Báo cáo Khoa học Nghiên cứu, thiết kế , chế tạo thử nghiệm tua bin thuỷ 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 tới đặc tính không gian của dòng ng−ời ta cần chú ý tới sự t−ơng tác giữa các phần tử của phần dẫn dòng. Xu h−ớng 2,3 và đặc biệt là xu h−ớng 4 đặt việc thiết kế tính toán bánh công tác trong tổng thể toàn phần dẫn dòng. Vì các ph−ơng trình mô tả dòng chảy trong tua bin có dạng eliptic nên sự làm việc của bất kỳ phần tử nào đều chịu ảnh h−ởng của các phần tử khác trong phần dẫn dòng một cách trực tiếp hay gián tiếp nên đây là xu h−ớng hiện đại nhất và cũng chỉ phát triển trong những năm 90 khi những ph−ơng pháp giải số nh− ph−ơng pháp phần tử hữu hạn hoặc ph−ơng pháp phần tử biên có những thành công nhất định. Các ph−ơng pháp này đòi hỏi phải giải lặp nhiều lần hệ ph−ơng trình có ẩn số lên tới hàng chục ngàn (nếu chia toàn phần dẫn dòng ra khoảng 3000 phần tử) do vậy cần có máy tính và các phần mềm mạnh. Cùng với điều đó là các số liệu thí nghiệm trên mô hình để giúp cho việc mô tả toán học sự t−ơng tác giữa các phần tử đ−ợc chính xác. Hiện nay việc thực hiện xu h−ớng này chỉ có đ−ợc tại các trung tâm tính toán mạnh gắn liền với phòng thí nghiệm máy thuỷ lực có lịch sử hoạt động đủ dài để có đ−ợc một chuỗi số liệu thí nghiệm đủ lớn. Do vậy d−ới đây chỉ đi sâu về đặc tính không gian của dòng và các bài toán thiết kế có liên quan. Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột n−ớc thấp Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thuỷ Lợi 20 Đặc tính không gian của dòng chảy trong phần dẫn dòng. Kết cấu dòng trong phần dẫn dòng tua bin rất phức tạp do các nguyên nhân sau: - Phần dẫn dòng có độ cong thay đổi dọc theo dòng rất đáng kể dẫn tới sự không đều của vận tốc và áp suất ở các tiết diện khác nhau của dòng. - Số l−ợng hữu hạn của cánh h−ớng dòng và cánh bánh công tác gây ra sự thay đổi vận tốc và áp suất theo toạ độ và thời gian ở các tiết diện của dòng. - Kết cấu của dòng phức tạp do ảnh h−ởng của độ nhớt, đặc biệt ở trong các chế độ khác với chế độ tính toán. Sự phát triển của lớp biên và sự tách lớp biên khỏi mặt chảy bao dẫn tới phức tạp hoá mặt dòng do đó làm thay đổi rất đáng kể mặt dòng so với mặt dòng đối xứng trục. Để nghiên cứu dòng không gian trong phần dẫn dòng ng−ời ta th−ờng sử dụng hệ toạ độ cong địa ph−ơng q1, q2, q3. Trục q1 là giao tuyến giữa mặt kinh tuyến và mặt dòng đối xứng trục và h−ớng theo dòng chảy. Trục q3 là giao tuyến giữa mặt phẳng vuông góc với đ−ờng tâm trục tua bin và mặt dòng đối xứng trục. Trên mặt phẳng kinh tuyến trục q2 là những đ−ờng vuông góc với đ−ờng dòng của dòng kinh tuyến. Khái niệm về các bài toán trong lý thuyết máy turbo. Các nghiên cứu tính toán lý thuyết các quá trình công tác của tua bin thuỷ lực (tính toán sự trao đổi năng l−ợng giữa dòng và bánh công tác trong phần dẫn dòng với việc tính tới các tổn thất thuỷ lực ) liên quan tới việc sử dụng ph−ơng trình chuyển động, năng l−ợng, động l−ợng trong dòng tuyệt đối cũng nh− t−ơng đối. Các nghiên cứu tính toán và thiết kế phần dẫn dòng tua bin dựa trên việc sử dụng các sơ đồ thuỷ lực với các giả thiết làm đơn giản hoá hình ảnh thực tế của dòng chảy để có thể mô tả bằng các ph−ơng trình toán học. Trong lý thuyết tua bin thuỷ lực th−ờng nghiên cứu các vấn đề sau: - Nghiên cứu tính toán dòng chất lỏng lý t−ởng trong phần dẫn dòng đã cho và thiết kế cánh khi đã biết dạng dòng (th−ờng gọi là bài toán thiết kế tính toán dãy cánh trên mặt dòng đối xứng trục). Phụ thuộc vào điều kiện cụ thể mà ng−ời ta chia ra thành bài toán thuận và nghịch. + Trong bài toán thuận giả thiết rằng đã biết dạng của vật bị chảy bao và cho các điều kiện biên cần thiết, xác định phân bố vận tốc, áp suất trong vùng đ−ợc Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột n−ớc thấp Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thuỷ Lợi 21 khảo sát. + Trong bài toán nghịch thì cho biết các số liệu nào đó về đặc tính của dòng đủ để giải bài toán xác định đ−ợc hình dáng vật chảy bao. Trong lý thuyết tính toán máy turbo thì bài toán thuận đ−ợc sử dụng để tính toán kiểm tra chảy bao hệ cánh đã có với mục đích đánh giá các chỉ số của chúng còn bài toán nghịch dùng để thiết kế cánh trong các điều kiện đã cho. - Nghiên cứu dòng chảy thứ cấp : Là sự nghiên cứu dòng chảy có dạng mặt dòng khác với chuyển động đối xứng trục đ−ợc thừa nhận. Để xác định gần đúng dạng dòng trong bánh công tác với các giả thiết đ−ợc thừa nhận ng−ời ta sử dụng bài toán thuận mặt dòng đối xứng trục. Sự làm chính xác mặt dòng trong quá trình giải bài toán thuận cho phép tìm ra h−ớng để làm tốt hình dạng hình học phần dẫn dòng và làm giảm tổn thất năng l−ợng phụ. Bài toán nghịch thì cho biết tr−ớc phân bố rcun tại các mép vào và ra của cánh tiến hành xác định dòng kinh tuyến. - Nghiên cứu dòng chất lỏng thực và tổn thất thuỷ lực nhờ lý thuyết lớp biên. Giai đoạn đầu tiên là thực hiện các tính toán đối với dòng chất lỏng lý t−ởng trong phần dẫn dòng, cho phép tính gần đúng phân bố vận tốc và áp suất trên bề mặt cánh. Giai đoạn thứ hai là tính toán lớp biên và tổn thất profil cánh cho khả năng trên cơ sở phân tích các số liệu tính toán nhận đ−ợc để chọn lựa ph−ơng án tối phần dẫn dòng. Nh−ng để có sự lựa chọn cuối cùng cần phải có những thí nghiệm trên mô hình vì các tính toán đều phải dựa trên các giả thiết gần đúng mô tả quá trình công tác của tua bin. Các thí nghiệm còn cho các số liệu cho phép làm chính xác và hoàn thiện hơn các ph−ơng pháp tính toán phần dẫn dòng. Sự nghiên tính toán lý thuyết dòng chảy chỉ có khi thừa nhận một số giả thiết, từ đó có thể mô tả và phân tích dòng nhờ công cụ toán học. Thông th−ờng thừa nhận giả thiết sau: dòng trong phần dẫn dòng là không nhớt, không nén đ−ợc, dòng trung bình là ổn định, chuyển động của các phần tử chất lỏng xảy ra dọc theo mặt dòng tròn quay. Trong lý thuyết máy tuabin phụ thuộc và số toạ độ mà sự thay đổi của các thông số của dòng đ−ợc tính mà chia ra dòng một chiều, dòng hai chiều, dòng ba chiều. - Dòng một chiều chỉ tính tới sự thay đổi của các thông số dọc theo mặt dòng Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột n−ớc thấp Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thuỷ Lợi 22 tức là dọc theo toạ độ q1. - Dòng hai chiều tính tới sự thay đổi của các thông số theo hai toạ độ q1 và q2. Dòng đ−ợc coi là đối xứng trục nghĩa là không tính tới sự thay đổi vận tốc và áp suất dọc theo toạ độ q3. Sự xác định đ−ờng dòng và pháp tuyến với đ−ờng dòng, phân bố vận tốc trên đ−ờng dòng và pháp tuyến của nó là nhiệm vụ cơ bản khi xây dựng dòng kinh tuyến. Ph−ơng pháp này đ−ợc sử dụng khá phổ biến trong thực tế vì nó mô tả tình hình dòng chảy chính xác hơn dòng một chiều và cũng đủ đơn giản để cho phép tính bằng tay. - Dòng ba chiều: Trong dòng thực của máy turbo vận tốc và áp suất thay đổi theo cả ba toạ độ. Vì rằng vận tốc và áp suất thay đổi theo khi giữa các cánh nên mặt dòng thực tế không phải là mặt tròn quay. Do đó sự chảy bao xảy ra không phải trên mặt đối xứng trục Sm mà theo mặt dòng bậc S1. Ngoài ra ở phần giữa của kênh giữa các cánh mặt dòng S2 không trùng với mặt cánh Sc. Sự tính toán dòng không gian có khó khăn lớn về mặt toán học. Để đơn giản th−ờng sử dụng ph−ơng pháp tựa ba chiều. Khi đó việc giải bài toán ba chiều đ−ợc chia ra thành hai bài toán hai chiều: xác định mặt dòng đối xứng trục Sm; tính dãy cánh profil của bánh công tác trên mặt dòng đối xứng trục trong lớp chiều dày biến thiên và xác định dạng mặt dòng S2 trong kênh giữa các cánh. Đối với Tua bin h−ớng trục: Th−ờng thừa nhận mặt dòng đối xứng trục là các mặt trụ có trục trùng với trục tua bin. Cánh trên mặt trụ đ−ợc tính theo các ph−ơng pháp sau. - Ph−ơng pháp phân bố xoáy: Đ−ợc sử dụng để tính cánh mỏng vô cùng có độ cong nhỏ. Sự tác động của cánh lên dòng đ−ợc thay thế bằng các xoáy phân bố theo một quy luật nhất định trên đ−ờng nhân profil. B−ớc đầu tiên thì xoáy đ−ợc đặt dọc dây cung profil và trong quá trình tính toán tiếp theo xác định dạng của đ−ờng nhân. Sự xây dựng profil dầy thực hiện theo ph−ơng pháp không tính toán nghĩa là đắp profil theo một trong những profil đối xứng sau khi biết độ dày cánh lớn nhất từ tính toán bền cánh - Ph−ơng pháp phân bố xoáy nguồn (ph−ơng pháp Lêxônkin): Sử dụng để tính dãy cánh profil có chiều dày. Sự tác động của cánh lên dòng đ−ợc thay thế bằng một hệ thống các xoáy, nguồn, hút phân bố theo một quy luật nhất định trên đ−ờng nhân profil. Đ−ờng dòng kín của dòng hợp thành từ hệ thống các xoáy, nguồn hút nói trên Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột n−ớc thấp Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thuỷ Lợi 23 với dòng t−ơng đối đ−ợc coi nh− profil cánh. - Ph−ơng pháp lực nâng: là ph−ơng pháp lựa chọn các profil từ atlat các profil thuỷ động đảm bảo giá trị lực nâng yêu cầu đối với dãy cánh trong điều kiện đã cho. Ph−ơng pháp này ngày nay ít đ−ợc sử dụng vì phụ thuộc vào kinh nghiệm của ng−ời thiết kế khi lựa chọn các hệ số trong tính toán. - Ph−ơng pháp ánh xạ bảo giác: ánh xạ dòng trong dãy cánh lên mặt phẳng phụ nhờ các hàm ánh xạ đặc biệt rồi tiến hành các tính toán về lực nâng, mômen, phân bố vận tốc, áp suất. Ph−ơng pháp phân bố xoáy đòi hỏi khối l−ợng tính toán không lớn, thuận tiện cho việc tính toán bằng máy tính tay và lập trình trên máy vi tính. Nếu