Báo cáo Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thử nghiệm tua bin xung kích 2 lần kiểu Cink

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 xung kích 2 lần kiểu Cink 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 tùng phong 5817-5 16/5/2006 hà nội – 5/2006 Mục lục Trang Ch−ơng I. tổng quan và phạm vi ứng dụng Tua bin XK2L 1 1.1. Tua bin xung kích 2 lần (XK2L) và quá trình phát triển. 1 1.2. Phạm vi sử dụng của tua bin XK2L: 3 1.3. Những −u điểm và nh−ợc điểm của tua bin XK2L trong thuỷ điện nhỏ và cực nhỏ 8 1.3.1. Hiệu suất 8 1.3.2. Độ bền: 11 1.3.3. Giá thành chế tạo: 11 1.3.4. Hạn chế của tua bin XK2L 12 1.4. Kết luận 14 Ch−ơng II. lý thuyết tua bin xung kích 15 2.1. Cột n−ớc, l−u l−ợng, công suất và hiệu suất 15 2.2. Tác dụng t−ơng hỗ giữa dòng tia và tấm bản 18 Ch−ơng III. tổng quan nghiên cứu lý thuyết tua bin XK2L và XK2L kiểu CINK 26 3.1. Lý thuyết đơn giản của tua bin XK2L 26 3.1.1. Mô tả tua bin XK2L 26 3.1.2. Chuyển động của dòng chảy qua BCT: 27 3.1.3. Lý thuyết cơ bản của tua bin XK2L 31 3.2. Mở rộng nghiên cứu lý thuyết cơ bản tua bin XK2L 36 3.2.1. Mở rộng lý thuyết tua bin XK2L 36 3.2.2. Góc đặt cánh 39 3.2.3. Bề rộng đĩa cánh và góc ở tâm đĩa cánh. 40 3.2.4. Đ−ờng kính bánh xe và trục BCT 44 3.2.5. Mở rộng lý thuyết dòng chảy tuyệt đối qua tua bin XK2L. 45 Ch−ơng IV. Nghiên cứu thực nghiệm tuabin XK2L kiểu CINK 49 4.1. H−ớng nghiên cứu Tua bin XK2L kiểu CINK 49 4.1.1 Vòi phun và cơ cấu điều chỉnh l−u l−ợng 50 4.1.2. So sánh kết cấu cánh h−ớng của tua bin XK2L kiểu Ossberger và tua bin XK2L kiểu CINK 54 4.1.3 Bánh xe công tác 54 4.1.4. ống hút 58 4.2. Giới thiêu ch−ơng trình tính toán tua bin XK2L 59 4.3. Thiết kế Tua bin XK2L mô hình kiểu CINK 62 4.3.1 Lựa chọn kết cấu 62 4.3.2 Lựa chọn kích th−ớc, thông số cơ sở tua bin mô hình 63 4.3.3 Tính toán các thông số cơ bản của tua bin mô hình 63 4.3.4 Thiết kế bánh xe công tác 64 4.3.5. Vòi phun 65 4.3.6 ống hút 67 4.4. Mô hình hoá tua bin 68 4.5 Thực nghiệm tua bin mô hình 70 4.5.1 Hệ thống thí nghiệm 70 4.5.2 Thí nghiệm tua bin mô hình 74 4.6. Xây dựng đặc tính tổng hợp chính của tua bin mô hình 80 4.7. Các kết luận rút ra từ thực nghiệm 82 Ch−ơng V. Kết luận 84 5.1 Các kết quả đề tài đã đạt đ−ợc 84 2. H−ớng nghiên cứu tiếp theo 85 Phụ lục 86 NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 1 Mở đầu N−ớc ta có một nguồn thuỷ năng vô cùng phong phú. Với khoảng 3/4 diện tích lãnh thổ là đồi núi, địa hình cao, bị chia cắt mạnh cùng với l−ợng m−a trung bình năm khoảng 1960mm, với mạng l−ới sông suối khá dày đặc và nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa đã tạo ra một nguồn tài nguyên quý báu để phát triển thuỷ điện. Theo một số kết quả nghiên cứu của các đề tài cho thấy trữ năng lý thuyết của thuỷ điện Việt nam thống kê trên 2864 sông suối có chiều dài L≥10km vào khoảng 271.000GWh/năm đến 318GWh/năm