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

bộ nông nghiệp và phát triển nông thôn viện khoa học thủy lợi báo cáo tổng kết chuyên đề nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thử nghiệm tua bin xung kích 2 lần kiểu Cink thuộc đề tài kc 07.04: “nghiên cứu, lựa chọn công nghệ và thiết bị để khai thác và sử dụng các loại năng l−ợng tái tạo trong chế biến nông, lâm, thủy sản, sinh hoạt nông thôn và bảo vệ môi tr−ờng” Chủ nhiệm chuyên đề: ThS nguyễn tùng phong 5817-5 16/5/2006 hà nội – 5/2006 Mục lục Trang Ch−ơng I. tổng quan và phạm vi ứng dụng Tua bin XK2L 1 1.1. Tua bin xung kích 2 lần (XK2L) và quá trình phát triển. 1 1.2. Phạm vi sử dụng của tua bin XK2L: 3 1.3. Những −u điểm và nh−ợc điểm của tua bin XK2L trong thuỷ điện nhỏ và cực nhỏ 8 1.3.1. Hiệu suất 8 1.3.2. Độ bền: 11 1.3.3. Giá thành chế tạo: 11 1.3.4. Hạn chế của tua bin XK2L 12 1.4. Kết luận 14 Ch−ơng II. lý thuyết tua bin xung kích 15 2.1. Cột n−ớc, l−u l−ợng, công suất và hiệu suất 15 2.2. Tác dụng t−ơng hỗ giữa dòng tia và tấm bản 18 Ch−ơng III. tổng quan nghiên cứu lý thuyết tua bin XK2L và XK2L kiểu CINK 26 3.1. Lý thuyết đơn giản của tua bin XK2L 26 3.1.1. Mô tả tua bin XK2L 26 3.1.2. Chuyển động của dòng chảy qua BCT: 27 3.1.3. Lý thuyết cơ bản của tua bin XK2L 31 3.2. Mở rộng nghiên cứu lý thuyết cơ bản tua bin XK2L 36 3.2.1. Mở rộng lý thuyết tua bin XK2L 36 3.2.2. Góc đặt cánh 39 3.2.3. Bề rộng đĩa cánh và góc ở tâm đĩa cánh. 40 3.2.4. Đ−ờng kính bánh xe và trục BCT 44 3.2.5. Mở rộng lý thuyết dòng chảy tuyệt đối qua tua bin XK2L. 45 Ch−ơng IV. Nghiên cứu thực nghiệm tuabin XK2L kiểu CINK 49 4.1. H−ớng nghiên cứu Tua bin XK2L kiểu CINK 49 4.1.1 Vòi phun và cơ cấu điều chỉnh l−u l−ợng 50 4.1.2. So sánh kết cấu cánh h−ớng của tua bin XK2L kiểu Ossberger và tua bin XK2L kiểu CINK 54 4.1.3 Bánh xe công tác 54 4.1.4. ống hút 58 4.2. Giới thiêu ch−ơng trình tính toán tua bin XK2L 59 4.3. Thiết kế Tua bin XK2L mô hình kiểu CINK 62 4.3.1 Lựa chọn kết cấu 62 4.3.2 Lựa chọn kích th−ớc, thông số cơ sở tua bin mô hình 63 4.3.3 Tính toán các thông số cơ bản của tua bin mô hình 63 4.3.4 Thiết kế bánh xe công tác 64 4.3.5. Vòi phun 65 4.3.6 ống hút 67 4.4. Mô hình hoá tua bin 68 4.5 Thực nghiệm tua bin mô hình 70 4.5.1 Hệ thống thí nghiệm 70 4.5.2 Thí nghiệm tua bin mô hình 74 4.6. Xây dựng đặc tính tổng hợp chính của tua bin mô hình 80 4.7. Các kết luận rút ra từ thực nghiệm 82 Ch−ơng V. Kết luận 84 5.1 Các kết quả đề tài đã đạt đ−ợc 84 2. H−ớng nghiên cứu tiếp theo 85 Phụ lục 86 NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 1 Mở đầu N−ớc ta có một nguồn thuỷ năng vô cùng phong phú. Với khoảng 3/4 diện tích lãnh thổ là đồi núi, địa hình cao, bị chia cắt mạnh cùng với l−ợng m−a trung bình năm khoảng 1960mm, với mạng l−ới sông suối khá dày đặc và nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa đã tạo ra một nguồn tài nguyên quý báu để phát triển thuỷ điện. Theo một số kết quả nghiên cứu của các đề tài cho thấy trữ năng lý thuyết của thuỷ điện Việt nam thống kê trên 2864 sông suối có chiều dài L≥10km vào khoảng 271.000GWh/năm đến 318GWh/năm và trữ năng lý thuyết của thuỷ điện Việt nam khoảng trên 300.000GWh/năm với công suất lắp máy trên 34.000MW. Trong những năm gần đây và hiện nay, thế giới và các tổ chức quốc tế nh− Ngân hàng thế giới (WB), Ngân hàng châu á (ADB(, Quỹ năng l−ợng Nhật bản (NEF) …đang quan tâm tới việc khai thác và phát triển các công nghệ về năng l−ợng tái tạo mà trong đó phát triển thuỷ điện nhỏ đang là một mục tiêu quan tâm hàng đầu. Đây là một giải pháp hiệu quả và bền vững, không chỉ góp phần phát triển kinh tế xã hội vùng sâu, vùng xa mà còn góp phần bảo vệ bền vững môi tr−ờng. Hiện nay, với nhu cầu về tiêu dùng điện ngày càng tăng, −ớc tính khoảng 15%/năm, thì thuỷ điện nhỏ lại càng đóng vai trò quan trọng hơn trong việc góp phần phát triển nguồn điện năng cho đất n−ớc. Với tình hình đầu t− thuỷ điện trong n−ớc hiện nay thì việc đầu t− cho thuỷ điện nhỏ cũng sẽ có nhiều thuận lợi do quy mô vốn đầu t− phù hợp, có thể khuyến khích các thành phần kinh tế khác và ng−ời dân đầu t−. Thuỷ điện nhỏ đã đ−ợc phát triển mạnh ở Việt nam từ những năm 80 trở lại đây. Nhiều cơ quan đơn vị, nhà máy đã tiến hành nghiên cứu, chế tạo thiết bị cho thuỷ điện nhỏ. Hàng trăm tổ máy thuỷ điện với tổng công suất tới hàng ngàn kW đã đ−ợc chế tạo và lắp đặt, góp phần phát triển kinh tế-xã hội, xoá đói giảm nghèo cho đồng bào vùng sâu, vùng xa. Tuy nhiên, do công tác nghiên cứu, chế tạo còn nhiều hạn chế nên chất l−ợng thiết bị còn ch−a bảo đảm yêu cầu, hiệu suất thấp, vận hành không ổn định, tuổi thọ kém. Trong những năm gần đây, do khoa học công nghệ phát triển nên chất l−ợng thiết bị đã đ−ợc cải thiện nhiều. Tua bin xung kích 2 lần (XK2L) là một loại tua bin rất phù hợp với thuỷ điện nhỏ và đã đ−ợc thiết kế, chế tạo và đ−a vào vận hành ở Việt nam từ 1967, với công suất NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 2 từ 5-60kW. Đây là loại tua bin có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, quản lý vận hành và phù hợp với điều kiện và trình độ ng−ời dân ở miền núi . Tuy nhiên, với tình trạng chung ở giai đoạn tr−ớc nên cũng không tồn tại đ−ợc lâu. Nhận thấy những −u điểm nổi bật của loại tua bin này, từ năm 1992 Trung tâm thuỷ điện - Viện khoa học thuỷ lợi đã đã tập trung nghiên cứu, chế tạo và lắp đặt khoảng hơn 100 trạm thuỷ điện với công suất từ 5kW đến 200 kW ở các tỉnh miền núi. Kết quả thực tế cho thấy rằng các tua bin đều làm việc ổn định, độ bền khá cao và phát huy rất hiệu quả vào mục tiêu phục vụ sản xuất và sinh hoạt cho ng−ời dân ở miền núi . Trung tâm cũng không ngừng nghiên cứu hoàn thiện lý thuyết, kết cấu, kiểu dáng và quy trình công nghệ chế tạo để nânng cao chất l−ợng của tua bin XK2L. Trong đó, việc nghiên cứu nâng cao hiệu suất và mở rộng phạm vi hoạt động cho loại tua bin này là một trong những mục tiêu cần nghiên cứu giải quyết. Để giải quyết mục tiêu đó, nhóm nghiên cứu trong đề tài đã tập trung ngiên cứu những nội dung chính nh− sau: 1. Phân tích và đánh giá phạm vi sử dụng tua bin XK2L; 2. Nghiên cứu lý thuyết tua bin xung kích và tua bin XK2L kiểu CINK; 3. Nghiên cứu, thiết kế tua bin XK2L kiểu CINK; 4. Xây dựng và hoàn thiện phần mềm tính toán, thiết kế tua bin XK2L; 5. Nghiên cứu thực nghiệm và xây dựng đặc tính năng l−ợng của tua bin XK2L kiểu CINK; 6. Đánh giá kết quả nghiên cứu thực nghiệm và kiến nghị. NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 3 Ch−ơng I. tổng quan và phạm vi ứng dụng Tua bin XK2L 1.1. Tua bin xung kích 2 lần (XK2L) và quá trình phát triển. Tua bin XK2L (Cross - Flow Turbine) do một kỹ s− ng−ời úc là A.G.M.Michele phát minh vào năm 1903. Sau đó, một giáo s− ng−ời Hungary là Donat Banky đã xây dựng cơ sở lý thuyết t−ơng đối hoàn chỉnh vào năm 1916 - 1919, do vậy tua bin XK2L còn đ−ợc gọi là Tua bin Banky. Năm 1922, kỹ s− ng−ời Đức là K.L.Ossberger đã nghiên cứu, hoàn thiện và sản xuất rộng rãi loại tua bin này. Hãng Ossberger đã đ−a ra thị tr−ờng hơn 5000 tổ máy XK2L với công suất từ 1 - 1000KW. Gần đây, năm 1993 -1994, giáo s− Nadim M.Aziz và nhiều giáo s− khác của tr−ờng Đại học CLEMSON (Mỹ) vẫn tiếp tục nghiên cứu lý thuyết và bằng thực nghiệm loại tua bin này và đ−a ra nhiều kết quả nghiên cứu mới và các kết quả thực nghiệm hết sức quan trọng. Hình 1. Tua bin XK2L Tua bin XK2L là loại tua bin kiểu xung kích, sử dụng thành phần năng l−ợng là động năng của dòng chảy để chuyển hóa thành cơ năng trên trục quay của tua bin. Dòng chảy sau khi qua vòi phun của tua bin sẽ chảy vào bánh công tác (BCT), tác dụng lên BCT 2 lần và truyền toàn bộ năng l−ợng cho BCT. Do vậy mà tua bin này đ−ợc gọi là Tua bin XK2L. NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 4 ở Việt Nam loại tua bin này đãđ−ợc chế tạo từ năm 1967 với công suất từ từng tổ máy từ 5KW đến 60KW. Tuy nhiên, do công tác nghiên cứu, thiết kế và chế tạo loại tua bin này không đ−ợc chú trọng nên trên thực tế cho thấy loại tua bin này hoạt động với hiệu suất thấp và tuổi thọ thấp, ít đ−ợc sử dụng trong thực tế. Thay thế vào đó, các tổ máy h−ớng trục và tâm trục đ−ợc khuyến khích chế tạo và sử dụng. Ví dụ, các tổ máy theo mẫu GANZ của Hungari với cột n−ớc H = 10-20m, công suất N ≈ 20KW đ−ợc sản xuất hàng loạt tại Nhà máy Công cụ số I, hoặc các tổ máy theo mẫu HL 360 - WG-30, 42 (tua bin tâm trục kiểu buồng chính diện)... là những tổ máy có kích th−ớc lớn, khó chế tạo và giá thành cao. Từ những năm 1980, những thông tin về tua bin XK2L do một số hãng của Nhật, Đức, CH Séc, Trung Quốc, Mỹ... giới thiệu đã đ−ợc các cán bộ khoa học của Trung tâm thuỷ điện (TTTĐ), Viện khoa học thuỷ lợi đặc biệt quan tâm. Nhận thấy đây là loại tua bin rất thích hợp cho thuỷ điện nhỏ nh−ng ch−a có cơ quan nào quan tâm nghiên cứu và chế tạo loại thiết bị này, TTTĐ đã tiến hành tập hợp các tài liệu nghiên cứu lý thuyết, tiến hành thực nghiệm và chế tạo thử. Các tổ máy XK2L sau khi chế tạo, lắp đặt và vận hành ở các trạm thuỷ điện đã khẳng định