Báo cáo Khoa học Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo tổ máy thuỷ điện cực nhỏ cột nước cao

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 tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao 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 5817-7 16/5/2006 hà nội – 5/2006 nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi Ch−ơng I. Mở đầu 1 1.1. Đặt vấn đề. 1 1.2. Tổng quan về TĐSN. 1 1.3. Nội dung báo cáo. 7 Ch−ơng II. Phạm vi sử dụng và các thông số cơ bản của tổ máy 8 2.1. Tình hình nghiên cứu chế tạo TĐCN. 8 2.2. Phạm vi sử dụng. 9 2.3. Các thông số cơ bản. 9 2.3.1. Tỷ số 0 1 d D 9 2.3.2. Tỷ số 0 m d d . 10 2.3.3. Hiệu suất tổ máy. 11 2.3.4. Xác định các thông số cơ bản của tổ máy. 13 2.4. Lựa chọn kết cấu cho tổ máy. 14 Ch−ơng III. tính toán, thiết kế các bộ phận chính 16 3.1. Tiêu chuẩn hóa các bộ phận chính. 16 3.2. Vỏ tua bin. 16 3.3. Khoảng cách từ vòi phun đến bánh công tác. 16 3.4. Thiết kế bánh công tác. 17 3.4.1. Ph−ơng h−ớng thiết kế bánh công tác. 17 3.4.2. Xác định các kích th−ớc cơ bản của cánh BCT. 18 3.4.3. Xác định các góc vào của cánh gáo. 18 3.4.4. Xác định các kích th−ớc cơ bản của BCT. 19 3.4.5. Xác định số cánh Z. 20 nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 3.5. Tính toán, thiết kế vòi phun. 21 3.5.1. Lý thuyết tính toán. 21 3.5.2. Tính toán vòi phun cho tổ máy TĐSN. 22 3.5.3. Vị trí vòi phun. 24 3.6. Tính toán thiết kế trục. 24 3.6.1. Các thông số để tính toán thiết kế. 25 3.6.2. Biểu đồ nội lực. 25 3.6.3. Tính sơ bộ đ−ờng kính các đoạn trục. 26 3.6.4. Thiết kế kết cấu trục. 27 3.6.5. Tính toán độ bền mỏi của trục. 27 3.6.6. Tính toán trục tua bin về dao động. 29 3.6.7. Kiểm nghiệm độ bền dập của then. 30 3.7. Tính toán lựa chọn ổ lăn. 31 3.8. Tính toán tổn thất thủy lực và lựa chọn đ−ờng ống. 33 3.8.1. Tổn thất cột áp qua l−ới chắn rác. 33 3.8.2. Tổn thất cột áp ở cửa vào của ống dẫn. 33 3.8.3. Tổn thất áp lực đ−ờng ống. 34 Ch−ơng IV. Thí nghiệm và xây dựng đặc tính vận hành 35 4.1. Hệ thống thí nghiệm. 35 4.2. Qui trình thí nghiệm và đặc tính vận hành. 36 4.3. Các kết luận rút ra từ thực nghiệm. 42 Ch−ơng V. Hệ thống đo l−ờng và điều khiển 43 5.1. Phân loại điều tốc tải giả và nguyên lý làm việc. 43 5.1.1. Hệ thống phụ tải cố định. 43 5.1.2. Hệ thống phụ tải thay đổi. 44 5.2. Thiết bị điều khiển tải giả cho tổ máy công suất nhỏ hơn 1kW. 48 nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 5.2.1. Nguyên lý. 48 5.2.2. Khối tải giả. 49 5.3. Thiết bị điều khiển tải giả tổ máy thủy điện siêu nhỏ. 50 Ch−ơng VI. Công trình trạm và quản lý vận hành 53 6.1. Lựa chọn vị trí lắp đặt tổ máy. 53 6.1.1. Ph−ơng pháp xác định cột n−ớc. 53 6.1.2. Xác định l−u l−ợng của nguồn n−ớc. 54 6.1.3. Chọn vị trí lắp đặt máy. 55 6.2. Công trình trạm tổ máy TĐSN. 56 6.2.1. Bể áp lực. 57 6.2.2. Đ−ờng ống áp lực. 59 6.2.3. Van tr−ớc tua bin. 59 6.2.4. Tổ máy TĐSN. 59 6.2.5. Móng máy. 59 6.3. Công tác quản lý vận hành. 61 6.3.1. Lắp đặt và vận hành. 61 6.3.2. Quản lý và bảo d−ỡng sửa chữa. 62 Ch−ơng VII. Kết luận và kiến nghị 64 7.1. Các kết quả mà đề tài đã đạt đ−ợc. 64 7.2. Kiến nghị. 64 Tài liệu tham khảo 65 Phụ lục 66 nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 1 Ch−ơng I. Mở đầu 1.1. Đặt vấn đề. Mặc dù l−ới và nguồn điện quốc gia phát triển mạnh, nh−ng ở n−ớc ta, một bộ phận rất lớn ng−ời dân ở vùng sâu, vùng xa do sống quá phân tán, sẽ không có cơ hội đ−ợc sử dụng nguồn điện này. Ch−ơng trình phát triển nguồn năng l−ợng tái tạo (REAP) của chính phủ với sự tài trợ của các tổ chức quốc tế nh− UB, ADB, JICA … đang nỗ lực hỗ trợ kỹ thuật, tàI chính nhằm phát triển các dạng năng l−ợng táI tạo (NLTT) nh−: thủy điện nhỏ, năng l−ợng gió, năng l−ợng mặt trời,.. với mục tiêu cung cấp điện cho hơn 400 xã ở vùng sâu [1], [2]. Thiết bị thủy điện siêu nhỏ (TĐSN) đã đ−ợc sử dụng rộng rãi ở Việt nam từ nhiều năm nay, theo số liệu của Viện Năng l−ợng, tới năm 2002, cả n−ớc đã lắp đặt khỏang 120.000 tổ máy TĐSN, phần lớn các thiết bị nhập khẩu từ Trung Quốc. ở trong n−ớc, một số cơ quan cũng đã chế tạo thiết bị TĐSN nh−: Viện Vật liệu thuộc Trung tâm Khoa học Tự nhiên Quốc gia, Tr−ờng Đại học Bách khoa Hà nội. Trong đề tài KC07 - 04, với mục tiêu nghiên cứu thiết kế và chế tạo các thiết bị thủy điện nhỏ và siêu nhỏ phục vụ cho sinh họat và sản xuất, chế biến nông, lâm, thủy sản đã nghiên cứu thiết kế, chế tạo và hòan thiện nhằm nâng cao hiệu quả và giảm giá thành chế tạo thiết bị TĐSN. Đồng thời phát triển thủy điện nhỏ và siêu nhỏ thành một hệ thống hòan chỉnh đáp ứng rộng rãi nhu cầu thực tiễn sản xuất. 1.2. Tổng quan về TĐSN. Nhiều n−ớc trên thế giới đã nghiên cứu và chế tạo thiết bị TĐSN, sử dụng 4 loại tua bin chủ yếu: tua bin h−ớng trục (TBHT), tua bin gáo (TBG), tua bin tia nghiêng (TBTN), tua bin xung kích hai lần TBXK2L. Các tổ máy TĐSN đ−ợc chia thành hai loại cơ bản là: tổ máy TĐSN cột n−ớc cao và tổ máy TĐSN cột n−ớc thấp. Với các tổ máy TĐSN cột n−ớc cao (H>10m), ng−ời ta th−ờng sử dụng một trong hai loại tua bin: Tua bin tia nghiêng và tua bin gáo. Ngoài yêu cầu về kỹ thuật, việc lựa chọn loại tua bin nào còn phụ thuộc vào chỉ tiêu giá thành thiết bị. Một số n−ớc có điều kiện tự nhiên cho phép xây dựng các trạm TĐSN cột n−ớc rất cao thì th−ờng thiên về h−ớng chọn tua bin gáo. Hãng IREM (Italia) đã đ−a ra ý t−ởng kết nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 2 cấu rất độc đáo về tua bin gáo có buồng xoắn với tổ hợp 2 đến 6 mũi phun đơn giản (hình 1). Đồng thời việc chế tạo cánh gáo bằng công nghệ gia công áp lực có thể sản xuất hàng lọat cánh gáo với độ chính xác cao thì giải pháp chọn tua bin gáo là phù hợp. Theo h−ớng này còn có các n−ớc ven núi Himalaya nh−: ấn độ, Nê pan,... nh−ng nhìn chung, cột n−ớc cho TĐSN không dễ dàng có đ−ợc trị số quá cao. Hình 1. Tổ máy TĐSN của hãng IREM Khảo sát thực tế ở Việt Nam, tại các tỉnh nh− Hòa Bình, Nghệ An, Hà Giang cho thấy, cột n−ớc phổ biến ở trong khoảng 5 ữ 50 m (trừ các trạm cột n−ớc thấp). Do vậy áp dụng tua bin tia nghiêng cho TĐSN là phù hợp vì các −u điểm sau: - Kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, độ bền cao, giá thành hạ. - Đặc tính năng l−ợng tốt. Và tua bin tia nghiêng hoàn toàn cạnh tranh tua bin xung kích 2 lần ở dải công suất siêu nhỏ. Từ năm 1993, các thiết bị TĐSN của Trung Quốc đã bán rộng rãi trên thị tr−ờng Việt Nam với qui mô công suất thực từ 100W đến 1000W, phạm vi cột n−ớc 10 ữ 25m. ở trong n−ớc cũng đã nghiên cứu chế tạo lọai 200W và 500W. Một số kết quả khảo sát nh− sau: nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 3 * TĐSN do Trung Quốc chế tạo: Khảo sát các nhà máy sản xuất TĐSN ở tỉnh Quảng Tây-Trung Quốc chúng tôi nhận thấy đây là các cơ sở sản xuất nhỏ, phân bố ở vùng nông thôn. Sản phẩm đ−ợc sao chép lại từ các mẫu nghiên cứu tr−ớc đây, việc sao chép đã biến dạng do vậy hiệu suất rất thấp. Bù lại với nguyên liệu tự sản xuất đ−ợc trong n−ớc (nh− nam châm cho máy phát) và chi phí nhân công rẻ, tổ chức sản xuất tốt làm cho giá thành cuat thiết bị rất rẻ (250.000đồng/tổ). Trong ch−ơng trình hợp tác cung cấp thiết bị thủy điện (ODA) giai đọan 1995 ữ 2000, phía đối tác Trung Quốc đặt hàng các cơ sở sản xuất này sản xuất loại thiết bị có chất l−ợng cao hơn (đủ công suất) thì giá thành thiết bị cũng tăng rất cao (720.000VNĐ cho tổ máy 300W). Đặc điểm của thiết bị do Trung Quốc sản xuất là sử dụng nam châm Baki Ferit lọai chất l−ợng thấp để chế tạo máy phát nên kích th−ớc máy khá lớn. Tiêu hao các nguyên liệu khác cũng vì thế tăng theo. Bánh công tác chế tạo từng lá cánh có biên dạng hình cầu nên hiệu suất thấp. Hình 2. Lá cánh BCT có biên dạng chỏm cầu nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 4 Hình .3. Kết quả thí nghiệm TĐSN cột n−ớc cao do Trung Quốc chế tạo. * Sản xuất TĐSN ở Viện Nam: Viện Vật liệu (thuộc Trung tâm Khoa học Tự Nhiên và Công Nghệ quốc gia) đã nghiên cứu chế tạo TĐSN và đạt đ−ợc những kết quả rất tốt. Viện đã sử dụng nam châm đất hiếm để chế tạo rô to máy phát điện làm thu nhỏ kích th−ớc, tăng tuổi thọ máy phát. Đồng thời viện này cũng đã nghiên cứu công nghệ dập lá cánh BCT tốt hơn, lá cánh không bị cong vênh, nâng cao chất l−ợng gia công, chất l−ợng kim lọai và tiêu chuẩn hóa đ−ợc hai lọai tua bin tia nghiêng là MHG-200HH và MHG- 500HH. Hình 5. Tổ máy MHG500, 200 do Viện Vật liệu chế tạo. HS=f(n) H=7m 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 70 0 80 0 90 0 10 00 11 00 12 00 13 00 14 00 n(v/ph) HS H=7m Poly. (H=7m) nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 5 Đi kèm với các tổ máy, viên Vật liệu cũng đã nghiên cứu, sản xuất thiết phân tải, tải giả để điều chỉnh, ổn định điện áp cho tổ máy. Tuy nhiên các thiết bị này còn một số hạn chế sau: - Phạm vi làm việc cột n−ớc khá cao, trong khi nhu cầu thực tế có cột n−ớc thấp hơn. - Hiệu suất tua bin còn thấp. Kết quả thí nghiệm các tổ máy MHG-200HH và MHG-500HH nh− hình 6 và hình7 Hình 6. Kết quả thí nghiệm TĐSN cột n−ớc cao MHG - 200HH do Viện vật liệu chế tạo. Hình 7. Kết quả thí nghiệm TĐSN cột n−ớc cao MHG - 500HH do Viện vật liệu chế tạo. HS=f(n) H=5m H=6.2m H=7m 0.25 0.26 0.27 0.28 0.29 0.30 0.31 0.32 0.33 70 0 80 0 90 0 10 00 11 00 12 00 13 00 14 00 n(v/ph) HS H=5m H=6.2m H=8m Poly. (H=5m) Poly. (H=6.2m) Poly. (H=8m) HS=f(n) H=10m H=9m H=8m 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 700 800 900 100 0 110 0 120 0 130 0 140 0 n(v/ph) HS H=10m H=9m H=8m Poly. (H=10m) Poly. (H=9m) Poly. (H=8m) nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 6 Đối với các tổ máy TĐSN có cột n−ớc thấp ( H ≤ 2ữ5 m ) ng−ời ta th−ờng sử dụng TBHT buồng hở hoặc buồng kín dạng ống, một số n−ớc tiên tiến chế tạo TBHT có máy phát ngâm trong n−ớc (loại tua bin chìm). 