và trữ năng lý thuyết của thuỷ điện Việt nam khoảng trên 300.000GWh/năm với công suất lắp máy trên 34.000MW. Trong những năm gần đây và hiện nay, thế giới và các tổ chức quốc tế nh− Ngân hàng thế giới (WB), Ngân hàng châu á (ADB(, Quỹ năng l−ợng Nhật bản (NEF) …đang quan tâm tới việc khai thác và phát triển các công nghệ về năng l−ợng tái tạo mà trong đó phát triển thuỷ điện nhỏ đang là một mục tiêu quan tâm hàng đầu. Đây là một giải pháp hiệu quả và bền vững, không chỉ góp phần phát triển kinh tế xã hội vùng sâu, vùng xa mà còn góp phần bảo vệ bền vững môi tr−ờng. Hiện nay, với nhu cầu về tiêu dùng điện ngày càng tăng, −ớc tính khoảng 15%/năm, thì thuỷ điện nhỏ lại càng đóng vai trò quan trọng hơn trong việc góp phần phát triển nguồn điện năng cho đất n−ớc. Với tình hình đầu t− thuỷ điện trong n−ớc hiện nay thì việc đầu t− cho thuỷ điện nhỏ cũng sẽ có nhiều thuận lợi do quy mô vốn đầu t− phù hợp, có thể khuyến khích các thành phần kinh tế khác và ng−ời dân đầu t−. Thuỷ điện nhỏ đã đ−ợc phát triển mạnh ở Việt nam từ những năm 80 trở lại đây. Nhiều cơ quan đơn vị, nhà máy đã tiến hành nghiên cứu, chế tạo thiết bị cho thuỷ điện nhỏ. Hàng trăm tổ máy thuỷ điện với tổng công suất tới hàng ngàn kW đã đ−ợc chế tạo và lắp đặt, góp phần phát triển kinh tế-xã hội, xoá đói giảm nghèo cho đồng bào vùng sâu, vùng xa. Tuy nhiên, do công tác nghiên cứu, chế tạo còn nhiều hạn chế nên chất l−ợng thiết bị còn ch−a bảo đảm yêu cầu, hiệu suất thấp, vận hành không ổn định, tuổi thọ kém. Trong những năm gần đây, do khoa học công nghệ phát triển nên chất l−ợng thiết bị đã đ−ợc cải thiện nhiều. Tua bin xung kích 2 lần (XK2L) là một loại tua bin rất phù hợp với thuỷ điện nhỏ và đã đ−ợc thiết kế, chế tạo và đ−a vào vận hành ở Việt nam từ 1967, với công suất NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 2 từ 5-60kW. Đây là loại tua bin có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, quản lý vận hành và phù hợp với điều kiện và trình độ ng−ời dân ở miền núi . Tuy nhiên, với tình trạng chung ở giai đoạn tr−ớc nên cũng không tồn tại đ−ợc lâu. Nhận thấy những −u điểm nổi bật của loại tua bin này, từ năm 1992 Trung tâm thuỷ điện - Viện khoa học thuỷ lợi đã đã tập trung nghiên cứu, chế tạo và lắp đặt khoảng hơn 100 trạm thuỷ điện với công suất từ 5kW đến 200 kW ở các tỉnh miền núi. Kết quả thực tế cho thấy rằng các tua bin đều làm việc ổn định, độ bền khá cao và phát huy rất hiệu quả vào mục tiêu phục vụ sản xuất và sinh hoạt cho ng−ời dân ở miền núi . Trung tâm cũng không ngừng nghiên cứu hoàn thiện lý thuyết, kết cấu, kiểu dáng và quy trình công nghệ chế tạo để nânng cao chất l−ợng của tua bin XK2L. Trong đó, việc nghiên cứu nâng cao hiệu suất và mở rộng phạm vi hoạt động cho loại tua bin này là một trong những mục tiêu cần nghiên cứu giải quyết. Để giải quyết mục tiêu đó, nhóm nghiên cứu trong đề tài đã tập trung