đ−ợc kết quả nghiên cứu và tính toán lý thuyết và công nghệ chế tạo loại tua bin này. Phần nghiên cứu tính toán lý thuyết, phần dẫn dòng và biên dạng cánh BCT đã đ−ợc đ−a vào nghiên cứu trong một đề tài KHCN cấp Nhà n−ớc và một số kết quả nghiên cứu đã đ−ợc nghiệm thu. 1.2. Phạm vi sử dụng của tua bin XK2L: NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 5 Hình 2. Biểu đồ sử dụng tua bin XK2L của hãng Meiden (Nhật bản) NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 6 Hình 3. Biểu đồ sử dụng tua bin XK2L của Công ty KUBOTA (Nhật bản) Hình 4. Biểu đồ sử dụng tua bin XK2L của Ossberger Corp. (Đức) NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 7 Hình 5. Biểu đồ sử dụng tua bin XK2L của Hitachi Corp. (Nhật Bản) NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 8 Hình 6. Biểu đồ sử dụng tua bin XK2L của Fuji Electric Corp. (Nhật Bản) NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 9 Hình7. Biểu đồ sử dụng tua bin XK2L của Linhai Corp. (Trung Quốc) NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 10 1.3. Những −u điểm và nh−ợc điểm của tua bin XK2L trong thuỷ điện nhỏ và cực nhỏ Trong những năm gần đây, tua bin XK2L đ−ợc sử dụng ngày càng rộng rãi cho các trạm thuỷ điện nhỏ với phạm vi sử dụng: + Cột n−ớc : H = 5 ữ 200m + L−u l−ợng: Q = 0,025 - 13 m3/s + Công suất N = 1 - 1500 KW 1.3.1. Hiệu suất Một đặc điểm quan trọng và nổi bật nhất của tua bin XK2L là hiệu suất rất phù hợp cho thuỷ điện nhỏ. Các kết quả nghiên cứu và thực nghiệm từ n−ớc ngoài cho thấy hiệu suất đỉnh của tua bin XK2L có thấp hơn các loại tua bin khác (ηmax = 86%), ví dụ nh− tua bin tâm trục (Francis) nh−ng bù lại là phạm vi của vùng hiệu suất cao rất rộng, do vậy mà điện l−ợng thu đ−ợc của tua bin XK2L cao hơn so với tua bin tâm trục. Các kết quả nghiên cứu gần đây nhất của hãng Entec (Thụy sĩ) cho thấy hiệu suất lớn nhất của tua bin XK2L có thể đạt ηmax = 86%, tuy hiệu suất đỉnh có thấp hơn một vài loại tua bin khác (ηmax = 87 ữ 89%). Nh−ng do phạm vi vùng hiệu suất cao rộng hơn nên tổng điện l−ợng thu đ−ợc của tua bin XK2L cao hơn so với tua bin tâm trục. NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 11 Hình 8. So sánh đ−ờng hiệu suất của tua bin XK2L và tua bin tâm trục. Nhìn vào Hình 1-8 và Hình 1-9 ta thấy rằng tua bin tâm trục có hiệu suất đỉnh cao hơn tua bin XK2L, tuy nhiên vùng hiệu suất cao khá hẹp nên hiệu suất sẽ giảm rất Hình 9. Quan hệ về điện l−ợng - thời gian trong năm của tua bin XK2L và tua bin tâm trục. NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 12 nhanh khi l−u l−ợng giảm. Để giải thích phạm vi rộng của vùng hiệu suất cao, xem Hình 1-10 Hình 10: Đ−ờng biểu diễn hiệu suất của tua bin XK2L đ−ợc xây dựng từ 3 đ−ờng hiệu suất t−ơng ứng với 1/3, 2/3 và đầy tải hay 1/3Q, 2/3Q và toàn bộ l−u l−ợng Q. Việc chia bề rộng BCT làm 2 phần có bề rộng 1/3 và 2/3 tổng chiều rộng làm việc cho phép đã làm mở rộng vùng hiệu suất cao cho tua bin XK2L. Nh− vậy có thể kết luận rằng, tua bin XK2L có đặc tính năng l−ợng rất tốt và rất phù hợp đối với thuỷ điện nhỏ. NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 13 1.3.2. Độ bền: Một đặc điểm khá quan trọng trong kết cấu của tua bin XK2L là không xuất hiện thành phần lực dọc trục, do vậy trong tua bin XK2L không xuất hiện sự phá vỡ ổ đỡ do lực quá lớn nh− các loại tua-bin khác. Trong thiết kế và chế tạo tua bin XK2L th−ờng sử dụng ổ bi đỡ bình th−ờng, trong khi nhiều loại tua-bin khác phải dùng ổ tr−ợt với cấu trúc ổ và kết cấu bôi trơn khá phức tạp và đắt tiền. Bánh công tác đ−ợc gia công chế tạo bằng kết cấu hàn, đ−ợc gia c−ờng bởi các vách tăng cứng, sử dụng vật liệu thép không gỉ…nên có độ bền khá cao. Theo kết cấu truyền thống và một số kết cấu mới thì hệ thống cánh h−ớng n−ớc của tua bin XK2L rất đơn giản (chỉ có 1 cánh h−ớng), do vậy ít bị hỏng hóc so với hệ cánh h−ớng nhiều cánh (8 ữ 20 cánh) của các loại tua bin khác. Kết cấu vỏ chắc chắn, đ−ợc định vị rất dễ dàng cho tháo lắp, sửa chữa nên cũng nâng cao độ bền của tổ máy. Với các đặc điểm đơn giản và chắc chắn trong kết cấu, tua bin XK2L có độ bền cao, đảm bảo hoạt động ổn định và lâu dài. 1.3.3. Giá thành chế tạo: Công nghệ chế tạo tua bin XK2L đơn giản hơn rất nhiều so với các loại tua bin khác. Tổng kết quá trình chế tạo cho thấy, giá thành chế tạo tua-bin XK2L bằng 50% ữ 70% so với tua bin khác cùng công suất. Kết cấu vỏ bằng thép hàn dễ dàng cho chế tạo đơn chiếc. Việc sử dụng ổ bi cho các tổ máy công suất lớn cũng làm giảm đáng kể giá thành chế tạo và lắp ráp. Với kết cấu gọn nhẹ và dễ tháo, lắp nên việc vận chuyển thuận lợi, đặc biệt cho những vùng giao thông còn khó khăn. Do cấu trúc đối xứng 2 đầu trục, nên bố trí thiết bị tốn ít diện tích và làm giảm giá thành xây dựng nhà trạm. Do lực đóng mở cánh h−ớng nhỏ, cũng làm giảm đáng kể giá thành của điều tốc tự động. NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 14 1.3.4. Hạn chế của tua bin XK2L Theo cách phân loại truyền thống thì tua bin XK2L là loại tua bin xung kích tỷ tốc thấp nên số vòng quay thấp. ở những trạm có cột n−ớc thấp phải có bộ truyền động, do vậy làm tăng giá thành chế tạo tổ máy. ở các n−ớc công nghiệp tiên tiến, các trạm thuỷ điện cột n−ớc thấp dùng tua bin XK2L đều sử dụng bộ truyền bánh răng nối với máy phát tiêu chuẩn có vòng quay n = 1000-1500 v/phút. Do có nhiều −u điểm so với các loại tua bin khác nên những năm gần đây, tua bin XK2L ngày càng đ−ợc sử dụng rộng rãi cho thuỷ điện nhỏ và thuỷ điện cực nhỏ. Nhìn chung, các trạm thuỷ điện nhỏ sử dụng tua bin XK2L đều vận hành ổn định và góp phần đáng kể vào việc nâng cao đời sống vật chất và tinh thần cho đồng bào các tỉnh vùng sâu, vùng xa của cả n−ớc. Hiện nay, nhiều phòng thí nghiệm và các cơ quan nghiên cứu ở một số n−ớc vẫn tiếp tục nghiên cứu để nâng cao hiệu quả và mở rộng phạm vi sử dụng loại tua bin này. 1.4. Kết luận Qua những phân tích ở trên cho thấy rằng, tua bin XK2L là loại tua bin đ−ợc sử dụng trên rất rộng rãi ở trên thế giới cho thủy điện nhỏ. Với những −u điểm về hiệu suất, kết cấu, độ bền và công nghệ chế tạo của loại tua bin này, có thể nói rằng tua bin XK2L …rất phù hợp với điều kiện về kinh tế, trình độ công nghệ của Việt Nam. ở Việt Nam, nếu áp dụng những công nghệ chế tạo thích hợp, quản lý vận hành tốt thì tua bin XK2L sẽ phát huy đ−ợc những −u điểm nổi bật của nó đối với các dự án thủy điện nhỏ, mà hiện nay đang đ−ợc Nhà n−ớc và các tổ chức quốc tế nh− WB, NEF, UNDP tổ chức thực hiện tại Việt Nam. NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 15 Ch−ơng II. lý thuyết tua bin xung kích Nh− đã trình bày ở trên, tua bin XK2L đ−ợ c phân loại nh− là một tua bin xung kích. Do vậy, tr−ớc khi nghiên cứu về tua bin XK2L, chúng tôi sẽ đi vào nghiên cứu cơ sở lý thuyết của tua bin xung kích vì đó là cơ sở lý thuyết ban đầu để xây dựng và phát triển tua bin XK2L. 2.1. Cột n−ớc, l−u l−ợng, công suất và hiệu suất Công suất tua bin tỷ lệ thuận với l−ợng chất lỏng chảy qua nó trong một đơn vị thời gian, hiệu số tỷ năng dòng chảy tr−ớc và sau tua bin và hiệu suất của nó. L−ợng chất lỏng chảy qua trong một đơn vị thời gian đo bằng l−u l−ợng Q l/s hoặc m3/s. Năng l−ợng một đơn vị trọng l−ợng chất lỏng (tỷ năng) ở cao trình mực n−ớc th−ợng l−u (hình 11). b bb b Zg CPE ++= 2 2 γ (2.1) ở cao trình mực n−ớc hạ l−u: H HH H Zg CPE ++= 2 2 γ (2.2) Trong đó: Zb, ZH - cao độ mực n−ớc th−ợng l−u và hạ l−u so với mặt chuẩn so sánh . 0- 0. γ- Trọng l−ợng riêng của n−ớc. Hiệu số năng l−ợng Eb và EH là cột n−ớc toàn phần của trạm thuỷ điện. Hb HbHb Hb ZZg CCPPEEH −+−+−=== 2 22 γδ (2.3) Mực n−ớc th−ợng l−u và hạ l−u ở áp suất khí quyển do đó: `atHb PPP == NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 16 Vận tốc n−ớc chảy ở th−ợng l−u và hạ l−u th−ờng không lớn và chúng không khác nhau bao nhiêu, có nghĩa là: Hb CC ≈ Do đó cột n−ớc toàn phần Hδ (2.3) thực tế bằng hiệu số mực n−ớc th−ợng l−u và hạ l−u. HbHb ZZEEH −=−=δ Nh−ng tua bin không thể sử dụng toàn bộ cột n−ớc toàn phần Hδ. Một phần năng l−ợng ∆Hn tiêu hao do tổn thất dọc đ−ờng và tổn thất cục bộ trên đ−ờng dẫn và đ−ờng ống áp lực mà trong tr−ờng hợp tua bin phản kích cột n−ớc cao chúng có chiều dài lớn, và tiêu hao trên các bộ phận dẫn dòng mà những bộ phận này không thuộc vào các bộ phận của tua bin. Một phần khác ∆Hn (chỉ đối với tua bin xung kích) bị mất đi do độ cao đặt BXCT cao hơn mực n−ớc hạ l−u. Nh− vậy cột n−ớc mà tua bin sử dụng có thể viết d−ới dạng. nn HHHH ∆−∆−= δ (2.4) Cột n−ớc tốt nhất là trực tiếp xác định bằng hiệu tỷ năng dòng chảy tr−ớc và sau tua bin. Tr−ớc tua bin ở tiết diện cửa vào 1: 1 1 21 1 2 Z g CPE ++= γ (2.5) Tiết diện cửa vào lấy ở đoạn ống thẳng của đ−ờng ống nằm giữa van và bộ phần dẫn dòng. Giả thiết l−u tốc và áp suât đ−ợc phân bố đều trên toàn tiết diện này. Nh− vậy P1, C1 là áp suất, vận tốc tại tiết diện 1, Z1 - cao trình trung tâm tiết diện 1. Nếu Q là l−u l−ợng chảy qua tua bin thì: 1 1 F QC = (2.6) Trong đó: F1 - diện tích tiết diện 1. áp suất P1 đ−ợc đo bằng áp kế. Nếu áp