biết chọn đúng các thông số tính toán, các hệ số ảnh h−ởng của l−ới cánh có chiều dày hữu hạn, ph−ơng pháp này cũng sẽ cho các profile cánh phù hợp tạo nên các bánh xe công tác có chất l−ợng cao. Vì vậy chúng tôi đã đi sâu nghiên cứu và thiết kế cánh tua bin h−ớng trục theo ph−ơng pháp phân bố xoáy. Trên cơ sở phân tích trên cần phải hoàn thiện các phần mềm trợ giúp phần tính toán lý thuyết: - Tính toán cánh tua bin, bơm h−ớng trục theo ph−ơng pháp phân bố xoáy. - Ch−ơng trình tính toán tổn thất trong bánh công tác tua bin. - Ch−ơng trình tính toán phân bố vận tốc trên profil cánh trong lớp chiều dày biến thiên. Tính toán tua bin h−ớng trục bao gồm: Tính toán thiết kế phần dẫn dòng nh− buồng, BCT, ống hút, cánh h−ớng, trong đó quan trọng nhất là BCT. Phần này đi sâu phân tích cơ sở lý thuyết của ph−ơng pháp thiết kế bánh công tác của tua bin h−ớng trục. 2.1.2. Thiết kế tua bin h−ớng trục theo ph−ơng pháp phân bố xoáy. Bánh công tác (BCT) là bộ phận quan trọng nhất của tua bin h−ớng trục, thực hiện chức năng biến đổi năng l−ợng của dòng chất lỏng thành cơ năng và điện năng. BCT có ảnh h−ởng quyết định tới hiệu suất và chất l−ợng của máy. Vì vậy thiết kế BCT là 1 khâu rất quan trọng cần phải đ−ợc thực hiện một cách chuẩn xác, khoa học. Trong tính toán tua bin h−ớng trục th−ờng thừa nhận mặt dòng đối xứng trục là Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột n−ớc thấp Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thuỷ Lợi 24 các mặt trụ có trục trùng với trục tua bin. Cánh trên mặt trụ đ−ợc tính theo các ph−ơng pháp sau: - Ph−ơng pháp phân bố xoáy để thiết kế các profile mỏng vô cùng và có độ cong nhỏ. - Ph−ơng pháp phân bố xoáy, các nguồn đẩy và hút còn gọi là ph−ơng pháp điểm kỳ dị, dùng để thiết kế các profile có chiều dày hữu hạn. - Ph−ơng pháp lực nâng: là ph−ơng pháp lựa chọn các profile từ atlat các profile thủy động đảm bảo giá trị lực nâng theo yêu cầu đối với dãy cánh trong điều kiện đã cho. Ph−ơng pháp này ngày nay ít đ−ợc ứng dụng vì phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm của ng−ời thiết kế khi lựa chọn các hệ số trong tính toán. - Ph−ơng pháp biến hình bảo giác bằng ánh xạ dòng trong dãy cánh lên mặt phẳng phụ trợ nhờ các hàm ánh xạ đặc biệt rồi tiến hành các tính toán về lực nâng, mô men, phân bố vận tốc. Trong thực tế thiết kế chế tạo tua bin h−ớng trục, ng−ời ta th−ờng sử dụng hai ph−ơng pháp: Ph−ơng pháp phân bố xoáy và ph−ơng pháp các điểm kỳ dị. Nội dung cơ bản của ph−ơng pháp phân bố xoáy là thay thế tác động của các profile lên dòng chất lỏng bởi các xoáy phân bố dọc theo đ−ờng nhân profile theo một quy luật xác định. Lần đầu các xoáy đ−ợc phân bố dọc theo dây cung profile. Kết quả tính toán ta nhận đ−ợc hình dạng đ−ờng nhân profile. Trong lần tính gần đúng tiếp theo các xoáy đ−ợc phân bố theo đ−ờng nhân profile vừa mới nhận đ−ợc trong các lần tính tr−ớc. Profile có chiều dày hữu hạn sẽ nhận đ−ợc bằng ph−ơng pháp dựng hình dựa theo quy luật phân bố độ dày của profile mẫu đối xứng trên cơ sở chiều dày cực đại chọn tr−ớc của profile thiết kế. Ph−ơng pháp các điểm kì dị có nội dung t−ơng tự nh− ph−ơng pháp phân bố xoáy. Trong ph−ơng pháp này tác động của profile lên dòng chất lỏng thay thế bởi các xoáy, các nguồn đẩy và hút phân bố trên đ−ờng nhân profile. Đ−ờng dòng tổng cộng khép kín của chuyển động t−ơng đối chính là chu tuyến của propil có chiều, dãy hữu hạn. Việc tính toán thiết kế cánh tua bin h−ớng trục bằng ph−ơng pháp các điểm kì dị đòi hỏi một khối l−ợng tính toán rất lớn cần nhiều thời gian và công sức. Với sự phát triển của kĩ thuật tính toán trên máy tính, ph−ơng pháp này ngày càng đ−ợc ứng dụng rộng rãi. Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột n−ớc thấp Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thuỷ Lợi 25 Ph−ơng pháp phân bố xoáy đòi hỏi khối l−ợng tính toán ít hơn so với ph−ơng pháp các điểm kì dị thuận tiện cho việc tính toán bằng máy tính tay và lập trình trên máy vi tính. Nếu biết chọn đúng các thông số tính toán, các hệ số ảnh h−ởng của l−ới cánh có chiều dày hữu hạn, ph−ơng pháp này cũng sẽ cho các profile cánh phù hợp tạo nên các bánh xe công tác có chất l−ợng cao. Vì vậy trong phạm vi luận văn sẽ chỉ đi sâu nghiên cứu và thiết kế cánh tua bin h−ớng trục theo ph−ơng pháp phân bố xoáy. 2.2. Cơ sở lý thuyết của ph−ơng pháp phân bố xoáy. Trong chuyển động của dòng chất lỏng, các profile có độ cong nhỏ trong l−ới cánh có thể thay bằng các xoáy với quy luật phân bố xác định dọc theo đ−ờng nhân profile. Khi khảo sát chuyển động của chất lỏng tiếp xúc trực tiếp với bề mặt cánh ta cần phải tính tới tác động của lực nhớt ở lớp biên, trên bề mặt cánh vận tốc dòng chất lỏng thay đổi từ không tới giá trị xác định của dòng chảy. Sự thay đổi đột ngột của vận tốc dòng chất lỏng là nguyên nhân tạo thành xoáy trong lớp biên. Vì vậy, lớp biên có thể thay thế bởi lớp xoáy bao gồm các xoáy có c−ờng độ nhất định phân bố liên tục dọc theo bề mặt cánh. Bề mặt cánh đ−ợc tạo nên bởi tập hợp các đ−ờng dòng của chuyển động t−ơng đối và các xoáy liên hợp. Vì vậy, để xác định các profile cánh cần phải tìm đ−ờng dòng tổng hợp của chuyển động t−ơng đối. Vận tốc tổng hợp của dòng t−ơng đối ở một điểm bất kỳ có thể xác định bằng tổng vận tốc dòng không nhiễu và vận tốc cảm ứng tạo nên bởi các xoáy phân bố trên tất cả các profile tại điểm đó. Vận tốc tổng hợp này phải tiếp tuyến với cung. Nói cách khác, cung mỏng vô cùng phải là một trong các đ−ờng dòng VWW += ∞ Hình 16. Sơ đồ bố trí l−ới profile a βycm Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột n−ớc thấp Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thuỷ Lợi 26 Trong đó: W : Vận tốc t−ơng đối của dòng chất lỏng. ∞W : Vận tốc dòng không nhiễu của dòng chảy, xác định từ điều kiện biên. V : Vận tốc cảm ứng tạo bởi các xoáy phân bố trên các profile trong l−ới. Chiếu lên hai ph−ơng x và y: Wx = W∞x+Vx (2.1) Wy = W∞y+Vy (2.2) Vận tốc cảm ứng tạo nên bởi tất cả các xoáy trong l−ới tại một điểm bất kỳ tọa độ x0, y0 trên profile tính toán đ−ợc xác định bằng công thức: ( ) ( )∫ + − −−⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ −⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ −⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ = 2 2 00 0 ))(2(2 )(2 2 1 l l x x t Cosy t Ch dssy t Sh t xy y V ππ γπ (2.3) ( ) ( )∫ + − −−⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ −⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ −⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ = 2 2 00 0 ))(2(2 )(2 2 1 l l y x t Cosyy t Ch dssx t Sh t x x V ππ γπ (2.4) Với : x0, y0: Tọa độ điểm tính toán trên profile. x, y : Tọa độ điểm tại đó có phân bố xoáy. Để tính vận tốc cảm ứng tại các điểm tính toán của profile cần phải cho tr−ớc quy luật phân bố xoáy dọc theo profile. Quy luật phân bố xoáy có thể cho d−ới dạng chuỗi l−ợng giác của Glauert: ....114121 1 1)( 2223 2 2 2 10 +⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −−−+−+−+− += σσσσσ σσσθγ AAAA (2.5) Trong đó: σ : Tọa độ t−ơng đối của điểm nằm trên đ−ờng nhân profile - σ = s/(l/2). L−u số vận tốc bao quanh profile tạo ra bởi các xoáy phân bố theo quy luật xác định dọc theo profile đ−ợc xác định bằng: dss L L )( 2 2 ∫ + − =Γ γ (2.6) Trong đó : γ(s) - c−ờng độ xoáy phân bố theo profile Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột n−ớc thấp Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thuỷ Lợi 27 s - biến số tích phân không thứ nguyên. L - chiều dài dây cung của profile. Hình 17. Sơ đồ bố trí profile trong l−ới thế biểu thức l−ợng giác của γ(s) vào biểu thức l−u số ta đ−ợc: ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ += =+++++=Γ ∑ ∫∫ ∫ = θθθθθθ θθθθθθθ π π dSininkSinkdSinCtgL dSinSinkSinSinSinCtgL k k k AA AAAAA 10 0 32 0 10 ) 2 ( 2 )...32) 2 (( 2 (2.7) Tích phân đầu tiên bằng: ( ) πθθθθθ ππ =+= ∫∫ dCosdSinCtg 00 1) 2 ( (2.8) Để tính tích phân thứ hai ta dùng biểu thức tích phân l−ợng giác đã biết, lợi dụng tính chất trực giao của hàm l−ợng giác: ⎪⎩ ⎪⎨ ⎧ = ≠ =∫ nkkhi nkkhi dnSink ; 2 ;0 sin 0 πθθθ π (2.9) Tất cả các tích phân dạng này đều bằng không trừ một số hạng có k = 1. Do vậy, ta có l−u số vận tốc bao quanh profile bằng: sAA L Γ+Γ=+=Γ απ )2 1( 2 10 (2.10) Từ biểu thức này ta thấy rằng l−u số vận tốc bao quanh profile đ−ợc tạo nên bởi góc va α.Γ(α) = f(A0) và độ cong của profile f. Γs =f(A1). Các thành phần còn lại của chuỗi hàm γ(σ)chỉ ảnh h−ởng tới phân bố vận tốc theo profile mà không làm thay đổi l−u số vận tốc bao quanh profile đó. ? ? +? ? a η ζ γ Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột n−ớc thấp Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thuỷ Lợi 28 Đối với các l−ới cánh bánh công tác h−ớng trục, quy luật phân bố xoáy th−ờng cho d−ới dạng không elip tức là tồn tại cả hai thành phần chứa A0 và A1 trong biểu thức phân bố xoáyΓ(σ). Ta có: )()(1 1 1)( 210 σσσ σσγ γγσ α sAA +=−+−+= (2.11) Trong đó: σ σσγ α − += 1 1)( 0A với A0 ≠ 0 Hàm xoáy xác định chảy bao bản phẳng đặt lệch so với dòng phẳng. Không nhiễu một góc bằng góc va α σγ σ 21 1)( −= As với A1 ≠ 0 (2.12) Hàm xoáy xác định chảy bao cung parabol của dòng phẳng không nhiễu với vận tốc Wm, song song với dây cung. Khi đó, l−u số vận tốc bao quanh profile bằng: ΓΓ∫∫∫ +=−+−+==Γ + − + − + − s l l dLdLd AA ασσσ σρργ σ 21211)( 1 1 2 1 1 1 0 2 2 (2.13) Vận tốc cảm ứng tạo bởi γα(σ) và γs(σ) ký hiệu t−ơng ứng là V α và Vs. Khi đó vận tốc cảm ứng tổng cộng bằng: V = Vα + Vs (2.14) hình chiếu trên trục x: σàλ λ σσ σ àλ λ σρα dch shl T L d ch shl T L AAVVV xxx ∫∫ + − + − −−+− + −=+= 1 1 21 1 1 0 1 cos ) 2 ( 21 1 cos ) 2 ( 2 (2.15) Trong đó biến số ))(2( )}(2( 0 0 x T y T x y −= −= πà πλ Khi tích phân theo các đ−ờng phân bố xoáy với giá trị x = x0 và y = y0 hàm d−ới dấu tích phân có dạng bất định 0 0 . Để có thể tích phân đ−ợc trong tr−ờng hợp này, vận tốc cảm ứng tại mỗi điểm của profile sẽ tách thành hai thành phần: - Thành phần vận tốc cảm ứng V' tạo nên bởi các xoáy phân bố trên profile gốc. Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột n−ớc thấp Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thuỷ Lợi 29 - Thành phần vận tốc cảm ứng V'' tạo nên bởi các xoáy phân bố trên tất cả các profile còn lại. Ta sẽ có vận tốc: V = V' + V'' (2.16) Hình chiếu của vận tốc cảm ứng theo ph−ơng trục x: V = V'x+V''x (2.17) Hình chiếu trên ph−ơng x của vận tốc cảm ứng tạo bởi xoáy γα(σ) đ−ợc xác định bằng biểu thức sau: (2.18a) (2.18b) Với hàm a(σ) bằng: σσ β π τ àλ λσ −−−= 0 sin 2cos2 1)( ch sha (2.19) Trong đó: τ = 2T/L Đ−ờng tích phân (dây cung profile) đ−ợc chia thành 6 phần bằng nhau và ta sẽ xác định vận tốc cảm ứng tại 7 điểm 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, (-1, -2/3, -1/3, 0, +1/3, +2/3, +1) theo hình d−ới: Hình 18. Sơ đồ phân bố các điểm tính toán trên dây cung profile. X a = 0 Y σσ σσσσ σ σσ β àλ λ σσσπ σσ π βσβσσπ σ σ α α da T LAd L T ch sh T LAV dAd A V x x ∫∫ ∫ ∫ + − + − + − + − − +=− + ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ −−−= − −+=−− − + =− 1 1 2 0 1 1 0 0" 1 1 1 1 0 0 0 0 ' 1 1)( 21 1sin2 cos 2 1 2 )(2 )1)(1( 2 sinsin )(2 )1( )1( Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột n−ớc thấp Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thuỷ Lợi 30 Thành phần vận tốc V''xα đ−ợc xác định theo tích phân D.A.Nepomniaxy: 654321 0'' 33463018046090126( 2560 aaaaaa T LA Vx ++−+−= πα (2.20) T−ơng tự ta có hình chiếu trên ph−ơng y của vận tốc cảm ứng tạo bởi các xoáy γα(σ) và γs(σ )đ−ợc xác định bằng: (2.21a) (2.21b) (2.21c) Trong đó hệ số b xác định bằng hàm : σθ β π τ àλ àσ −+−−= 0 cos 2cos sin 2 1)( ch b (2.22) Hình chiếu vận tốc cảm ứng tổng hợp tại các điểm tính toán của profile bằng: (2.23a) (2.23b) Các hệ số A0 và A1 xác định từ biều thức tính l−u số bao quanh profile ở trên: z gH AAL tls ω πηπ α 2 ) 2 1( 2 10 =Γ+Γ=+=Γ (2.24) (2.25a) (2.25b) Xác định l−u số Γ theo cột áp và vận tốc góc, cho tr−ớc quan hệ Γα và Γs ta sẽ xác định đ−ợc giá trị của Γα và Γs . Tỷ số Γα /Γ = C’ có thể có giá trị từ 0 đến 1 tùy theo tỷ tốc của bánh công tác. Đối với tiết diện gốc, góc va α đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra l−u số vận tốc của profile. Vì vậy, C' lấy giá trị lớn. Có thế lấy C'= 0,3 - 0,6. Đối với các tiết diện biên lấy C' < 0,1. Biết Γ và với C' chọn tr−ớc, ta xác định đ−ợc Γα và Γs bằng: (2.26a) (2.26b) )210120460120210( 2560 )334630180460120126( 2560 cos 2 54321 1'' 654321 0'' 0' bbbbb T LAV bbbbbb T LAV AV ys y y +−+−= ++−+−= = π π β α α "'"' "'"' αραα αραα yyyyy xxxxx VVVVV VVVVV +++= +++= sA L AL Γ= Γ= 1 0 4 2 π π α 4 )1( 2 1' 0' ALC ALC s π πα =Γ−=Γ =Γ=Γ Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột n−ớc thấp Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thuỷ Lợi 31 Từ đó có: (2.27a) (2.27b) Trong quá trình tính toán các hệ số ta hiệu chỉnh lại góc đặt của profile trong l−ới: β = βm - α Góc va α xác định bởi biểu thức: mLkWπα αΓ=sin (2.28) Trong đó K là hệ số ảnh h−ởng của profile trong l−ới. Các hệ số a và b có thể xác định bằng các biểu thức toán học đã cho ở trên hoặc bằng toán đồ cho trong các tài liệu thiết kế. 2.3. Xác định tọa độ đ−ờng nhân profile và xây dựng profile có độ dày: Nh− phần trên ta đã biết, một profile mỏng vô cùng có thể xem nh− đ−ờng dòng tổng hợp của chuyển động t−ơng đối. Để xác định tọa độ các điểm tính toán của đ−ờng nhân. Tại mỗi điểm cần phải xác định vận tốc của dòng chảy tổng hợp và các hình chiếu vận tốc trên ph−ơng trục x và y, góc và chiều dài đoạn dây cung profile. Chiều dài dây cung đ−ợc chia làm 6 đoạn bằng nhau bởi các điểm có tọa độ t−ơng đối: 6 = -1, -2/3, -1/3, 0, 1/3, 2/3, 1 Tr−ớc tiên ta xác định giá trị các thành phần vận tốc t−ơng đối của dòng tổng hợp các điểm -1, -2/3, -1/3, - 0, 1/3, 2/3, 1 trên các ph−ơng chiếu x và y bằng các biểu thức sau: (2.29a) (2.29b) Sau đó xác định góc β tạo bởi ph−ơng của vận tốc t−ơng đối w và trục x tại mỗi điểm chia của đ−ờng nhân: sinβ =Wy/W cosβ =Wx/W Trong đó: 22 yx WWW += và tọa độ các điểm chia đó các giá trị trung gian: L CA L CA π π )1(4 2 ' 1 ' 0 −Γ= Γ= "'"'' "'"'' ααα ααα yysyyMYy xxsxxmxx VVVVWW VVWVWW ++++= ++++= Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột n−ớc thấp Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thuỷ Lợi 32 1 1 sin(sin 2 1 6 sin(cos 2 1 6 + + +=∆ +=∆ nni nni Ly Lx ββ ββ các giá trị tổng cộng: ∑ ∑ ∆= ∆= i i yY xX Dựa vào các giá trị tọa độ x, y ta xây dựng đ−ợc đ−ờng nhân cho các tiết diện tính toán của cánh trong mặt phẳng x, y. Đ−ờng nhân vừa dựng đ−ợc chính là profile mỏng vô cùng trong lần tính gần đúng thứ nhất. Trong lần tính gần đúng tiếp theo các xoáy đ−ợc phân bố trên đ−ờng nhân của profile vừa mới nhận đ−ợc. Trong thực tế tính toán th−ờng chỉ cần tính hai lần là đủ. Cuối cùng, để đ−ợc profile có độ dày ta sử dụng quy luật phân bố độ dày của profile mẫu có đặc tính năng l−ợng và xâm thực tốt và chọn độ dày max cho từng tiết diện. Hình 19. Xây dựng profille có độ dầy hữu hạn Đắp độ dày trên đ−ờng nhân theo quy luật trên, ta sẽ nhận đ−ợc các profile thực của cánh. Xâu các profile lại với nhau theo một quy luật nhất định ta nhận đ−ợc cánh hoàn chỉnh của bánh công tác. 2.4. Xác định phân bố vận tốc và áp suất trên profile cánh: Sau khi xây dựng xong profile cánh cho các tiết diện tính toán của cánh, để sơ bộ đánh giá chất l−ợng cánh, ta tiến hành tính toán phân bố vận tốc và áp suất trên các profile. Đó là một trong các nhiệm vụ chủ yếu của bài toán thuận trong lý thuyết Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột n−ớc thấp Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thuỷ Lợi 33 cánh. Khi quan sát các biểu đồ phân bố vận tốc và áp suất trên các profile tính toán, nếu phân bố vận tốc đều đặn, không có các b−ớc nhảy và áp suất không có điểm nào có giá trị nhỏ hơn áp suất hơi bão hòa thì cánh công tác sẽ có hiệu suất làm việc tốt và không bị xâm thực trong quá trình làm việc. Các thông số ban đầu để giải bài toán thuận là kích th−ớc hình học của cánh công tác, hình dạng profile, l−u l−ợng, cột áp và vòng quay làm việc của máy. Việc xác định phân bố vận tốc và áp suất trên cánh đ−ợc thực hiện dựa trên cơ sở các ph−ơng pháp mô tả chuyển động của dòng chất lỏng qua l−ới cánh. Dòng chất lỏng chuyển động qua l−ới cánh có thể xem nh− tổng của dòng thế không nhiễu và dòng cảm ứng tạo bởi hệ các xoáy thay thế cho tác dụng của profile lên dòng chất lỏng. Trong tr−ờng hợp chung bề mặt dòng trong máy là bề mặt cong tròn xoay và lớp dòng có chiều dày thay đổi. Để giải quyết bài toán thuận ng−ời ta sử dụng biến hình bảo giác để đ−a về mặt trụ. Đối với tua bin h−ớng trục, bề mặt dòng trong buồng dẫn dòng là mặt trụ chiều dày không đổi, bài toán sẽ trở nên đơn giản hơn. Hàm dòng của dòng không nhiễu xác định bằng: h Chdz H Vu H V o Z Z ouoz H ++−=Ψ ∫0 (2.30) Trong đó: V0z, V0u: Các thành phần vận tốc của dòng không nhiễu tại điểm z = 0. u: Tọa độ theo ph−ơng quay. z: Tọa độ chạy vuông góc với ph−ơng u. C0: Hằng số tích phân. Tác động của các profile lên dòng chất lỏng đ−ợc thay thế bởi các xoáy γs phân bố theo chu tuyến profile và các xoáy γf phân bố trên diện tích bao quanh bởi chu tuyến. Tại điểm với tọa độ u, z hàm dòng cảm ứng tạo bởi các xoáy phân bố theo chu tuyến xác định bằng: [ ] [ ] σσπσππ σσγ γ duuT ZZ T ch h L s s ⎭⎬ ⎫ ⎩⎨ ⎧ −−−=Ψ ∫ )(2cos)(22ln4 )()( 00 (2.31) với biến số tích phân theo cung S của chu tuyến profile. Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột n−ớc thấp Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thuỷ Lợi 34 T - B−ớc l−ới. Hàm dòng của dòng cảm ứng tạo bởi các xoáy γf phân bố trong chu tuyến profile tại điểm với tọa độ u, z xác định bằng: [ ] [ ] ηξξπηππ ηηξγ γ dduuT ZZ T ch h S f f ⎭⎬ ⎫ ⎩⎨ ⎧ −−−=Ψ ∫∫ )(2cos)(22ln4 )(),( 00 (2.32) Trong đó: ξ, η: biến số tích phân theo diện tích tiết diện. Đối với l−ới quay đều với vận tốc, ta có: αωγ cos2)( 2 0r r f = (2.33) Ta có: [ ] [ ]∫∫ ⎭⎬⎫⎩⎨⎧ −−−⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡=Ψ s f dduuT zz T ch r rhz ηξξπηπηπ ηαηωγ )(2cos)(22ln)(4 )(cos)( 00 2 0 (2.34) Để giải bài toán thuận ta có các điều kiện biên nh− sau: - Tại tiết diện z = z1 đủ xa phía tr−ớc l−ới, dòng không nhiễu có véc tơ vận tốc V1 với các hình chiếu V1u và V1z - Tại tiết diện z = z2 đủ xa phía sau l−ới ta có thành phần vận tốc h−ớng trục: 2 11 2 h VhV zz = (2.35) Thành phần vận tốc Vzu đ−ợc xác định qua V1u và T bằng: T VV uu Γ±= 12 (2.36) Dấu (+) ứng với máy bơm. Γ : L−u số vận tốc bao quanh chu tuyến profile. - Trên chu tuyến profile: Trong chảy bao không tách dòng, chu tuyến profile chính là đ−ờng dòng của chuyển động t−ơng đối. Theo ph−ơng u và z. Từ điều kiện này ta xác định đ−ợc hàm dòng trên chu tuyến profile: )( )()]([])([)()()( )( 1 1 1 0 2 0 zh CduuC r uzruzhdzzC r zrzh zh z z u uL H H + ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ −=Ψ ∫ ∫ (2.37) Đối với l−ới không chuyển động C1 = 0, C2 = 0 Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột n−ớc thấp Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thuỷ Lợi 35 )(zh Cconst L==Ψ (2.38) Đối với l−ới quay đều C1 = 0, C2 = -ωr. )( )()( )( 0 2 zh Cdz r zrzh zh L z zL H + ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡−=Ψ ∫ω (2.39) Hàm dòng tổng cộng của dòng không nhiễu và dòng cảm ứng tạo bởi các xoáy: } } ηξξπηππ ηηξγ σσπ σππ σσγ dduu T zz T ch s hfduu T zz T ch L hs zh C dz z Hz zh zh uVu zh zVzu ])(0[cos)](0[ 2{2ln 4 )(),( ])(0[ 2cos )](0[ 2{2ln 4 )()( )( 0)( )( 0 )( 0),( −−−−∫∫+−− −−∫++∫+−=Ψ (2.40) Trong đó γf có thể xác định đ−ợc theo kích th−ớc hình học và vận tốc góc ω. Vấn đề còn lại là phải xác định đ−ợc γs. Hàm xoáy γs sẽ xác định đ−ợc dựa trên cơ sở các điều kiện biên. Theo điều kiện thứ 3- chu tuyến profile là đ−ờng dòng trong chuyển động t−ơng đối. Khi đó hàm dòng tổng cộng ở một điểm bất kỳ trên chu tuyến sẽ bằng hàm dòng tại điểm đó của chu tuyến với ý nghĩa là đ−ờng dòng trong chuyển động t−ơng đối. Nh− vậy ta có ph−ơng trình: L fs Ψ=Ψ+Ψ+Ψ γγ0 hay } } )( )()]([])([)()()( )( 1 ])([cos)]([2{2ln 4 )(),( ])([cos )]([2{2ln 4 )()( )( )( )()( 1 1 0 2 0 00 0 0 000 zh C duuC r uzruzhdzzC r zrzh zh dduu T zz T ch h duu T zz T ch h zh C dzzh zh V u zh V z z u u s f L s z z uz H H H + ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ −= =−−−+−− −−+++− ∫ ∫ ∫∫ ∫∫ ηξξπηππ ηηξγ σσπ σππ σσγ (2.41) Biến đổi ph−ơng trình này và trong tr−ờng hợp l−ới cánh quay đều C1= 0, C2=0 ta đ−ợc ph−ơng trình: Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột n−ớc thấp Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thuỷ Lợi 36 } [ ] [ ] ξηξπηπ η π ηαηωω σσπσππ σσγ duu T zz T ch r rhdz r zrzhdzzhuVuV zh zh Cduu T zz T ch h s z z z z ooz L s hH ⎟⎠ ⎞−⎩⎨ ⎧ −− ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡− ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ −−= =+−−− ∫∫∫∫ ∫ )(2cos)(22ln )( 4 )(cos)( 2)()()( )( 1 )( ])([cos)]([2{2ln 4 )()( 00 2 00 2 00 (2.42) Trong đó: C = C0 - CL Trong ph−ơng trình này ẩn số chỉ còn là hàm xoáy γs(σ) và hằng số tích phân C Để giải đ−ợc ph−ơng trình này ta cần có thêm điều kiện ra của dòng chảy ở đuôi profile. Điều đó mô tả nh− sau: Trong điều kiện chảy bao không tách dòng vận tốc t−ơng đối về hai phía của profile tại điểm dời (điểm ra) của dòng chảy có giá trị bằng nhau và trái dấu. D−ới dạng biểu thức ta có: lung s mat s r r r r γγ ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛−=⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ 00 (2.43) Với hệ hai ph−ơng trình trên ta có thể lập và giải ph−ơng trình ứng với từng điểm của chu tuyến profile (số điểm th−ờng lấy là 64) để tìm giá trị của hàm xoáy γs L−u số vận tốc bao quanh profile có thể xác định thông qua các hàm xoáy bằng: ∫ ∫∫+=Γ L s fs ddd ηξηξγσσγ ),()( (2.44) Biết l−u số Γ ta xác định đ−ợc vận tốc V0U thông qua V1U và Γ bằng ph−ơng trình: ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ +Γ−= ∫ ∫∫L s fsuu dddVV ηξηξγσσγ ),()(2 1 10 (2.45) Thế giá trị của V0U vào ph−ơng trình tích phân ta nhân đ−ợc ph−ơng trình mới (với γf = (r/r0)22ωcosα ) Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột n−ớc thấp Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thuỷ Lợi 37 } [ ] [ ] ηξξπηππ η ηηαωω σσπσππ σσγ dd zhT dzzh uu T zz T ch h r rdzzrzh r dzzhuVuV zh zh Cduu T zz T ch h z z s z z z z oz L s H hH ⎥⎦ ⎤− ⎭⎬ ⎫−⎩⎨ ⎧ −− ⎢⎢⎣ ⎡ ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡− ⎭⎬ ⎫ ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ −− ⎩⎨ ⎧= =+−−− ∫ ∫∫∫∫ ∫ )(2 )( )(2cos)(22ln 4 )( )()(cos2)()()( )( 1 )( ])([cos)]([2{2ln 4 )()( 00 2 0 2 0 1 00 (2.46) và điều kiện ra của dòng chảy ở đuôi profile : (γS/r)mặt = - (γS/r)l−ng Hai hệ ph−ơng trình này cho phép xác định hàm γs(σ) và đại l−ợng C. Biết các đại l−ợng này ta xác định đ−ợc các thông số cần thiết là: - L−u số bao quanh profile : ( ) ( )∫ ∫∫+=Γ L S fs ddd ηξηξγσσγ , (2.47) - Phân bố vận tốc theo chu tuyến profile : Γ Γ= 0sW γ (2.48) - Phân bố áp suất theo chu tuyến từ ph−ơng trình Becnuli trong chuyển động t−ơng đối: const g uP g W =−+ 22 22 γ (2.49) Ta có: gH t VuuW P H PP u a 2 2 10 22 ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ Γ±+− −== − γγ (2.50) Trong đó u = ωr, u0= ωr0. 2.5. Đánh giá tổn thất và hiệu suất của tua bin: Tổn thất thủy lực trong máy thủy lực cánh dẫn xảy ra trên suốt chiều dài đ−ờng đi của dòng chất lỏng từ lối vào tới lối ra của máy. Có thể liệt kê các dạng tổn thất thủy lực nh− sau: - Tổn thất ở buồng dẫn dòng và cánh h−ớng dòng vào. - Tổn thất ở cánh công tác. - Tổn thất ở buồng dẫn dòng ra. Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột n−ớc thấp Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thuỷ Lợi 38 Trong đó tổn thất thủy lực ở bánh công tác chiếm một phần đáng kể và việc tính toán rất phức tạp. Vì vậy trong phạm vi luận văn này chủ yếu đề cập đến việc tính toán lý thuyết tổn thất thủy lực trong bánh công tác của tua bin h−ớng trục. Tổn thất thủy lực xảy ra trong bánh công tác là do có ma sát của dòng chất lỏng với cánh dẫn, do dòng vào xảy ra va đập hoặc do chuyển động xoáy qua khe hở giữa bánh công tác và vỏ (trong máy h−ớng trục). Có thể phân chia các dạng tổn thất này thành hai loại: tổn thất profile và tổn thất qua khe đầu nút cánh (trong máy h−ớng trục). Tổn thất profile bao gồm tổn thất trong chảy bao l−ới cánh bởi dòng chất lỏng thực (nhớt) và tổn thất do lực cản áp suất sinh ra do sự chèn ép dòng ngoài của lớp trên. Trong tr−ờng hợp l−ới phẳng các profile, lực cản lớp biên h−ớng theo véc tơ vận tốc trung bình của chuyển động t−ơng đối, đ−ợc biểu thị bằng tổn thất năng l−ợng p' trong công thức sau: Rx = p’tsinβ∞ (2.51) Trong đó: Rx: là lực cản của profile, t: b−ớc cánh trong l−ới, β∞ : góc tạo bởi ph−ơng của vận tốc trung bình W∞ với trục l−ới. Lực cản của profile nh− ta biết, có thể xác định bằng công thức: LWCR xpx 2 2 ∞= ρ (2.52) Từ hai biểu thức trên ta rút ra: 3 '2 ∞ = LW tWpC zxp ρ (2.53) Trong đó: Wz/W = sinβ∞, Wz: Vận tốc theo ph−ơng h−ớng trục, L: Chiều dài profile, ρ: Khối l−ợng riêng của chất lỏng. Từ đó ta có biểu thức xác định tổn thất năng l−ợng t−ơng đối ζp do sức cản profile của l−ới cánh nh− sau: z xpp gHW W t LC H p 2 3' ∞== γξ (2.54) Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột n−ớc thấp Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thuỷ Lợi 39 Trong đó: H: Cột áp của máy. g: gia tốc rơi tự do. Để xác định tổn thất năng l−ợng P' trong l−ới cánh có thể ứng dụng ph−ơng pháp của Loixenski. Với giả thiết, ở tiết diện z'-z' nào đó sau l−ới cánh (H...) lớp biên tiếp giáp với nhau, tr−ờng vận tốc trở nên đều hơn, tác giả tìm đ−ợc công thức: 2 ** 22, sin β δρ t Wp z= (2.55) Trong đó chiều dày tổn thất xung ở tiết diện khảo sát 2'- 2' ở "vết" sau l−ới cánh. dy W u W u∫+∞ ∞− ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ −= 22 ** '2 1δ (2.56) Với u là vận tốc theo đ−ờng dòng trong vùng lớp biên y là chiều dày lớp biên. Do không thể xác định đ−ợc trực tiếp đại l−ợng δk**, ng−ời ta đ−a ra một quan hệ gần đúng của đại l−ợng này với giá trị chiều dày tổn thất xung δk** (ở lối ra của profile) dựa trên việc ứng dụng ph−ơng trình xung đối với vùng giữa các tiết diện 2'- 2' và k - k. 2,3 2 ** ** '2 ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛= W Wk kδ δ (2.57) Thế giá trị δ2’** rút ra từ ph−ơng trình này vào công thức (2.55) ta đ−ợc: 2,3 22 ** 2 2 ' sin ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛= W W t Wp kk β δρ (2.58) Mặt khác ta có: zWWW == ∞∞ ββ sinsin 22 Thế vào ph−ơng trình (2.56) ta đ−ợc: ∞⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛= ∞ ∞ ∞ β δρ sin **2.0 2 2,3 2' tW W W WWp kk (2.59) Thay biểu thức này vào ph−ơng trình (2.53), ta tìm đ−ợc biểu thức tính hệ số cản lớp biên: Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột n−ớc thấp Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thuỷ Lợi 40 LW W W WC kkxp **2.0 2 2,3 2 δ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛= ∞ ∞ (2.60) Trong biểu thức này có chiều dày tổn thất xung δk** ở lối ra của profile. Nó đ−ợc xác định dựa trên cơ sở ph−ơng trình: 2** ***'** 2 WW W dx d ρ τ δ δδδ =⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ++ (2.61) Trong đó: δ*: Chiều dày chèn ép của lớp biên. ∫ ⎟⎠⎞⎜⎝⎛ −= δ δ 0 * 1 dy W u Với W là vận tốc dòng ngoài của lớp biên. Trong máy thủy lực, do dòng chảy trong buồng dẫn dòng là dòng rối, nên lớp biên cũng là lớp biên dòng rối. Để tích phân ph−ơng trình (2.61) sử dụng ph−ơng pháp một thông số của Loixenxki. Theo ph−ơng pháp này, các dạng profile vận tốc khác nhau trong lớp biên u = ϕ(y) đ−ợc quy về một tập hợp profile với một thông số f thay đổi theo bề mặt profile. ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛= fy W u **δϕ Trong đó, f là thông số hình thức có biểu thức: )(Re ** **' G W Wf δ= (2.62) với G (Re**) là một hàm tổng hợp cho phép coi các hàm: )(Re)( **2 GW f ρ τξ = (2.63) và H(f) = δ*/δ** cũng là các hàm tổng hợp không phụ thuộc vào Re** = Wδ**/ν Ta đ−a thêm vào hàm số ffHffF )](2[2)(2)( +−= ξ Để đ−a ph−ơng trình (2.61) về dạng đơn giản hơn. f W WfF W W dx df ' "' )( += (2.64) Thay hàm F(f) bằng quan hệ gần đúng: Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột n−ớc thấp Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thuỷ Lợi 41 F(f) = 1,17 - 4,8f, ta có ph−ơng trình tuyến tính với lời giải bằng: dxxW xW xWxf ∫= 1 0 8,3 8,4 ' )( )( )(17,1)( (2.65) Để xác định δ** ta giả thiết rằng, trong tr−ờng hợp lớp biên dòng rối, hàm quan hệ G(Re**) trong hai tr−ờng hợp l−ới profile cánh và l−ới bản phẳng nh− nhau: 6 1**** Re2,153)(Re =G (2.66) Khi đó ta tìm đ−ợc : 7 6 0 8,3 4 3 7 1 **** )( )( 1 Re 0153,0)()( ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡== ∫ xdxW xWL xx xδδ (2.67) với Re = W∞ L/ν Thay giá trị chiều dày tổn thất xung t−ơng đối S** ở mép ra của profile (2.67) vào biểu thức (2.60) ta tìm đ−ợc công thức: 7 6 1 0 8,3 2,0 7 1 )()( 1 Re 0306,0 ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡= ∫ xdxW W C k xp (2.68) Để tính Cxp theo (2.68), số hạng trong ngoặc vuông đ−ợc tính riêng cho hai phía l−ng và bụng profile sau đó lấy mũ 6/7 và cộng lại. Công thức (2.68) đ−ợc dùng để tính Cxp chỉ trong tr−ờng hợp chảy bao profile không tách dòng. Trong tr−ờng hợp ng−ợc lại ta cần phải tính thêm nhiều yếu tố khác, bài toán trở nên phức tạp hơn. Biết đ−ợc hệ số lực cản Cxp, ta xác định đ−ợc hệ số tổn thất thủy lực trong chảy bao profile theo công thức (2.54). Tổn thất qua khe đầu mút cánh (gọi tắt là tổn thất mút cánh) là dạng tổn thất đặc tr−ng trong máy cánh dẫn h−ớng trục. Dạng tổn thất này không thuộc dạng tổn thất profile. Tổn thất mút cánh xảy ra do chảy tràn chất lỏng qua khe hở giữa đầu mút cánh và thành vỏ máy cùng với việc xuất hiện các xoáy ở mút cánh. Tổn thất thủy lực qua mút cánh lực đ−ợc xác định bằng: ∞ ∞= β ρ sin2 2W t LCh xkk (2.69) Hệ số tổn thất Cxk phụ thuộc vào khe hở t−ơng đối δ/b Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột n−ớc thấp Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thuỷ Lợi 42 0 1 1 2 md D b −== δ δδ Trong đó: b = (D1- dm0)/2 - chiều dài cánh theo ph−ơng h−ớng kính D1: Đ−ờng kính bánh công tác dm0: Đ−ờng kính may ơ bánh công tác Hệ số Cxk đ−ợc xác định bằng: 2 0 1 cos 4 11 1 250 1 yy m xk CCt L d DBC ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ + ⎟⎟ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎜⎜ ⎝ ⎛ −+= ∞β δ λ (2.70) Trong đó: B là hệ số thực nghiệm, B = 0,005 Cy: hệ số lực nâng của λ = b/L - hệ số kích th−ớc Biết Cxk ta xác định đ−ợc hk và do đó xác định đ−ợc tổn thất thủy lực t−ơng đối: z xk k gHW W t LC H h 2 3 ∞== γς (2.71) Tổn thất thủy lực trong bánh công tác ( ) z xkxppp gHW W t LCC 2 3 ∞+=+= ξξξ (2.72) 2.6. Tính toán bánh công tác trên máy vi tính. Để giảm nhẹ việc tính toán, việc thiết kế cánh tua bin đã đ−ợc lập trình trên máy vi tính ch−ơng trình tính cánh tua bin gồm các ch−ơng trình lớn. Ch−ơng trình tính toán thiết kế profile cánh. Ch−ơng trình tính phân bố vận tốc và áp suất trên profile cánh. Ch−ơng trình tính toán tổn thất trên BCT. 2.6.1 Ch−ơng trình tính toán thiết kế profile cánh: Ch−ơng trình này gồm ba ch−ơng trình nhỏ - Ch−ơng trình xác định thông số cơ bản của dãy cánh. - Ch−ơng trình tính toán các thông số của profile cánh theo ph−ơng pháp phân bố xoáy. Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột n−ớc thấp Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thuỷ Lợi 43 - Ch−ơng trình xâu cánh theo ph−ơng chiếu đứng và chiếu bằng. Xác định các thông số cơ bản của dãy cánh: Cánh BCT đ−ợc chia thành năm tiết diện bởi các mặt trụ đòng tâm với trục tua bin. Các tính toán sẽ tiến hành cho năm tiết diện này. Số liệu đ−a vào gồm: - Số vòng quay và l−u l−ợng quy dẫn nI’ và QI’. - Số l−ợng tiết diện tính toán Ntd (có thể bằng 5 hoặc lớn hơn). - Tỷ số bầu db/D1 và đ−ờng kính tính toán D1 (D1 = 1m). - Bán kính t−ơng đối của các tiết diện tính toán: Ri = Ri/R. - Số cánh của BCT Zct và cột n−ớc tính toán H (H = 1m). - Mật độ dãy cánh L/T cho từng tiết diện. - Hiệu suất thuỷ lực của dãy cánh ηtl. - Hệ số phân bố l−u số C’ cho mỗi tiết diện. - Hệ số phân bố vận tốc h−ớng trục Kzi. - Hệ số phân bố chèn dòng Kcdi. - Chiều dày t−ơng đối lớn nhất δmax/L của mỗi tiết diện. Các thông số nhận đ−ợc sẽ là: - Vận tốc theo ph−ơng U của mỗi tiết diện: Ui. - Vận tốc xoáy tr−ớc và sau dãy cánh: Vu1i và Vu2i. - Vận tốc h−ớng trục Vzi. - Góc của dòng trung bình βmi. - Góc vào và ra của dòng chảy β1i và β2i. - Vận tốc trung bình Wmi và các hình chiếu vận tốc. Các kết quả này đ−ợc ghi vào hai file KQ1.KQ có thể xem đ−ợc trên màn hình và ghi vào file trung gian TQ1.TQ để phục vụ cho việc tính toán tiếp theo. Sơ đồ khối của ch−ơng trình nh− hình 20. 2.6.2. Tính toán profile cánh theo ph−ơng pháp phân bố xoáy. Nội dung cơ bản của ph−ơng pháp tính toán đ−ợc trình bày ở phần tr−ớc. Trên cơ sở quy luật phân bố xoáy d−ới dạng không e-lip, ta sẽ xác định vận tốc cảm ứng tạo bởi các xoáy phân bố tại các điểm xác định của đ−ờng nhân và vận tốc t−ơng đối của dòng tổng hợp tại các điểm cho tr−ớc là Wx và Wy. Trên cơ sở đó ta xác định Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột n−ớc thấp Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thuỷ Lợi 44 đ−ợc các góc β tạo bởi ph−ơng của vận tốc t−ơng đối với trục X và toạ độ (x,y) các điểm của đ−ờng nhân profile. Việc tính toán đ−ợc lặp lại nhiều lần sao cho sai số toạ độ đ−ờng nhân nhỏ hơn giá trị cho phép d−ới 3%. Kết quả tính toán đ−ợc l−u trên file TG2.TG và file số liệu của ch−ơng trình 3. Các profile cánh ở các tiết diện khác nhau cũng đ−ợc vẽ lên màn hình để tiện quan sát. Ch−ơng trình mô tả nh− hình 21: Hình 20. Sơ đồ khối ch−ơng trình tính toán thiết kế profile cánh. Chọn C Vào số liệu ban đầu i: = i+1 Tính toán các thông số U,V,W, T/L, βm, Γ, A0, A1 Chọn K theo T/L vàβm Tính sinα và góc α βvct= βm - α Chọn K theo T/L vàβvct Tính ∆K % TG1.TG Ch−ơng trình 2 KQ1.KQ α ≤ [α] Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột n−ớc thấp Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thuỷ Lợi 45 Hình 21. Sơ đồ khối ch−ơng trình profile cánh theo ph−ơng pháp phân bố xoáy TG1.T i: = i+1 Xác định toạ độ các điểm tính toán của đ−ờng nhân σ = -1, -2/3, -1/3, 0, 1/3, 2/3,1 Xác định hệ số a,b Xác định cosβ và sinβ - Góc của vận tốc với đ−ờng nhân Xác định toạ độ đ−ờng nhân xi, yi Xác định các thành phần vận tốc V’xα; V’’xα; V’xs; V’’xs; V’yα; V’’yα; V’ys; V’’ys; Wx; Vy; Xác định sai số toạ độ đ−ờng nhân ∆xi, ∆yi Xác định góc va α = βm - β và độ võng f = f/L Xây dựng đ−ờng nhân & độ dầy cho profile cánh TG2.TG Ch−ơng trình 3 Hiệu chỉnh góc ra α bằng cách thay đổi C’ từ số liệu vào của ch−ơng trình 1 i<Ntđ Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột n−ớc thấp Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thuỷ Lợi 46 2.6.3. Xâu cánh (xếp các profile) theo ph−ơng chiếu đứng và ph−ơng chiếu bằng. Việc sắp xếp các profle đ−ợc thực hiện theo nguyên tắc mép ra của cánh nằm trên cùng một đ−ờng thẳng h−ớng kính và vuông góc với trục. Cánh đ−ợc vẽ theo ph−ơng chiếu đứng và ph−ơng chiếu bằng. Trong ch−ơng trình này toạ độ của các điểm của profle thực đ−ợc tính theo đ−ờng kính thực của BCT. Kết quả việc tính toán đ−ợc l−u giữ trong file KQ2.KQ. Đồng thời ch−ơng trình này tạo ra file TG3.TG là file số liệu dành cho ch−ơng trình tính toán tiếp theo. Sơ đồ khối của ch−ơng trình 3 hình 22: Hình 23. Sơ đồ khối ch−ơng trình xếp các profile. 2.6.4. Ch−ơng trình tính toán phân bố vận tốc và áp suất trên profile cánh. Phần tính toán phân bố vận tốc và áp suất trên profle cánh đã đ−ợc lập trình. Kết quả tính toán phân bố vận tốcW, áp suất P đ−ợc l−u trong file KQ3.KQ. Phân bố vận tốc W và áp suất P sau khi tính đ−ợc sẽ biểu diễn d−ới dạng đồ thị TG1.TG Xây dựng l−ới toạ độ khung trục Xâu profile, dựng cánh ở mặt chiếu đứng Tính toạ độ của profile TG3.TG Ch−ơng trình 4 Cho đ−ờng kính thực D của BCT Dựng cánh ở mặt chiếu bằng KQ2.KQ Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột n−ớc thấp Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thuỷ Lợi 47 phụ thuộc vào toạ độ s của chu tuyến profile h−ớng bắt đầu từ đuôi (máp ra) của profle theo h−ớng bụng cánh vòng qua l−ng cánh. Các biểu đồ vận tốc W(s), W(s) = W(s)/V và áp suất p(s) = (p -pa)/γH đ−ợc xây dựng cho cả năm tiết diện tính toán. Sơ đồ khối của ch−ơng trình nh− hình 23. Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột n−ớc thấp Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thuỷ Lợi 48 Hình 23. Sơ đồ khối CT tính toán phân bố vận tốc và áp suất trên profile cánh Số liệu vàoTG3.TG Tính tích phân kép Tính điểm đặc biệt và vùng lân cận Tính vế phải của ph−ơng trình Xây dựng các cột của ma trận Xây dựng hàng cuối của ma trận biểu thị điều kiện ra của dòng chảy ở đuôi profile Giải hệ ph−ơng trình KQ2.KQ Tính toán toạ độ điểm nút Gaosơ Sg và các hệ số Gaosơ tại các điểm này (a0) Tính toán toạ độ điểm nút Gaosơ ug, zg trên profile,giá trị h0, r0 các hàm γ0, fg, qg tại các điểm này Tính diện tích tiết diện, giá trị h,r, các hàm phụ để tính tích phân kép. Tách các điểm đặc biệt của tích phân kép K = K1 Tính l−u số vận tốc Γ, phân bố vận tốc và áp suất Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột n−ớc thấp Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thuỷ Lợi 49 Sơ đồ tổng quát của cả năm ch−ơng trình nh− sau: 2.6.5. Ch−ơng trình tính toán tổn thất và hiệu suất của bánh công tác: Tổn thất thuỷ lực ở bánh công tác chiếm một phần đáng kể trong tổng tổn thất thuỷ lực trong tua bin và việc tính toán rất phức tạp. Phần trên đã đề cập đến lý thuyết tính toán tổn thất trên BCT bao gồm tổn thất lớp biên và tổn thất mút cánh. Ch−ơng trình tính toán tổn thất lớp biên có sơ đồ khối nh− hình 24. 