ngiên cứu những nội dung chính nh− sau: 1. Phân tích và đánh giá phạm vi sử dụng tua bin XK2L; 2. Nghiên cứu lý thuyết tua bin xung kích và tua bin XK2L kiểu CINK; 3. Nghiên cứu, thiết kế tua bin XK2L kiểu CINK; 4. Xây dựng và hoàn thiện phần mềm tính toán, thiết kế tua bin XK2L; 5. Nghiên cứu thực nghiệm và xây dựng đặc tính năng l−ợng của tua bin XK2L kiểu CINK; 6. Đánh giá kết quả nghiên cứu thực nghiệm và kiến nghị. NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 3 Ch−ơng I. tổng quan và phạm vi ứng dụng Tua bin XK2L 1.1. Tua bin xung kích 2 lần (XK2L) và quá trình phát triển. Tua bin XK2L (Cross - Flow Turbine) do một kỹ s− ng−ời úc là A.G.M.Michele phát minh vào năm 1903. Sau đó, một giáo s− ng−ời Hungary là Donat Banky đã xây dựng cơ sở lý thuyết t−ơng đối hoàn chỉnh vào năm 1916 - 1919, do vậy tua bin XK2L còn đ−ợc gọi là Tua bin Banky. Năm 1922, kỹ s− ng−ời Đức là K.L.Ossberger đã nghiên cứu, hoàn thiện và sản xuất rộng rãi loại tua bin này. Hãng Ossberger đã đ−a ra thị tr−ờng hơn 5000 tổ máy XK2L với công suất từ 1 - 1000KW. Gần đây, năm 1993 -1994, giáo s− Nadim M.Aziz và nhiều giáo s− khác của tr−ờng Đại học CLEMSON (Mỹ) vẫn tiếp tục nghiên cứu lý thuyết và bằng thực nghiệm loại tua bin này và đ−a ra nhiều kết quả nghiên cứu mới và các kết quả thực nghiệm hết sức quan trọng. Hình 1. Tua bin XK2L Tua bin XK2L là loại tua bin kiểu xung kích, sử dụng thành phần năng l−ợng là động năng của dòng chảy để chuyển hóa thành cơ năng trên trục quay của tua bin. Dòng chảy sau khi qua vòi phun của tua bin sẽ chảy vào bánh công tác (BCT), tác dụng lên BCT 2 lần và truyền toàn bộ năng l−ợng cho BCT. Do vậy mà tua bin này đ−ợc gọi là Tua bin XK2L. NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 4 ở Việt Nam loại tua bin này đãđ−ợc chế tạo từ năm 1967 với công suất từ từng tổ máy từ 5KW đến 60KW. Tuy nhiên, do công tác nghiên cứu, thiết kế và chế tạo loại tua bin này không đ−ợc chú trọng nên trên thực tế cho thấy loại tua bin này hoạt động với hiệu suất thấp và tuổi thọ thấp, ít đ−ợc sử dụng trong thực tế. Thay thế vào đó, các tổ máy h−ớng trục và tâm trục đ−ợc khuyến khích chế tạo và sử dụng. Ví dụ, các tổ máy theo mẫu GANZ của Hungari với cột n−ớc H = 10-20m, công suất N ≈ 20KW đ−ợc sản xuất hàng loạt tại Nhà máy Công cụ số I, hoặc các tổ máy theo mẫu HL 360 - WG-30, 42 (tua bin tâm trục kiểu buồng chính diện)... là những tổ máy có kích th−ớc lớn, khó chế tạo và giá thành cao. Từ những năm 1980, những thông tin về tua bin XK2L do một số hãng của Nhật, Đức, CH Séc, Trung Quốc, Mỹ... giới thiệu đã đ−ợc các cán bộ khoa học của Trung tâm thuỷ điện (TTTĐ), Viện khoa học thuỷ lợi đặc biệt quan tâm. Nhận thấy đây là loại tua bin rất thích hợp cho thuỷ điện nhỏ nh−ng ch−a có cơ quan nào quan tâm nghiên cứu và chế tạo loại thiết bị này, TTTĐ đã tiến hành tập hợp các tài liệu nghiên cứu lý thuyết, tiến