kế đặt cao hơn tâm tiết diện 1 một khoảng a1 thì: NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 17 1 11 aPP m += γγ (2.7) Trong đó: Pm1 - chỉ số của áp kế. Tỷ năng dòng chảy sau tua bin phản kích đ−ợc xác định tại tiết diện cửa ra của ống hút. Vì trị số động năng của dòng chảy khi ra khỏi tua bin phụ thuộc vào kết cấu tua bin (tua bin càng hoàn thiện thì đại l−ợng này càng nhỏ) nếu tỷ năng của dòng chảy ra khỏi tua bin chỉ tính phần thế năng còn toàn bộ phần động năng đ−ợc tính là tổn thất của tua bin. Đối với tua bin phản kích tính nh− vậy ở mức độ nhất định chỉ là giả định bởi vì vận tốc cửa ra ngay cả về mặt lý thuyết cũng không thể bằng không. ở các tua bin xung kích, tỷ năng dòng chảy ở cửa ra đ−ợc xác định khi dòng chảy ra khỏi cánh BXCT, ở đó vận tốc tuyệt đối về lý thuyết có thể bằng không. Vì vậy trong tr−ờng hợp này có cơ sở để lấy C2 = 0. áp cửa ra là áp suất khí quyển và nếu sử dụng áp suất d− thì P2 = 0. Nh− vậy: E2 = Z2 (2.8) và : g CPZaZEEH m 2 2 11 21121 ++−+=−= γ (2.9) ở đây Z2 cao độ của điểm dòng chảy ra khỏi BXCT. Nh−ng dòng chảy ra khỏi BXCT không phải qua một điểm mà dọc theo các lá cánh của BXCT. Ngoài ra cánh BXCT lại chuyển động không ngừng và các điểm ra thực tế cũng thay đổi. Do đó cao độ điểm cửa ra tính toán đ−ợc lấy ở một điểm trung bình nào đó: ở tua bin trục ngang lấy ở giao điểm của trục dòng phun với đ−ờng bán kính BXCT vuông góc với nó. Công suất của dòng chảy qua tua bin: QHQHNH 81,9102 == γ KW (2.10) Trong đó: γ = 100 Kg/m3; Q - m3/s. Công suất của tua bin: N = NH.η = 9,81.QHη (2.11) NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 18 Trong đó: η - hiệu suất tua bin. Bánh xe công tác của tua bin xung kích chỉ sử dụng động năng của chất lỏng. Do đó cơ cấu h−ớng n−ớc tua bin cần phải biến đổi thế năng của chất lỏng thành động năng. Xem tổn thất trong bộ phận phân dòng là ∆HK ta có cột n−ớc tr−ớc cơ cấu h−ớng n−ớc là: Ke HHH ∆−= (2.12) Động năng dòng chảy khi ra khỏi vòi phun đ−ợc xác định; cHcg C η. 2 2 = ở đây c - vận tốc dòng phun; ηc - hiệu suất của vòi phun. Từ đây ta có công thức Torichell về sự chẩy của chất lỏng d−ới cột n−ớc không đổi: cxc gHgHC 221 ϕη == (2.13) ở đây cηϕ = - hệ số l−u tốc Vòi phun của tua bin XK2L có dạng hình chữ nhật và dòng phun sẽ có tiết diện hình chữ nhật, điều đó sẽ phù hợp hơn với hình dạng của cánh. Trong các thí nghiệm tr−ớc đây cho thấy rằng những dòng phun từ các vòi nh− vậy biến dạng nhiều trên đoạn chảy tự do trong khí quyển vì chịu ảnh h−ởng của lực kéo mặt. Tiết diện dòng phun bị thu nhỏ theo chiều chuyển động và do đó sẽ bị mất một phần năng l−ợng. Sự chuyển động vòng của chất lỏng trong cánh sẽ xấu đi. Mặc dù vậy, ở các tua bin XK2L và các loại tua bin phản kích khác, tiết diện dòng phun phải có dạng hình chữ nhật. 2.2. Tác dụng t−ơng hỗ giữa dòng tia và tấm bản Tác dụng t−ơng hỗ của dòng tia lên bản phẳng cố định vuông góc với dòng tia: Giả thiết chất lỏng là lý t−ởng, có thể coi trị số tuyệt đối của chất lỏng khi ra khỏi bản (v2) bằng trị số vận tốc tuyệt đối của vận tốc dòng tia ban đầu(v1). Dòng tia tác dụng lên bản phẳng với lực P. Ta có ph−ơng trình biến thiên động l−ợng: NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 19 fv gx vxvQgx kxkP 2 1)21(21 γγ =−=−= (2.14) Trong đó: k1x, k2x - động l−ợng theo chiều dòng tia tr−ớc và sau tấm bản (theo ph−ơng x). v1x, v2x- hình chiếu vận tốc lên chiều dòng tia tr−ớc và sau khi gặp tấm bản. f - diện tích động mặt cắt ngang phun. Sự phân bố áp suất trên tấm bản theo thực nghiệm nh− hình 2.1: Hình 11: Sơ đồ dòng tia chảy lan trên mặt bản cố định kích th−ớc không giới hạn đặt vuông góc với trục dòng tia. Trong tr−ờng hợp tổng quát hơn xét bản cong có kích th−ớc hạn chế đối xứng nh− sơ đồ Hình 12. Nh− trên ta có: )( 21 xx vvg QP −= γ (2.15) 0P x f 0.991V1 2/2g V1 V2 V2 I I IIII IIII NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 20 Hình 12: Sơ đồ dòng tia chảy lên tấm bản cong đối xứng ở đây: v1x = v; v2x = v1x.cosβ Do đó: )βcos1(γ)βcos1(γ 2 11 −=−= f g v g QvP (2.16) Từ công thức này ta thấy rằng lực P sẽ lớn nhất khi β = 1800 và trong tr−ờng hợp này: f g vP 2 1γ2= (2.17) Nếu f1 là hình chiếu của bản cong lên ph−ơng vuông góc với x, áp lực trung bình lên tấm bản là: 1 2 1 1 2 gf fv f php == γ (2.18) vì g vHhp 2 2 1=≤ suy ra f1 ≥ 4f (2.19) Từ đây ta thấy rằng để đạt yêu cầu tác dụng của dòng chảy lên tấm bản, diện tích hình chiếu của bản lên ph−ơng vuông góc dòng tia phải lớn hơn 4 lần diện tích tiết diện dòng tia. Nguyên tắc lý thuyết này đ−ợc sử dụng để lựa chọn kích th−ớc của BCT tua bin xung kích. x f V2 V1 V2 f1 β NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 21 Trên đây ta đã nói đến lực tác dụng t−ơng hỗ giữa dòng tia và tấm bản. Sự tác động này sẽ đơn thuần là lực và không có sự trao đổi năng l−ợng nếu nh− tấm bản đứng yên. Muốn cho tấm bản nhận đ−ợc năng l−ợng từ dòng tia, nó phải chuyển động với vận tốc u nào đó (sơ đồ trên Hình 13). Lúc này vận tốc của dòng tia so với tấm bản: w = c – u (2.20) Trong đó: u – vận tốc theo c – vận tốc tuyệt đối. Sau một đơn vị thời gian, khối l−ợng n−ớc chảy lên tấm bản là: wf g m .γ= (2.21) Hình 13: Sơ đồ dòng tia lên tấm bản cong đang chuyển động theo trục của dòng tia. Động l−ợng ban đầu: 11 fwcg k γ= (2.22) Vận tốc tuyệt đối khi ra: c2 =u + w.cosβ (2.23) u x f W C W f1 β NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 22 Động l−ợng cuối cùng là: )cos(2 βγ wufwgk += (2.24) Từ đây, theo (2.13) ta có: )cos1()(γ)cos( 2121 ββγ −−=−−=−= ucg fwucw g fkkP (2.25) Công suất do lực P sinh ra: )cos1()(γ. 2 β−−== uuc g fuPNn (2.26) Công suất của dòng tia: f g cQ g cN z 2 γ 2 22 == γ (2.27) Hiệu suất thủy lực: 3 2 )cos1()(2 c uuc N N z n th βη −−== (2.28) Để η đạt max, đạo hàm vế trái theo u ta có: (c - u)2 - 2u(c - u) = 0 suy ra 3 cutu = (vận tốc tối −u) (2.29) Thay vào ta có )cos1( 27 8 max βη −=th (2.30) Hiệu suất cực đại ηth max có giá trị lớn nhất khi β = 1800 1 27 16 max <<=thη (2.31) Điều này đ−ợc giải thích rằng khi tấm bản dịch chuyển ra xa nơi xuất phát dòng tia, chỉ có một phần chất lỏng tác dụng đ−ợc lên nó, l−u l−ợng của phần NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 23 chất lỏng này tỷ lệ với vận tốc t−ơng đối w = c - u. Nếu u càng nhỏ, lực tác dụng lên tấm bản càng lớn nh−ng khi u = 0 chất lỏng sẽ không truyền năng l−ợng cho tấm bản nữa. Muốn cho tấm bản nhận toàn bộ năng l−ợng của dòng tia thì vòi phun cũng phải chuyển động với vận tốc u. Khi đó sau một đơn vị thời gian dòng chảy lên tấm bản với một khối l−ợng là: fc g m γ= (2.32) Động l−ợng ban đầu: 21 fcg k γ= (2.29) Động l−ợng cuối: )cos(γ2 βwufcgk += (2.33) Từ đây ta có: )βcos1)((γ]βcos)([γ)βcos(γ −−=−−−=−−= ucfc g ucucfc g wucfc g P (2.34) Lúc này công suất do lực sinh ra: )βcos1()(γ −−== uucfc g PuNn (2.35) Hiệu suất thủy lực: 2 )cos1()(2 c uuc th βη −−= (2.36) cũng t−ơng tự nh− trên ta tìm đ−ợc u tối −u: 2 cutu = (2.37) Hiệu suất cực đại lúc này là: )cos1( 2 1 max βη −=th (2.38) Khi β = 1800 thì ηth max = 1 NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 24 c2 w2 u β2 β1 αc1 u w1 u Nh− vậy về mặt lý thuyết, tấm bản có thể nhận toàn bộ năng l−ợng dòng tia. Kết luận này mang ý nghĩa về nguyên tắc đối với tua bin xung kích. Bây giờ ta xét tr−ờng hợp khác khi tấm bản chuyển động với vận tốc u tạo nên một góc α nào đó so với vận tốc của dòng tia (Hình 14): Từ tam giác vận tốc tại cửa vào ta xác định trị số của vận tốc t−ơng đối: αcos222 uucw −+= Hình 14. Sơ đồ dòng tia lên tấm bản cong đang chuyển động d−ới một góc so với trục của dòng tia Để thoả mãn yêu cầu về điều kiện chảy vào của dòng tia, h−ớng của w phải trùng với tiếp tuyến của tấm bản. Góc β1 biểu thị h−ớng của vận tốc t−ơng đối w1 với h−ớng chuyển động của bản đ−ợc xác định từ tam giác vận tốc cửa vào: 1 11 αsin βsin w c= (2.39) Vậy động l−ợng ban đầu theo h−ớng chuyển động của bản là: NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 25 αcos...γ1 cQg k = (2.40) Động l−ợng cuối theo h−ớng đó: )βcos..(.γ 22 wuQg k += (2.41) Lực tác động lên bản theo h−ớng chuyển động: )αcos...2βcos-αcos.(γ)βcos.αcos.(γ 2222 ucucucg Qwuc g QP −+−=−−= (2.42) Công suất do lực P sinh ra: )αcos...2βcos-αcos..(.γ. 222 ucucucug QuPNn −+−== (2.43) Hiệu suất thủy lực sẽ là: 2 22 2 th )αcos...2-βcos-αcos..(.2η c ucucucu +−= (2.44) Lực tác động theo h−ớng vuông góc với chuyển động cũng xác định t−ơng tự: )αcos...2βsinαsin.