1.3. Nội dung báo cáo. Trong báo cáo này trình bày các nghiên cứu tòan diện về tổ máy TĐSN cột n−ớc cao sử dụng TBTN nhằm hòan thiện các sản phẩm TĐSN và xây dựng gam tua bin TĐSN một cách có hệ thống, đáp ứng rộng rãi nhu cầu của nhân dân miền núi mà đề tài KC07 đã đ−a ra. nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 7 Ch−ơng II. Phạm vi sử dụng và các thông số cơ bản của tổ máy 2.1. Tình hình nghiên cứu chế tạo TĐCN. Một đặc điểm cơ bản của thủy điện là các thông số cơ bản nh− cột áp H, công suất P luôn khác nhau, phụ thuộc vào điều kiện tự nhiên và nhu cầu sử dụng từng trạm. Thực tiễn cho thấy TĐSN đ−ợc sử dụng rộng rãi trong phạm vi H = 0,5 ữ20 m. Với tập quán sử dụng, các trạm thủy điện có H = 1 ữ 2 m th−ờng sử dụng TBHT. ở vùng cột n−ớc thấp H ≤ 1 m có thể sử dụng TBHT, guồng n−ớc (Water Well), tua bin kiểu XK2L hoặc nhân dân miền núi sáng tạo lọai guồng h−ớng trục (ảnh), có hiệu suất thấp. Nhìn chung, cho tới nay, vùng H < 1 m và H = 2 ữ5 m, vẫn ch−a có giải pháp công nghệ nào phù hợp (hiệu suất chấp nhận, giá rẻ). Phần lớn các tổ máy đang sử dụng có H = 1 ữ 2 m. ở vùng cột n−ớc cao, các tổ máy do Trung Quốc sản xuất đ−ợc sử dụng trong phạm vi H = 10 ữ 20 m, Viện vật liệu có sản xuất loại 200 W, H = 6 m, các thông số cơ bản nh− bảng 1. Bảng 1 Phạm vi sử dụng STT Loại TB H (m) Q (l/s) P(W) Ghi chú 1 TBTN do Trung Quốc sản xuất 10 ữ 20 100 ữ 500 Hiệu suất thấp 5 6,3 100 2 MHG - 200HH 6 6,4 200 7 7,4 275 8 7,9 325 9 8,4 390 10 8,9 460 3 MHG - 500HH 11 9,1 520 Nguồn: Cataloge của Asian Phoenex Resources Ltd. nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 8 Một số nhận xét: 1. Các thiết bị TĐSN do Trung Quốc sản xuất đang bán tại thị tr−ờng Việt Nam, có hiệu suất rất thấp ηmax = 25% (hình 1.3), nguyên nhân chính là chất l−ợng của cả tua bin và máy phát đều thấp. 2. Thiết bị TĐSN do Viện vật liệu sản xuất đã có những cải tiến đáng kể, đặc biệt là máy phát đã sử dụng nam châm đất hiếm có chất l−ợng cao, nên giảm kích th−ớc và tăng công suất tổ máy, hiệu suất đã tăng lên (ηmax= 45%). 3. Vùng làm việc của tổ máy hẹp và ch−a đáp ứng nhu cầu đa dạng của thực tiễn. Từ nhận xét trên, h−ớng giải quyết của đề tài bao gồm: 1. Nâng cao hiệu suất của tổ máy. 2. Phân tích hệ thống để xác định phạm vi làm việc của từng thiết bị. 3. Giảm giá thành của sản phẩm. 2.2. Phạm vi sử dụng. Kết quả nghiên cứu trong phần gam thủy điện nhỏ và cực nhỏ đã gam hóa một số loại TBTN cỡ nhỏ với D1 = 10 cm và D1 = 15 cm. Phạm vi và thông số làm việc cơ bản của TBTN có D1 = 10 cm cho TĐSN nh− bảng 2. Bảng 2 Cột n−ớc H (m) 6,5 6,5 ữ 7 10 ữ 12 10 ữ 15 18 ữ 25 L−u l−ợng Q (l/s) 6 12 7 ữ 8 Số vòng quay (v/ph) 1000 1000 1000 1000 1500 Số mũi phun Z 1 2 1 1 1 Công suất P(W) 200 500 200 500 500 ữ 1000 2.3. Các thông số cơ bản. 2.3.1. Tỷ số 0 1 d D . D1: Đ−ờng kính bánh công tác (BCT) d0: Đ−ờng kính dòng tia tại chỗ co hẹp nhất. nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 9 Tỷ số 0 1 d D rất quan trọng vì nó quyết định kích th−ớc và hiệu suất của tổ máy. Trong TBTN, l−u l−ợng qui dẫn xác định theo công thức: 2 1 0' 1 )(**41,3 D dZQ = (2.1) Việc tăng 0 1 d D , sẽ làm tăng Q1 ’ , tăng công suất tổ máy. Kết quả nghiên cứu [8] cho thấy 0 1 d D =3.5 ữ 9.5 Trong đề tài, để tăng công suất tổ máy đã chọn 0 1 d D = 3.5 và 4 để thử nghiệm. 2.3.2. Tỷ số 0 m d d . dm: Đ−ờng kính miệng ra của mũi phun Việc lựa chọn 0 m d d có ảnh h−ởng quan trọng tới khả năng làm việc và hiệu suất của tua bin, với các mũi phun tiêu chuẩn, tỷ số 0 m d d = 1,1 ữ 1,25. Nh−ng trong thiết kế TĐSN, để giảm kích th−ớc cho tổ máy trong điều kiện độ giảm hiệu suất trong giới hạn cho phép, nên các chi tiết đ−ợc lựa chọn có một số thay đổi, cần phải kiểm tra lại các hệ số tính toán. Đề tài đã tiến hành thí nghiệm thuỷ lực dòng phun, để xác định lại hệ số Km nh− hình 8. Kết quả thử nghiệm cho một số nhận xét sau: 1. Thử nghiệm các mũi phun của TBTN đã sản xuất cho thấy: do lựa chọn kết cấu đơn giản, nên kim phun th−ờng bị lệch, dòng tia không đối xứng trục. Một số dòng tia bị phá vỡ cấu trúc, gây tổn thất cho tua bin với hai nguyên nhân: - Xuất hiện dòng ngang, tiêu hao một phần năng l−ợng - Dòng tia bị lệch, một phần dòng không chảy qua cánh BCT, mà phun lên bầu và vành BCT gây tổn thất thể tích. 2. ở khoảng cách nhỏ L ≤ 4 do độ loe của dòng tia bằng 1,17 ữ 1,2 d0. nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 10 Hình 8. Thử nghiệm vòi phun tổ máy TĐSN 2.3.3. Hiệu suất tổ máy. Để phục vụ cho giai đoạn tính toán sơ bộ, cần xác định hiệu suất sơ bộ của tua bin và máy phát. Kết quả thí nghiệm cho máy phát TĐSN do phòng thí nghiệm thiết bị điện, Tr−ờng Đại học Bách khoa Hà Nội thực hiện nh− hình 9 và hình 10. Hình 9. Đặc tính máy phát 200W do Viện Khoa học Thủy lợi chế tạo 0 200 400 600 800 980 990 1000 1010 1020 1030 Pcơ P f Uf η nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 11 Hình 10. Đặc tính máy phát 500W do Viện Khoa học Thủy lợi chế tạo Hiệu suất của tua bin phụ thuộc vào hiệu suất của dòng chảy qua vòi phun và qua BCT. Kết quả nghiên cứu của I.N.XMIRNOP [7] cho thấy, khi d0 < 55mm trị số hiệu suất tua bin giảm khá nhanh (với TB gáo). Kết quả này có thể sử dụng cho TBTN: Hình 11. Độ suy giảm hiệu suất khi đ−ờng kính dòng tia < 55mm Theo kết quả trên, ∆η1 = 2 ữ 3%. Hiệu suất còn bị ảnh h−ởng của công nghệ do TBTN TĐSN có kích cỡ nhỏ. Tuy nhiên trên thực tế, ảnh h−ởng công nghệ tới hiệu suất TBTN cỡ nhỏ có khả năng lớn vì: 0 50 100 150 200 250 300 350 1150 1200 1250 1300 1350 1400 Uf Pcơ Pf η nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 12 - Chất l−ợng mũi phun không tốt, có khả năng xẩy ra hiện t−ợng lệch hoặc khuyếch tán dòng tia. - Biên dạng cánh không đảm bảo. - Độ chính xác gia công không cao, gây lệch dòng phun vào cánh. Dựa vào kết quả nghiên cứu tua bin tâm trục, có thể lấy độ suy giảm hiệu suất do công nghệ ∆η2 = 3 ữ 4%. Do vậy hiệu suất thuỷ lực của BCT η = ηtb - ∆η1 - ∆η2 ở chế độ tối −u: ηtu = 84% - 4% – 3% = 77% ở chế độ Qi max: η = 81% - 4% – 3% = 74% Công suất tua bin đ−ợc xác định: P = 9,81. Q.H. ηtb . ηmf= 9,81.Q.H.0,77.0,7 ≈ 5,3 .Q.H 2.3.4. Xác định các thông số cơ bản của tổ máy. Các công thức tính toán: Q = v.F = ϕ . 4 dgH2 2 0π (2.2) ϕ: Hệ số vận tốc mũi phun ϕ = 0,96 ữ 0,98, chọn ϕ = 0,96. g: gia tốc trọng tr−ờng, g = 9,81 m/s2 Kết quả tính toán sơ bộ nh− bảng 3. Bảng 3 H 6,5 12 20 d0 2,5 2,5 2,5 Q 5,3 7,2 9,3 P 183 458 985 d0 2,6 2,6 2,6 Q 5,75 7,8 10 P 198 496 1060 d0 1,8 1,8 Q 3,8 4,8 P 237 512 Kết luận: Tổ hợp các thông số cơ bản: nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 13 D1 = 10cm d0 = 2,6 và 1,8 cm n = 1000 và 1500 v/ph P = 200, 500, 1000 W Từ đó tiêu chuẩn hóa đ−ợc 05 lọai thiết bị TĐSN sử dụng TBTN nh− bảng 4. Bảng 4 STT Loại thiết bị TĐSN Công suất (W) Cột áp (m) L−u l−ợng (l/s) 1 2 3 4 5 TN200 - 10/1x2,6 TN500 - 10/1x2,6 TN200 - 10/1x1,8 TN1000 - 10/1x2,6 TN500 - 10/1x1,8 200W 500W 200W 1000W 500W 6,5 12 12 20 20 5,8 7,8 3,8 10 4,8 2.4. Lựa chọn kết cấu cho tổ máy. Với TBTN có 2 kết cấu: + Kết cấu trục ngang, th−ờng sử dụng cho các tổ máy có số mũi phun 1 và 2, có máy phát điện sản xuất độc lập. Kết cấu này dễ lắp đặt, sửa chữa, nh−ng có kích cỡ lớn hơn kết cấu trục đứng. + Kết cấu trục đứng: Th−ờng sử dụng cho các tổ máy có máy phát đ−ợc thiết kế, chế tạo riêng theo ý đồ của nhà thiết kế, có thể dùng cho tổ máy siêu nhỏ và một số hãng (nh− Newmill - Anh) dùng cho tổ máy công suất lớn và có số mũi phun Z > 2. + Với thuỷ điện siêu nhỏ: Do tính chất sản xuất hàng loạt, để giảm nhẹ kích th−ớc tổ máy và hạ giá thành thì đều dùng kết cấu trục đứng (hình 12). nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 14 Hình 12. Kết cấu tổ máy TĐSN dùng TBTN Kết cấu nh− vậy có một số −u điểm nh− sau: - Thân ổ kéo dài xuống phía d−ới nhằm làm giảm độ công son của cánh. Tăng ổn định cho BCT và rotor của máy phát. - Tổ máy gọn nhẹ, dễ lắp đặt và sử dụng. nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 15 Ch−ơng III. tính toán, thiết kế các bộ phận chính 