hành thực nghiệm và chế tạo thử. Các tổ máy XK2L sau khi chế tạo, lắp đặt và vận hành ở các trạm thuỷ điện đã khẳng định đ−ợc kết quả nghiên cứu và tính toán lý thuyết và công nghệ chế tạo loại tua bin này. Phần nghiên cứu tính toán lý thuyết, phần dẫn dòng và biên dạng cánh BCT đã đ−ợc đ−a vào nghiên cứu trong một đề tài KHCN cấp Nhà n−ớc và một số kết quả nghiên cứu đã đ−ợc nghiệm thu. 1.2. Phạm vi sử dụng của tua bin XK2L: NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 5 Hình 2. Biểu đồ sử dụng tua bin XK2L của hãng Meiden (Nhật bản) NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 6 Hình 3. Biểu đồ sử dụng tua bin XK2L của Công ty KUBOTA (Nhật bản) Hình 4. Biểu đồ sử dụng tua bin XK2L của Ossberger Corp. (Đức) NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 7 Hình 5. Biểu đồ sử dụng tua bin XK2L của Hitachi Corp. (Nhật Bản) NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 8 Hình 6. Biểu đồ sử dụng tua bin XK2L của Fuji Electric Corp. (Nhật Bản) NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 9 Hình7. Biểu đồ sử dụng tua bin XK2L của Linhai Corp. (Trung Quốc) NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 10 1.3. Những −u điểm và nh−ợc điểm của tua bin XK2L trong thuỷ điện nhỏ và cực nhỏ Trong những năm gần đây, tua bin XK2L đ−ợc sử dụng ngày càng rộng rãi cho các trạm thuỷ điện nhỏ với phạm vi sử dụng: + Cột n−ớc : H = 5 ữ 200m + L−u l−ợng: Q = 0,025 - 13 m3/s + Công suất N = 1 - 1500 KW 1.3.1. Hiệu suất Một đặc điểm quan trọng và nổi bật nhất của tua bin XK2L là hiệu suất rất phù hợp cho thuỷ điện nhỏ. Các kết quả nghiên cứu và thực nghiệm từ n−ớc ngoài cho thấy hiệu suất đỉnh của tua bin XK2L có thấp hơn các loại tua bin khác (ηmax = 86%), ví dụ nh− tua bin tâm trục (Francis) nh−ng bù lại là phạm vi của vùng hiệu suất cao rất rộng, do vậy mà điện l−ợng thu đ−ợc của tua bin XK2L cao hơn so với tua bin tâm trục. Các kết quả nghiên cứu gần đây nhất của hãng Entec (Thụy sĩ) cho thấy hiệu suất lớn nhất của tua bin XK2L có thể đạt ηmax = 86%, tuy hiệu suất đỉnh có thấp hơn một vài loại tua bin khác (ηmax = 87 ữ 89%). Nh−ng do phạm vi vùng hiệu suất cao rộng hơn nên tổng điện l−ợng thu đ−ợc của tua bin XK2L cao hơn so với tua bin tâm trục. NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 11 Hình 8. So sánh đ−ờng hiệu suất của tua bin XK2L và tua bin tâm trục. Nhìn vào Hình 1-8 và Hình 1-9 ta thấy rằng tua bin tâm trục có hiệu suất đỉnh cao hơn tua bin XK2L, tuy nhiên vùng hiệu suất cao khá hẹp nên hiệu suất sẽ giảm rất Hình 9. Quan hệ về điện l−ợng - thời gian trong năm của tua bin XK2L và tua bin tâm trục. NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 12 nhanh khi l−u l−ợng giảm. Để giải thích phạm vi rộng của vùng hiệu suất cao, xem Hình 1-10 Hình 10: Đ−ờng biểu diễn hiệu suất của tua bin XK2L đ−ợc xây dựng từ 3 đ−ờng hiệu suất t−ơng ứng với 1/3, 