(γ 222 ucuccg QP −+−= (2.45) Trên đây là các ph−ơng trình lý thuyết có ý nghĩa trong việc phân tích quá trình làm việc của tua bin XK2L. NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 26 Ch−ơng III. tổng quan nghiên cứu lý thuyết tua bin XK2L và XK2L kiểu CINK 3.1. Lý thuyết dơn giản của tua bin XK2L Lý thuyết cơ bản về tua bin xung kích 2 lần - XK2L đ−ợc giáo s− ng−ời Hungary là Đonat Banky xây dựng và đ−a ra vào năm 1920. Có thể nói rằng đây là lý thuyết kinh điển về loại tua bin này, và cho đến nay lý thuyết này vẫn giữ nguyên giá trị của nó. Tuy nhiên qua tham khảo các tài liệu hiện có ở Việt Nam, Trung Quốc thì ch−a có tài liệu nào trình bày sâu về lý thuyết của loại tua bin này. Hầu hết các tài liệu chỉ dừng lại ở mức độ tính toán các thông số cơ bản, hiệu suất và cách xây dựng hình học cho bánh công tác ( BCT ) và phần dẫn dòng mà ch−a nêu rõ cơ sở tính toán, thiết kế và lựa chọn các thông số. Do vậy trong phần lý thuyết cơ bản này sẽ xin trình bày rõ các lý thuyết cơ bản của tua bin XK2L. 3.1.1. Mô tả tua bin XK2L Tua bin XK2L là loại tua bin xung kích, sử dụng thành phần năng l−ợng là động năng của dòng chảy để chuyển hóa năng l−ợng đó thành cơ năng trên trục quay của tua bin. Tua bin XK2L gồm 2 bộ phận chính: Vòi phun (phần dẫn dòng) và Bánh xe công tác (phần công tác) Kiểu Osseberger Kiểu CINK Hình 15. Cấu tạo chung tua bin XK2L Vòi phun: có tiết diện ngang là hình chữ nhật, biên dạng là đ−ờng thân khai, 1 cung tròn hoặc 2 cung tròn. NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 27 Vòi phun có nhiệm vụ h−ớng dòng chảy từ ống áp lực vào BCT sao cho không gây ra tổn thất cho quá trình truyền năng l−ợng cho BCT. Ngoài ra vòi phun còn có nhiệm vụ điều chỉnh l−u l−ợng vào BCT trong quá trình làm việc theo phụ tải yêu cầu và đóng kín hoàn toàn dòng chảy khi tổ máy không làm việc. • Bánh công tác (BCT): Là một bánh xe hình trụ gồm 2 đĩa chính, trên đó có gắn các lá cánh trụ. Ngoài ra, đối với một số BCT có bề rộng lớn thì có thêm một số đĩa cánh mỏng phụ nhằm tăng độ cứng vững và ổn định khi tổ máy làm việc. BCT có nhiệm vụ chuyển hóa năng l−ợng dòng chảy thành cơ năng trên trục quay tua bin. Dòng tia đi qua BCT sau 2 lần tác dụng lên các lá cánh sẽ truyền toàn bộ năng l−ợng cho BCT. Ngoài ra, một số tua bin XK2L của một số hãng sau này còn lắp thêm phần ống hút để tận dụng thành phần năng l−ợng thế năng sau BCT. Nh− vậy, nhìn chung tua bin XK2L có kết cấu t−ơng đối đơn giản hơn các loại tua bin khác rất nhiều, và nh− đã trình bày ở ch−ơng 2 thì phạm vi sử dụng của nó t−ơng đối rộng, do vậy loại tua bin này mang lại hiệu quả kinh tế tổng hợp khá cao. 3.1.2. Chuyển động của dòng chảy qua BCT: Đặc điểm cơ bản của tua bin XK2L là dòng chảy từ mũi phun vào BCT sẽ tác dụng lên các lá cánh 2 của BCT. Các tài liệu nghiên cứu và thực nghiệm mới nhất của tr−ờng Đại học Clemson (Mỹ) cho thấy công suất đ−ợc truyền cho BCT chủ yếu ở lần tác dụng thứ nhất, tức là khoảng 75- 80% năng l−ợng của dòng chảy truyền cho BCT ở lần "va đập" thứ nhất. Do vậy loại tua bin này là loại tua bin có 2 cấp vận tốc, chất lỏng chỉ điền đầy một phần của BCT trong một thời điểm nhất định. NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 28 Xét chuyển động của dòng chảy qua tua bin Hình16. Chuyển động của dòng chảy qua BCT Giả thiết tâm của dòng chảy bắt đầu vào bánh công tác ở điểm A. Cung AB là biên dạng cánh tua bin. Tại điểm A: Dòng chảy tạo với tiếp tuyến của đ−ờng kính D1 của BCT một góc α1, vận tốc tuyệt đối của dòng chảy bắt đầu vào BCT đ−ợc tính bằng công thức: C1 = k 2gh (3-1) C1 - Vận tốc tuyệt đối. k - Hệ số vận tốc phụ thuộc đ−ờng kính vòi phun. H - cột n−ớc của tua bin tính tại điểm A (m) g - 9,81 - gia tốc trọng tr−ờng (m/s2). Vận tốc t−ơng đối W1 có thể tính đ−ợc theo vận tốc theo u1 và β1 là góc giữa 2 thành phần vận tốc W 1 và u1. Để có hiệu suất lớn nhất thì góc đặt cánh phải bằng β1. α3 β2 α2 β 3 β4 α4 α1 δ B β 1 NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 29 Dòng chảy đi qua khỏi cánh bánh công tác AB lần thứ nhất tại điểm B, tại đây có: Vận tốc t−ơng đối khi dòng chảy ra khỏi cánh AB là W2. Góc β2 là góc đ−ợc tạo thành bởi W '2 và tiếp tuyến của đ−ờng kính trong D2 của bánh công tác. Vận tốc tuyệt đối C2 khi dòng chảy ra khỏi bánh công tác lần thứ nhất (tại điểm B) đ−ợc xác định theo W2, β2 và u2. Vận tốc theo khi ra khỏi bánh công tác lần thứ nhất là u2. α2 là góc giữa véc tơ vận tốc C 2' và u2' Sau lần tác dụng thứ nhất BCT nhận đ−ợc khoảng 70 - 80% năng l−ợng của dòng chảy. Giả thiết rằng, sau khi ra khỏi cánh ở lần va đạp thứ nhất tại điểm B, dòng tia đi vào lá cánh lần thứ 2 tại điểm C. Cung CD là biên dạng cánh mà dòng tia tác dụng lên bánh công tác lần thứ 2. Giả thiết không có sự thay đổi vận tốc tuyệt đối C2 thì: C2 = C3 Dòng chảy đi từ C đến D và đi ra khỏi bánh công tác có thể xác định đ−ợc. Do đó: α1 = α3 β2 = β3 β1 = β4 Tuy nhiên, thực tế không phải hoàn toàn dòng tia chảy theo đ−ờng đi này, bởi vì có một số phần tử chất lỏng có xu h−ớng cắt ngang qua bánh xe công tác. NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 30 Hình 16. Sự giao nhau của các dòng tia khi chảy qua bánh công tác Khi đó, các góc lệch θ và θ1 sẽ đạt giá trị lớn nhất ở mép ngoài của dòng chảy. 3.1.3. Lý thuyết cơ bản của tua bin XK2L Hình 17: Sơ đồ dòng chảy trên BCTcủa tua bin XK2L NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 31 Nh− đã trình bày ở trên, khi ra khỏi vòi phun, dòng chảy đi vào cạnh ngoài của BCT trên toàn bộ cung cửa vào với góc ở tâm là δB. Kết thúc lần va đập thứ nhất, dòng chảy ra cánh qua các cạnh trong của chúng và cắt qua khoảng không gian bên trong BCT và đi vào csc lá cánh lần thứ 2. Để dòng chảy đi vào BCT d−ới một góc làm với vận tốc quay nh− nhau ở toàn bộ cung vào, vách của vòi phun phải có biên dạng cong với bán kính cong giống nhau trên cùng một ph−ơng song song với trục tua bin (sẽ đề cập kỹ ở các phần sau). Để cho dòng chảy vào BCT d−ới một góc nh− nhau so với vận tốc vòng trên toàn bộ chiều dài cung cửa vào, phía ngoài của vòi phun phải có biên dạng cong. Ph−ơng trình cơ bản tua bin: ηgH = Cu (Cu1r1 - Cu4r4) (3-2) hay nếu tính đến hai lần chảy qua cánh BCT, có thể viết: ηgH = Cu (Cu1r1 - Cu2r2 + Cu3r3 - Cu4r4) (3-3) ở đây: Cu1 = C1 cosα1 (3-4) Cu2 = C2 cosα2 (3-5) Cu3 = C3 cosα3 (3-6) Cu4 = C4 cosα4 (3-7) Từ các tam giác vận tốc trên Hình 2-2, ta có: r3 = r2 ; r4 = r1 ; C3 = C2 ; α3 = α2 (3-8) Do đó: ηgH = U1 (C1 cosα1 - C4 cosα4) (3-9) Thông th−ờng, ta coi h−ớng của các vận tốc t−ơng đối tại cửa vào và cửa ra trùng với h−ớng của các đ−ờng tiếp tuyến với mặt trong của cánh đi qua các cạnh. Khi đó, từ cấu tạo hình học của BCT ta thấy: β4 = 180o - β1 β3 = 180o - β2 (3-9)a NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 32 Từ sự bằng nhau của các tam giác vận tốc với chỉ số 2 và 3, và kể tới điều kiện (3.8) ta có: W3 = W2 ; β2 = β3 (3-10) Từ đó: β4 = 180o - β2 = β2 = 90o (3-11) Bỏ qua tổn thất do ma sát ta có: W1 = W2 ; W3 = W4 (3-12) và do đó: W1 = W4 (3-13) Từ tam giác tốc độ cửa vào ta có: C1 cosα1 = U1 + W1 cosβ1 (3-14) Từ tam giác tốc độ cửa ra, tính tới điều kiện (3-9)a và (3-13) ta có: C4 cosα4 = U1 + W4 cosβ4 = U1 - W1cosβ1 (3-15) Thay (3.14) và (3.15) vào ph−ơng trình (3.9) ta có: ηgH = 2 U1W1cosβ1 (3-16) Và nếu bỏ qua tổn thất, C1 = 2gH (3-17) η = 4 1 1 1 1 2 U W C cosβ (3-18) Từ tam giác vận tốc vào ta có: u c o 1 1 1 1 1180 = = −−Ψ sin( ) sin( ) β α β (3-19) và W c o 1 1 1 1180 = − sin sin( ) α β (3-20) Ngoài ra ta có: sin (180o - β1) = sin β1 cos (180o - β1) = - cos β1 Thay vào (2-18) ta có: NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 33 η = 4 1 1 1 12 1 sin( ) sin cos sin β α α β β − (3-21) Nh− vậy hiệu suất thủy lực của tua bin xung kích hai lần là hàm của hai góc α1 và β1 bởi vì trong tr−ờng hợp này góc của vận tốc t−ơng đối tại cửa vào và cửa ra quan hệ đơn trị với nhau bởi điều kiện (3-9)a. Để tìm giá trị α1 và β1 có lợi nhất, ta lấy đạo hàm ph−ơng trình (3-18) lần l−ợt theo α1 rồi sau đó theo β1 và cho bằng 0, ta có: Lấy đạo hàm riêng theo α1 ta có: ∂η ∂α β β tl 1 1 2 2 4= cos sin [sinα1 (-sinβ1 sinα1 - cosα1 cosβ1) + cosα1 (sinβ1 cosα1 - sinα1cosβ1)] = 4 12 2 cos sin β β [sinβ1 (cos2α1 - sin2α1) - 2cosβ1cosα1sinα1] = 0 Muốn cho đạo hàm ∂η ∂α tl 1 = 0 thì sinβ1 (cos2α1 - sin2α1) - 2cosβ1 cosα1sinα1 = 0 ; tức là: tgβ1 = sincos cos sin cos sin sin cos β β α α α α α α 1 1 1 1 2 1 2 1 1 1 2 2 2 = − = = tg2α1; hay: α1ln = β 12 (3-22) Thế trị số α1ln có đ−ợc ở (2-22) vào (2-18) ta có: ηtlmax = 4 2 21 1 1 1 2 1 sin( ) sin cos sin β β β β β − ηtlmax = 4 2 1 2 1 1 1 2 1 1 2 1 1 1 1 1 sin cos ( cos ) cos ( cos ) ( cos )( cos ) β β β β β β β− = − + − NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 34 ηtlmax = 21 1 1 cos cos β β+ (3-23) Bây giờ tiếp tục lấy đạo hàm làm riêng ph−ơng trình (3-23) theo β1 và cho bằng không. ∂η ∂β β β β β β β β tl max sin ( cos ) cos sin ( cos ) sin ( cos )1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 1 2 1 2 1 = − + ++ = − + = 0 tức là β1ln = 0 (3-24) Nh− vậy hiệu suất lớn nhất của tua bin có thể đạt đ−ợc khi: α1 = 0 ; β1 = 0 ; (3-25) β4 = 180o Điều kiện: W1 = U1 Khi đó từ (3-9)a, (3-19) và (3-22) ta có: ψt− = 12 1cosα (3-26) Ut− = C1 12 cosα (3-27) T−ơng tự, từ tam giác tốc độ tại cửa vào ta có: α4 = β β4 12 180 2 = − o (3-28) Giáo s− B.E. Glezerov đề nghị β1 = 30o nên: theo ph−ơng trình (3-23): ηmax = 0,928, theo điều kiện (3-22): α4 = 15o và theo ph−ơng trình (3-25) U1 = 0,518 C1. NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 35 Biểu thức để xác định hiệu suất t−ơng ứng với công thức (2-21) có thể viết d−ới dạng: η = 4ψcosβ1 1 