3.1. Tiêu chuẩn hóa các bộ phận chính. Tổ máy TĐSN sử dụng TBTN gồm 3 bộ phận chính: thân tua bin, cụm mũi phun và cơ cấu kim phun, máy phát và trục, để tổ hợp thành 4 loại tua bin với phạm vi sử dụng khác nhau nh− dã trình bày trong ch−ơng II, có một số chi tiết dùng chung và có một số chi tiết phải thay đổi. 3.2. Vỏ tua bin. Với chức năng bảo đảm thoát n−ớc sau khi ra khỏi BCT với D1 = 10 cm và là giá đỡ cho các cụm chi tiết khác nh− máy phát, mũi phun. Kết quả thực tế vỏ tua bin nh− sau: - Tổ máy TN200 - 10/1x2,6 và TN200-10/1x1,8 loại vỏ nhỏ - Tổ máy TN500 - 10/1x2,6 và TN1000-10/1x2,6 và TN500-10/1x1,8 có kích th−ớc vỏ lớn hơn. 3.3. Khoảng cách từ vòi phun đến bánh công tác. Khoảng cách L phụ thuộc vào kết cấu của vỏ tuabin và cấu trúc dòng chảy sau khi ra khỏi mũi phun. Khoảng cách L càng lớn, dòng chảy càng bị loe, dẫn tới khả năng giảm hiệu suất thủy lực của tổ máy. Theo kết quả nghiên cứu [8], L ≤ 5d0 (hình 13). Hình 13. Vị trí của vòi phun so với BCT Theo kết quả thử nghiệm các mũi phun tại phòng thí nghiệm HPC, do kết cấu và công nghệ chế tạo vòi phun đơn giản nên cho thấy chọn L ≤3,5 d0 t−ơng ứng các yếu tố đặt ra (hình 14). L nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 16 Hình 14. Thí nghiệm xác định đ−ờng kính dòng tia tại các mặt cắt ngang khác nhau tại HPC 3.4. Thiết kế bánh công tác. 3.4.1. Ph−ơng h−ớng thiết kế bánh công tác. Hiện này có 2 xu h−ớng thiết kế và chế tạo BCT cho TBTN cỡ nhỏ: + Lá cánh BCT có dạng mặt cầu. Dạng cánh này dễ chế tạo, giá thành thấp. Th−ờng chế tạo bằng ph−ơng pháp ép nguội. Nh−ợc điểm cơ bản của ph−ơng pháp này là hiệu suất thủy lực nhỏ do năng l−ợng không truyền đ−ợc hết cho BCT. + Lá cánh có biên dạng theo đúng thiết kế của TBTN cỡ lớn. Dạng cánh này có −u điểm là hiệu suất cao nh−ng khó chế tạo. Để nâng cao hiệu suất tổ máy, đề tài đi theo h−ớng thiết kế, chế tạo cánh BCT có biên dạng theo đúng tính toán, thiết kế nh−ng trên giải pháp công nghệ để hạ giá thành chế tạo. Biên dạng đ−ợc thiết kế theo mẫu BCT của TBTN (đ−ợc trình bày trong phần báo cáo kết quả nghiên cứu TBTN) nh−ng đ−ợc đơn giản hóa ở một số chi tiết: - Thay thế vành ngoài bằng vành thép đai có mặt cắt tròn hoặc vuông. Nhờ giải pháp này, có thể giảm 0 1 d D từ 4 xuống 3,5 - Lá cánh có độ dày biến đổi đ−ợc thay thế bởi lá cánh có độ dày không đổi (đ−ợc ché tạo bằng ph−ơng pháp ép nguội) nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 17 - Một số mặt cắt sát vành và bầu đ−ợc sửa theo điều kiện công nghệ. 3.4.2. Xác định các kích th−ớc cơ bản của cánh BCT. Dựa vào kích th−ớc cơ bản BCT mẫu, xác định đ−ợc các kích th−ớc cơ bản của BCT với D1 = 10 cm nh− sau: Hình 15. Các thông số hình học cơ bản của BCT TBTN - Đ−ờng kính bầu ở lối vào: dbV = 0,734D1 = 73,3mm - Đ−ờng kính bầu ở lối ra: dbR = 0,507D1 = 50,7mm - Bán kính cong của bầu: Rb = 0,487D1 = 48,7mm - Chiều cao của bầu: H = 0,330D1 = 33mm - Đ−ờng kính vành ở lối vào: Dv = 1,440D1 = 14,4mm - Đ−ờng kính lối ra lớn nhất: D3 = 1,750D1 = 17,5mm - Đ−ờng kính lối ra nhỏ nhất: D2 = 0,283D1 = 28,3mm - Chiều rộng của cánh: B1 = 0,373D1 = 37,3mm - Chiều rộng cánh ở lối ra nhỏ nhất: B2 = 0,303D1 = 30,3mm - Chiều rộng cánh ở lối ra lớn nhất: B3 = 0,174D1 = 17,4mm - Đ−ờng kính ngoài của vành: DN = 1,824D1 = 18,2mm - Chiều cao của vành: h= 0,113D1 = 11,3mm 3.4.3. Xác định các góc vào của cánh gáo. Các góc vào ở mép vào của cánh gáo xác định theo công thức: nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 18 0 1 2 1 1 cos2 2sin R R arctg i i − = α αβ (3.1) Trong đó: β1i là góc tại cửa vào của cánh gáo ở vị trí có bán kính là Ri R0 là bán kính danh nghĩa của bánh xe công tác (R0 = D1/2). Các góc β1i đ−ợc xác định tại mặt cắt trụ có bán kính Ri và trị số của nó đ−ợc ghi trong bảng 5. Bảng 5 Mặt cắt Ri βi Mặt cắt Ri βi 0 32 37,34866 11 54 53,67687 1 34 38,48008 12 56 55,66982 2 36 39,67056 13 58 57,76202 3 38 40,92373 14 60 59,95506 4 40 42,24339 15 62 62,24953 5 42 43,63344 16 64 64,64476 6 44 45,09792 17 66 67,13864 7 46 46,64088 18 68 69,72737 8 48 48,26638 19 70 72,40532 9 50 49,97841 20 72 75,16493 10 52 51,78074 3.4.4. Xác định các kích th−ớc cơ bản của BCT. Biên dạng profin cánh bao gồm: góc vào, ra, thay đổi độ cong của profin cánh, chiều dài lá cánh, đ−ợc xác định theo mẫu. Kết quả tính toán biên dạng lá cánh BCT và mặt cắt ngang BCT nh− hình 16. nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 19 Hình 16. Biên dạng các mặt cắt lá cánh Kết quả xâu cánh, mặt bằng ở mép vào và mép ra nh− hình 17. Hình 17. Mặt bằng ở mép vào và mép ra của lá cánh BCT 3.4.5. Xác định số cánh Z. - Số lá cánh Z phụ thuộc vào đ−ờng kính BCT D1 , độ dày cánh. Theo điều kiện công nghệ và điều kiện bền, độ dày cánh đ−ợc chọn δ = 3 mm. nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 20 - Số cánh đ−ợc chọn theo mẫu, sao cho tỷ lệ const L S = Hình 18. Sơ đồ dòng chảy vào BCT TBTN Kết quả: số lá cánh đ−ợc xác định Z = 20. 3.5. Tính toán, thiết kế vòi phun. 3.5.1. Lý thuyết tính toán. Vòi phun trong tua bin tia nghiêng cũng giống nh− vòi phun trong các tua bin xung kích nói chung, là bộ phân trong đó xảy ra quá trình biến đổi áp năng của dòng chảy thành cột n−ớc vận tốc. Nó còn có tác dụng điều chỉnh l−u l−ợng của tua bin. Hình 19. Vòi phun tiết diện tròn cho khả năng làm việc tốt nhất Vòi phun có thể có các kết cấu, hình dạng tiết diện dòng tia khác nhau, nh−ng cho đến nay, loại vòi phun hình côn có tiết diện tròn với van kim đồng trục dịch chuyển theo h−ớng trục của vòi phun (kết cấu nh− hình 19) cho khả năng làm việc tốt nhất. L S nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 21 ở vị trí kim phun sát vào miệng vòi, l−u l−ợng qua vòi bằng không. khi kim dịch chuyển ra, diện tích hình vành khuyên cửa ra tăng lên, l−u l−ợng sẽ tăng. Vấn đề là cần xác định biên dạngvòi phun sao cho l−u l−ợng thay đổi đều theo hành trình của kim và ở mỗi vị trí của kim vận tốc sẽ tăng dần dọc theo đ−ờng dòng và đạt giá trị lớn nhất tại cửa ra. Để làm đ−ợc điều này, cần phải xét một số ph−ơng án biên dạng vòi phun. Cho từng ph−ơng án, xây dựng hình chiếu kinh tuyến của ống dẫn (giữa miệng vòi và van kim) khi độ mở của vòi khác nhau. Sau đó đ−a lên hình chiếu kinh tuyến của ống dẫn các đ−ờng dòng và các đ−ờng đẳng thế xuất phát từ giả thiết dòng chảy thế đối xứng. Dòng chảy thế theo kinh tuyến đ−ợc xác định bằng ph−ơng pháp đồ giải kết hợp với giải tích gần đúng. Việc xây dựng dòng chảy thế của vòi phun là rất khó khăn và phức tạp. Để đơn giản, khi đánh giá chất l−ợng một biên dạng vòi phun, ng−ời ta tính toán xây dựng các đ−ờng cong của sự thay đổi diện tích tiết diện ống dẫn dọc theo trục của vòi phun khi các độ mở khác nhau. Do tr−ờng vận tốc dọc theo đ−ờng dòng lớn hơn nhiều so với đ−ờng đẳng thế nên sự thay đổi diện tích tiết diện phản ánh sự thay đổi vận tốc trung bình của dòng chảy sẽ cho ta đ−ợc đặc tính vòi phun đủ tin cậy trong tính toán gần đúng. Điều này có nghĩa là một ph−ơng án biên dạng đ−ợc coi là tốt khi ở mọi độ mở của vòi phun, đ−ờng biểu diễn quan hệ giữa diện tích tiết diện và chiều dài dọc theo chiều trục vòi phun thay đổi đều. Qua nghiên cứu ng−ời ta đi đến khẳng định rằng khi dòng chảy ở cửa ra bị nén sẽ cho dòng tia gọn và ít bị toé. Góc côn càng lớn, dòng chảy càng bị nén nhiều. Nh−ng khi tăng góc côn của miệng vòi sẽ làm cong mạnh đ−ờng dòng do đó gây thêm tổn thất thuỷ lực và nh− vậy kích th−ớc đ−ờng kính của vòi phun phải tăng lên. 3.5.2. Tính toán vòi phun cho tổ máy TĐSN. Hiện nay, các vòi phun đã đ−ợc nghiên cứu t−ơng đối kỹ l−ỡng cả về lý thuyết và thực nghiệm. Có 3 loại vòi phun cơ bản có hiệu suất khá cao để tính đổi cho các loại tua bin khác nhau đó là: loại vòi phun ngắn(850/600), loại vòi phun trung bình(800/550), và loại vòi phun dài(620/450). Loại vòi phun ngắn có −u điểm là lực ma sát nhỏ, hành trình S và kích th−ớc tổ máy nhỏ, đặc biệt với tổ máy nhiều vòi phun cho kích th−ớc kết cấu càng nhỏ. nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 22 Nh−ng do hành trình của kim phun biến đổi không lớn, l−u l−ợng biến đổi nhiều, việc điều tiết đòi hỏi phải nhạy. Cũng vì vòi phun ngắn, dòng chảy quặt gấp, có thêm tổn thất do dòng rối. Đối với loại vòi phun dài thì khắc phục đ−ợc các nh−ợc điểm của vòi phun ngắn nh−ng về mặt kích th−ớc kết cấu sẽ rất lớn nếu tổ máy có ít vòi phun. Nh− vậy ta thấy rằng loại vòi trung bình dung hoà đ−ợc các −u nh−ợc điểm trên của hai loại vòi phun ngắn và dài, do đó với tổ máy TĐSN chúng tôi chọn loại vòi phun trung bình. Thực nghiệm đã xác định biên dạng vòi phun trung bình có kích th−ớc nh− hình 20. Hình 20. Vòi phun 800/540 Theo công thức thực nghiệm: d = (1,15 ữ 1,25)d0. (3.2) Chọn d = 1,2d0 ta xác định đ−ợc đ−ờng kính dòng tia của vòi phun mô hình: 3,83 2,1 100 2,1 === ddoM * Tính toán vòi phun cho tổ máy TN200 - 10/1x2,6. Đ−ờng kính dòng tia của tổ máy là d0=26mm Vậy hệ số đồng dạng của