2/3 và đầy tải hay 1/3Q, 2/3Q và toàn bộ l−u l−ợng Q. Việc chia bề rộng BCT làm 2 phần có bề rộng 1/3 và 2/3 tổng chiều rộng làm việc cho phép đã làm mở rộng vùng hiệu suất cao cho tua bin XK2L. Nh− vậy có thể kết luận rằng, tua bin XK2L có đặc tính năng l−ợng rất tốt và rất phù hợp đối với thuỷ điện nhỏ. NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 13 1.3.2. Độ bền: Một đặc điểm khá quan trọng trong kết cấu của tua bin XK2L là không xuất hiện thành phần lực dọc trục, do vậy trong tua bin XK2L không xuất hiện sự phá vỡ ổ đỡ do lực quá lớn nh− các loại tua-bin khác. Trong thiết kế và chế tạo tua bin XK2L th−ờng sử dụng ổ bi đỡ bình th−ờng, trong khi nhiều loại tua-bin khác phải dùng ổ tr−ợt với cấu trúc ổ và kết cấu bôi trơn khá phức tạp và đắt tiền. Bánh công tác đ−ợc gia công chế tạo bằng kết cấu hàn, đ−ợc gia c−ờng bởi các vách tăng cứng, sử dụng vật liệu thép không gỉ…nên có độ bền khá cao. Theo kết cấu truyền thống và một số kết cấu mới thì hệ thống cánh h−ớng n−ớc của tua bin XK2L rất đơn giản (chỉ có 1 cánh h−ớng), do vậy ít bị hỏng hóc so với hệ cánh h−ớng nhiều cánh (8 ữ 20 cánh) của các loại tua bin khác. Kết cấu vỏ chắc chắn, đ−ợc định vị rất dễ dàng cho tháo lắp, sửa chữa nên cũng nâng cao độ bền của tổ máy. Với các đặc điểm đơn giản và chắc chắn trong kết cấu, tua bin XK2L có độ bền cao, đảm bảo hoạt động ổn định và lâu dài. 1.3.3. Giá thành chế tạo: Công nghệ chế tạo tua bin XK2L đơn giản hơn rất nhiều so với các loại tua bin khác. Tổng kết quá trình chế tạo cho thấy, giá thành chế tạo tua-bin XK2L bằng 50% ữ 70% so với tua bin khác cùng công suất. Kết cấu vỏ bằng thép hàn dễ dàng cho chế tạo đơn chiếc. Việc sử dụng ổ bi cho các tổ máy công suất lớn cũng làm giảm đáng kể giá thành chế tạo và lắp ráp. Với kết cấu gọn nhẹ và dễ tháo, lắp nên việc vận chuyển thuận lợi, đặc biệt cho những vùng giao thông còn khó khăn. Do cấu trúc đối xứng 2 đầu trục, nên bố trí thiết bị tốn ít diện tích và làm giảm giá thành xây dựng nhà trạm. Do lực đóng mở cánh h−ớng nhỏ, cũng làm giảm đáng kể giá thành của điều tốc tự động. NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 14 1.3.4. Hạn chế của tua bin XK2L Theo cách phân loại truyền thống thì tua bin XK2L là loại tua bin xung kích tỷ tốc thấp nên số vòng quay thấp. ở những trạm có cột n−ớc thấp phải có bộ truyền động, do vậy làm tăng giá thành chế tạo tổ máy. ở các n−ớc công nghiệp tiên tiến, các trạm thuỷ điện cột n−ớc thấp dùng tua bin XK2L đều sử dụng bộ truyền bánh răng nối với máy phát tiêu chuẩn có vòng quay n = 1000-1500 v/phút. Do có nhiều −u điểm so với các loại tua bin khác nên những năm gần đây, tua bin XK2L ngày càng đ−ợc sử dụng rộng rãi cho thuỷ điện nhỏ và thuỷ điện cực nhỏ. Nhìn chung, các trạm thuỷ điện nhỏ sử dụng tua bin XK2L đều vận hành ổn định và góp phần đáng kể vào việc nâng cao đời sống vật chất và tinh thần cho đồng bào