22 1+ −Ψ ψ αcos (3-29) Tuy nhiên, cần l−u ý rằng tua bin xung kích hai lần thực chất là tua bin xung kích khi làm việc với số vòng quay không v−ợt quá số vòng quay tối −u. Khi l−u l−ợng tăng, vận tốc lớn, dòng chảy không áp giữa các lá cánh chuyển thành dòng có áp và tua bin bắt đầu làm việc nh− một tua bin phản kích. Đây là một cơ sở để nghiên cứu các chế độ làm việc của tua bin XK2L nhằm mở rộng và nâng cao hiệu suất tua bin XK2L. 3.2. Mở rộng nghiên cứu lý thuyết cơ bản tua bin XK2L 3.2.1. Mở rộng lý thuyết tua bin XK2L Từ ph−ơng trình (3-9) ta có thể viết công thức tính công suất trên trục ra của tua bin nh− sau )coscos( 43111 ααγγ CCug QQHNra −== (3-30) Do có sự chèn dòng và giao nhau của các dòng tia khi chảy qua BCT (Hình 17), nên từ tam giác vận tốc ta có: 44444 11111 coscos coscos βα βα WuC WuC += += (3-31) Giả thiết rằng h−ớng của vận tốc t−ơng đối ở cửa vào và cửa ra cùng h−ớng với h−ớng của tiếp tuyến với một cánh phía trong, ta có điều kiện sau: 3 0 2 1 0 4 180 180 ββ ββ −= −= Hình 18. Tam giác vận tốc. Với điều kiện: 023232 90; =⇒== βββww Vậy ta có: 11144 coscos βα WuC += (3-32) α2 α1 ββ α2 NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 36 Bỏ qua sự gia tăng vận tốc do cột n−ớc H2 ta có: 14 WW ψ= (3-33) Từ tam giác vận tốc (hình 17) ta có: 1 111 1 cos cos β α uCW −= (3-34) Thay các giá trị C2cosα2,W2, W1 từ các ph−ơng trình (3-32), (3-33), (3-44) vào (3-31) ta có: ) cos cos.1).(cos( )cos cos cos.cos( )coscos( 1 11 1111 4 1 111 1111 441111 β αψψαγ ββ αψαγ βαγ uuCu g Q uCuCu g Q WuCu g QNra −+−= −+−= =+−= (3-35) Công suất vào lý thuyết tính đối với cột n−ớc H1 (tại điểm A): )( 2 2 2 1 HP K CQ g QHNvao γγ == (3-36) Từ (3-35) và (3-36) hiệu suất đ−ợc tính: 2 2 1 1 11 1111 2 cos cos.1).cos( %100. K QC uuCu g Q N N vao ra γ β αψψαγ η ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −+− = == (3-37) Khi β1= β4 thì: )1(cos 2 1 1 1 1 1 2 ψαη +⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −= C u C uK (3-38) Xét tất cả các biến số khi η và 1 1 C u không đổi Lấy vi phân ph−ơng trình (3-37) và cho bằng 0 ta có: NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 37 2 cos 1 1 1 α= C u (3-39) lúc này hiệu suất là lớn nhất: 1 22 max cos)1(2 1 αψη += K (3-40) Cần chú ý rằng (hình 18,19) h−ớng của C4 khi u1 = 1/2C1cosα1 không xuyên tâm. Dòng chảy sẽ xuyên tâm khi: 111 cos1 αψ C Ku += (3-41) Điều này có đ−ợc khi K và ψ bằng nhau, có nghĩa là không có tổn thất cột áp ở vòi phun và trên các lá cánh BCT. Để nhận đ−ợc hiệu suất cao thì góc α1 càng nhỏ càng tốt, tuy nhiên α1 không thể nhỏ quá, th−ờng lấy α1 = 160; cosα1= 0,96. Nếu ở ph−ơng trình (3-40) lấy C = 0,98; ψ = 0,98 thì ηmax = 87,8% Vì hiệu suất tỷ lệ với bình ph−ơng hệ số vận tốc K của vòi phun nên cần phải chú ý tới l−u l−ợng của vòi phun để tránh tổn thất. Hình 20,19,18. B−ớc cánh. Hình 19. B−ớc cánh β 2= β1 NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 38 3.2.2. Góc đặt cánh Góc nghiêng cánh β1 có thể xác định đ−ợc từ a1, C1,u1 trong hình (18). Nếu 111 cos2 1 αCu = (3-42) thì tgβ1 = 2tgα1 Giả thiết α1= 160 thì β1=29050’ ≈ 300 Theo hình 3-6, góc β4 có thể xác định nh− sau: Vẽ hai tam giác bên trong cánh bằng cách dịch mép ra lá cánh thứ nhất và mép vào lá cánh thứ hai trùng vào 1 điểm (điểm C ≡ B), các tiếp tuyến trùng khớp nhau. Giả thiết rằng vân tốc tuyệt đối bên trong tại cửa ra (B) và cửa vào (C) bằng nhau và vì α2 = α3 nên các tam giác vận tốc sẽ đồng dạng và W2 , W3 sẽ cùng h−ớng. Giả thiết không có tổn thất đột ngột tại mép vào (ở điểm C) thì β2 = 900, thì mép trong của cánh phải h−ớng tâm. Xét tới sự khác nhau về cao trình giữa điểm B và C, C3 có thể khác C2 nếu không có sự tổn thất giữa các điểm này. C3 = [2gH2 + (C2) 2]1/2 (3-43) Giả thiết β2 = 900 (hình 3-2) C3 sẽ không trùng nhau với đ−ờng tiếp tuyến mép vào thứ hai của cánh, có nghĩa là chảy vào có sự va đập và gây tổn thất. Nhằm tránh điều này, β2 phải >900. Tuy vậy sự khác nhau giữa C2 và C3 là rất nhỏ do vậy β4 có thể lấy bằng 900 Hình 20: Các tam giác vận tốc khi điểm B trùng C. α1 β1 α3 β3 α2β2 NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 39 Hình 21: Tam giác vận tốc. 3.2.3. Bề rộng đĩa cánh và góc ở tâm đĩa cánh. Bỏ qua chiều dày lá cánh, chiều dày S1 (Hình 19) tính theo b−ớc cánh: S1 = t.sinβ1 (3-44) Giả thiết β2 = 900. Khoảng cách giữa các lá cánh ở cửa ra là S2. S2 = t(r2/r1) (3-45) Bề rộng a sẽ có giới hạn nhất định. - Nếu a nhỏ quá thì khả năng truyền năng l−ợng sẽ rất hạn chế vì chất lỏng từ mũi phun chảy vào sẽ không điền đầy khe hở giữa các lá cánh, bắt buộc phải giảm b−ớc cánh (t) để đảm bảo trị số (l/t) nhất định. - Nếu tăng a, thì S2 giảm do vậy a sẽ đ−ợc giới hạn bởi công thức: 2 1 12 W SWS = (3-46) - Nếu a quá lớn thì khả năng thoát bị hạn chế Để xác định bề rộng (a), cần phải biết tốc độ W2 do ảnh h−ởng của lực ly tâm: (W1) 2 - (W2) 2 = (u1) 2 - (u1) 2 (3-47) hoặc (W2) 2 = (u1) 2 - (u1) 2 + (W1) 2 (3-48) và từ (3-46); (3-45); (3-46): α 3 β3 α2β2 α3 β3 α2 β2 NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 40 1 2 1 1 2 1 12 sin βr rW S SWW =⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛= và 1 2 12 r ruu = Gọi 2 1 2 ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛= r rX Ta có ph−ơng trình 01 1 2 1 1 2 1 12 =⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛−⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛−− β u Wa u WX (3-49) Từ công thức (3-52) cho thấy, nếu vận tốc của BCT ở chế độ tối −u tức là: 111 cos2 1 αCu = thì 11 1 cos 1 β=u W (3-50) và giả thiết α1 = 600; β1= 300 thì 15,1 866,0 1 1 1 == u W Và ta có: 332.01 2 1 1 −=⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛− u W và 4 1sin 1 2 =β Khi đó ph−ơng trình (3-49) sẽ thành: X2 + 0,33X - 0.322 = 0 Giải ra ta đ−ợc X = 0,435 Có 66,0 1 22/1 == r rX mà 2r1 = D1 , do đó: a = 0,17 D1 (3-51) Trong đó: a- Chiều rộng đĩa cánh theo h−ớng kính của BCT D1- Đ−ờng kính BCT. Giá trị này của bề rộng đĩa cánh (a) đ−ợc xác định từ điểm cắt nhau của hai đ−ờng cong nh− hình (20) NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 41 Từ công thức (3-59) ta có: )(W )(u - )(u r r )(W 21 2 1 2 1 2 1 22 2 +⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛= và sin r r W 1 1 2 12 β⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛=W (3-52) Góc ở tâm BOC (hình 20) có thể xác định theo ph−ơng trình (3-58) và: 1 2 12 1 2 1 1 1 1 2 785,0 2 1]133,1)66,0[( 66,0 866,0cos 2 uuW r r uuW BOC =−+= = == = β α (3-53) 326,1 66,0 785,0 11 2 2 2 === uuu Wtgα (3-54) Ta đ−ợc α2 = 530, do đó góc ở tâm BOC = 1060 Chiều dầy của tia (y) ở bên trong BCT có thể đ−ợc tính toán từ ph−ơng trình liên tục của dòng chảy (3-34). C1.S0 = C2.y (3-55) ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛=⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛== 1 1 1 2 1 1 2 222 cos2 cos αα C r ru r ruC Do đó: 0 0 1 1 2 02 89,1 961,0 .6,0).03,3( cos.cos2 SS r rSy == =⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛= αα (3-56) NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 42 Hình 22: Đ−ờng đi của dòng tia bên trong BCT. Khoảng cách giữa mép của dòng tia bên trong khi nó đi qua BCT và trục của bánh xe là y1 (Hình 22). 22 89,1)90sin(. 0221 dSry −−−= α (3-57) vì S0 = y.D1 nên 2 )945,01986,0( 11 dDy −−= ϕ (3-58) Cũng xét t−ơng tự, ta có khoảng cách y2 giữa cạnh ngoài của dòng tia và mép bên trong cánh có thể xác định: 12 )945,01314,0( Dy ϕ−= (3-59) Đa số tr−ờng hợp ϕ = 0,075 ữ 0,1 thì 11 11 )369,00606,0( )104,028,0( 2 Dy Ddy ữ= ữ=+ 3.2.4. Đ−ờng kính bánh xe và trục BCT Vận tốc vòng u xác định theo công thức: β2=90 0 α1 α3 β3=900 α2 NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 43 6011 nDu π= (3-60) π α πα πα n gHK D nDgHK nDC 1 1 11 111 cos230 60 cos2 2 1 60 cos 2 1 = = = (3-61) với α1 = 160; K = 0,98 n HD 8,391 = (3-62) Từ (3-62) và (3-64) ta có D2 = 0,66D1 (3-63) Nhận xét: Khi S0 lớn thì tổn thất gây ra bởi sự chảy vào và chảy ra khỏi BCT sẽ nhỏ. Tuy vậy, nếu S0 lớn sẽ bất lợi ở chỗ góc phun ở các dòng ngoài sẽ thay đổi đáng kể so với α1 = 160. Vì thế nó sẽ gây ra tổn thất va đập tại mép vào cánh. 3.2.5. Mở rộng lý thuyết dòng chảy tuyệt đối qua tua bin XK2L. Dựa trên các tam giác vận tốc và các công thức đã trình bày ở trên, dòng chảy qua BCT có thể chỉ ra đ−ợc. Tuy nhiên, trong mục này sẽ chứng minh một cách chi tiết dòng tuyệt đối qua BCT ở lần va đập thứ nhất và coi đây là cơ sở cho các tính toán nghiên cứu sau này. Trong thời gian cần thiết để một dòng tia chuyển động dọc theo lá cánh từ mép vào đến mép ra thì BCT quay. Để xác định chính xác điểm ra của dòng tia, cần phải tính toán chính xác góc quay của BCT trong thời gian dòng tâm đi qua BCT ở giai đoạn thứ nhất. Hay nói cách khác ta phải xác định đ−ợc các tam giác vận tốc trung bình giữa điểm vào và ra của lá cánh BCT. Ta có gHkC 21 = (3-64) Để thuận tiện cho việc tính toán và không mất tổng quát ta lấy: C1 = 1 (3-65) NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 44 Sở dĩ ta có thể lấy nh− vậy vì đối với các thông số H khác nhau, và đối