2.7. Kết luận. Sự phát triển v−ợt bậc trong nh−ng năm gần đây trong lĩnh vực tua bin cột n−ớc thấp, đặc biệt hiệu suất và tính năng chống xâm thực của các cánh công tác thế hệ mới đ−ợc nâng cao không thể không kể đến đóng góp của việc hoàn thiện lý thuyết cũng nh− việc tính toán có sự hỗ trợ tích cực của máy tính. ở phần trên chúng tôi có điểm qua các ph−ơng pháp tính toán cánh BCT và chọn ph−ơng pháp phân bố xoáy vì ph−ơng pháp này đòi hỏi khối l−ợng tính toán không lớn nh− ph−ơng pháp các điểm kỳ dị nh−ng kết quả tính toán cũng cho các BCT chất l−ợng cao. Để sơ bộ đánh giá chất l−ợng cánh chúng tôi có đề cập đến ph−ơng pháp giải bài toán thuận trong lý thuyết cánh để tính toán phân bố vận tốc và áp suất trên các profile. Vào số liệu Thứ 1 KQ1.KQ TG1.TG Thứ 2 KQ2.KQ TG2.TG Thứ 3 TG3.TG Thứ 4 KQ3.KQ Thứ 5 Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột n−ớc thấp Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thuỷ Lợi 50 Mục cuối của phần hai nêu lên cách đánh giá lý thuyết tổn thất và hiệu suất của tua bin theo ph−ơng pháp lớp biên. Hình 24. Sơ đồ khối CT tính toán tổn thất và hiệu suất của bánh công tác Tính chuyển đổi thành các đại l−ợng không thứ nguyên KQ2.KQ Số liệu vào: Vận tốc Vu1 , Vz, ω toạ độ điểm x,y của profile và phân bố vận tốc theo chu tuyến profile Tính chiều dài L phần l−ng cánh và bụng cánh của profile, tính số Râynôn t−ơng ứng Giả thiết vận tốc vòng VUGT ở mép ra, Tính vận tốc W2 và W∞ Tính toán các thành phần của biểu thức tính hệ số CPX, lấy tích phân theo chu tuyến profile Tính toán hệ số tơn thất ζ, hiệu suất thuỷ lực của dãy cánh, tính vận tốc V2U %1 2 22 ≤− U UGTU V VV yes Vugt = V2u Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột n−ớc thấp Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thuỷ Lợi 51 Toàn bộ các phần tính toán thiết kế trên: - Tính toán thiết kế cánh công tác. - Xác định phân bố vận tốc và áp suất trên profile cánh. - Tính toán tổn thất lớp biên và tổn thất mút cánh đã đ−ợc lập trình tính toán trên máy vi tính. Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột n−ớc thấp Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thuỷ Lợi 52 Ch−ơng III: Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm tua bin mô hình. 3.1. Chọn kết cấu tổ máy. 3.1.1. Tua bin dạng capxun: Để phù hợp với khả năng công nghệ trong n−ớc chúng tôi không dùng ph−ơng án máy phát đặt trong bầu capxun mà chỉ đặt puli đai thang trong đó. Kích th−ớc capxun to hay nhỏ phụ thuộc vào kích th−ớc của puli xét về góc độ thuỷ lực kích th−ớc capxun nhỏ hơn đ−ờng dòng sẽ thẳng hơn tổn thất thuỷ lực sẽ nhỏ hơn. Theo kinh nghiệm thiết kế của n−ớc ngoài đ−ờng kính của capxun th−ờng lấy d/D1=0.7-1, trong đó d là đ−ờng kính của capxun. Kích th−ớc của đ−ờng ống dẫn n−ớc vào liên quan mật thiết đến kích th−ớc và hình dạng của capxun, khi thiết kế cần thoả mãn các nguyên tắc sau: Đ−ờng ống dẫn phải tạo ra đ−ợc dòng chảy thu hẹp dần, không đ−ợc mở rộng dòng chảy, để giảm bớt tổn thất thuỷ lực. Kích th−ớc mặt cắt cửa vào của ống dẫn n−ớc phải đảm boả giá trị l−u tốc trung bình vj = kVh, để chọn kích th−ớc mặt cắt nhỏ nhăm giảm kích th−ớc tổ máy hệ số l−u tốc lấy 1-1,2. 3.1.2. Tua bin dòng nửa thẳng: Trục tổ máy đi ra từ phần cong của phần đẫn dòng đ−ờng kính cửa vào D/D1=1,2 - 1,5. Với bộ phận h−ớng dòng: Lựa chọn số cánh h−ớnh dòng: Z0 = 8 cánh. Xác định khoảng cách từ cánh h−ớng đến BXCT và góc nghiêng của cánh h−ớng: Thông th−ờng góc nghiêng của cánh bằng 60 - 70o. Phần nhiêu dùng góc 65o. Khoảng cách của giao điểm đ−ờng trục cánh h−ớng và đ−ờng trục tua bin đến tâm BXCT , theo tài liệu thống kê L1= (0,65 - 0,8)D1. - Lựa chọn kích th−ớc buồng BXCT và ống hút: Đối với tổ máy cỡ nhỏ, cánh BXCT cố định buồng hình trụ. ống hút của tua bin dòng thẳng có hình nón. Độ dài và hình dạng hình học của ống hút có ảnh h−ởng nhất định tới dòng chảy trong BXCT , dòng khuyếch tán trong ống xả, ma sát giữa dòng chảy và ống… có ảnh h−ởng rất lớn đến tính năng thuỷ lực của tua bin. Qua các thí nghiệm cho thấy nếu ống hút quá ngắn d−ới 1.55dg có thể làm giảm hiệu suất thuỷ lực tới 0.5%. Kéo dài ống xả hình nón có thể cải thiện tính Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột n−ớc thấp Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thuỷ Lợi 53 năng của tua bin, kích th−ớc chiều dài tối −u tuỳ thuộc vào loại tua bin, laọi cánh BXCT, độ dài của ống hút th−ờng lấy L = (4,5 - 5)D1. Hình dạng ống xả th−ờng dùng hình nón hoặc ống vuông tròn, ống vuông tròn dễ chế tạo và thuận lợi trong thi công lắp đặt. Nếu dùng ống xả hình nón có thể lấy góc nón 10 - 120 , nếu dùng ống vuông tròn góc côn lấy theo biểu đồ 2 - 57. 3.1.3. Phần dẫn dòng của tua bin thí nghiệm: Căn cứ vào các nguyên tắc trong thiết kế đã nêu ở trên cho phần qua n−ớc của tua bin dòng thẳng và dòng nửa thẳng trục ngang chúng tôi đã thiết kế các tua bin có phần qua n−ớc nh− ở các hình d−ới. Cả hai loại tua bin này chúng tôi đã chế tạo để đ−a vào thử nghiệm. Để lựa chọn đ−ợc mẫu cánh tua bin mô hình thử nghiệm ta cần thông qua tính toán lý thuyết để chọn đ−ợc mẫu cánh tốt nhất. Dựa vào các thông số cơ bản của mẫu cánh có tỷ tốc cao nhất và có đặc tính xâm thực tốt nhất là mẫu 4K84 của Tiệp khác (cũ) và mẫu cánh ΠΛΓ9a1 của Liên xô (cũ), dùng ch−ơng trình tính toán BCT để xác định profile BCT và tính toán tổn thất cho từng mẫu cánh để chọn đ−ợc mẫu cánh. Khi thử nghiệm chúng tôi dùng phần dẫn dòng của tua bin dòng nửa thẳng có cánh h−ớng có thể điều chỉnh đ−ợc để thíi nghiệm các mẫu cánh. 3.2. Thiết kế BXCT tuabin mô hình. 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). Các thông số ban đầu dùng để tính toán bánh công tác là số vòng quay, l−u l−ợng và đ−ờng kính bầu db/D1, số cánh của bánh công tác Zbct và tỷ lệ chiều dài cánh trên b−ớc l−ới L/T. Bánh công tác đ−ợc tính toán cho 5 tiết diện tạo bởi các mặt trụ đồng tâm từ đ−ờng kính bầu 0,37m đến đ−ờng tính toán là 1m. - Số cánh: đ−ợc chọn theo mẫu là 4. - Mật độ dãy cánh: l/t ứng với 5 tiết diện nh− sau: Tiết diện I II III IV V l/t 0,946 0,828 0,730 0,646 0,579 - Vận tốc h−ớng trục của dòng chảy (trong mặt phẳng kinh tuyến) ch−a kể đến hệ số chèn dòng : )1( 4 22 ' ' bi I z dD QV −= π (3.1) Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột n−ớc thấp Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thuỷ Lợi 54 Tính tới hệ số chèn dòng Kcdi và hệ số phân bố vận tốc h−ớng trục Kzi theo bán kính ta có vận tốc h−ớng trục bằng: )1( 4 22 ' ' bi Izicdi zzicdizi dD QKKVKKV −== π (3.2) Đối với tiết diện gốc hệ số chèn dòng có giá trị bằng : Kcdi = 1,05 - 1,1 chọn Kcdi = 1,06. Đối với tiết diện biên có thể lấy hệ số chèn dòng bằng: Kcdi=1,02 - 1,05 chọn Kcdi = 1,02 Hệ số chèn dòng của các tiết diện giữa lấy theo quy luật tuyến tính: Tiết diện I II III IV V Hệ số chèn dòng Kcd 1,06 1,05 1,04 1,03 1,02 Hệ số chèn dòng có thể kiểm tra lại ở cuối quá trình tính toán bằng công thức: β δ sin − = T TKcd (3.3) Trong đó: δ: là độ dày của profile β: góc đặt của profile ở điểm tính toán. - Hệ số phân bố vận tốc h−ớng trục có thể lấy cho 5 tiết diện tính toán nh− sau: Tiết diện I II III IV V Kzi 0,90 0,95 1,00 1,05 1,10 - Vận tốc vòng (theo ph−ơng U) của dòng chất lỏng: RinUiiUiU I 30 21 ,π=== (3.4) - Thành phần vận tốc xoáy ở mép vào và mép ra của cánh bánh công tác: (3.5) Đối với tiết diện gốc hệ số vận tốc xoáy Kvzu có thể lấy bằng 0, đối với tiết diện biên Kvzu có thể lấy bằng + 0,2; Đối với các tiết diện trung gian có thể lấy theo quy luật tuyến tính. i tluiui i tluivui V gHVV V gHKV 1 1 21 22 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 55 Hệ số xoáy sau bánh công tác: Tiết diện I II III IV V Kvzu 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 - Góc của dòng chảy bao không nhiễu tạo bởi h−ớng của vận tốc Wm và trục l−ới : (3.6) - Vận tốc trung bình của dòng song phẳng không nhiễu: (3.7) - L−u số vận tốc bao quanh profile : Ict tl nZ gH , 60η=Γ (3.8) - L−u số vận tốc tạo ra bởi góc va α của profile: Hệ số C' cho tiết diện gốc lấy sơ bộ một giá trị nào đó trong phạm vi 0,3 - 0,6 tùy tuộc loại bánh công tác. Đối với tiết diện biên hệ số C' th−ờng lấy bằng 0,1. Đối với các tiết diện trung gian C' lấy theo quy luật tuyến tính. Hệ số C' cho tiết diện gốc đ−ợc lấy sơ bộ ứng với các tiết diện nh− sau: Tiết diện I II III IV V C’ 0,45 0,34 0,26 0,18 0,10 L−u số vận tốc tạo bởi độ võng của đ−ờng nhân profile: Γsi = Γ - Γαi = Γ(1- C’i). (3.9) Trên cơ sở đó ta xác định đ−ợc l−u số Γαi và Γsi: hệ số: A0i = 2xΓαi / ΠL, A1i = 4xΓsi / ΠLi và góc va αi của dòng chảy : i o i kwm A 2 sin =α (3.10) Trong đó: Ki là hệ số ảnh h−ởng của các profile trong l−ới. Hệ số Ki đ−ợc chọn theo góc đặt của profile βi = βmi + αi và b−ớc l−ới t−ơng đối (L/T)i ( ) 22212 1 ziuiuiimi VVVUW +⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ +−= Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột n−ớc thấp Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thuỷ Lợi 56 Nếu góc va α của tiết diện gốc lớn hơn giá trị cho phép [α] = 