vòi phun mô hình so với vòi phun thực cần thiết kế là: 32,0 3,83 26 0 ≈== M o d dλ Căn cứ vào hệ số λ, ta xác định đ−ợc các kích th−ớc của vòi phun thực. nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 23 + Tính toán hành trình của kim phun: Hành trình kim phun S cần phải đảm bảo đ−ờng kính dòng phun d0 và cần đảm bảo số d− là 5%. S = 40mm. * Tính tóan vòi phun cho các tổ máy khác. Đ−ờng kính dòng tia của tổ máy là d0= 18mm 22,0 3,83 18 0 ≈== M o d dλ 3.5.3 Vị trí vòi phun: Mặt dòng tia trụ tròn cắt mặt phẳng cửa nhận n−ớc có dạng hình ô van (gọi là hình ô van dòng tia). Thực nghiệm cho thấy vị trí ô van dòng tia có h−ớng ng−ợc với chiều chuyển động. Nếu sự dịch chuyển này (T) không gây cho dòng tia vấp phải vành bao ngoài có thể nâng cao tốc độ đơn vị của tua bin. Đồng thời giảm bớt sự va đập vào vành bao ngoài của tua bin hoặc có thể giảm bớt số cánh. Thực nghiệm cho thấy khoảng dịch chuyển hợp lý của các tổ máy TĐSN là (4,5 x cotgα1) ≈ 10mm. 3.6. Tính toán thiết kế trục: Các tổ máy TBTN siêu nhỏ là các tổ máy có số vòng quay cao (ở chế độ tính toán n = 1000v/ph và 1500v/ph) do vậy dạng hỏng chủ yếu là do mỏi, do tác động lâu dài của ứng suất thay đổi có chu kỳ. Ngoài ra trong tr−ờng hợp mất tải đột ngột, số vòng quay tăng rất nhanh, trục còn có thể bị hỏng do dao động. Nh− vậy, với tổ máy TBTN siêu nhỏ cần tính toán trục về độ bền, độ cứng và Hình 21. Thực nghiệm về giao diện (ô van) giữa dòng tia và BXCT nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 24 dao động. D−ới đây, ta tính toán trục cho tổ máy TN1000 - 10/1x2,6 còn các tổ máy khác việc tính toán t−ơng tự. 3.6.1. Các thông số để tính toán thiết kế. Sơ đồ chịu lực của trục nh− trên hình 3.10. - Công suất N = 1,15kW - Vòng quay n = 1500v/ph - Lực dọc trục P xác định theo công thức thực nghiệm, đối với TBTN: P = (20 ữ 22).Q.H0,5.(sinβ1-sinγ2) (3.3) = 22x0,0105x140,5x(sin500 - sin150) = 0,44kG Nh− vậy lực h−ớng trục của TBTN siêu nhỏ có giá trị siêu nhỏ so với trọng l−ợng bản thân của bánh công tác có thể bỏ qua. - Trọng l−ợng bánh công tác G = 3,5kg; Rô to R = 5kg - Vật liệu chế tạo trục là thép 45 có σb = 600MPa. 3.6.2. Biểu đồ nội lực. Từ công suất N = 1,15kW và số vòng quay n = 1500v/ph, ta xác định đ−ợc mô men xoắn trên trục: NmKNm n N w NM 3,70073,0 . .30 ==== π - Lực dọc trục trên đoạn l1: Nd1 = +3,5kg = 35N Q Hình 22. Sơ đồ chịu lực của trục tổ máy TĐSN nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 25 - Lực dọc trục trên đoạn l1: Nd2 = -5kg = -50N - Lực ngang N R MQ 146 05,0 3,7 1 === Biểu đồ nội lực đ−ợc thể hiện trên hình 23. 3.6.3. Tính sơ bộ đ−ờng kính các đoạn trục. Căn cứ vào biểu đồ nội lực, ta xác định đ−ợc sơ bộ đ−ờng kính các đoạn trục theo công thức: 3 ][1,0 σ tdMd = (3.4) Trong đó: 22 75,0 xutd MMM += (3.5) Hình 23. Biểu đồ nội lực trên trục tua bin TN1000 - 10/1x2,6 Trong đó: Mtd- mô men t−ơng đ−ơng tại mặt cắt tính toán. Mu- mô men uốn 22 uyuxu MMM += Mux - Mô men uốn theo trục Ox Mu 14,6Nm 7,3Nm Q nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 26 Muy - Mô men uốn theo trục Oy Trục z trùng với tâm trục Mx - mô men xoắn tại mặt cắt tính toán. Nh− vậy, trong đoạn l1 và l2 mặt cắt chịu lực nguy hiểm nhất tại gối đỡ trục d−ới và đ−ờng kính mặt cắt xác định sơ bộ theo công thức: mmMd td 7,14 50.1,0 146007300*75,0 ][1,0 3 22 3 =+== σ Để đảm bảo an toàn ta chọn đ−ờng kính trục tại mặt cắt này là d = 20mm. 3.6.4. Thiết kế kết cấu trục. Do đặc điểm kết cấu của tổ máy TBTN siêu nhỏ nh− đã trình bày trong mục (2.4). Để tăng c−ờng độ cứng vững cho trục và đơn giản cho việc tháo lắp, ta thiết kế kết cấu trục của tổ máy TN1000 - 10/1x2,6 nh− hình 24. Hình 24. Các kích th−ớc trục tổ máy TN1000 - 10/1x2,6 Tại vị trí lắp bánh công tác và tại vị trí lắp rô to máy phát chọn kiểu lắp lỏng k6. 3.6.5. Tính toán độ bền mỏi của trục. Vì các tiết diện trục đều đã lấy tăng đ−ờng kính (để đảm bảo lắp ghép) nên trong tr−ờng hợp đang xét chỉ cần kiểm nghiệm hệ số an toàn ở tiết diện nguy hiểm nhất (tiết diện lắp vòng bi d−ới). Kết quả tính toán nh− sau: - Trục đ−ợc gia công trên máy tiện có độ nhám Ra = 2,5 ữ 0,63; với σb = 600MPa hệ số tập trung ứng suất do trạng thái bề mặt nên Kx = 1,06 không dùng ph−ơng pháp tăng bền bề mặt nên Ky = 1. nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 27 - Hệ số kích th−ớc phụ thuộc vào sự thay đổi tiết diện trục (tập trung ứng suất), chế độ lắp vòng trong của ổ bi và σb tra đ−ợc: Kσ/εσ = 2,75; Kτ/ετ = 2,05 Nh− vậy các hệ số kσd và kτd xác định theo công thức: 81,21/)106,175,2(/)1( =−+=−+= yxd kkkk σ σσ ε 11,21/)106,105,2(/)1( =−+=−+= yxd kkkk τ ττ ε - Đối với trục quay 1 chiều, ứng suất xoắn thay đổi theo chu kỳ mạch động nên ta có: MPa w M x am 3,21571.2 7300 2 0 ====ττ - Trục quay và chịu mô men uốn nên: σm =0; σa = 302,0* 32*14600 π=u u W M =18,6MPa - Với σb = 600MPa, ψσ = 0,05; ψτ = 0 Vậy ta có: 6,1 0.05,06,18.81,2 600.436,0 .. 1 =+=+= − madk S σψσ σ σσ σ 1,32 3,2.03,2.05,2 600*436,0*58,0 .. 1 =+=+= − madk S σψτ τ ττ τ Trong đó: σ-1 = 0,436σb = 261,6Mpa τ-1 = 0,58σ-1 = 151,7MPa Nh− vậy hệ số an toàn mỏi S = 22 * τσ σ τ SS SS + ≈1,6 > [S] =1,5 và trục đảm bảo điều kiện bền mỏi. nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 28 3.6.6. Tính toán trục tua bin về dao động. Vì một nguyên nhân nào đó, trong quá trình làm việc của tổ máy, tải bị mất đột ngột làm cho số vòng quay tua bin tăng rất cao. Để đảm bảo an toàn cho trục ta cần tính toán kiểm tra khả năng chịu lực của trục trong tr−ờng hợp này. Nếu toàn bộ rô to của tổ máy hoàn toàn đồng tâm sẽ không có dao động xảy ra. Trong thực tế, điều này không thể đạt đ−ợc. ở đây, ta giả thiết độ lệch tâm của rô to là e, khối l−ợng lệch tâm là w, số vòng quay đột biến là nl. Lực quán tính ly tâm là: Fqt = mw 2(y + e) y là độ võng tại vị trí của trọng l−ợng lệch tâm(rô to máy phát hoặc bánh công tác tua bin) - Đối với đoạn trục l1 ta có độ võng: 11 3 11 1 .12 JE lF y qt= (3.6) - Đối với đoạn trục l2 + l3(lắp rô to máy phát) ta có: 22 2 321 2 .48 )( JE llF y qt +≈ (3.7) Do đoạn trục l1 có lắp ccong sôn bánh công tác và do tiết diện nhỏ nên độ võng tại đó lớn hơn, vì vậy ta chọn đoạn này để kiểm tra(Fqt1 = Fqt2) Gọi 3 1 1112 l JEc = là độ cứng của đoạn trục 1, ta có: Fqt = c.y Suy ra: m(y + e)w2 = cy hay 12 − = mw c ey trục sẽ bị phá hỏng khi m cww th == hay mcwn thth /)/30(/.30 ππ == Trong lý thuyết tính toán trục về dao động, cho phép chọn n ≤ 0,7nth ta có: 2103 1 11 /10.591,112 skg l JEc == nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 29 e = 0,05mm m = 3,5kg Thay vào ta tính đ−ợc nth = 10730v/ph. Nh− vậy với số vòng quay lồng của tua bin nl ≈ 3000v/ph, trục vẫn đảm bảo an toàn về dao động. 3.6.7. Kiểm nghiệm độ bền dập của then. Độ bền dập của then xác định theo công thức: ψσ ... 2 zAd M th x d = (3.8) Trong đó: Z, ψ đối với then lắp lỏng z = 1, ψ = 1 dth ≈ d A = h.l (then bằng) [σd] ứng suất dập cho phép = 100MPa Thay số vào ta có: MPaMPa dd 100][5,111.1.2,19.5.20 11000.2 =<== σσ Vậy độ bền dập của then đảm bảo an toàn. 3.7. Tính toán lựa chọn ổ lăn. Loại ổ lăn cho ổ đỡ và đỡ chặn của tổ máy TBTN siêu nhỏ đ−ợc tính chọn theo tuổi thọ của ổ. Để chọn đúng và chính xác cần xác định rõ các lực tác dụng lên ổ , các điều kiện làm việc của ổ khi vận hành. Qua phân tích lực để tính toán trục ở mục 3 cho thấy các ổ của tổ máy tua bin tia nghiêng siêu nhỏ chủ yếu là chịu lực dọc trục do trọng l−ợng của toàn bộ rô to gây nên, lực h−ớng tâm rất nhỏ do lực quán tính ly tâm gây ra (nguyên nhân là do sai số trong chế tạo). Vì tải trọng tĩnh tác dụng lên các ổ rất nhỏ nên trong tính chọn ổ chỉ cần tính tính toán chọn kích th−ớc ổ theo khả năng tải động. Khả năng tải động tính toán của ổ đ−ợc xác định theo công thức nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 30 Cđ = Q.L 1/m (3.9) Trong đó: Q là tải trọng làm việc quy −ớc (KN) L là tuổi thọ cần thiết (triệu vòng) m = 3 đối với bi cầu, m = 10/3 đối với bi đũa. Nếu tuổi thọ tính bằng giờ Lh thì L = 60.10-6.n.Lh (3.10) Nh− vậy muốn xác định đ−ợc khả năng tải động tính toán Cđ cần xác định Q. - Tính toán chọn ổ bi cho tổ máy TN1000-10/1x26: Xác định tải trọng quy −ớc: Q = (x.v.Fr + y.Fa)kđ.kt Trong đó: v: hệ số ảnh h−ởng của vòng nào quay, khi vòng trong quay v =1, khi vòng ngoài quay v = 1,2. x,y: hệ số tải trọng h−ớng tâm và dọc trục: tra theo loại ổ và đặc tính của lực. kđ: hệ số kể đến đặc tính tải trọng, tải trọng tĩnh kđ = 1 kt: hệ số ảnh h−ởng của nhiệt độ, t ≤ 1050 kt = 1 Fr : lực h−ớng tâm KN Fa: lực dọc trục tùy thuộc vào từng loại ổ KN Đối với ổ chọn cho TĐSN, chọn 2 loại ổ: ổ bi đỡ phía trên và ổ bi đỡ lòng cầu 2 dãy phía d−ới, lực dọc trục Fa đối với 2 loại ổ này đều xác định bằng tổng các lực dọc trục ngoài tác dụng lên trục truyền lên ổ. Vậy: Q = (x.Fr + y.Fa) Đối với ổ trên: ewm F F roto qtroto r 2 1 .2 == mroto = 5kg e = 0,05mm w = πn/30 = 105rad/s nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 31 Fr1 = 5.105 2.0,5.10-3/2 = 13,8N Đối với ổ d−ới: NewmFFFF BCTrBCTqtrr 1,333,198,13..22 21 _ 1 2 =+=+=+= Lực dọc trục đối với 2 ổ là nh− nhau: Fa1 = Fa2 = Fa = Groto + GBCT + Gtrục ≈10kg = 100N Hệ số x và y tra bảng theo Fr và Fa và loại ổ ta có: x = 0,56 y = 2,3 Vậy: Qổ trên = (x.Fr + y.Fa) = (0,56.13,8 +2,3.100) = 237,7N Qổ d−ới = (x.Fr + y.Fa) = (0,56.33,1 +2,3.100) = 248,5N Căn cứ vào kết cấu của tổ máy, chọn loại ổ bi đỡ N06004 cho ổ trên và ổ bi lòng cầu 2 dãy cho ổ d−ới số hiệu N01204 của hãng SKF có các thông số sau: - ổ N06004: Cđ = 9,63KN - ổ N01204: Cđ = 12,7KN Tuổi thọ của các ổ là: - ổ trên: 3)( Q CL d= hay nQ CL dh .10.60 1.)