với những tua bin có đ−ờng kính khác nhau thì các tam giác vận tốc của chúng vẫn đồng dạng trong qúa trình tính toán. Do vậy, các thông số chỉ khác nhau hệ số m. Khi đó giá trị thực của các thông số sẽ là m.C1. Ta có α1 = 160 Từ (3-62) ta có: u1tối −u= 48063,02 cos 11 =αC (3-66) Từ (3-45) ta có: 1 111 1 cos cos β α uCW −= W1tối−u= 1 11 11 1 11 cos 2 coscos cos cos β αα β α CCuC toiuu − =− hay W1tối−u= 1 1 1 11 coscos 2 cos ββ α toiuuu C = (3-67) W1 tối −u = 0,55498 (3-68) Gọi bán kính ngoài BCT là: R1 Gọi bán kính trong BCT là: R2 Gọi bán kính bất kỳ BCT là: Ri Do vậy vận tốc vào tại mép ra bán kính R2 là u2, vận tốc tại điểm gữa điểm vào và ra là ui Thành phần vận tốc t−ơng đối tại điểm bất kỳ i đ−ợc xác định bằng công thức: 22 1 2 1 ii uuWW +−= (3-69) đặt KuW =− 2121 (3-70) 2 ii uKW += (3-71) Thay u1 = 0,48063;W1 = 0,55498 vào (3-80) ta đ−ợc K = 0,077 (3-72) NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 45 Góc vận tốc t−ơng đối βi tại điểm bất kỳ giữa bán kính trong và bán kính ngoài đ−ợc xác định nh− sau: 2 2 11.sinsin i i u uββ = (3-73) Đặt λβ =211.sin u (3-74) 2sin i i u λβ = (3-75) Với u1 = 0,48063; β1=300 ta có λ = 0,1155 (3-76) Thành phần vận tốc tuyệt đối h−ớng tâm Cmi tại điểm i bất kỳ là: Cmi = W1.sinβ1 (3-77) hay 2 2 i i mi u uk C += λ (3-78) Vận tốc tuyệt đối trung bình h−ớng tâm miC từ điểm vào đến điểm thứ i là: i u u i i i mi du u uk uu C i ∫ +−= 1 2 2 1 1 λ (3-79) Góc quay BCT trong thời gian một dòng tia dịch chuyển từ bán kính ngoài đến một điểm bất kỳ thứ i ở giữa bán kính ngoài và bán kính trong của BCT là: πγ 2. 3601 01 101 mi i C u R R ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛− = (3-80) NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 46 Hình 23. Đ−ờng đi của phần tử chất lỏng qua BCT. Việc tính thành phần vận tốc tuyệt đối trung bình của phần tử chất lỏng theo ph−ơng lớn nhất Cmi đòi hỏi phải dùng ph−ơng pháp tích phân đại số. Do vậy để thuận tiện khi tính toán, ta sử dụng công thức Simpson. ∫ ++++++++−= −−b a bnna yyyyyyyyn abydx )42...2424( 3 124321 (3-81) Trong đó : a = ui ; b = u1; ya = Cmi; yb = Cm1. Nh− vậy để xác định đ−ợc đ−ờng đi của phần tử chất lỏng qua BCT, ta có thể chia lá cánh thành nhiều phần tử nhỏ, sử dụng phần lý luận và các công thức tính toán từ (3-74) đến (3-91) ta có thể vẽ đ−ợc đ−ờng đi của tia n−ớc trong BCT và xác định đ−ợc thành phần vận tốc trung bình theo ph−ơng lớn nhất tại các điểm chia. Số điểm chia càng nhiều thì càng chính xác. Kết luận: Trong ch−ơng này đã trình bày tổng quan về lý thuyết cơ bản của tua bin XK2L, phân tích các ảnh h−ởng của các thông số và kết cấu chính tới hiệu suất của tua bin XK2L trên cơ sở phân tích chuyển động của dòng chất lỏng qua 2 quá trình va đập với BCT. Đây cũng là cơ sở để lựa chọn, tính toán và thiết kế các bộ phận chính của tua bin XK2L nh− BCT, vòi phun và cơ cấu điều chỉnh l−u l−ợng nhằm tối −u hoá các thông số thiết kế cho loại tua bin này. γγγ β1 α1 βi2 βi1 αi 1 β NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 47 Ch−ơng IV. Nghiên cứu thực nghiệm tuabin XK2L kiểu CINK Nh− đã trình bày ở các phần trên, lý thuyết cơ bản tua bin XK2L với kết cấu truyền thống đã đ−ợc các nhà khoa học nghiên cứu t−ơng đối kỹ. Nói chung, các kết quả nghiên cứu về động lực học của tua bin XK2L đều hoàn toàn đúng với tua bin XK2L kiểu CINK. Tuy nhiên, với kết cấu cánh h−ớng cung tròn kiểu CINK thì hiện nay ch−a có báo cáo nghiên cứu nào sâu đề cập về giải chính xác bài toán động lực học bằng lý thuyết. Do vậy, chúng tôi đã sử dụng ph−ơng pháp nghiên cứu thực nghiệm mô hình để nghiên cứu loại tua bin này. Trong đó, việc nghiên cứu đặc tính của các tua bin nguyên mẫu đ−ợc thay thế bằng việc nghiên cứu đặc tính t−ơng tự trên mô hình. Các nghiên cứu năng l−ợng mô hình đi đến xác định hiệu suất tua bin phụ thuộc vào chế độ làm việc của nó với kết cấu của cơ cấu điều chỉnh l−u l−ợng cung tròn. Dựa vào các kết quả thực nghiệm trên mô hình để kết luận đặc tính của tua bin nguyên mẫu. Để đạt đ−ợc điều đó, khi tiến hành thí nghiệm mô hình cần phải tuân theo các tiêu chuẩn t−ơng tự. 4.1. H−ớng nghiên cứu Tua bin XK2L kiểu CINK Các yếu tố ảnh h−ởng tới hiệu suất của tua bin XK2L bao gồm : biên dạng vòi phun và kết cấu điều chỉnh l−u l−ợng (phần h−ớng dòng), bánh công tác, số l−ợng lá cánh, bề rộng bánh công tác. Các nghiên cứu ảnh h−ởng của các thông số này đã đ−ợc nhiều cơ quan và nhà khoa học nghiên cứu quốc tế thực hiện và b−ớc đầu cũng đã d−a ra các kết luận về ảnh h−ởng của từng thông số tới hiệu suất tua bin XK2L. Tuy nhiên, các nghiên cứu về tua bin XK2L kiểu CINK còn rất hạn chế, mặt khác tua bin XK2L kiểu CINK chỉ khác với tua bin XK2L truyền thống ở kết cấu điều chỉnh l−u l−ợng và sử dụng ống hút, do vậy trong nghiên cứu thực nghiệm sẽ tập trung vào nghiên cứu ảnh h−ởng của vòi phun và cơ cấu điều chỉnh l−u l−ợng và ảnh h−ởng của ống hút tới hiệu suất của loại tua bin này. 4.1.1 Vòi phun và cơ cấu điều chỉnh l−u l−ợng N−ớc từ ống áp lực qua đoạn chuyển tiếp từ mặt cắt tròn sang mặt cắt chữ nhật vào mũi phun. Vòi phun có tác dụng h−ớng dòng chảy theo ph−ơng có lợi để thu đ−ợc hiệu suất cao, đồng thời có tác dụng thu hẹp dần dòng chảy để chuyển toàn bộ năng l−ợng sang dạng động năng truyền cho BCT. NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 48 Hình 22: Các kiểu vòi phun và cơ cấu điều chỉnh l−u l−ợng truyền thống. Đối với vòi phun đơn (Hình 22-a,b), việc điều chỉnh l−u l−ợng là nhờ quay hoặc tịnh tiến một tấm phẳng, chiều dày tia n−ớc chỉ là h. Còn đối với tua bin vòi phun kép (Hình 22-c), việc điều chỉnh l−u l−ợng thực hiện nhờ đIều chỉnh cánh h−ớng (2), do đó chiều dày tia n−ớc của tua bin nhờ đó tăng hay giảm, đồng nghĩa với số vòng quay BCT tăng hay giảm khi các thông số ban đầu H và Q là không đổi. Điều này rất quan trọng đối với tua bin nhỏ, mở rộng phạm vi tua bin này với cột áp thấp và l−u l−ợng lớn so với tua bin vòi phun đơn. Mặt khác khắc phục đ−ợc nh−ợc điểm của tua bin Banki là số vòng quay thấp. Hình 23 cho thấy dòng lý t−ởng vào BCT, ở đó các đ−ờng dòng có vận tốc và góc vào lý t−ởng ở tại bất kỳ điểm nào. Do vậy điều kiện để dòng không gây tổn thất là mômen vận tốc bằng hằng số. Cu.r = const (4.1) Hình 23: Góc không đổi của đ−ờng cong biên dạng vòi phun. φ α NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 49 Giả thiết rằng các điều kiện này thoả mãn thì tất cả các đ−ờng dòng vào BCT có bán kính R1 có vận tốc vào bằng nhau Cu0. Nếu ta giả thiết thêm là toàn bộ năng l−ợng đều chuyển thành động năng tại cửa vào BCT thì vận tốc tuyệt đối C0 t−ơng ứng với dòng phun tự do, khi đó Co t−ơng ứng với gH2 . Nếu Cu và C có giá trị không đổi dọc cửa vào thì góc vào tối −u α0 cũng không thay đổi. Vì vậy, biên dạng của vòi phun và cánh h−ớng phải đ−ợc thiết kế sao cho chúng phải đ−ợc tạo thành một góc không đổi giữa tiếp tuyến tại một điểm trên biên dạng của chúng và bán kính véc tơ của nó nối với điểm gốc của biên dạng vòi phun và cánh h−ớng. Nh− vậy, điều kiện để dòng vào đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất là: - Vận tốc vào gHc 20 ϕ= - Góc vào α0 = 160 - Biên dạng vòi phun kiểu thân khai. Biên dạng thân khai của vòi phun và cánh h−ớng n−ớc đ−ợc xây dựng từ vòng tròn cơ sở có bán kính: 2 sin. 11 0 αDR = (4-2) Với α1 = 160 Ta sử dụng các công thức sau để tính toán và xây dựng đ−ờng cong này: x x RR αcos 0= (4-3) 000 180 xxx tg ααπθ −= (4-4) 0 1 00 θθδ −= xx (4-5) 747418001 −⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛= tgπθ (4-6) NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 50 Hình 24: Xây dựng biên dạng vòi phun thân khai. Dựa vào các thông số tính toán và hình vẽ ta xây dựng đ−ợc đ−ờng cong thân khai cho cánh h−ớng và vòi phun, ph−ơng pháp này ít đ−ợc dùng vì phức tạp, tốn nhiều thời gian khi gia công. - Biên dạng vòi phun một cung tròn Để đơn giản trong công nghệ chế tạo, ph−ơng pháp xây dựng biên dạng vòi phun một cung tròn th−ờng đ−ợc sử dụng.. Cách xây dựng nh− hình 25. Cánh h−ớng n−ớc chia góc bao của vòi phun bằng 1200 thành hai phần sao cho: a1 + a2 = 0,25D1 a1 ≈ a2 (4-7) 1800−θox δ θ 1 x δx δΒ α=150 α1α1 ρ0 NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 51 Hình 25: Xây dựng biên dạng mũi phun một cung tròn. Ta vẽ vòng tròn đ−ờng kính D1, lấy góc β1= 450; β2 = 200 so với ph−ơng thẳng đứng, từ điểm B lấy BI = a1 = 0,125D1, kẻ đ−ờng thẳng theo ph−ơng ngang qua I (Iz), từ A lấy β3 = 150 đ−ợc ta Ax, qua A kẻ Ay vuông góc với Ax, cung tròn phải dựng di qua I, A tiếp xúc với Iz, Ay. Ta kẻ phân giác (Ct) của góc ACI, phân giác này cắt Ax tại đâu, đó chính là tâm cung tròn phải dựng. Từ tâm này kẻ cung tròn qua A hoặc I ta đ−ợc biên dạng mũi phun (bán kính R0), biên dạng l−ỡi gà cũng chính là đ−ờng cong này. 4.1.2. So sánh kết cấu cánh h−ớng của tua bin XK2L kiểu Ossberger và tua bin XK2L kiểu CINK Nhìn vào kết cấu điều chỉnh l−u l−ợng kiểu Ossberger và công thức (4.1) có thể thấy rằng, giá trị Cu.r chỉ là hằng số ở chế độ thiết kế. Khi đó, dòng từ vòi phun vào BCT sẽ luôn đạt giá trị góc vào α0 = 160 , không xảy ra va đập và hiệu suất đạt giá trị tối −u. NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 52 Nh−ng chế độ này sẽ bị phá vỡ khi chế độ làm việc của tua bin thay đổi, tức là khi điều chỉnh thay đổi vị trí cánh h−ớng. Khi đó, góc vào cánh sẽ thay đổi, gây nên hiện t−ợng chèn dòng, chế độ tối −u bị phá vỡ, làm giảm hiệu suất tua bin. Hình26: Cánh h−ớng dòng kiểu Ossberger Hình 27. Kết cấu cánh h−ớng dòng kiểu CINK Để khắc phục nh−ợc điểm này, hãng CINK đã đ−a ra kết cấu kiểu cung tròn. Kết cấu này luôn bảo đảm cho dòng vào cánh tua bin với góc vào αo = 16o không đổi ở mọi chế độ làm việc của tua bin. Do vậy, hiệu suất tối −u của tua bin luôn đ−ợc duy trì ở các chế độ làm việc khác nhau. Trên đồ thị mà hãng CINK đ−a ra có thẻ thấy rõ ràng chế độ làm việc của tua bin XK2L kiểu CINK ổn định hơn, hiệu suất cao hơn . 