các tỉnh vùng sâu, vùng xa của cả n−ớc. Hiện nay, nhiều phòng thí nghiệm và các cơ quan nghiên cứu ở một số n−ớc vẫn tiếp tục nghiên cứu để nâng cao hiệu quả và mở rộng phạm vi sử dụng loại tua bin này. 1.4. Kết luận Qua những phân tích ở trên cho thấy rằng, tua bin XK2L là loại tua bin đ−ợc sử dụng trên rất rộng rãi ở trên thế giới cho thủy điện nhỏ. Với những −u điểm về hiệu suất, kết cấu, độ bền và công nghệ chế tạo của loại tua bin này, có thể nói rằng tua bin XK2L …rất phù hợp với điều kiện về kinh tế, trình độ công nghệ của Việt Nam. ở Việt Nam, nếu áp dụng những công nghệ chế tạo thích hợp, quản lý vận hành tốt thì tua bin XK2L sẽ phát huy đ−ợc những −u điểm nổi bật của nó đối với các dự án thủy điện nhỏ, mà hiện nay đang đ−ợc Nhà n−ớc và các tổ chức quốc tế nh− WB, NEF, UNDP tổ chức thực hiện tại Việt Nam. NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 15 Ch−ơng II. lý thuyết tua bin xung kích Nh− đã trình bày ở trên, tua bin XK2L đ−ợ c phân loại nh− là một tua bin xung kích. Do vậy, tr−ớc khi nghiên cứu về tua bin XK2L, chúng tôi sẽ đi vào nghiên cứu cơ sở lý thuyết của tua bin xung kích vì đó là cơ sở lý thuyết ban đầu để xây dựng và phát triển tua bin XK2L. 2.1. Cột n−ớc, l−u l−ợng, công suất và hiệu suất Công suất tua bin tỷ lệ thuận với l−ợng chất lỏng chảy qua nó trong một đơn vị thời gian, hiệu số tỷ năng dòng chảy tr−ớc và sau tua bin và hiệu suất của nó. L−ợng chất lỏng chảy qua trong một đơn vị thời gian đo bằng l−u l−ợng Q l/s hoặc m3/s. Năng l−ợng một đơn vị trọng l−ợng chất lỏng (tỷ năng) ở cao trình mực n−ớc th−ợng l−u (hình 11). b bb b Zg CPE ++= 2 2 γ (2.1) ở cao trình mực n−ớc hạ l−u: H HH H Zg CPE ++= 2 2 γ (2.2) Trong đó: Zb, ZH - cao độ mực n−ớc th−ợng l−u và hạ l−u so với mặt chuẩn so sánh . 0- 0. γ- Trọng l−ợng riêng của n−ớc. Hiệu số năng l−ợng Eb và EH là cột n−ớc toàn phần của trạm thuỷ điện. Hb HbHb Hb ZZg CCPPEEH −+−+−=== 2 22 γδ (2.3) Mực n−ớc th−ợng l−u và hạ l−u ở áp suất khí quyển do đó: `atHb PPP == NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 16 Vận tốc n−ớc chảy ở th−ợng l−u và hạ l−u th−ờng không lớn và chúng không khác nhau bao nhiêu, có nghĩa là: Hb CC ≈ Do đó cột n−ớc toàn phần Hδ (2.3) thực tế bằng hiệu số mực n−ớc th−ợng l−u và hạ l−u. HbHb ZZEEH −=−=δ Nh−ng tua bin không thể sử dụng toàn bộ cột n−ớc toàn phần Hδ. Một phần năng l−ợng ∆Hn tiêu hao do tổn thất dọc đ−ờng và tổn thất cục bộ trên đ−ờng dẫn và đ−ờng ống áp lực mà trong tr−ờng hợp tua bin phản kích cột n−ớc cao chúng có chiều dài lớn, và tiêu hao trên các bộ phận dẫn dòng mà những bộ phận này không thuộc vào các bộ phận của tua bin. Một phần khác ∆Hn (chỉ đối với tua bin xung kích) bị mất đi do độ cao đặt BXCT cao hơn mực n−ớc hạ l−u. Nh− vậy cột n−ớc mà tua bin sử dụng có thể viết d−ới dạng. nn HHHH ∆−∆−= δ (2.4) Cột n−ớc tốt nhất là trực tiếp xác định bằng hiệu tỷ năng dòng