( 6 3 −= (3.11) Trong đó: Cđ = 9,63KN Q = 0,2377KN n = 1500v/ph thay vào (3.11) ta có: 66 3 10.7,0 1500.10.60 1.) 2377,0 63,9( ≈= −hL (giờ) - ổ d−ới: 66 3 10.5,1 1500.10.60 1.) 2485,0 7,12( ≈= −hL (giờ) Trong đó: Cđ = 12,7KN Q = 0,2485KN n = 1500v/ph nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 32 Với tuổi thọ của ổ nh− tính toán ở trên, trong suốt quá trình làm việc, nếu đ−ợc kiểm tra bảo d−ỡng định kỳ, không cần phải thay ổ. Trên đây, trong mục 3 và mục 4 đã trình bày ph−ơng pháp tính toán thiết kế và kết quả tính toán thiết kê trục và ổ đỡ cho tổ máy siêu nhỏ TBTN1000 - 10/1x2,6. Đối với các tổ máy khác, việc tính toán thiết kế cũng hoàn toàn t−ơng tự, kết quả thể hiện trong tập bản vẽ các tổ máy TĐSN. 3.8. Tính toán tổn thất thủy lực và lựa chọn đ−ờng ống. Những tổn thất áp lực có trên đ−ờng dẫn n−ớc từ bể áp tới van ở cửa vào của tuabin mà chúng gây ra sự khác biệt giữa cột áp tổng với cột áp làm việc bao gồm các lọai tổn thất và đ−ợc tính tóan nh− sau: 3.8.1. Tổn thất cột áp qua l−ới chắn rác. Htt1 = B. sinθ. 3 4 b t ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ . g2 V2 (3.12) Htt1 : Tổn thất cột áp qua l−ới chắn rác (m); B: Thành phần tổn thất l−ới chắn rác (m) θ: Góc nghiêng của l−ới chắn rác so với ph−ơng nằm ngang; t: Chiều dày của các thanh l−ới chắn rác (mm); V: Vận tốc trung bình của dòng chảy qua l−ới chắn rác (m/s). 3.8.2. Tổn thất cột áp ở cửa vào của ống dẫn. Htt2 = k. g2 V2 (3.13) Htt2 : Tổn thất cột áp ở cửa vào của ống; V: Vận tốc trung bình trong ống dẫn (m); k: Hệ số ma sát; g: Gia tốc trọng tr−ờng (m/s2). Hệ số ma sát đối với các cửa vào khác nhau của ống dẫn đ−ợc chọn nh− sau: Cửa vào sắc mép k = 0,5; Cửa vào gốc l−ợn nhỏ k = 0,23; Cửa vào miệng loe (elip) k = 0,04 nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 33 3.8.3. Tổn thất áp lực đ−ờng ống. Tổn thất áp lực đối với 1 mét đ−ờng ống (Htt/1m) có thể đ−ợc tra trong bảng gọi là “tổn thất đ−ờng ống” hoặc có thể tính công thức tính nh− sau: Htt3 = Htt/1m. L (3.14) Htt3 : Tổn thất trên đ−ờng ống (m) Htt/1m: Tổn thất cột áp đối với 1 m đ−ờng ống (m/m) L: Tổng chiều dài của đ−ờng ống từ bể áp lực tới lối vào của của tuabin (m). Do vậy tổng tổn thất cột áp trong hệ thống ống dẫn là: Htt = Htt1 + Htt2 + Htt3 (3.15) Ghi chú: 1. Sau khi xem xét tổn thất áp lực do ma sát và tính ổn định của sự vận hành tuabin, thì độ dài của hệ thống ống dẫn càng ngắn càng tốt nếu nh− điều kiện địa lý của trạm thuỷ điện thiết kế cho phép . 2. Bởi vì nhiều kích th−ớc của hệ thống ống dẫn có thể thay đổi tr−ớc khi tổ máy đ−ợc lắp đặt thực sự, ng−ời mua máy phải chịu trách nhiệm đối với các thông số: Cột áp thực tế và l−u l−ợng, các thông số này sẽ giúp cho việc lựa chọn cuối cùng đối với tổ máy. nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 34 Ch−ơng IV. Thí nghiệm và xây dựng đặc tính vận hành 4.1. Hệ thống thí nghiệm. Hệ thống thí nghiệm các tổ máy TĐSN gồm các bộ phận chính nh− trong sơ đồ hình 25. Hình 25. Hệ thống thí nghiệm các tổ máy TĐSN cột n−ớc cao Hệ thống thí nghiệm gồm: - Bơm cấp: H = 30m, Q = 30l/s nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 35 - Bình tích áp: V = 2m3 - Thiết bị đo l−u l−ợng: Thùng đong bằng tay có l−ỡi gạt chuyển cho n−ớc chảy vào thùng hoặc xuống bể. - Thiết bị đo cột áp: 0 ữ 2,5 atm - Tủ thiết bị điện bao gồm: + Tải tiêu thụ là các bóng đèn sợi đốt: 220Vx100w + Đồng hồ đo điện áp: 250V + Đồng hồ đo tần số: 45 ữ 55Hz + Các thiết bị đóng cắt 4.2. Qui trình thí nghiệm và đặc tính vận hành. Quy trình thí nghiệm Công tác chuẩn bị. a. Hiệu chuẩn thiết bị: Ghi lại các hệ số hiệu chuẩn Ku, Ki của các thiết bị đo điện áp và dòng điện. b. Cho chạy máy ổn định với cột áp và công suất thiết kế với thời gian 30’, tập bấm giây đo các số liệu mực n−ớc, đọc các đồng hồ volt, Ampe, áp suất. Tiến hành thí nghiệm. a. Điều chỉnh van sao cho đồng hồ áp suất chỉ giới hạn cột áp d−ới cần đo (không tải - vòi phun mở hết). Đóng tấm gạt n−ớc cho n−ớc vào bể đợi đến khi máy ổn định. - Đọc các trị số U1, I1, H1, n1 - Mở gạt n−ớc cho n−ớc vào thùng đo, đợi khi n−ớc dâng lên chạm vạch 0, bấm đồng hồ bấm giây. - Mỗi lần mức n−ớc chạm 1 vạch (1, 2, 3, 4, 5, 6), chốt thời gian trên đồng hồ và đọc để ghi vào bảng .t1..t6 - Đóng gạt n−ớc, đ−a n−ớc vào bể - Tháo n−ởc ra khỏi thùng đo - Đọc các chỉ số U2, I2, H2, n2 - Giữ nguyên van kim phun ,tăng tải với ∆=50W(khoảng này có thể thay đổi tùy theo chế độ) nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 36 - Đợi máy chạy ổn định, thực hiện lại các thao tác i… đến vii. Thực hiện cho đến khi tải N = Nmax sau đó giảm tải với ∆N = 50W và thực hiện cho đến khi tải N = 0 - Thực hiện tiếp 1 lần tăng và 1 lần giảm tải nh− trên b. Vẫn đặt van tại mức cột áp cũ ,điều chỉnh vòi phun đóng 25%, thực hiện các dộng tác i… cho đến ix c. Tiếp tục điều chỉnh vòi phun 25% và thực hiện nh− điểm b. d. Điều chỉnh van để tăng cột áp một l−ợng ∆H = 0,5m, thực hiện lại a,b,c sau đó tiếp tục thay đổi H với ∆H cho đến khi đạt Hmax. Xử lý số liệu và xây dựng đ−ờng đặc tính vận hành. Số liệu sau khi đo đ−ợc cần xử lý bằng cách loại bỏ các giá trị sai khác quá nhiều so với các giá trị trung bình. Sau đó lấy các giá trị trung bình tại mỗi điểm đo để xây dựng đ−ờng đặc tính vận hành. Kết quả xây dựng đặc tính vận hành của các tổ máy phát điện TĐSN nh− các hình sau: nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 37 Đặc tính vận hành tổ máy TN200-10/1x26 Q=f(H) - R2 = 0.9909 N=f(H) - R2 = 0.9991 0 50 100 150 200 250 300 4 5 6 7 8 9 H (m) N ( W ) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Q ( l/ s ) nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 38 Đặc tính vận hành tổ máy TN500-10/2x30 Q=f(H) - R2 = 0.9909 N=f(H) - R2 = 0.9991 300 350 400 450 500 550 600 650 700 8 9 10 11 12 13 14 15 H (m) N ( W ) 0 2 4 6 8 10 12 14 Q ( l/ s ) nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 39 Đặc tính vận hành tổ máy TN1000-10/2x30 Q=f(H) - R2 = 0.9909 N=f(H) - R2 = 0.9991 300 500 700 900 1100 1300 1500 8 9 10 11 12 13 14 15 H (m) N ( W ) 0 5 10 15 20 25 30 Q ( l/ s ) nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 40 Đặc tính vận hành tổ máy TN500-10/2x30 N=f(H) Q=f(H) R2 = 0,9993 R2 = 0,9991 0 100 200 300 400 500 600 700 4 5 6 7 8 9 H (m) N ( W ) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Q ( l/ s ) nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 41 4.3. Các kết luận rút ra từ thực nghiệm. - Các số liệu đo đạc đ−ợc trong quá trình thí nghiệm phù hợp với các kết quả tính toán. - Chất l−ợng làm việc của các tổ máy cao hơn hẳn so với các tổ máy cung loại do Trung quốc và một số hãng khác sản xuất. - Đ−ờng đặc tính vận hành các tổ máy cho thấy vùng làm việc của các tổ máy khá rộng, cho phép phủ kín dải cột n−ớc từ 4 - 14m và hiệu suất làm việc ít thay đổi. - Với chất l−ợng các tổ máy thu đ−ợc, có thể đ−a vào sản xuất hàng lọat để phục vụ nhu cầu của ng−ời sử dụng. nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 42 Ch−ơng V. Hệ thống đo l−ờng và điều khiển Để đảm bảo yêu cầu về chất l−ợng điện năng không chỉ là yêu cầu đối với các trạm lớn hoặc l−ới lớn. Đối với các máy Pico (máy phát công suất thấp < 2kW) thì chất l−ợng điện cũng là vấn đề đ−ợc quan tâm hàng đầu, không chỉ đảm bảo an toàn cho thiết bị tiêu thụ điện mà còn bảo đảm an toàn vận hành máy phát. Các tổ máy nhỏ thì việc đảm bảo chất l−ợng điện đơn giản hơn nhiều so với các hệ thống lớn hay l−ới lớn, nh−ng vẫn đảm bảo yêu cầu về giá thành (giá thành hạ) Vì hệ thống nhỏ không chú trọng tới việc tiết kiệm nguồn thuỷ năng, do vậy để đạt đ−ợc yêu cầu về chất l−ợng điện (ổn định điện áp và tần số) ng−ời ta sử dụng một thiết bị đ−ợc gọi là thiết bị điều khiển tải giả. Hiện nay, do sự phát triển của công nghệ điện tử, thì càng ngày có các loại điều tốc khác nhau ra đời, nh−ng đều dựa trên một nguyên tắc chung là đảm bảo cân bằng công suất phát và công suất tiêu thụ. 5.1. Phân loại điều tốc tải giả và nguyên lý làm việc. 5.1.1. Hệ thống phụ tải cố định. Hệ thống đơn giản nhất là hệ thống có công suất ra của tuabin không thay đổi và phụ tải cũng không thay đổi. Không cần thiết phải dùng thiết bị hiệu chỉnh phụ tải, do đó chi