60 - 80 ta cần chọn lại hệ số C' để điều chỉnh góc va α. Sau khi tính đ−ợc góc va αi, ta có góc đặt mới của profile βi = βmi + αi . Hệ số Ki chọn lại theo βi và (L/T)i. Quá trình tính lặp kết thúc, khi hệ số Ki, chọn đ−ợc trong lần tính toán tiếp theo sai khác không quá 3% so với hệ số Ki chọn đ−ợc trong lần tính tr−ớc. Góc đặt βi của profile sẽ đ−ợc dùng cho lần tính gần đúng thứ nhất trong quá trình tính lặp để thiết kế l−ới cánh. Các thông số tính toán thể hiện trên bảng sau: - Số tiết diện Ntd: 5 - Số vòng quay và l−u l−ợng quy dẫn: 170 v/ph; 1,770 m3/s - Đ−ờng kính bầu và đ−ờng kính tính toán: 0,37m; 1,0m - Bán kính t−ơng đối các tiết diện tính toán: Tiết diện I II III IV V 0,427 0,548 0,679 0,822 1,0 - Số cánh và cột n−ớc tính toán: 4; 1m - Mật độ dãy cánh Tiết diện I II III IV V 0,946 0,828 0,730 0,646 0,79 - Hệ số phân bố l−u số: Tiết diện I II III IV V 0,45 0,34 0,26 0,18 0,1 - Hệ số xoáy sau bánh công tác: Tiết diện I II III IV V 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 - Hệ số vận tốc h−ớng trục Vz: Tiết diện I II III IV V 0,90 0,95 1,00 1,05 1,10 Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột n−ớc thấp Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thuỷ Lợi 57 - Hệ số chèn dòng Kcd: Tiết diện I II III IV V 1,06 1,05 1,04 1,03 1,02 - Chiều dày t−ơng đối lớn nhất: Tiết diện I II III IV V 11,19 8,01 5,91 4,42 3,3 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). T−ơng tự nh− phần trên ta lập đ−ợc bảng thông số tính toán của l−ới cánh và các thành phần vận tốc cho mẫu cánh PLG9a1 nh− sau : - Số tiết diện Ntd: 5 - Số vòng quay và l−u l−ợng quy dẫn: 170 v/ph; 1,800m3/s - Đ−ờng kính bầu và đ−ờng kính tính toán: 0,35m; 1,0m - Bán kính t−ơng đối các tiết diện tính toán: Tiết diện I II III IV V 0,384 0,538 0,692 0,846 1,10 - Số cánh và cột n−ớc tính toán: 4; 1m - Mật độ dãy cánh Tiết diện I II III IV V 0,850 0,695 0,620 0,575 0,550 - Hệ số phân bố l−u số: Tiết diện I II III IV V 0,35 0,25 0,20 0,15 0,1 - Hệ số xoáy sau bánh công tác: Tiết diện I II III IV V 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột n−ớc thấp Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thuỷ Lợi 58 - Hệ số vận tốc h−ớng trục Vz: Tiết diện I II III IV V 0,90 0,95 1,00 1,05 1,10 - Hệ số chèn dòng Kcd: Tiết diện I II III IV V 1,10 1,087 1,075 1,062 1,050 - Chiều dày t−ơng đối lớn nhất: Tiết diện I II III IV V 10,00 8,04 6,07 4,11 2,15 3.2.3. Tính toán, thiết kế profile cánh: L−ới profile cánh đ−ợc thiết kế theo ph−ơng pháp phân bố xoáy trên cung mỏng của Lêxôkhin. Nội dung của ph−ơng pháp này đã đ−ợc mô tả trong ch−ơng I. Để xây dựng đ−ờng nhân của profile, ta dựa vào các thông số của l−ới, góc đặt của profile và các thành phần vận tốc đã xác định ở trên, chiều dài dây cung đ−ợc chia làm 6 đoạn bằng nhau bởi các điểm có tọa độ t−ơng đối: σ = -1 ; -2/3 ; -1/3 ; 0 ; 1/3 ; 2/3 ; 1 Nh− ta biết trong cơ sở lý thuyết cánh, một profile mỏng vô cùng có thể xem nh− đ−ờng dòng tổng hợp của chuyển động t−ơng đối. Vì vậy, để xác định tọa độ các điểm tính toán của đ−ờng nhân tại mỗi điểm, cần phải xác định vận tốc của dòng chảy tổng hợp và các hình chiếu vận tốc trên các ph−ơng trục x và y. Hình chiếu vận tốc t−ơng đối trên ph−ơng trục x xác định bằng biểu thức: (3.11) Trên ph−ơng trục y: (3.12) ý nghĩa các vận tốc thành phần và cách tính toán đã trình bày trong phần II. Biết các thành phần vận tốc Wx và Wy ta xác định đ−ợc góc tạo bởi ph−ơng của vận tốc t−ớng đối W và trục x tại mỗi điểm chia của đ−ờng nhân: (3.13a) (3.13b) "'"' xsxsxxmxx VVVVWW ++++= αα "'"' ysysyymyy VVVVWW ++++= αα W W W W x y = = β β cos sin Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột n−ớc thấp Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thuỷ Lợi 59 Trong đó: (3.14) và tọa độ các điểm chia đó. (3.15a) (3.15b) (3.15c) (3.15d) Dựa vào các giá trị tọa độ x, y ta xây dựng đ−ờng nhân cho các tiết diện tính toán của cánh trong mặt phẳng x, y. Đ−ờng nhân vừa nhận đ−ợc chính là profile mỏng vô cùng trong lần tính gần đúng lần thứ nhất. Trong lần tính gần đúng tiếp theo, các xoáy đ−ợc phân bố trên đ−ờng nhân vừa mới nhận đ−ợc của profile. Trong thực tế tính toán th−ờng chỉ cần tính hai lần là đủ. Cuối cùng, để nhận đ−ợc profile có độ dày, ta sử dụng quy luật phân bố độ dày theo chiều dài đ−ờng nhân của profile VIGM15 (đ−ợc cho trong bảng d−ới) và trên cơ sở độ dày Max chọn tr−ớc cho từng tiết diện, đắp độ dày trên đ−ờng nhân sẽ đ−ợc profile thực. Bảng 9. Quy luật phân bố độ dày của profile VIGM - 15 (%)L xx = 1. 2. 5. 7. 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 9 1 maxy yy = 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0 Xâu các profile lại với nhau theo nguyên tắc mép ra của profile nằm trên cùng một đ−ờng thẳng h−ớng kính và vuông góc với trục, ta đ−ợc cánh hoàn chỉnh của bánh công tác. Toàn bộ quá trình tính toán đ−ợc thực hiện trên máy vi tính với việc sử dụng ch−ơng trình tính toán tua bin h−ớng trục. Các thông số ban đầu và các kết quả tính toán mẫu cánh trên đ−ợc cho trong phụ lục cuối ch−ơng gồm: - Bảng các số liệu tính toán ban đầu. - Bản tính các thông số cơ bản của tua bin. 22 yx WWW += ∑ ∑ = + = + ∆= +=∆ ∆= +=∆ n i i nn n i i nni yy Ly xx Lx 1 1 1 1 )sin(sin 2 1 6 )cos(cos 2 1 6 ββ ββ Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột n−ớc thấp Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thuỷ Lợi 60 - Bản vẽ các profile trong tọa độ t−ơng đối cho 5 tiết diện tính toán trong mặt phẳng x, y. Trên bản vẽ chỉ rõ góc đặt của profile, góc va , độ dày t−ơng đối , độ võng t−ơng đối fmax/L của profile. - Các biểu đồ phân bố vận tốc và áp suất theo chu tuyến profile cho 5 tiết diện tính toán. Các biểu đồ này đ−ợc sử dụng để đánh giá sơ bộ chất l−ợng và khả năng làm việc của l−ới cánh, đồng thời có thể sử dụng để xác định tổn thất trong chảy bao profile cánh. Từ biểu đồ phân bố áp suất ta xác định đ−ợc độ giảm áp tối đa trên l−ng profile cánh, từ biểu thức tính áp suất t−ơng đối: H PPP aγ −= ta xác định đ−ợc áp suất tuyệt đối ở vị trí có độ giảm áp lớn nhất trên cánh: HPPP a += γγ áp suất này lớn hơn áp suất hơi bão hòa của chất lỏng nên tua bin làm việc bình th−ờng không xảy ra xâm thực. Khi quan sát các biểu đồ phân bố vận tốc và áp lực ta thấy các profile cánh có phân bố vận tốc và áp suất đều đặn, không có biến đổi đột ngột nên tua bin có khả năng làm việc êm và không gây tổn thất lớn. 3.2.4. Tính toán hiệu suất các mẫu cánh. Sau khi tính toán các thành phần vận tốc và tính toán profile cánh bánh công tác , ta có cơ sở tính toán tổn thất trên hai mẫu cánh 4K84và ΠΛΓ9a1để chọn mẫu cánh thích hợp đ−a vào thí nghiệm . Dùng ch−ơng trình tính toán trên máy vi tính để tính tổn thất tại bánh xe công tác của hai ph−ơng án cánh 4K84 và ΠΛΓ9a1 với các số liệu đầu vào thể hiện trên Phụ lục 2 , kết quả tính toán nh− sau Bảng 10. Kết qủa tính toán tổn thất tua bin ΠΛΓ9a1 Tiết diện R L/T Vz Vu1 Vu2 1 0,214 0,946 2,684 2,314 0,000 2 0,274 0,828 2,806 1,767 0,068 3 0,340 0,730 2,926 1,454 0,112 Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột n−ớc thấp Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thuỷ Lợi 61 4 0,411 0,646 3,042 1,252 0,137 5 0,500 0,579 3,157 1,111 0,150 Tiết diện thứ 1 Cxn = 0,0202 Jeta = 0,0227 Tiết diện thứ 2 Cxn = 0,0142 Jeta = 0,0290 Tiết diện thứ 3 Cxn = 0,0118 Jeta = 0,0395 Tiết diện thứ 4 Cxn = 0,0101 Jeta = 0,0512 Tiết diện thứ 5 Cxn = 0,0081 Jeta = 0,0637 Trị số tổn thất bánh công tác 0,042706 Tổn thất mút Trị số λ = 0,659710 Cy = 0,351186 Cxk = 0,001796 Jetak = 0,014177 Tổng tổn thất: 0,05650 Hiệu suất bánh công tác: η= 0,9435 Bảng 11 . Kết qủa tính toán tổn thất tua bin 4K84 Tiết diện R L/T Vz Vu1 Vu2 1 0,192 0,850 2,684 2,314 0,000 2 0,269 0,695 2,806 1,767 0,070 3 0,346 0,62 2,926 1,454 0,108 4 0,423 0,575 3,042 1,252 0,133 5 0,500 0,550 3,157 1,111 0,150 Tiết diện thứ 1 Cxn = 0,0259 Jeta = 0,0207 Tiết diện thứ 2 Cxn = 0,0149 Jeta = 0,0244 Tiết diện thứ 3 Cxn = 0,0112 Jeta = 0,0335 Tiết diện thứ 4 Cxn = 0,0093 Jeta = 0,0454 Tiết diện thứ 5 Cxn = 0,0081 Jeta = 0,0605 Trị số tổn thất bánh công tác 0,045484 Tổn thất mút Trị số λ = 0,694494 Cy = 0,369703 Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột n−ớc thấp Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thuỷ Lợi 62 Cxk = 0,001890 Jetak = 0,016177 Tổng tổn thất: 0,061661 Hiệu suất bánh công tác: η= 0,9383 Sở dĩ hiệu suất tính đ−ợc ở đây cao hơn hiệu suất trên đ−ờng đặc tính tổng hợp vì ch−a tính tới tổn thất qua các phần qua n−ớc khác nh− buồng xoắn ,cánh h−ớng dòng, ống hút... ở đây chỉ so sánh hiệu suất của hai bánh công tác làm việc ở điểm tính toán cho tr−ớc để chọn mẫu cánh thích hợp . Sau khi tính tổn thất trên cánh công tác của hai loại mẫu cánh trên ta thấy đối với cột n−ớc và l−u l−ợng đã chọn thì tổn thất trên cánh công tác của mẫu 4K84 lớn hơn tổn thất trên cánh công tác của mẫu ΠΛΓ9a1, việc tính toán hiệu suất của hai loại tuabin sẽ đ−ợc kiểm chứng qua thực nghiệm. 