Báo cáo 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 l−ợng tái tạo trong chế biến nông, lâm, thủy sản, sinh hoạt nông thôn và bảo vệ môi tr−ờng” Chủ nhiệm đề tài: TS Hoàng Văn thắng 5817-1 16/5/2006 hà nội – 5/2006 Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi Lời nói đầu Ch−ơng I. Mở đầu 2 1.1. Đặt vấn đề. 2 1.2. Ph−ơng pháp nghiên cứu. 2 Ch−ơng II. Tổng quan về tua bin tia nghiêng 3 2.1. TBTN của hãng GILKES. 4 2.2. TBTN do Trung Quốc sản xuất. 6 2.3. Một số thông tin khác. 8 2.4. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng TBTN ở Việt Nam. 8 Ch−ơng III. Cơ sở lý thuyết và các kết quả nghiên cứu tBTN 9 3.1. Cơ sở lý thuyết TBTN. 9 3.1.1. Tác động t−ơng hỗ giữa dòng tia và tấm bản. 9 3.1.2. Lý thuyết đơn giản của TBTN. 14 3.2. Thiết kế TBTN. 17 3.2.1. Biên dạng phần dẫn dòng của TBTN. 18 3.2.2. Thiết kế bộ phận h−ớng dòng (vòi phun). 22 3.2.3. Bộ phận lái, cắt dòng. 27 3.2.4. Dòng tia tự do trong không khí. 28 3.2.5. Nghiên cứu, thiết kế bánh xe công tác. 29 3.2.6. Vỏ tua bin. 33 3.2.7. Bố trí các bộ phận cơ bản của TBTN. 33 3.3. Chọn kết cấu tổ máy, số vòi phun. 34 3.4. Ph−ơng pháp thiết kế TBTN. 36 3.4.1. Chọn các kích th−ớc cơ bản. 36 3.4.2. Xây dựng ch−ơng trình tính các thông số chính của TBTN. 38 Ch−ơng IV. Nghiên cứu thực nghiệm tBTN 43 4.1. H−ớng nghiên cứu TBTN. 43 Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 4.1.1. Vòi phun. 43 4.1.2. Bánh xe công tác. 43 4.1.3. T−ơng quan giữa vòi phun và bánh công tác. 43 4.2. Thiết kế TBTN mô hình. 44 4.2.1. Lựa chọn kết cấu. 44 4.2.2. Lựa chọn kích th−ớc, thông số cơ sở TBTN mô hình. 44 4.2.3. Tính toán các thông số cơ bản của TBTN mô hình. 44 4.2.4. Thiết kế bánh xe công tác. 45 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 Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 1 Lời nói đầu Mặc dù nguồn và l−ới điện quốc gia phát triển mạnh, nh−ng theo đánh giá của ngành năng l−ợng, tới năm 2010 vẫn còn khỏang 400 xã ch−a đ−ợc sử dụng điện từ l−ới quốc gia vì chi phí quá cao cho phát triển l−ới 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 l−ợng tái tạo khác để cấp điện là một giải pháp kinh tế bền vững, góp phần bảo vệ môi tr−ờng. Trên thế giới, thủy điện vừa và nhỏ ngày càng đ−ợc quan tâm sử dụng không chỉ ở các n−ớc đang phát triển mà còn ở ngay các n−ớc phát triển nh− 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 tr−ờng trong n−ớc lại vừa có khả năng xuất khẩu. Tua bin tia nghiêng là loại tua bin có đặc tính năng l−ợng tốt: hiệu suất khá cao và đ−ờng hiệu suất phẳng, vùng làm việc t−ơng 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 đ−ợc nghiên cứu, dựa trên nguyên tắc về các tiêu chuẩn t−ơng tự, chúng ta sẽ có đ−ợc gam tua bin này. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 2 Ch−ơng 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 tr−ờng 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 n−ớc ngoài nh− 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 l−ợng tốt. Do vậy đề tài đã đặt vấn đề nghiên cứu TBTN cho thủy điện nhỏ trong giới hạn b−ớc đầu là các tua bin có công suất d−ới 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. Ph−ơng pháp nghiên cứu. Khi bắt đầu b−ớc 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 n−ớc ngòai cũng rất thiếu. Do vậy đề tài sử dụng các ph−ơng 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 l−ợng 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 tr−ờng. - Xây dựng các chỉ tiêu thiết kế chung để nhân rộng từ mô hình ra tua bin thực. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 3 Ch−ơng II. Tổng quan về tua bin tia nghiêng Ngay từ thế kỷ 15, Leona de Vinci đã phát minh ra dạng bánh xe n−ớc, đó chính là dạng sơ khai nhất của TBTN ngày nay. Hình 1. Dạng TBTN cổ nhất còn giữ lại đ−ợc 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 đ−ợc sử dụng cho phạm vi rộng nhất là: H = 300 m 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 đ−ợc đánh giá vào khỏang 86 ữ 87%. Một số nhà nghiên cứu nổi tiếng về TBTN nh−: шиΠyлин и. Φ (I. F. Sipulin); Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 4 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: 2.1. TBTN của hãng GILKES. Hãng GILKES sản xuất tua bin thủy lực từ năm 1856 và đã bán sản phẩm ra hơn 80 n−ớc trên thế giới. Gam TBTN do hãng giới thiệu có phạm vi làm việc: H = 20 ữ 300 m P = 50 ữ 10.000kW Với kết cấu trục ngang (hình 2), bánh công tác đ−ợc lắp công sôn trên trục tua bin. Cấp đ−ờng kính bánh công tác D1= 30, 33, 36, 40, 44, 48, 53, 58, 64, 71, 78, 88, 94, 104, 114cm. Phạm vi sử dụng nh− ở hình 3. Hình 2. Kết cấu TBTN của hãng GILKES Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 5 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. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 6 2.2. TBTN do Trung Quốc sản xuất. Trung quốc sử dụng rộng rãI TBTN cho thủy điện vừa và nhỏ với kết cấu trục ngang, 1 vòi phun (hình 5). Hình 5. Kết cấu TBTN do Trung Quốc chế tạo TBTN đ−ợc tiêu chuẩn hóa thành 2 mẫu XJ13 và XJ02 với phạm vi làm việc: H = 30 ữ 150 m P = 5 ữ 1250 kW. Cấp đ−ờng kính bánh công tác D1= 12, 20, 25, 32, 40, 50cm Đ−ờng kính dòng tia d0= 5, 6, 7, 9, 11 và 12,5cm. Bộ điều tốc đ−ợc sử dụng là điều tốc cơ khí - thủy lực. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 7 Hình 6. Biểu đồ sử dụng sản phẩm TBTN XJ02 do Trung Quốc sản xuất Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 8 2.3. 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). Hình 7. Sơ đồ kết cấu TBTN nhiều vòi phun của hãng NEWMILLS HYDRO 2.4. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng TBTN ở Việt Nam. ở n−ớc 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 đ−ợc đ−a 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 −u điểm của TBTN phục vụ phát triển thủy điện nhỏ và cực nhỏ trong n−ớc, gần đây Trung Tâm Thủy Điện - Viện Khoa học Thủy lợi đã đầu t− nghiên cứu ứng dụng lọai tua bin này và b−ớc đầu đã đạt đ−ợc nhũng kết quả tốt tạo tiền đề cho các nghiên cứu sâu hơn. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 9 Ch−ơng III. 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 nghiêng α (hình 8) Hình 8. Dòng chất lỏng phun vào BCT TBTN Cơ sở lý thuyết của TBTN đ−ợc dựa trên lý thuyết về tác động t−ơng hỗ giữa dòng tia và tấm bản. 3.1. Cơ sở lý thuyết TBTN. 3.1.1. Tác động t−ơng 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 t−ởng, áp dụng ph−ơng trình động l−ợng, ta có lực P do chất lỏng tác động lên tấm bản là: α x f V2 V1 V2 f1 β Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 10 )βcos1(γ)βcos1(γ 2 11 −=−= f g v g QvP (3.1) 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= (3.2) 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 (3.3) vì g vHhp 2 2 1=≤ 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 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. 