, khác với các loại tua bin h−ớng 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 h−ớng 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 h−ớng trục kiểu dòng chảy thẳng trục ngang. Tua bin thuỷ lực h−ớng trục kiểu dòng chảy thẳng trục ngang do nó có nhiều −u điểm: - Có khả năng qua n−ớc lớn, có tỷ tốc cao, vùng hiệu suất cao rộng. - So với tổ máy h−ớng trục trục đứng truyền thống có cùng đ−ờng kính bánh công tác, cùng cột n−ớc thì công suất có thể cao hơn tới 20 – 25%. - Khi có cùng công suất, cùng cột n−ớc thì đ−ờng kính bánh công tác của loại tua bin trục ngang dòng thẳng có thể giảm nhỏ đến 7 – 8%. - Tua bin h−ớng trục dòng thẳng không cần dùng đến buồng xoắn vì thế khoảng cách giữa các tổ máy nhỏ, giảm đ−ợc 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 đ−ờng kính tua bin. Nh− vậy, so với tổ máy kiểu trục đứng chiều cao nhà x−ởng giảm đi rất nhiều. - Do tua bin kiểu dáng thẳng có trục máy nằm ngang, hình dạng khối tổ máy đơn giản, giảm đ−ợc nhiều khối l−ợng đào đất đá khi xây dựng công trình xét về hiệu ích kinh tế việc đầu t− 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 h−ớng trục cột n−ớc 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 ph−ơng 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 Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột n−ớc thấp Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thuỷ Lợi 18 bin trục ngang và tập trung nghiên cứu ảnh h−ởng của các thông số kết cấu BCT tới đặc tính làm việc của tua bin h−ớng trục. Ph−ơng 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 n−ớc ngoài, Nghiên cứu ảnh h−ởng 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 đ−ợc đ−ờng đặc tính tổng hợp của BCT và xác định đ−ợc ảnh h−ởng của các thông số kết cấu của BCT đến đặc tính làm việc cuẩ tua bin, cuối cùng đ−a ra nhận xét vầ kết luận của đề tài nhánh. Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột n−ớc thấp Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thuỷ Lợi 19 Ch−ơng II. Nghiên cứu lý thuyết thiết kế tbht cột n−ớc thấp. 2.1. Chọn ph−ơng pháp thiết kế tua bin mô hình. 2.1.1. Tổng quan về ph−ơng pháp thiết kế tua bin h−ớng trục. Ngày nay khi hiệu suất chung của những tổ máy thuỷ điện cỡ lớn v−ợt 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 ng−ời ta thấy rằng có 4 ph−ơng h−ớng để làm tốt hơn nữa các chỉ số thủy lực của tua bin là : - Tính toán tới đặc tr−ng không gian của dòng chảy và tổn thất không profile. - Thiết kế bánh công tác trên dòng thực đ−ợc tạo lập bởi cánh h−ớng dòng nh−ng với sự tính tới ảnh h−ởng của bánh công tác lên dòng tr−ớc nó. - Tổ chức hợp lý dòng tr−ớc 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. Nh− vậy để nâng cao hiệu suất và chất l−ợng xâm thực của tua bin ngoài việc tính