chảy tr−ớc và sau tua bin. Tr−ớc tua bin ở tiết diện cửa vào 1: 1 1 21 1 2 Z g CPE ++= γ (2.5) Tiết diện cửa vào lấy ở đoạn ống thẳng của đ−ờng ống nằm giữa van và bộ phần dẫn dòng. Giả thiết l−u tốc và áp suât đ−ợc phân bố đều trên toàn tiết diện này. Nh− vậy P1, C1 là áp suất, vận tốc tại tiết diện 1, Z1 - cao trình trung tâm tiết diện 1. Nếu Q là l−u l−ợng chảy qua tua bin thì: 1 1 F QC = (2.6) Trong đó: F1 - diện tích tiết diện 1. áp suất P1 đ−ợc đo bằng áp kế. Nếu áp kế đặt cao hơn tâm tiết diện 1 một khoảng a1 thì: NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 17 1 11 aPP m += γγ (2.7) Trong đó: Pm1 - chỉ số của áp kế. Tỷ năng dòng chảy sau tua bin phản kích đ−ợc xác định tại tiết diện cửa ra của ống hút. Vì trị số động năng của dòng chảy khi ra khỏi tua bin phụ thuộc vào kết cấu tua bin (tua bin càng hoàn thiện thì đại l−ợng này càng nhỏ) nếu tỷ năng của dòng chảy ra khỏi tua bin chỉ tính phần thế năng còn toàn bộ phần động năng đ−ợc tính là tổn thất của tua bin. Đối với tua bin phản kích tính nh− vậy ở mức độ nhất định chỉ là giả định bởi vì vận tốc cửa ra ngay cả về mặt lý thuyết cũng không thể bằng không. ở các tua bin xung kích, tỷ năng dòng chảy ở cửa ra đ−ợc xác định khi dòng chảy ra khỏi cánh BXCT, ở đó vận tốc tuyệt đối về lý thuyết có thể bằng không. Vì vậy trong tr−ờng hợp này có cơ sở để lấy C2 = 0. áp cửa ra là áp suất khí quyển và nếu sử dụng áp suất d− thì P2 = 0. Nh− vậy: E2 = Z2 (2.8) và : g CPZaZEEH m 2 2 11 21121 ++−+=−= γ (2.9) ở đây Z2 cao độ của điểm dòng chảy ra khỏi BXCT. Nh−ng dòng chảy ra khỏi BXCT không phải qua một điểm mà dọc theo các lá cánh của BXCT. Ngoài ra cánh BXCT lại chuyển động không ngừng và các điểm ra thực tế cũng thay đổi. Do đó cao độ điểm cửa ra tính toán đ−ợc lấy ở một điểm trung bình nào đó: ở tua bin trục ngang lấy ở giao điểm của trục dòng phun với đ−ờng bán kính BXCT vuông góc với nó. Công suất của dòng chảy qua tua bin: QHQHNH 81,9102 == γ KW (2.10) Trong đó: γ = 100 Kg/m3; Q - m3/s. Công suất của tua bin: N = NH.η = 9,81.QHη (2.11) NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 18 Trong đó: η - hiệu suất tua bin. Bánh xe công tác của tua bin xung kích chỉ sử dụng động năng của chất lỏng. Do đó cơ cấu h−ớng n−ớc tua bin cần phải biến đổi thế năng của chất lỏng thành động năng. Xem tổn thất trong bộ phận phân dòng là ∆HK ta có cột n−ớc tr−ớc cơ cấu h−ớng n−ớc là: Ke HHH ∆−= (2.12) Động năng dòng chảy khi ra khỏi vòi phun đ−ợc xác định; cHcg C η. 2 2 = ở đây c - vận tốc dòng phun; ηc - hiệu suất của vòi phun. Từ đây ta có công thức Torichell về sự chẩy của chất lỏng d−ới cột n−ớc không đổi: cxc gHgHC 221 ϕη == (2.13) ở đây cηϕ = - hệ số l−u tốc Vòi phun của tua bin XK2L có dạng hình chữ nhật và dòng phun sẽ có tiết diện hình chữ nhật, điều đó sẽ phù hợp hơn với hình dạng của cánh. Trong các thí nghiệm tr−ớc đây cho thấy rằng những dòng