3.1.1.2. Tấm bản cong đối xứng chuyển động theo trục dòng tia. Trên đây ta đã nói đến lực tác dụng t−ơng hỗ giữa dòng tia và tấm bản. Khi tấm bản đứng yên sẽ không có trao đổi năng l−ợng. 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 10). Lúc này vận tốc của dòng tia so với tấm bản: w = c - u (3.5) 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= (3.6) Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 11 Hình 10. Sơ đồ dòng tia lên tấm bản cong đang chuyển động theo trục của dòng tia. áp dụng ph−ơng trình động l−ợng, ta có: )cos1()(γ 2 β−−= uc g fP (3.7) Công suất do lực P sinh ra: )cos1()(γ. 2 β−−== uuc g fuPNn (3.8) Công suất của dòng tia: f g cQ g cN z 2 γ 2 22 == γ (3.9) Hiệu suất thủy lực: 3 2 )cos1()(2 c uuc N N z n th βη −−== (3.10) Hiệu suất thủy lực lớn nhất η max : )cos1( 27 8 max βη −=th (3.11) Hiệu suất cực đại ηth max có giá trị lớn nhất khi β = 1800 1 27 16 max <<=thη (3.12) Điều này đ−ợc giải thích rằng khi tấm bản dịch chuyển ra xa nơi xuất phát dòng tia, chỉ có một phần chất lỏng tác dụng đ−ợc lên nó, l−u l−ợng của phần chất u x f W C W f1 β Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 12 lỏng này tỷ lệ với vận tốc t−ơng đối w = c - u. Nếu u càng nhỏ, lực tác dụng lên tấm bản càng lớn nh−ng khi u = 0 chất lỏng sẽ không truyền năng l−ợng cho tấm bản nữa. Muốn cho tấm bản nhận toàn bộ năng l−ợng 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 l−ợng là: fc g m γ= (3.13) Kết quả ta có: )βcos1)((γ −−= ucfc g P (3.14) Công suất do lực sinh ra: )βcos1()(γ −−== uucfc g PuNn (3.15) Hiệu suất thủy lực: 2 )cos1()(2 c uuc th βη −−= (3.16) cũng t−ơng tự nh− trên ta tìm đ−ợc u tối −u: 2 cutu = (3.17) Hiệu suất cực đại lúc này là: )cos1( 2 1 max βη −=th (3.18) Khi β = 1800 thì ηth max = 1 Nh− vậy về mặt lý thuyết, tấm bản có thể nhận toàn bộ năng l−ợng dòng tia. Kết luận này mang ý nghĩa về nguyên tắc đối với tua bin xung kích. 3.1.1.3. Tấm bản cong chuyển động d−ới một góc α với trục dòng tia. Bây giờ ta xét tr−ờng 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 t−ơng đối: αcos222 uucw −+= Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 13 c2 w2 u β2 β1 αc1 u w1 u Hình 11. Sơ đồ dòng tia tác động lên tấm bản cong đang chuyển động d−ới một góc so với trục của dòng tia Để thoả mãn yêu cầu về điều kiện chảy vào của dòng tia, h−ớng của w phải trùng với tiếp tuyến của tấm bản. Góc β1 biểu thị h−ớng của vận tốc t−ơng đối w1 với h−ớng chuyển động của bản đ−ợc xác định từ tam giác vận tốc cửa vào: 1 11 αsin βsin w c= (3.19) Lực tác động lên bản theo h−ớng chuyển động: )αcos...2βcos-αcos.(γ 222 ucucucg QP −+−= (3.20) Công suất do lực P sinh ra: )αcos...2βcos-αcos..(.γ. 222 ucucucug QuPNn −+−== (3.21) Hiệu suất thủy lực sẽ là: 2 22 2 th )αcos...2-βcos-αcos..(.2η c ucucucu +−= (3.22) Lực tác động theo h−ớng vuông góc với chuyển động cũng xác định t−ơng tự: )αcos...2βsinαsin.