phí của hệ thống là nhỏ nhất. Hệ thống vận hành bằng cách đ−a tuabin đạt tốc độ rồi đóng điện vào phụ tải điện. Sau đó nâng công suất của tuabin lên cho tới khi điện áp đạt yêu cầu. Ph−ơng pháp phụ tải cố định có một số nh−ợc điểm sau: - Th−ờng rất khó khăn để đảm bảo phụ tải điện không thay đổi. Chẳng hạn, trong hệ thống thuỷ điện phụ tải chỉ gồm những bóng đèn thắp sáng, không có các công tắc, đ−ợc coi nh− phụ tải cố định lý t−ởng. - Việc ngắt hệ thống do quá tải rất bất tiện, đặc biệt nếu nh− máy phát đặt xa trung tâm phụ tải. Điều này làm cho các thiết bị dùng điện hoạt động không có hiệu quả, đặc biệt là các bóng điện. Khắc phục: - Tránh không nên đóng ngắt hệ thống th−ờng xuyên để đảm bảo tuổi thọ. nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 43 - Cần tránh thay đổi và đóng ngắt phụ tải đột ngột. Nếu có thay đổi thì nên thay đổi l−ợng phụ tải với dung l−ợng rất nhỏ so với tổng phụ tải. 5.1.2. Hệ thống phụ tải thay đổi. Đối với phụ tải thay đổi, có một số ph−ơng án lựa chọn để thay đổi tải giả, điều chỉnh góc pha, bộ điều chỉnh tải nhị phân và bộ điều chế độ rộng xung. a. Điều chỉnh góc pha. Ph−ơng pháp này điều khiển tải giả nh− là chỉnh ánh sáng thông th−ờng: Bằng cách điều khiển góc pha. Tại thời điểm bất kỳ trong một nửa chu kỳ xung sin điện áp máy phát, sau khi nhận đ−ợc xung kích thích hợp tại cực cửa triac sẽ mở cho tới hết một nửa chu kỳ còn lại của chu kỳ đó. Thời điểm xuất hiện xung kích mở triac đ−ợc coi là một góc pha. Quy −ớc về góc pha nh− sau: Tại điểm bắt đầu của nửa chu kỳ, góc pha là 00 và điểm kết thúc cho một nửa chu kỳ thì góc pha là 180 (nh− vậy khi bắt đầu một nửa chu kỳ mới góc pha lại tiếp tục là 0 do vậy không tồn tại một góc pha trong khoảng 180 và 3600). Thyristor hoặc triac đ−ợc điều khiển bằng một dòng kích rất ngắn ở cực cửa, chúng sẽ mở thông cho tới hết một nửa chu kỳ từ thời điểm đ−ợc mở trong một nửa chu kỳ đó. Nh− vậy, khi điện áp máy phát đi qua điểm 0, không có dòng kích tới cực cửa làm triac ng−ng dẫn. Triac có thể dẫn điện trong cả hai nửa chu kỳ dòng điện nên nó có thể hoạt động trong cả nửa chu kỳ âm và nửa chu kỳ d−ơng của điện áp máy phát. Còn thyristor chỉ có thể dẫn điện một chiều nên nó chỉ có thể mở trong một nửa chu kỳ của dòng điện nên phải dùng hai thyristor để điều khiển một tải giả. nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 44 Hình 26. Tín hiệu trong ph−ơng thức điều khiển góc pha Ưu điểm chính của việc điều khiển góc pha là có thể chọn đ−ợc loại thyristor và triac phù hợp. Cả hai loại này có tuổi thọ và độ bền rất cao. Có nhiều loại thyristor có khả năng chịu đ−ợc hàng ngàn Ampe tại mức điện áp tới cấp kV và tần số cực cao. Nh−ợc điểm của ph−ơng pháp này là công suất hao phí trên tải giả phải lớn hơn công suất định mức của máy phát một chút và nh− vậy nhiễu sẽ là đáng kể. Điều đó cũng đồng nghĩa với việc khi điều khiển góc pha thì máy phát sẽ phải hoạt động trong tình trạng quá tải. b. Điều chế độ rộng xung. Một cách khác để điều khiển tải là điều chế độ rộng xung hay còn gọi là ph−ơng pháp đánh dấu khoảng cách. Ph−ơng pháp này bắt nguồn từ vịêc điều khiển -1,5 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 0 30 6 0 9 0 120 150 0 30 6 0 9 0 120 150 180 Góc pha : độ Các điện áp nh− là phân số của điện áp V điện áp máy phát =Tải tiêu thụ điện áp tải giả nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 45 nguồn dòng ổn định. Đóng ngắt nhanh điện áp thứ nhất để nhận đ−ợc điện áp thứ hai. Từ đó thấy rằng điện áp thứ hai có thể đ−ợc điều khiển bằng việc điều chỉnh chu kỳ thực của dòng điện sử dụng: Hệ số thời gian để đóng một tải th−ờng đ−ợc thực hiện bằng cách thay đổi độ rộng của mỗi xung trong khi đó khoảng thời gian giữa các xung là hằng số. Hình 27. Sơ đồ điều khiển độ rộng xung cho mạch một pha Đối với hệ thống này, nếu dùng trong các trạm phát công suất lớn yêu cầu thành phần công suất phải là thyristor. Khi có dòng kích đủ lớn, thyristor sẽ mở và tự động ng−ng dẫn tại điểm cuối của một nửa chu kỳ. Chính vì vậy cần phải có một mạch điều khiển thyristor đó. Trong các hệ thống siêu nhỏ thì đây là một vấn đề khá phức tạp và cần phải sử dụng các loại transistor công suất hiện đại nh− là IGBT hay là các họ MOSFET. Các thành phần công suất này có thể đ−ợc điều khiển trực tiếp bởi một IC: Chúng chỉ dẫn điện khi mà điện áp ở cực cửa hoặc ở điểm nối cơ bản là ở mức cao. Ưu điểm chính của việc điều chế độ rộng xung là yêu cầu một mạch điện đơn giản để điều khiển một transistor công suất. Nh−ợc điểm là với mạch điện nh− vậy nó sẽ đẩy giá thành của bộ điều khiển lên rất cao, độ tin cậy không đảm bảo, hơn nữa độ nhạy của các transistor lớn. Ngoài ra độ tiêu tán trong bộ điều khiển sẽ tăng lên tr−ớc khi điện áp máy phát đ−ợc đ−a vào bộ chỉnh l−u để tạo nguồn nuôi cho các transistor công suất. Và nh− vậy bộ tản nhiệt cho thyristor của bộ điều khiển còn lớn hơn cả bộ điều khiển đó. nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 46 c. Tải nhị phân. Biện pháp thứ ba là sử dụng một bộ tải nhị phân. Đó là một số các tải giả đấu song song nhau với dung l−ợng các tải nh− đ−ợc mô tả ở hình sau. Theo hình vẽ, nếu nh− có n tải giả thì tổng công suất lớn nhất của tải giả là 2n. Việc đóng bao nhiêu chiếc sẽ quyết định công suất d− thừa từ máy phát ra tải giả và với mỗi số l−ợng tải khác nhau đ−ợc đóng sẽ có l−ợng công suất khác nhau t−ơng ứng với nó. Để đóng ngắt các tải giả này cần phải có một dẫy rơle mắc song song nhau (rơle Solid state). Các rơle này sẽ gây ra nhiễu khi đ−ợc phát động cùng một lúc ngay tại điểm bắt đầu của một nửa chu kỳ, hoặc duy trì ngắt hoàn toàn. T−ơng tự nh− thyistor và triac, nó cũng cần có một mạch điều khiển riêng cho mình. Nh−ợc điểm của biện pháp này là: - Giá thành của loại rơle này đắt hơn nhiều so với giá thành của triac ở bên trong chúng vì mỗi một rơle cần một mạch điều khiển riêng của mình. - Số l−ợng của tải giả và việc đấu nối phức tạp, hơn nữa muốn điều khiển mịn thì điện trở của các tải giả này phải tuyệt đối chính xác. - Nếu muốn điều chỉnh mịn thì các tải giả phải có điện trở không quá lớn để không tạo thành các khoảng quá rộng giữa các tải trong cả bộ tải nhị phân. Ưu điểm chính các ph−ơng pháp này là không bị biến dạng sóng điện áp nếu tải gỉa là loại thuần trở. Nh−ợc điểm chính là tính phức tạp do yêu cầu về phía tải giả, dây nối của thiết bị đóng cắt. Tải giả phải có một trị số điện trở chính xác, điều này khó có thể đạt đ−ợc với thiết bị đốt nóng, đặc biệt là đối với công suất nhỏ. Hơn nữa vì tải giả chỉ thay đổi từng mức cố định một (tải giả thay đổi dạng On/off), nên điện áp chỉ có 1R 1 2R 2 4R 3 Id Hình 28. Khối tải nhị phân nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 47 thể đ−ợc điều khiển trong một giới hạn nhất định. Để vận hành ổn định theo các điều kiện cho phép, thì phải tăng giới hạn này. Đó chính là nguyên nhân điện áp điều chỉnh kém. 5.2. Thiết bị điều khiển tải giả cho tổ máy công suất nhỏ hơn 1kW. Để đáp ứng yêu cầu không thể thiếu đối với các trạm Pico, Trung tâm Thuỷ điện đã nghiên cứu chế tạo một thiết bị điều khiển tải giả đi kèm với tổ máy do trung tâm chế tạo. 5.2.1. Nguyên lý. Thiết bị điều khiển tải giả (ELC) thực chất là một mạch ổn định điện áp. Mạch này cùng với hệ thống tải giả nối với nó hoạt động nh− một cầu dao điện điều khiển điện áp phát ra của tổ máy. Việc điều khiển điện áp thực chất là điều khiển tải giả dựa trên nguyên tắc điều khiển góc pha nh− đã trình bày ở trên. Vì phụ tải đ−ợc nối với máy phát thông qua một số thiết bị bảo vệ nh− là ELCB, MCB ... do vậy khi l−ợng phụ tải nối vào máy phát không thay đổi thì điện áp máy phát cũng không thay đổi nh−ng khi có sự thay đổi ở phía phụ tải có thể là tăng hay giảm phụ tải làm cho điện áp thay đổi theo. Cụ thể khi ta giảm phụ tải, tốc độ máy phát sẽ tăng lên theo đó làm tăng điện áp máy phát ng−ợc lại khi ta tăng l−ợng phụ tải, tốc độ máy phát bị giảm xuống, điện áp máy phát cũng bị tụt xuống theo. Nhiệm vụ của bộ điều áp là phải ổn định lại đ−ợc điện áp cũng nh− tần số của máy phát mỗi khi có sự thay đổi phụ tải, tránh không để máy hoạt động trong tình trạng mất hoặc sụt tải đột ngột, ảnh h−ởng tới tuổi thọ của tổ máy. Nguyên lý hoạt động của bộ điều áp là dựa vào độ sai lệch giữa điện áp phát ra thực tế với giá trị định mức của máy phát để điều khiển điện áp ra tải giả thích hợp. Tải giả là một thiết bị tiêu thụ điện năng có điện trở phải đ−ợc tính toán phù hợp với dung l−ợng của hệ thống. Yêu cầu đối với tải giả là công suất tiêu thụ lớn nhất trên tải giả phải lớn hơn từ 12 tới 15 % công suất định mức của máy phát. PGen = Ptải + P tiêu thụ (5.1) Công suất đổ ra tải : Ptải = Rt V2 (5.2) nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 48 Trong đó: Ptải: Công suất tiêu thụ trên tải Rt : Điện trở tải. V: Điện áp máy phát. Ptiêu thụ: Công suất tiêu hao trên tải tiêu thụ. Pgen: Công suất