3.3. Thử nghiệm tua bin mô hình. 3.3.1. Đ−ờng đặc tính tổng hợp chính của tua bin và các thông số cần phải đo đạc. Trong thực tế vận hành của tua bin, thông th−ờng có nhiều thông số thay đổi nên cần phải dùng một loại đ−ờng đặc tính biểu thị quan hệ giữa tất cả các thông số đặc tính của tua bin. Đ−ờng đặc tính biểu thị giữa các thông số đặc tính của tua bin, tức là biểu thị tổng hợp tính chất làm việc của tua bin gọi là đ−ờng đặc tính tổng hợp. Có hai loại đ−ờng đặc tính tổng hợp: đ−ờng đặc tính tổng hợp chính và đ−ờng đặc tính tổng hợp vận hành. Sau đây chúng tôi giới thiệu ph−ơng pháp xây dựng đ−ờng đặc tính tổng hợp chính. Đ−ờng đặc tính tổng hợp chính biểu thị quan hệ η=f(Q,n) hoặc η=f(N,n) khi đ−ờng kính BXCT D1 và cột n−ớc H không thay đổi. Nhung thông th−ờng các đại l−ợng n, Q và N đ−ợc tính đổi thành các đại l−ợng quy dẫn nI’, QI’ và NI’ bằng các công thức t−ơng tự. Do đó đ−ờng đặc tính tổng hợp chính là đ−ờng biểu thị quan hệ η = f(QI’,nI’) hoặc η = f(NI’,nI’) khi D1= 1m và H = 1m. Loại đ−ờng đặc tính η = f(QI’,nI’) hay đ−ợc dùng hơn cả. Thực tế đ−ờng đặc tính tổng hợp chính là các đ−ờng đồng hiệu suất đ−ợc vẽ trong hệ toạ độ QI’ và nI’. Đ−ờng đặc tính tổng hợp chính đ−ợc xây dựng bằng hàng loạt thí nghiệm mô hình. Đó là t− liệu quan trọng nhất để tìm hiểu đặc tính của từng Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột n−ớc thấp Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thuỷ Lợi 63 loại tua bin, là cơ sở để vẽ đ−ờng đặc tính tổng hợp vận hành của tua bin cũng nh− là t− liệu chính để chọn tua bin cho trạm thuỷ điện. Ph−ơng pháp xây dựng đ−ờng đặc tính tổng hợp chính. Đ−ờng đặc tính tổng hợp chính đ−ợc vẽ trong hệ toạ độ các thông số quy dẫn ( 1''1 , nQ ) nên phải biến đổi các đại l−ợng thí nghiệm ra các đại l−ợng quy dẫn theo công thức H nD n 11' = và HD QQ 1 2 1 ' = Dựa vào các kết quả có đ−ợc ở thí nghiệm mô hình (hoặc ở hiện tr−ờng) để tiến hành vẽ các đ−ờng đặc tính tuyến của tuốc bin. Trên cơ sở đó vẽ đ−ờng đặc tính tổng hợp chính. Trình tự vẽ đ−ờng đặc tính tổng hợp chính nh− sau: - Trong hệ toạ độ ( 1''1 , nQ ) vẽ các đ−ờng liên hệ n’ = f(Q1’) ứng với các độ mở a0 khác nhau. - Trên đồ thị bổ trợ vẽ các đ−ờng η = f(n1’) cho từng độ mở a0. - Vẽ các đ−ờng song song với trục hoành (η1 = const) chúng sẽ cắt các đ−ờng a0 tại các điểm b1,b1’, b2, b2’, b3, b3’ b4, b4’ và vv... Mang các điểm bt có cùng một trị số hiệu suất ứng với các độ mở a0 khác nhau này sang ta sẽ có các điểm bi và bi’ t−ơng ứng.... Nối các điểm đó lại với nhau bằng một đ−ờng cong trơn ta sẽ có đ−ờng đồng hiệu suất trong hệ toạ độ ( 1''1 , nQ ). Cứ làm nh− thế cho các độ mở a0 khác, ta sẽ có một họ đ−ờng cong đồng hiệu suất trong hệ toạ độ ( 1''1 , nQ ). Đó là đ−ờng đặc tính tổng hợp chính của tua bin. 3.3.2. Giá thử nghiệm tua bin. 3.3.2.1. Mô tả chung hệ thống. Để nghiên cứu thực nghiệm tua bin mô hình h−ớng trục cột n−ớc thấp cần phải có giá thử tua bin đáp ứng đ−ợc các yêu cầu chính xác, hiện đại, và thuận tiện cho việc thao tác, gia công số liệu. Với mục tiêu đó chúng tôi tiến hành thử tua bin mô hình cột n−ớc thấp trên giá thử của Trung tâm thuỷ điện - Viện Khoa học Thuỷ lợi. Sơ đồ giá thí nghiệm tua bin đ−ợc giới thiệu trên hình 25. Hệ thống thí nghiệm tua bin h−ớng trục cột n−ớc thấp gồm các danh mục sau: 1 - Bể ngầm cấp n−ớc. 2 - Các bơm cấp cho sàn thí nghiệm. 3 - Hệ thống đ−ờng ống và van phân phối. Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột n−ớc thấp Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thuỷ Lợi 64 4 - Bể th−ợng l−u hệ thống thí nghiệm tua bin cột n−ớc thấp. 5 - Thiết bị đo l−u l−ợng. 6 - Thiết bị đo áp ở cửa vào tua bin. 7 - Thiết bị đo mô men trên trục tua bin (đi cùng với thiết bị đo số vòng quay). 8 - Bộ gây tải. 9 - Thiết bị đo mức bể hạ l−u. 10 - Kênh dẫn n−ớc về bể cấp. 11 - Trung tâm thu thập và xử lý số liệu. Hình 25. Sơ đồ giá thí nghiệm tua bin . 1 4 57 8 10 11 3 2 6 9 Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột n−ớc thấp Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thuỷ Lợi 65 Hình 26. Sơ đồ lắp đặt tua bin thử nghiệm . 3.3.2.2. Các thông số chính của các bộ phận trong hệ thống: a. Bể n−ớc ngầm và kênh dẫn: Bể n−ớc ngầm cung cấp n−ớc cho hệ thống đ−ợc thiết kế với dung tích 250m3 đảm bảo cho dòng chảy sau khi qua sàn thử có đủ thời gian ổn định tr−ớc khi tiếp tục một chu trình mới. b. Bơm cấp, hệ thống đ−ờng ống và van phân phối: Đối với tua bin cột n−ớc thấp, yêu cầu l−u l−ợng thử khá lớn do đó để đạt yêu cầu kinh tế trong thử nghiệm cần lựa chọn sao cho khi vận hành hệ thống có thể chỉ cần chạy một máy bơm hoặc có thể vận hành nhiều máy bơm khi yêu cầu l−u l−ợng cao. Cấp l−u l−ợng chính cho hệ thống thí nghiệm này là 02 tổ máy bơm HL600 - 5 Trong tr−ờng hợp cần thiết có thể vận hành thêm tổ máy bơm LT470-18 của hệ thống thí nghiệm tua bin mô hình cột n−ớc cao. Tất cả các bơm cấp đ−ợc thiết kế hoạt động trong mạng bằng hệ thống đ−ờng ống và van phân phối. Tùy theo chế độ thử của tua bin mô hình mà vận hành hệ thống một cách linh hoạt, kinh tế. c. Bể th−ợng l−u (bể áp lực): Vì hệ thống cần l−u l−ợng lớn trong khi vận hành nên bể áp lực cần phải đảm bảo một số yêu cầu sau: Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột n−ớc thấp Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thuỷ Lợi 66 - Đảm bảo ổn định dòng chảy tr−ớc khi vào tua bin. - Đảm bảo ổn định cột n−ớc khi thay đổi chế độ tải của tua bin mô hình. - Có nhiều mức xả tràn để tạo đ−ợc nhiều chế độ trong thí nghiệm tua bin mô hình. Từ các yêu cầu trên, bể áp lực đ−ợc thiết kế với kích th−ớc B x L x H = 2,5m x 3,5m x 4m có l−ới ổn định dòng và 3 mức xả tràn. d. Sàn thí nghiệm: Sàn thí nghiệm đ−ợc thiết kế có độ cao 2m so vơí mặt n−ớc của bể ngầm. Bể hạ l−u phía d−ới sàn thử. N−ớc sau khi thử qua hệ thống kênh dẫn trở về bể ngầm. Trên kênh dẫn có bố trí cửa van để điều chỉnh chiều cao hút của tua bin trong khi thí nghiệm. Chiều cao hút Hs có thể điều chỉnh trong phạm vi từ 0.5 ữ 1.5 m. e. Bộ gây tải: Bộ gây tải là một bộ truyền (có thể thay đổi tỷ số truyền) và một động cơ điện một chiều có công suất lớn nhất 20 kW, điều khiển công suất vô cấp bằng dòng kích từ. f. Thiết bị đo: - Thiết bị đo l−u l−ợng do hãng Siemens (CH LB Đức) chế tạo hoạt động trên nguyên lý cảm ứng điện từ, độ chính xác ±0.5%, phạm vi đo 0 ữ 2000m3/h. Thiết bị này có ký hiệu là 7ME2531φ400. - Thiết bị đo áp do hãng HBM (CH LB Đức) chế tạo. Thiết bị có độ chính xác ±0.3% phạm vi đo từ 0 ữ 1 bar. Thiết bị có ký hiệu PE200. - Thiết bị đo mức: do hãng Omron ( Nhật bản) chế tạo. Thiết bị có độ chính xác ±0.5% phạm vi đo từ 0 ữ 2 m. - Thiết bị đo mô men do hãng HBM (CH LB Đức) chế tạo. Độ chính xác của thiết bị này là ±0.1%, phạm vi đo 0 ữ 200 Nm. Thiết bị này có ký hiệu là T32FN. - Thiết bị đo vòng quay đi kèm theo thiết bị đo mô men có độ chính xác là ± 0.1%, phạm vi đo 0 ữ 10000 v/ph. g. Trung tâm thu thập và sử lý số liệu: Trong khi thí nghiệm, các thông số đ−ợc ghi lại một cách tức thời tại mỗi thời điểm. Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột n−ớc thấp Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thuỷ Lợi 67 Các thông số đo bao gồm: - áp suất: đ−ợc đo tại cửa vào của tua bin mô hình và thiết bị đo mức (xác định mực n−ớc hạ l−u, thông số đo đ−ợc hiển thị trên đồng hồ hiện số đồng thời đ−ợc chuyển về trung tâm thu thập và xử lý số liệu, hiển thị trên màn hình máy tính. - Cột áp làm việc thực của tua bin mô hình đ−ợc xác định bằng tổng cột áp đo tại cửa vào, cột áp động (xác định theo l−u l−ợng) và cột n−ớc hình học từ điểm đo tới mực n−ớc hạ l−u. - L−u l−ợng: Đo bằng thiết bị đo dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ. Thông số đo đ−ợc hiển thị trên đồng hồ hiện số đồng thời đ−ợc chuyển về trung tâm thu thập và xử lý số liệu, hiển thị trên màn hình máy tính. - Mô men: Đo bằng cảm biến mô men dựa trên nguyên lý đo biến dạng vật chuẩn. số liệu đo đ−ợc hiển thị trên đồng hồ hiện số đồng thời đ−ợc chuyển về trung tâm thu thập và xử lý số liệu, hiển thị trên màn hình máy tính. - Vòng quay: đ−ợc đo bằng thiết bị đo số vòng quay trên nguyên tắc đếm xung đảm bảo độ chính xác rất cao. Thông số đo đ−ợc hiển thị trên đồng hồ hiện số đồng thời đ−ợc chuyển về trung tâm thu thập và xử lý số liệu, hiển thị trên màn hình máy tính. Các số liệu đo sẽ đ−ợc gia công tính toán để xác định các thông số cần thiết lấy số liệu để xây dựng đặc tính thực nghiệm của tua bin mô hình. Sơ đồ đo của hệ thống có thể mô tả nh− hình 27. Hình 27. Sơ đồ hệ thống đo đạc và xử lý số liệu. Đo Q Đo H Đo Hs Đo M Đo n Bộ chuyển đổi dữ liệu Trung tâm xử lý số liệu Xuất dữ liệu Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột n−ớc thấp Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thuỷ Lợi 68 3.3.3. Xác định các thông số của tua bin mô hình cột n−ớc thấp và hệ thống thí nghiệm. Hệ thống thí nghiệm tua bin tại Trung tâm Thủy điện - Viện khoa học thuỷ lợi đ−ợc nhà n−ớc đầu t− trong các năm 2002-2003 nên hệ thống đ−ợc thiết kế và lắp đặt mới, d−ới đây chúng tôi xin trình bày việc tính toán, thiết kế các thiết bị chính trong hệ thống thí nghiệm 3.3.3.1. Chọn đ−ờng kính bánh công tác tua bin mẫu: Các bánh công tác mô hình thí nghiệm tua bin cột n−ớc thấp ở n−ớc ngoài th−ờng có đ−ờng kính 250mm, 300mm và 460mm để thí nghiệm năng l−ợng và khí thực. Phân viện cơ học Viện hàn lâm khoa học Ucraina, Viện nghiên cứu Thiên tân- Trung quốc dùng mẫu có đ−ờng kính D1= 250mm, Viện nghiên cứu máy thuỷ lực Liên xô dùng mẫu có D1=290mm, các mô hình có đ−ờng kính lớn Dn=460mm cũng đ−ợc dùng nhiều ở các giá thí nghiệm của Liên xô (cũ), Tiệp khắc (cũ), Pháp, Trung quốc. Do diện tích mặt bằng có hạn cũng nh