(γ 222 ucuccg QP −+−= (3.23) Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 14 Trên đây là các ph−ơng 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 ph−ơng vuông góc với dòng tia để thu đ−ợc hiệu quả cao là 841 ữ= f f . - Vận tốc chuyển động tối −u của tấm bản để thu nhận năng l−ợng là: utu= 2 c - Khi β = 1800, ηth = 1. (ở điều kiện lý t−ởng) 3.1.2. Lý thuyết đơn giản của TBTN. Trong TBTN, n−ớc chảy vào BCT tạo với mặt phẳng quay một góc ∝. Dòng chảy vào BCT từ một mặt và ra khỏi ở mặt khác. N−ớc 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 −u 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 đ−ợc 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 c2 u w2 cu2 α2β2 β1 α1 w1 c1 u cu1 d Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 15 Giá trị của vận tốc t−ơng đối xác định theo công thức: αcos..222 ucucw −+= Giả thiết rằng tiếp tuyến với mặt trong của cánh đi qua cạnh cửa vào và trùng với h−ớng vận tốc w1. Từ ph−ơng trình cơ bản của tua bin: ηgH = ω.(cu1r1 - cu2r2) (3.24) Trong đó: r1 = r2 = 2 1D và ω.r1 = ω.r2 =u cu1 = c1cosα1 = w1cosβ1+ u (3.25) cu2 = c2cosα2 = u - w2cos(1800 - β2) (3.26) Trong đó: - α1, α2 là góc giữa véc tơ vận tốc tuyệt đối tại cửa vào c1 và cửa ra c2 với vectơ vận tốc u; - β1, β2 là các góc giữa vectơ vận tốc t−ơng đối tại cửa vào w1 và cửa ra w2 với vec tơ vận tố theo u. Từ đây hiệu suất sẽ là: )]β180cos(ξβ[cos2 )]}β180cos([]βcos{[η 2 0 12 1 1 2 2 0 211 TL −+= =−−−+= c uw gH wuuwu ϕ (3.27) Trong đó: 1 2 W W=ξ ϕ : Hệ số vận tốc mũi phun gH c 2 1=ϕ (3.28) Biến đổi ta có: )cos(cos sin sin)sin(2 21 1 2 1112 βξββ ααβϕη −−=TL (3.29) Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 16 Nh− vậy hiệu suất thuỷ lực của TBTN phụ thuộc vào các góc α1, β1, β2. Ta cần phải xác định các giá trị tối −u của các góc này. ở công thức (3.29) ta thấy ηTL đạt max khi cosβ2 = -1 hay β2 = 1800. Để tìm giá trị tối −u của α1 ta cần tìm đạo hàm riêng của η theo α1. 0 βsin βcosξβcos]βcosαsinαcos2)αsinα(cosβ[sin2 δα δη 1 2 21 1111 2 1 2 1 2 1 th =−−−= ϕ Kết quả: α1 = 2 1β (3.30) Thay vào (3.29) ta có : ]βcosξβ[cos βsin 2/βsin2η 21 1 2 1 2 2 maxth −= ϕ (3.31) Sau khi biến đổi ta có: 1 212 max cos1 coscos β βξβϕη + −=th (3.31a) Lấy đạo hàm riêng của (3.31a) theo β1 ta có: 0 )cos1( )cos1(sin 2 1 212 1 max =+ +=∂ ∂ β βξβϕβ ηth (3.32) Nh− vậy hiệu suất cực đại theo lý thuyết đơn giản khi: α1 = 0; β1 = 0; β2 = 1800 (3.33) Lúc đó: 2 12 max ξϕη +=th (3.34) Nếu giả thiết chất lỏng là lý t−ởng thì ϕ = 1; ξ = 1 ta có: ηth max = 1 Nh− vậy về mặt lý thuyết, hiệu suất thủy lực của TBTN có thể bằng 1. Nh−ng để đạt đ−ợc 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 ph−ơng của BCT. Trên thực tế điều này không thể có đ−ợc vì nếu dòng chảy ra với góc β2 =1800 thì dòng chảy ra của cánh tr−ớc đập vào l−ng cánh sau. Nhìn vào sơ đồ làm việc của TBTN ta cũng thấy không thể tạo đ−ợc góc dòng vào α1 = 00. Nh− 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 −u về giá trị lớn hơn Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 17 hoặc nhỏ hơn hiệu suất đều giảm đi vì tổn thất liên quan đến vận tốc cửa ra tăng. 