4.1.3 Bánh xe công tác (i) Biên dạng lá cánh. Một trong những thông số quan trọng có ảnh h−ởng lớn đến sự làm việc của tua bin là biên dạng lá cánh của BCT. Đến nay, các nhà nghiên cứu đã đ−a ra ba kiểu biên dạng lá cánh: - Biên dạng hình thân khai Theo các tài liệu nghiên cứu của Liên xô (cũ), của Trung quốc, Nhật, Mỹ ... thì lá cánh có biên dạng biên dạng thân khai cho hiệu suất cao hơn cả. Ph−ơng pháp xây dựng biên dạng này bằng cách cho vòng tròn có bán kính r = 0,233D1 lăn không tr−ợt tại một điểm trên đĩa cánh (Hình 28). NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 53 Hình 28: Ph−ơng pháp thiết kế biên dạng cánh thân khai. - Biên dạng cánh hai cung tròn Theo ph−ơng pháp trên, công tác thiết kế và gia công chế tạo th−ờng không thuận lợi. Để đơn giản hơn, ng−ời ta đã đ−a ra ra ph−ơng pháp xây dựng biên dạng lá cánh từ 2 cung tròn. Ph−ơng pháp này đ−ợc mô tả trên hình 3-11 D’ = 0,684D1 D’’ = 0,586D1 (4-8) R = 0,236D1 r = 0,087D1 Hình 29: Ph−ơng pháp xây dựng biên dạng lá cánh hai cung tròn. β2 β1 ρ ρ' NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 54 Thực nghiệm cho thấy, biên dạng lá cánh hai cung tròn gần trùng với đ−ờng thân khai, nh−ng dễ chế tạo hơn. - Biên dạng lá cánh một cung tròn Theo các tài liệu nghiên cứu và thực nghiệm thì hiệu suất của tua bin sử dụng BCT một bán kính sẽ nhỏ hơn khoảng 5 ữ 6% so với tua bin biên dạng lá cánh hai bán kính. Nh−ng với biên dạng một bán kính công nghệ chế tạo sẽ đơn giản hơn nhiều. Giả thiết rằng các thông số của dòng chảy đ−ợc lựa chọn trên các điều kiện thuỷ lực và tam giác vận tốc yêu cầu. Với các thông số đã biết: R1 - bán kính vòng tròn đi qua các mép ngoài của các lá cánh; R2 - bán kính vòng tròn đi qua các mép trong của các lá cánh; β1 - góc ngoài của cánh (theo tài liệu đã tính toán góc β1 = 300 là tốt nhất). β2 - góc trong của cánh (β2= 900); rb - bán kính cong của cánh; rp - bán kính đ−ờng tròn đi qua tâm cung tròn cánh; δ - góc cắt của cánh. Để biểu diễn quan hệ hình học giữa các thông số R1; R2; β1; β2 và rb; rp ta đ−a vào các công thức sau: )cos(2 2121 2 2 2 1 ββ +−+= RRRRc (4-9) ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ += c R )sin(arcsin 212 ββε (4-10) )(180 21 0 εββξ ++−= (4-11) )2180()( 021 ξββφ −−+= (4-12) )180sin(2 sin 0 1 ξ φ −= Rd (4-13) )(2180 1 0 εβδ +−= (4-14) NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 55 )cos( 1 εβ += drb (4-15) 11 2 1 2 cos2 βRrRrr bbp −+= (4-16) Hình30: Ph−ơng pháp xây dựng biên dạng lá cánh một cung tròn. Trên hình 30 mô tả ph−ơng pháp đồ giải để xác định các kích th−ớc hình học của BCT, ph−ơng pháp nh− sau: Từ tâm BCT vẽ góc (β1 + β2) sao cho hai cạnh của góc cắt vòng tròn ngoài (R1) tại A và vòng tròn trong (R2) tại C, đ−ờng nối hai điểm A, C biểu thị vận tốc c. Đ−ờng AC cắt đ−ờng tròn bán kính R2 tại B, đoạn AB = 2d. Từ điểm giữa AB kẻ đ−ờng vuông góc với AB. Tâm của cung tròn cánh sẽ đ−ợc xác định trên đ−ờng này. Từ A vẽ AQ tạo thành góc β1 với OA, giao điểm O’ chính là tâm của cung tròn cánh. Nối O’B, góc BO’A = δ nối BO, AO ta có góc AOB = φ. Nh− đã phân tích ở các phần trên, việc nghiên cứu ảnh h−ởng của các thông số tới hiệu suất tua bin XK2L về cơ bản đã đ−ợc nghiên cứu t−ơng đói hoàn chỉnh. Do vậy trong nghiên cứu mô hình tua bin XK2L kiểu CINK, BCT cũng đ−ợc tính toán và thiết kế nh− của tua bin XK2L. ξ εβ 1 φ β 2 ξ δ β1 NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 56 4.1.4. ống hút Các quan niệm và các lý thuyết tr−ớc đây đều coi tua bin XK2L là loại tua bin xung kích, chủ yếu sử dụng động năng của dòng chất lỏng. Do vậy, các nghiên cứu để nâng cao hiệu suất của tua bin mới chỉ tập trung vào việc thay đổi các kích th−ớc và kết cấu của tua bin XK2L mà ch−a quan tâm đến việc nghiên cứu sử dụng ống hút nh− là một giải pháp để sử dụng cột n−ớc sau bánh xe công tác nhằm nâng cao hiệu suất của tua bin. Tuy nhiên, những kết quả nghiên cứu gần đây của các giáo s− của Tr−ờng Đại học Clemson, South Carolina, Mỹ đã cho thấy một quan điểm mới về tua bin XK2L. Theo các nghiên cứu này, tua bin XK2L không hoàn toàn là tua bin xung kích. ở các chế độ làm việc khác nhau, tua bin XK2L làm việc nh− một tua bin nửa phản kích. Tuy nhiên, giả thuyết này vẫn ch− đ−ợc chứng minh bằng lý thuyết và cũng ch−a đề cập đến việc nghiên cứu sử dụng ống hút nh− đối với tua bin phản kích. Do vậy, trong đề tài này, ngoài việc nghiên cứu, thiết kế và thử nghiệm ảnh h−ởng của cơ cấu điều chỉnh l−u l−ợng kiểu cung tròn đến hiệu suất và đặc tính năng l−ợng cua tua bin kiểu CINK, chúng tôi cũng b−ớc đầu nghiên cứu và đánh giá khả năng sử dụng ống hút của loại tua bin này. 4.2. Giới thiêu ch−ơng trình tính toán tua bin XK2L Để thuận lợi cho quá trình tính toán và thiết kế tua bin XK2L và XK2L kiểu CINK, chúng tôi xây dựng đã xây dựng Ch−ơng trình tính toán Tua bin XK2L. Ch−ơng trình này có thể trợ giúp ng−ời thiết kế tính toán và thiết kế các bộ phận quan trọng nhất trong tua bin XK2L là biên dạng vòi phun và biên dạng lá cánh của bánh công tác. đồng thời xác định các thông số cơ bản khác của tua bin. Ch−ơng trình tính toán tua bin xung kích 2 lần là một phần mềm ứng dụng, đ−ợc phát triển tiếp từ phần mềm viết cho đề tài . Ch−ơng trình đ−ợc viết bằng phần mềm VISUAL BASIC 4.0, chạy trên nền WINDOWS3.xx và WINDOWS9x. Giao diện t−ơng đối dễ dàng cho ng−ời sử dụng. Tuy nhiên, đây ch−a phải là phần mềm th−ơng mại nên ch−a có tính năng hỗ trợ cao cho ng−ời dùng (VD: Không có phần HELP…), vì vậy đòi hỏi ng−ời sử dụng phải có kiến thức nhất định về chuyên môn. Về chuyên môn, ch−ơng trình gồm có hai phần chính: NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 57 - Phần tính toán các thông số chính của tua bin nh− : D1, B, n. Phần này chỉ hiển thị trân màn hình. Tuy nhiên, nếu chọn phần tính toán thứ hai, các thông số trên sẽ đ−ợc ghi ra file kết quả hoặc in trực tiếp ra máy in. - Phần tính toán biên dạng tua bin: Biên dạng cánh công tác, vòi phun và quỹ đạo tia n−ớc qua bánh xe công tác. Phần này, ng−ời sử dụng có thể lựa chọn xem trên màn hình (mặc nhiên), in trực tiếp ra máy in (nếu máy tính có nối trực tiếp với máy in), hoặc ghi kết quả ra file số liệu. Ch−ơng trình không in đ−ợc với máy in mạng; Và do ch−a thiết kế với tính th−ơng mại cao, nên nếu không có máy in, khi chọn in, WINDOWS9x có thể đ−a sang EXCHANGE. Đây là khuyết điểm mà tác giả sẽ khắc phục trong lần thiết kế sau. Khi đ−a kết quả sang AUTOCAD, ch−ơng trình tạo ra menufile, có định dạng *.MNU. Trong file này, sẽ tạo ra một MENUGROUP mới trong AUTOCAD. Nếu muốn vẽ biên dạng vòi và quỹ đạo tia n−ớc, nhất thiết phải chọn biên dạng cánh (do sử dụng lệnh APPEND trong phần vòi và quỹ đạo, nên nếu không có menufile về biên dạng cánh, ch−ơng trình sẽ báo lỗi). Sau khi chạy xong ch−ơng trình, khởi động AUTOCAD. Từ dòng lệnh của AUTOCAD, gõ MENULOAD, xuất hiện của sổ sau: Chọn BROWESE Trong mục Files of type, chọn Menu Template (*.mnu) NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 58 Sau khi chỉ ra Menufile, chọn Open, tiếp đó chọn LOAD, xác nhận YES, ta sẽ quay về cửa sổ MENULOAD. Bấm vào MYMENU chọn tab Menu Bar, chọn vị trí cho menu Xung kích xuất hiện trên màn hình, rồi bấm Insert, menu Xung kích sẽ xuất hiện trên menu của AUTOCAD. Bấm Close. ( Xem thêm các hình sau) NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 59 Về kết cấu ch−ơng trình, phần mềm gồm 01 module và 8 form giao diện, đó là: - Module1.BAS : Chứa các SUB, FUNCTION và khai báo chung. - BD_CANH.FRM : Hiện kết quả biên dạng cánh. -BD_VOI.FRM : Hiện kết quả biên dạng vòi phun. -KETQUA1.FRM : Hiện kết quả tính sơ bộ các kích th−ớc chính của tua bin. -KETQUA2.FRM : Hiện kết quả tính chính xác kích th−ớc tua bin. -NHAPLIEU.FRM : Nhập số liệu ban đầu (Q,H). -TO_ACAD.FRM : Lựa chọn kết quả sử dụng cho AUTOCAD. -XK2L.FRM : Form chính của ch−ơng trình. NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 60 4.3. Thiết kế Tua bin XK2L mô hình kiểu CINK 4.3.1 Lựa chọn kết cấu Để thuận tiên cho quá trình thực nghiệm bao gồm: Bố trí các thiết bị gây tải, thiết bị đo và trực quan chọn kết cấu tua bin mô hình sơ đồ Hình .4.4 Đây cũng là kết cấu phổ biến cho các trạm