phát ra thực tế Khi phụ tải thấp, toàn bộ công suất d− thừa của máy phát sẽ đ−ợc chuyển hết ra tải giả và ng−ợc lại khi công suất tiêu thụ lớn, dựa vào l−ợng điện tiêu thụ, mạch sẽ điều chỉnh l−ợng công suất đổ ra tải giả hợp lý để đảm bảo đ−ợc công suất định mức máy phát là một hằng số. Hình 29. Sơ đồ hệ thống thuỷ điện nhỏ khi nối với bộ điều khiển 5.2.2. Khối tải giả. Tải giả thông th−ờng là phần tử phát nóng và chỉ là phần thuần trở. Để công suất đầu ra nhỏ ta th−ờng sử dụng tải làm mát bằng không khí do công suất tiêu hao trên tải giả của các trạm thuỷ điện siêu nhỏ không lớn. (loại tải giả này th−ờng đ−ợc Hiệu suất máy phát η η 1 Công suất trên tải tiêu thụ Tải giả Bộ điều khiển điện áp Công suất phát ra Công suất không sử dụng tới Công suất trên tải giả Công suất cơ khí từ tuabin nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 49 lựa chọn cho các trạm công suất nhỏ hơn 10kw). Đối với các trạm công suất lớn hơn nên sử dụng loại tải giả làm mát bằng n−ớc vì công suất trạm lớn hơn, yêu cầu tiêu hao công suất trên tải giả cũng phải lớn hơn do vậy nhiệt l−ợng cần tiêu hao là khá lớn. L−u ý công suất trên tải giả phải lớn hơn công suất phát định mức từ 10 tới 15%. Điện trở tải đ−ợc tính theo công thức: Rtải = itả 2 P U (5.3) Các hình d−ới đây chỉ ra cách đấu nối cơ bản của thiết bị điều khiển tải giả với các cấp công suất khác nhau. 5.3. Thiết bị điều khiển tải giả tổ máy thủy điện siêu nhỏ. Về nguyên lý, bộ điều khiển tải giả cho tổ máy là giống nhau, d−ới đây tác giả chỉ đ−a ra các thông số cơ bản của thiết bị Các thông số của thiết bị. Đặc điểm: - Toàn bộ thiết bị đ−ợc lắp trong một hộp bao gồm mạch điều khiển, triac và tản nhiệt. - Dải tần số làm việc: 50Hz ± 2%. - Dải điện áp làm việc : 220VAC ± 1%. Khi nằm ngoài dải điều khiển thiết bị tự động ngừng hoạt động điều khiển để bảo vệ các thiết bị tiêu thụ và bảo vệ động cơ. Chỉ tiêu kỹ thuật. - Thiết kế cho hệ thống điện 1 pha - Bảo vệ các thiết bị tiêu thụ điện - Tần số 50hz hoặc 60Hz tuỳ theo yêu cầu của ng−ời sử dụng. - Điện áp làm việc: 220V - Điều khiển tức thời khi điện áp sai lệch 1%. - Một khối điều khiển công suất ứng với một khối tải giả. Một khối điều khiển đ−ợc công suất lớn nhất là 500W nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 50 - Tải là loại thuần trở, làm mát bằng n−ớc, không khí... - Nhiệt độ làm việc: 450C. - Nhiệt độ cao nhất của tản nhiệt: 750C Cách lắp đặt và hiệu chỉnh. Kiểm tra và thay thế, Tr−ớc khi vận hành - Lựa chọn loại dây đơn tiết diện φ 0.5mm2 đối với máy phát công suất 200W cho việc cấp nguồn cho thiết bị, từ thiết bị ra tải giả, từ máy phát tới tải tiêu thụ. - Kiểm tra lại tất cả các dây nối. - Kiểm tra lại những chỗ bó dây, những nơi có dễ bị ngắn mạch, đứt mạch hoặc hở mạch khi quan sát bằng mắt th−ờng. - Đấu dây từ thiết bị ra tải giả - Siết lại ốc vít ở những các mối nối ra tải, ra triac... - Cấp điện cho thiết bị hoạt động. - Chỉnh biến trở lại cho tới khi có điện áp ra tải giả (nếu cần thiết) theo chỉ dẫn chi tiết của nhà sản xuất (chỉ những ng−ời có chuyên môn mới đ−ợc thực hiện b−ớc này). V Gen. AC ELC ` Phase to village load Neutral to village load Hình 30. Sơ đồ đấu nối cho tổ máy thủy điện siêu nhỏ nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 51 Sơ đồ kết cấu và ph−ơng pháp sử dụng bộ điều khiển tải giả cho tổ máy thủy điện siêu nhỏ nh− hình vẽ trang sau (trên hình vẽ là bộ điều khiển tải giả cho tổ máy 500W). nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 52 nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 53 Ch−ơng VI. Công trình trạm và quản lý vận hành 6.1. Lựa chọn vị trí lắp đặt tổ máy. Để sử dụng các tổ máy TĐSN một cách hiệu quả nhất, cần phải đánh giá một cách chính xác nguồn n−ớc cung cấp cho tổ máy. Do các tổ máy TĐSN có quy mô sử dụng cho các hộ gia đình nên chúng tôi đ−a ra ph−ơng pháp đơn giản nhất để tự các hộ gia đình có thể xác định đ−ợc loại tổ máy có thể dùng cho chính mình. 6.1.1. Ph−ơng pháp xác định cột n−ớc. Cột n−ớc để tổ máy hoạt động chính là chênh lệch n−ớc từ điểm đầu của đ−ờng ống(nếu có bể thu n−ớc tại đầu đ−ờng ống thì tính từ mức mặt n−ớc của bể) đến vị trí cuối cùng của đ−ờng ống(tại vị trí đ−ờng ống nối vào vòi phun của tua bin). Ph−ơng pháp đo chiều cao để xác định cột n−ớc đ−ợc tiến hành nh− hình 31. Hình 31. Ph−ơng pháp xác định cột n−ớc cho tổ máy TĐSN Trong tr−ờng hợp có đồng hồ đo áp thì việc xác định đơn giản hơn, dùng một dây dẫn nhỏ, dẫn n−ớc từ phía trên xuống vị trí lắp máy và nối với đồng hồ. Đơn vị trên đồng hồ có thể là mét cột n−ớc(mH2O), kg/cm2hoặc bar. Mỗi đơn vị mH2O t−ơng đ−ơng bằng 1 mét chiều cao cột n−ớc và mỗi đơn vị kg/cm2 hoặc bar xác định bằng 10 mét chiều cao cột n−ớc. Sau khi xác định đ−ợc chiều cao cột n−ớc , có thể sơ bộ chọn loại tổ máy theo cột n−ớc (kết hợp với l−u l−ợng có thể có) nh− sau: H = 5 ữ 9 m chọn tổ máy TN200 - 10/1x26 nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 54 H = 10 ữ 16 m chọn tổ máy TN200 - 10/1x18 hoặc TN500 - 10/1x26 H = 17 ữ 22 chọn tổ máy TN500 - 10/1x18 hoặc TN1000 - 10/1x26 Chú ý: Nếu đ−ờng ống áp lực (dẫn n−ớc từ nguồn về tổ máy) quá dài (>100m) thì mỗi 100m chiều dài phải trừ đi 0,5m cột n−ớc đo đ−ợc. 6.1.2. Xác định l−u l−ợng của nguồn n−ớc. L−u l−ợng của nguồn n−ớc tính bằng đơn vị l/s(số lít n−ớc chảy qua đ−ờng ống trong một giây). Thông số này cùng với cột n−ớc quyết định công suất có thể phát ra đ−ợc của tổ máy. Ph−ơng pháp xác định l−u l−ợng nh− hình 32. Hình 32. Ph−ơng pháp đo l−u l−ợng nguồn n−ớc Dùng một ống dẫn n−ớc từ nguồn n−ớc (đoạn ống ngắn 1 ữ 2m, tốt nhất là đoạn ống có đ−ờng kính bằng đ−ờng kính ống áp lực để dẫn n−ớc khi lắp máy) đến một thùng chứa khoảng 100 ữ 200lít n−ớc. Dùng đồng hồ bấm giây để xác định thời gian bắt đầu h−ớng n−ớc tới khi đầy thùng. L−u l−ợng của nguồn n−ớc xác định theo công thức: t VQ = (6.1) Trong đó: Q: là l−u l−ợng của nguồn n−ớc(l/s) nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 55 V: Thể tích của thùng đong (l) t : Thời gian bắt đầu đo đến lúc đầy thùng. Để tăng độ chính xác của phép đo, tiến hành càng nhiều lần càng tốt sau đó lấy giảtị trung bình của các lần đo. Cần chú ý rằng, l−u l−ợng của nguồn n−ớc phải đo trong mùa khô (kiệt) để đảm bảo rằng để đảm bảo rằng tổ máy thủy điện có thể cung cấp điện trong suốt cả năm. Khi đã xác định đ−ợc l−u l−ợng nguồn n−ớc thì kết hợp với cột n−ớc đo đ−ợc để chọn đ−ợc chính xác loại tổ máy phát điện. 6.1.3. Chọn vị trí lắp đặt máy. Vị trí đặt máy đảm bảo một số yêu cầu sau: - Đảm bảo an toàn cho ng−ời, súc vật. Cần có rào bảo vệ tránh cho trẻ nhỏ và động vật vào khu đặt máy. - Tùy theo địa hình mà đặt máy sao cho có lợi nhất về mặt kinh tế: đ−ờng ống dẫn n−ớc ngắn nhất, đ−ờng dây dẫn điện từ tổ máy về nơi tiêu thụ ngắn nhất. Tham khảo trên hình 33. nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 56 Hình 33. Các cách dẫn n−ớc về tổ máy - Vị trí đặt máy cũng cần đảm bảo sao cho khi có n−ớc lũ hoặc m−a lớn bất th−ờng không làm ngập tổ máy gây hỏng thiết bị. 6.2. Công trình trạm tổ máy TĐSN. Sơ đồ tổng thể các bộ phận của một trạm thủy điện siêu nhỏ sử dụng TBTN nh− hình 34. nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 57 6.2.1. Bể áp lực. Bể áp lực là bộ phận thu nguồn n−ớc từ sông suối để cấp cho tổ máy hoạt động qua đ−ờng ống áp lực. Đối với các trạm thủy điện siêu nhỏ hộ gia đình cột n−ớc cao thì có thể không cần bể áp lực mà lấy n−ớc trực tiếp từ thân t−ờng(đập)ngăn dòng trên sông suối. Trong tr−ờng hợp đó, đầu đ−ờng ống phải có bộ phận chắn rác và đất cát không cho chảy vào đ−ờng ống. Tuy nhiên, tốt nhất là xây dựng đ−ợc một bể áp lực nh− hình 5.4. Các kích th−ớc tối thiểu của bể đ−ợc ghi trên bản vẽ và bề rộng của bể ≥ 0,5m. N−ớc tr−ớc khi vào bể đ−ợc lọc rác qua l−ới chắn rác có các nan lọc, khe hở giữa các nan chắn từ 0,5 ữ 1cm. Trên đỉnh bể đ−ợc đậy nắp để đảm bảo không có các vật rắn rơi vào trong bể gây hại cho tổ máy. nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ m áy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện K hoa học Thủy lợi 58 Hình 34. Sơ sđồ công trình trạm tổ máy TĐSN nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 59 6.2.2. Đ−ờng ống áp lực. Đ−ờng ống áp lực có nhiệm vụ dẫn n−ớc từ bể áp lực cung cấp cho tổ máy hoạt động. Với các tổ máy thủy điện siêu nhỏ do cột n−ớc không lớn nên có thể sử dụng ống PVC hoặc ống kim loại. Khi lắp đạt đ−ờng ống áp lực cần chú ý những điểm đã trình bày ở mục 6.1.3 và phải cần giảm tối thiểu các góc ngoặt trên đ−ờng ống để tránh các tổn thất thủy lực làm giảm khả năng phát điện của tổ máy. Dọc theo đ−ờng ống áp lực tốt nhất nên có các mố néo để giữ cho đ−ờng ống đ−ợc vững chắc trong suốt thời gian sử dụng. Kích th−ớc của đ−ờng ống phụ thuộc vào các tổ máy, đ−ờng kính tối thiểu của các tổ máy cụ thể nh− sau: - Tổ máy TN200 - 10/1x2,6: D0 = 80mm - Tổ máy TN200 - 10/1x1,8: D0 = 60mm - Tổ máy TN500 - 10/1x2,6: D0 = 80mm - Tổ máy TN500 - 10/1x1,8: D0 = 60mm - Tổ máy TN1000 - 10/1x2,6: D0 = 80mm Đ−ờng kính ống áp lực cũng còn phụ thuộc vào chiều dài. Khi chiều dài dẫn n−ớc lớn cần phải tăng đ−ờng kính ống. 6.2.3. Van tr−ớc tua bin. Van tr−ớc tổ máy có nhiệm vụ để đóng không cho n−ớc chảy xuống khi dừng tổ máy và khi có yêu cầu sửa chữa, bảo d−ỡng. Kích th−ớc của van chọn theo kích th−ớc của đ−ờng ống. Van cũng có thể chọn loại van PVC hoặc van kim loại. Van tr−ớc tua bin cũng có thể không cần, khi đó tại đầu đ−ờng ống phảI cửa van chặn n−ớc trong tr−ờng cần sửa chữa tổ máy. 6.2.4. Tổ máy TĐSN. Lựa chọn theo nhu cầu dùng điện và khả năng của nguồn n−ớc cung cấp nh− đã trình bày trong hình 31. 