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 h−ớng của vận tốc t−ơng 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 −u điểm của nó nh− đã phân tích ở ch−ơng I, TBTN đ−ợc vẫn đ−ợc sử dụng rộng rãi cho thủy điện nhỏ. Khi thoả mãn điều kiện α1 = 2 1β , tam giác vận tốc tại cửa vào sẽ là tam giác cân (u = w1) và vận tốc cửa ra là nhỏ nhất vì w2 ≈ w1 = u. Vận tốc tối −u đ−ợc xác định: 1 1 cos2 α cutu = (3.35) suy ra 1cos2 1 αψ =tu (3.36) Các thí nghiệm tại viện nghiên cứu máy thủy lực Liên Xô cũ (вигм) cho thấy rằng ψtu = 0,46 ữ 0,47. Sau cùng, theo (3.20); (3.23) và (3.22) ta có: Lực tác dụng lên BCT theo chiều quay là: )cos21cos(cos 1 2 21 αψψβψαγ −+−−= g QCPu (3.37) Lực h−ớng trục là: )cos21sin(sin 1 2 210 αψβαγ −+−= g QcP (3.38) Và hiệu suất với ϕ = 1; ξ = 1 là: )cos21cos(cos2 1 2 21 αψψβψαψη −+−−= (3.39). 3.2. Thiết kế TBTN. Các bộ phận và tham số cơ bản trong TBTN bao gồm: Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 18 + Các bộ phận chính: - Vòi phun, kim phun và bộ phận chuyển tiếp từ ống dẫn. - Bánh công tác ua bin - Buồng tua bin + Các tham số cơ bản: - Tỷ số: 0 1 d D - Khỏang cách mũi phun đến bánh công tác, chất l−ợng 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 l−ợng 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 đ−ờng 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 tr−ờng vận tốc phân bố đều, không xóay tr−ớc bộ phận h−ớng dòng. - Có kích th−ớc nhỏ gọn. - Đối với các trạm thủy điện nhỏ, kích th−ớc 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 đ−ợc nghiên cứu khá sâu. Do vậy, có thể phân tích lựa chọn các kích th−ớc cho phù hợp. Việc lựa chọn các kích th−ớc ống dẫn tiến hành nh− sau: Đ−ờng kính ống dẫn xác định theo công thức: dod= (3 ữ 3,5)dvp (3.40) Trong đó: dod: đ−ờng kính ống dẫn dvp: đ−ờng kính vòi phun Nh− vậy: dod= (3ữ3,5)*1,2d0 V0= (13ữ17,6)Vod Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 19 Hay: K0=(170ữ300)Kod Trong đó: K0: động năng dòng chảy tại mũi phun Kod: động năng dòng chảy trong ống dẫn Do tổn thất thủy lực trong ống dẫn tỷ lệ thuận với thành phần động năng dòng chảy nên với lựa chọn trên, tổn thất trong ống dẫn là rất nhỏ. Từ công thức xác định vận tốc của dòng chảy qua mũi phun: V0= gH2*ϕ với ϕ = 0,96 ữ 0,98, chọn với ϕ = 0,7 Suy ra: Vod=(0,075ữ0,055)* gH2 (3.41) Với các tổ máy thủy điện nhỏ, có thể chọn Vod=0,09* gH2 (3.42) Hình dạng và kích th−ớc t−ơng quan của ống dẫn: Kết quả nghiên cứu về mũi phun tại nhà máy kim khí Lêningrát về 3 ph−ơng 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 nh− bảng 1. Ph−ơng án a, tổ chức dòng tia tốt nhất, tổn thất thủy lực nhỏ nh−ng kích th−ớc cồng kềnh, ph−ơng 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 ph−ơng án b. Một l−u ý trong thiết kế là dòng tia nở ra sau mặt cắt co hẹp với tỷ lệ Φ = %5,19 %100*36 3643 =− . Khi thiết cần thu hẹp khỏang cách giữa BCT và vòi phun và lựa chọn tỷ số 0 1 d D phù hợp để không gây hiện t−ợng dòng tia phun lên vành và bầu BCT. (a) Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 20 (b) (c) Hình 13. Các ph−ơng án khuỷu cong của bộ phận dẫn n−ớc đến Bảng 1 Ph−ơng án Độ mở S L−u l−ợng d0(mm) d cách vòi 170mm a b c 40 20,72 20,15 20,72 33 36 31 37 43 45 a b c 20 16,86 16,6 16,86 30 31 31 31 38 38 a b c 7,5 8,03 8,24 8,83 21 22 22 22 26 27 Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 21 3.2.2. Thiết kế bộ phận h−ớng dòng (vòi phun). Bộ phận h−ớng 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 l−u l−ợng tua bin. Vòi phun hình côn tiết diện tròn với van kim đồng trục dịch chuyển theo h−ớng 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, l−u l−ợng sẽ tăng. Biên dạng của vòi phun sao cho l−u l−ợng thay đổi đều phụ thuộc vào hành