phun từ các vòi nh− vậy biến dạng nhiều trên đoạn chảy tự do trong khí quyển vì chịu ảnh h−ởng của lực kéo mặt. Tiết diện dòng phun bị thu nhỏ theo chiều chuyển động và do đó sẽ bị mất một phần năng l−ợng. Sự chuyển động vòng của chất lỏng trong cánh sẽ xấu đi. Mặc dù vậy, ở các tua bin XK2L và các loại tua bin phản kích khác, tiết diện dòng phun phải có dạng hình chữ nhật. 2.2. Tác dụng t−ơng hỗ giữa dòng tia và tấm bản Tác dụng t−ơng hỗ của dòng tia lên bản phẳng cố định vuông góc với dòng tia: Giả thiết chất lỏng là lý t−ởng, có thể coi trị số tuyệt đối của chất lỏng khi ra khỏi bản (v2) bằng trị số vận tốc tuyệt đối của vận tốc dòng tia ban đầu(v1). Dòng tia tác dụng lên bản phẳng với lực P. Ta có ph−ơng trình biến thiên động l−ợng: NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 19 fv gx vxvQgx kxkP 2 1)21(21 γγ =−=−= (2.14) Trong đó: k1x, k2x - động l−ợng theo chiều dòng tia tr−ớc và sau tấm bản (theo ph−ơng x). v1x, v2x- hình chiếu vận tốc lên chiều dòng tia tr−ớc và sau khi gặp tấm bản. f - diện tích động mặt cắt ngang phun. Sự phân bố áp suất trên tấm bản theo thực nghiệm nh− hình 2.1: Hình 11: Sơ đồ dòng tia chảy lan trên mặt bản cố định kích th−ớc không giới hạn đặt vuông góc với trục dòng tia. Trong tr−ờng hợp tổng quát hơn xét bản cong có kích th−ớc hạn chế đối xứng nh− sơ đồ Hình 12. Nh− trên ta có: )( 21 xx vvg QP −= γ (2.15) 0P x f 0.991V1 2/2g V1 V2 V2 I I IIII IIII NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 20 Hình 12: Sơ đồ dòng tia chảy lên tấm bản cong đối xứng ở đây: v1x = v; v2x = v1x.cosβ Do đó: )βcos1(γ)βcos1(γ 2 11 −=−= f g v g QvP (2.16) Từ công thức này ta thấy rằng lực P sẽ lớn nhất khi β = 1800 và trong tr−ờng hợp này: f g vP 2 1γ2= (2.17) Nếu f1 là hình chiếu của bản cong lên ph−ơng vuông góc với x, áp lực trung bình lên tấm bản là: 1 2 1 1 2 gf fv f php == γ (2.18) vì g vHhp 2 2 1=≤ suy ra f1 ≥ 4f (2.19) 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. Nguyên tắc lý thuyết này đ−ợc sử dụng để lựa chọn kích th−ớc của BCT tua bin xung kích. x f V2 V1 V2 f1 β NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 21 Trên đây ta đã nói đến lực tác dụng t−ơng hỗ giữa dòng tia và tấm bản. Sự tác động này sẽ đơn thuần là lực và không có sự trao đổi năng l−ợng nếu nh− tấm bản đứng yên. Muốn cho tấm bản nhận đ−ợc năng l−ợng từ dòng tia, nó phải chuyển động với vận tốc u nào đó (sơ đồ trên Hình 13). Lúc này vận tốc của dòng tia so với tấm bản: w = c – u (2.20) Trong đó: u – vận tốc theo c – vận tốc tuyệt đối. Sau một đơn vị thời gian, khối l−ợng n−ớc chảy lên tấm bản là: wf g m .γ= (2.21) Hình 13: Sơ đồ dòng tia lên tấm bản cong đang chuyển động theo trục của dòng tia. Động l−ợng ban đầu: 11 fwcg k γ= (2.22) Vận tốc tuyệt đối khi ra: c2 =u + w.cosβ (2.23) u x f W C W f1 β NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 22 Động l−ợng cuối cùng là: )cos(