6.2.5. Móng máy. Móng máy cần đ−ợc đổ bằng bê tông để cho tổ máy hoạt động chắc chắn và an toàn. Ngoài ra phía d−ới của móng máy là kênh thoát để thoát hết n−ớc sau sử nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 60 dụng. Chọn vị trí đặt móng máy nh− đã trình bày trong mục 5.1.3 kích th−ớc móng máy thể hiện trên hình 35. Kích th−ớc móng các tổ máy thể hiện trong bảng 6. Hình 35. Kích th−ớc móng máy Bảng 6 Tên tổ máy A B C H TN200 - 10/1x26 200x200 260 350x350 300 TN200 - 10/1x18 200x200 260 350x350 350 TN500 - 10/1x26 200x200 260 350x350 350 TN500 - 10/1x18 208,5x208,5 260 400x400 400 TN1000 - 10/1x26 208,5x208,5 260 400x400 450 nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 61 6.3. Công tác quản lý vận hành. 6.3.1. Lắp đặt và vận hành. Tiến hành lắp máy sau khi các công việc khác đã chuẩn bị sẵn sàng đáp ứng: - Bể áp lực đã thi công xong đạt độ cứng yêu cầu. - Đ−ờng ống áp lực và van tr−ớc tua bin đã lắp đặt xong. - Móng máy đã đổ bê tông xong và đạt độ cứng cần thiết, phần kênh dẫn ra hạ l−u đã thông thóat tốt. Tiến hành lắp máy vào bệ, xiết chặt các bu lông móng và mặt bích nối giữa van và vòi phun. Lắp đ−ờng dây tảI điện từ máy về nơI tiêu thụ. Cần phảI đảm bảo rằng các điểm nối dây phảI chắc chắn, không hở điện ra vỏ máy, các cực điện ra không chạm chập với nhau. Thùng tảI giả đ−ợc đặt tại nơI sử dụng điện và cần phảI đ−ợc bảo vệ an tòan tránh những nguy hiểm có thể xảy ra do điện ro rỉ hoặc bị cháy chập do thùng tảI giả không có, hoặc bị cạn hết n−ớc. Vận hành tổ máy: - Kiểm tra xem bể áp lực và đ−ờng ống áp lực đã chắc chắn ch−a, nguồn n−ớc đã sẵn sàng ch−a. - Đóng chặt van tr−ớc tua bin và van tổ máy (ở vòi phun), tất cả đ−ờng dây đ−ợc cố định chắc chắn, điều tốc tải dã đ−ợc đóng vào dây nguồn, đ−ờng dây vào các tải tiêu thụ đã đ−ợc tắt hết, thùng tải giả đã đ−ợc đổ n−ớc đúng theo qui định. - Khi mọi việc đã chuẩn bị xong, mở hết van tr−ớc tua bin. - Mở van vòi phun từ từ, kiểm tra xem điện áp trên đồng hồ vôn ở bộ điều khiển tải giả xem có v−ợt quá trị số 230V không, điều chỉnh nút chỉnh điện áp trên bộ điều khiển tảI giả đ−a điện áp về trị số trong khỏang 190V - 230V, tiếp tục mở vòi phun đến hết. Nếu tất cả hệ thống ổn định, điện áp nằm trong khỏang 190V- 230V, có nghĩa là hệ thống đã vận hành bình th−ờng. Nối các phụ tảI vào l−ới điện để sử dụng. - Trong lần đầu tiên vận hành tổ máy cần theo dõi kiểm tra xem tổ máy co họat động êm dịu không, nhiệt độ trên thân máy và các ổ bi có quá nóng không, n−ớc ở nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 62 thùng tải giả có quá nóng không. - Khi có bất kỳ hiện t−ợng bất th−ờng nào do nguyên nhân kỹ thuật, cần dừng máy ngay và báo cho ng−ời cung cấp máy để tìm ph−ơng pháp xử lý. 6.3.2. Quản lý và bảo d−ỡng sửa chữa. 1. Công tác quản lý: Để tăng tuổi thọ và khả năng làm việc của tổ máy thì công tác quản lý và bảo d−ỡng là một vấn đề quan trọng. Sau đây là một số vấn đề cần quan tâm trong quá trình sử dụng tổ máy: Tốt nhất là lắp đặt tổ máy ở nơi không xảy ra ngập lụt, có mái che tránh m−a hay trong một khoang kín có khóa an tòan. Nếu phát hiện thấy bên trong máy bị −ớt thì phải tháo ngay ra kiểm tra và đem phơi khô. Tránh sấy gần lửa vì rô to bọc nhựa epoxy dễ bị phá hủy do nhiệt. - Tr−ớc khi dùng trở lại cần phải bảo đảm rằng tòan bộ tổ máy khô ráo, cần chọn nơi có độ ẩm thấp để đặt máy phát tránh ảnh h−ởng đến quá trình vận hành của máy. - Do tốc độ quay của tổ máy khá cao, nên trong quá trình làm việc các ổ bi cần phảI đ−ợc bơm bổ xung mỡ định kỳ khỏang 3 tháng một lần. - Trong quá trình sử dụng, nên dự phòng cho tổ máy một bộ bi và phớt làm kín để có thể thay thế khi cần thiết. Thông số kỹ thuật của các chi tiết này đ−ợc ghi trong các sách h−ớng dẫn sử dụng gửi kèm khi bán hàng. 2. Thay thế các chi tiết tiêu chuẩn. Các tổ máy TĐSN sẽ hầu nh− rất ít sự cố nếu đ−ợc bảo d−ỡng và chăm sóc tốt. Tuy nhiên một số chi tiết tiêu chuẩn nên thay thế định kỳ để tăng khả năng làm việc của tổ máy, đó là các vòng bi và phớt làm kín, chúng nên đ−ợc thay thế định kỳ khỏang 3 năm một lần. Sau đây là ph−ơng pháp thay thế thủ công, ng−ời sử dụng máy có thể tự thao tác: - Ngăn hết n−ớc không cho chảy vào bể áp lực hoặc nếu có van tr−ớc tua bin thì đóng hết van này lại để ngừng tổ máy. - Tháo hết các thiết bị điện và tháo cáp ra khỏi tổ máy. nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 63 - Chờ đến khi không còn n−ớc chảy trong tổ máy nữa. - Tháo bu lông lắp đ−ờng ống với tua bin và bu lông nền đ−a máy phát ra khỏi bệ để đến chỗ khô ráo sạch sẽ, đặt đứng để giữ cho máy phát đ−ợc khô. - Tháo nắp bích trên của máy phát. - Mở nắp máy phát ra tháo êcu kẹp ro to máy phát, dùng hai bu lông M8 bắt vào 2 lỗ ở đỉnh roto để tháo ro to ra, công việc này cần tiến hành cẩn thận để tránh ảnh h−ởng xấu đến nam châm vĩnh cửu. - Tháo thân máy phát, trong quả trình tháo tránh để dụng cụ va đập vào các cuộn dây làm hỏng lớp cách điện có thể gây chạm chập. - Đặt nằm tổ máy xuống. - Tháo êcu kẹp và rút bánh công tác tua bin ra. - Tháo cụm ổ d−ới và trục tổ máy ra khỏi vỏ máy. - Đóng nhẹ vào đầu d−ới của trục (đệm một miếng kim lọai trên đầu trục hoặc dùng búa gỗ để đóng) để tháo trục và vòng bi d−ới ra khỏi ổ. - Tháo vòng bi và phớt ra khỏi nắp máy phát và ổ trục bằng cách dùng hai đọan thép D = 5mm đóng đều hai bên. - Lắp các vòng bi và phớt mới theo trình tự ng−ợc lại với quá trình tháo. nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 64 Ch−ơng VII. Kết luận và kiến nghị 7.1. Các kết quả mà đề tài đã đạt đ−ợc. - Từ các kết quả nghiên cứu về tua bin tia nghiêng, đã đ−a ra đ−ợc các tính tóan thiết kế cho loại tổ máy TĐSN cột n−ớc cao phù hợp với nhu cầu sử dụng của hộ gia đình vùng sâu vùng xa, nơi ch−a có điện l−ới đi qua. - Chất l−ợng các tổ máy cao hơn hẳn so với sản phẩm do Trung quốc và một số hãng khác sản xuất. - Các đ−ờng đặc tính thực nghiệm cho thấy chỉ với 4 lọai tổ máy TĐSN có thể sử dụng đ−ợc cho mọi nhu cầu về điện đến 1000W trong phạm vi dải cột n−ớc làm việc rộng (từ 4m đến 14m). - Xây dựng đ−ợc đ−ờng đặc tính vận hành của các tổ máy từ đó giúp cho ng−ời sử dụng dễ dàng lựa chọn đ−ợc loại phù hợp vơí nhu cầu dùng điện và khả năng đáp ứng của nguồn n−ớc sẵn có trong tự nhiên. - Cung cấp tài liệu h−ớng dẫn thiết kế công trình trạm, các kiến thức quản lý sử dụng và sửa chữa giúp cho ng−ời sử dụng có thể sử dụng các tổ máy một cách an tòan và có hiệu quả cao nhất. - B−ớc đầu đã xuất khẩu đ−ợc một số tổ máy vào thị tr−ờng EU và đ−ợc đánh giá cao mở ra cơ hội cho việc h−ớng tới các thị tr−ờng khó tính để thu nguồn ngọai tệ mạnh về cho đất n−ớc. 7.2. Kiến nghị. Đề nghị Bộ Nông Nghiệp và phát triển nông thôn và các cơ quan hữu quan tạo điều kiện đầu t− trang thiết bị để tiếp tục nghiên cứu, hòan thiện công nghệ chế tạo các tổ máy siêu nhỏ theo h−ớng tiêu chuẩn hóa và sử dụng các công nghệ gia công hiện đại để đ−a vào sản suất hàng lọat nhằm nâng cao chất l−ợng sản phẩm, hạ giá thành để phục vụ tốt hơn nhu cầu sử dụng trong n−ớc và xuất khẩu. nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 65 Tài liệu tham khảo [1] Ch−ơng trình hành động năng l−ợng tái tạo Việt nam [2] Qui họach tổng thể phát triển điện Việt nam (Tổng sơ đồ 5) [3] Trịnh chất (1994), Cơ sở thiết kế máy và chi tiết máy, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật. [4] Võ Sỹ Huỳnh – Nguyễn Thị Xuân Thu (1992), Tua bin n−ớc, Nhà xuất bản Giáo Dục, Hà nội. [5] Vũ Duy Quang (1996), Thủy khí động lực học ứng dụng, Tr−ờng Đại học Bách khoa, Hà nội. [6] Nguyễn Tài – L−u Công Đào (1984), Sổ tay tính tóan thủy lực, Nhà xuất bản Nông nghiệp, Hà nội. [7] Viện nghiên cứu thủy điện Trung Quốc (1968), Tính toán, thiết kế tua bin thuỷ điện – Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật Bắc Kinh, bản dịch tiếng Việt. [8] ю.Y. Эдель (1963), Kовшовыe гидpoтуpбины, гocyдapcтвeннoe нayчнo - тexничecкoе издaтельc вo мaшинocтpoитeльнoй литepaтypы мocква. [9] Gilkes Brochuers [10] Helmut Scheurer – Reinold Metzler – Bob Yoder (1980), Federal Republic of Germany. [11] SKF (1997), Popular bearing range nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 66 Phụ lục