có công suất từ 10 ữ 10000 KW. 4.3.2 Lựa chọn kích th−ớc, thông số cơ sở tua bin mô hình Để phù hợp với qui mô phòng thí nghiệm và theo các tiêu chuẩn qui định về nghiên cứu thực nghiệm tua bin, chọn các thông số làm việc của tua bin mô hình nh− sau: - Cột áp làm việc: Htt=10m. - Công suất tua bin: để phù hợp với thiết bị gây tải và các thiết bị đo và vùng làm việc của tua bin, chọn N=8kW. - Tốc độ vòng quay: chọn n=430 v/ph 4.3.3 Tính toán các thông số cơ bản của tua bin mô hình Để thuận tiện cho việc tính toán thiết kế tua bin XK2L, phần mềm Tính toán tua bin XK2L đã đ−ợc xây dựng, viết bằng ngôn ngữ VISUAL BASIC chạy trên nền WINDOWS. Phần mềm này cho phép xác định các thông số thiết kế cơ bản của tua bin nh− đ−ờng kính trong và ngoài bánh công tác, biên dạng các lá cánh, bề rộng vòi phun… Các file số liệu sẽ đ−ợc sử dụng để dùng để tự động vẽ ra biên dạng lá cánh bánh xe công tác và vòi phun bằng AUTO CAD. Sau khi chạy ch−ơng trình phần mềm tính toán tua bin XK2L, với việc lựa chọn ph−ơng pháp thiết kế biên dạng vòi phun và lá cánh bánh xe công tác theo ph−ơng pháp một cung tròn, tua bin mô hình có các thông số chính nh− sau: Nhập các số liệu đầu vào: Cột áp: H=10m L−u l−ợng: Q=0.15m3/s Chạy ch−ơng trình, ta đ−ợc các thông số cơ bản của tua bin mô hình nh− sau: NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 61 - Cột n−ớc H= 10m - L−u l−ợng Q= 0.15m3/s - Công suất N=8.3 kW - Vòng quay n =430v/ph - Đ−ờng kính ngoai BCT D1=300mm (phù hợp với tiêu chuẩn qui định về thực nghiệm tua bin) - Bề rộng bánh công tác B=125mm - Góc ôm vòi phun Φ=110o 4.3.4 Thiết kế bánh xe công tác Đ−ờng kính BCT tua bin mô hình D1=300mm. Các biên dạng lá cánh đ−ợc xây dựng theo ph−ơng pháp một cung tròn. Cơ sở lý thuyết và ph−ơng pháp xây dựng biên dạng lá cánh đã đ−ợc trình bày trong phần 4.1.2. Sử dụng phần mềm Tính toán tua bin XK2L, lựa chọn phần số liệu tính toán chuyển sang Auto CAD để tự động vẽ biên dạng lá cánh. Biên dạng lá cánh đ−ợc xây dựng dựa trên toạ độ các điểm trong bảng kết quả d−ới đây. NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 62 a a Hình 31. Bánh công tác của tua bin mô hình Số lá cánh của tua bin mô hình: chọn zc = 30. 4.3.5. Vòi phun Nguyên lý tính toán và thiết kế biên dạng vòi phun đã đ−ợc trình bày trong Ch−ơng 3. Sử dụng ch−ơng trình Tính toán tua bin XK2L để xác định toạ độ các điểm cơ sở trong bảng kết quả d−ới đây để xây dựng biên dạng vòi phun. Bảng tính này cũng đ−ợc kết nối với phầnmềm AutoCAD để tự động xây dựng biên dạng vòi phun. NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 63 a a i i i - i Hình 32. Biên dạng cơ cấu cánh h−ớng n−ớc cung tròn của Tua bin mô hình Hình 33 . Biên dạng vòi phun của Tua bin mô hình NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 64 4.3.6 ống hút Theo các tài liệu nghiên cứu thực nghiệm của Trung quốc thì diện tích mặt cắt ống hút đ−ợc tính toán theo công thức: F= (Qmax/V4) + (50-100mm 2) Với V4= (0.07 V1 2)1/2 = (0.071 x 2gH)1/2 ống hút của tua bin mô hình đ−ợc tính toándựa vào các công thức trên và tham khảo thiết kế ống hút của mô hình tua bin XK2L của hãng CINK. Hình 34. ống hút của tua bin mô hình NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 65 4.4. Mô hình hoá tua bin Nghiên cứu mô hình là giai đoạn không thể thiếu đ−ợc khi nghiên cứu thiết kế và chế tạo mới một chủng loại thiết bị của máy thuỷ khí nói chung và tua bin nói riêng. Vấn đề là mô hình nh− thế nào đó để bảo đảm các hiện t−ợng vật lý trong mô hình và nguyên hình là hoàn toàn t−ơng tự. Trên cơ sở lý thuyết mô hình hoá, lý thuyết t−ơng tự chuỗi kích th−ớc và các quy luật đồng dạng, chúng ta xét ph−ơng trình động lực học của chất lỏng nhớt không nén đ−ợc d−ới dạng không thứ nguyên nh− sau: )'( Re 1 2 2 2 2 2 2 z U y U x U x PEu z UW y UV x UU t USh ∂ ∂+∂ ∂+∂ ∂+∂ ∂−=∂ ∂+∂ ∂+∂ ∂+∂ ∂ )( Re 1 2 2 2 2 2 2 z V y V x V y PEu z VW y VV x VU t VSh ∂ ∂+∂ ∂+∂ ∂+∂ ∂−=∂ ∂+∂ ∂+∂ ∂+∂ ∂ )( Re 1 2 2 2 2 2 2 z W y W x W z PEu z WW y WV x WU t WSh ∂ ∂+∂ ∂+∂ ∂+∂ ∂−=∂ ∂+∂ ∂+∂ ∂+∂ ∂ và ph−ơng trình liên tục 0=∂ ∂+∂ ∂+∂ ∂ z W y V x U trong đó các đại l−ợng không thứ nguyên Số Shtrouhal 00tV lSh = đặc tr−ng cho quá trình không dừng Số Froud gl VFr 0= đặc tr−ng cho lực trọng tr−ờng Số Reynolds 0 0Re ν lV= đặc tr−ng cho lực nhớt Số Euler 2 00 0 V P Eu ρ= đặc tr−ng cho áp lực Trong đó: l - chiều dài t - thời gian V - vận tốc ρ – Tỷ trọng chất lỏng υ - Độ nhớt động học chất lỏng NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 66 g – Gia tốc trọng tr−ờng Điều kiện đồng dạng của mô hình và nguyên hình khi chúng đảm bảo các điều kiện đồng dạng sau: - Đồng dạng hình học - Đồng dạng động học - Đồng dạng động lực học Khi tua bin mô hình và tua bin nguyên hình đáp ứng đ−ợc ba điều kiện đồng dạng trên thì chúng đ−ợc gọi là đồng dạng thuỷ động lực học. Với mục tiêu nghiên cứu tua bin XK2L phục vụ cho thủy điện nhỏ và cực nhỏ. Do đó, kích th−ớc, công suất của các tua bin nguyên hình là rất đa dạng, nằm trong 2 gam cơ bản là: thủy điện cực nhỏ (0,2ữ5kW) và thủy điện nhỏ (5 ữ500kW) với cột áp từ 10ữ250m. Nh− vậy việc mô hình hoá để nghiên cứu cho phạm vi công suất và cột áp rộng nh− thế rất khó có thể đạt đ−ợc đầy đủ các tiêu chuẩn t−ơng tự. ở đây, cần phải chấp nhận một phần sai số trong việc xác định đặc tính cho một loại tua bin nguyên hình cụ thể. Điều kiện t−ơng tự xác định theo t−ơng tự hình học và chuẩn số Râynôn. Trong phạm vi các tổ máy thủy điện nhỏ và cực nhỏ, đ−ờng kính BCT giới hạn trong khoảng (D1=100ữ750mm), số vòng quay trong khoảng (n=500ữ1500v/ph). Với các thông số tua bin mô hình đã tính toán đ−ợc (D1=300mm, n=430v/ph), ta có: ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ↔= 3 3 1 1 1 M N D D ; ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ↔= 3 3 1 M N n n Do vậy, có thể cho phép đánh giá đặc tính các tua bin nguyên hình với độ chính xác chấp nhận đ−ợc. 4.5 Thực nghiệm tua bin mô hình 4.4.1 Hệ thống thí nghiệm Hệ thống thí nghiệm xuất phát từ các thông số yêu cầu thử nghiệm của tua bin mô hình: - Cột n−ớc thiết kế của tua bin: H= 10 m - L−u l−ợng qua tua bin: Q= 0.15m3/s - Công suất thiết kế: N = 8 kW NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 67 - Tua bin mô hình có các thông số cơ bản: + Đ−ờng kính bánh xe công tác: D1=300mm + Số vòng quay: n=430v/ph Hệ thống thí nghiệm đ−ợc thiết kế và xây dựng có kết cấu nh− hình 28: 1- Bể trữ n−ớc ngầm: dung tích 250 m3. 2- Bơm cấp: LT470 - 18 (l−u l−ợng 130 l/s; cột áp 18m) 3- Bể tạo áp lực: dung tích 10m3, tạo đ−ợc cột n−ớc hình học với sàn thử 11m, có đ−ờng ống xả thừa và l−ới ổn định dòng. Đ−ờng ống φ250 dẫn n−ớc từ bể áp lực cấp cho tua bin và van điều chỉnh l−u l−ợng trong khi thử. Hình 35: Sơ đồ bố trí hệ thống thí nghiệm 4, 5, 6, 7- Cụm tua bin mô hình và các thiết bị đo trên sàn thí nghiệm (Hình 36): Trong đó: 4- Tua bin XK2L mô hình 5- Thiết bị gây tải: Bộ truyền đai và máy phát điện một chiều có công suất 20kW, điều chỉnh vô cấp công suất bằng dòng kích từ. 6- Thiết bị đo áp suất d−: do hãng HBM (CH LB Đức) chế tạo. Thiết bị này có bộ cảm biến kiểu màng mỏng trên có dán các tenxơ. Nguyên 1 3 4,5,6,7 9 10 8 NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 68 tắc làm việc dựa trên sự thay đổi điện trở của các điện trở đ−ợc dán trên màng mỏng. Sự thay đổi điện trở và biến dạng đ−ợc xác định theo quan hệ: l lk R R ∆=∆ τ áp kế này có thể đo áp suất từ 0 ữ 2 bar với độ chính xác ±0,1%. Giá trị đo có thể đọc trực tiếp trên màn hình hiện số của thiết bị và có thể truyền về máy tính ( tín hiệu analog 4-20mA). Thiết bị có ký hiệu PE-200. Hình 36. Cụm các thiết bị và tua bin mô hình thực nghiệm 7- Thiết bị đo mô men và số vòng quay: đ−ợc bố trí trên cùng thiết bị do hãng HBM (CHLB Đức) chế tạo. Đo mô men: dựa trên nguyên lý đo độ biến dạng của một đoạn trục mẫu nhờ các cảm biến kiểu tenxơ dán trên đó. Thiết bị có độ chính xác ±0,1%, có thể đo đ−ợc mô men từ 0~200Nm. Giá trị đo có thể đọc trực tiếp trên màn hình hiện số của thiết bị và có thể truyền về máy tính (tín hiệu analog 4-20mA). Đo vòng quay: làm việc trên nguyên lý đếm xung từ tr−ờng nhờ các cảm biến gắn trên trục quay. Độ chính xác ±0,1%, có thể đo số vòng quay từ 0~10000v/ph. Giá trị đo có thể đọc trực tiếp trên màn hình hiện số của thiết bị và có thể truyền về máy tính ( tín hiệu digital ). Thiết bị có ký hiệu là T32FN. NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 69 Đo Q Đo H Đo M Đo n Bộ chuyển đổi dữ liệu Trung tâm xử lý số liệu Xuất dữ liệu 8- Thiết bị đo l−u l−ợng: do hãng Siemens (CH LB Đức) chế tạo. Thiết bị đo dựa trên qui luật cảm ứng điện từ của Pharaday. Khi có dây dẫn chuyển động trong từ tr−ờng cắt các đ−ờng sức, trong dây dẫn cảm ứng một sức điện động tỉ lệ với tốc độ chuyển động của dây dẫn. Nếu ta dùng một chất lỏng dẫn điện chảy qua giữa 2 cực của một nam châm và đo suất điện động sinh ra trong chất lỏng , thì có thể xác định đ−ợc tốc độ dòng chảy hay l−u l−ợng thể tích. Suất điện động này có thể tính theo công thức: E=B.W.D=4BQ/(πD) Trong đó: B: c−ờng độ từ cảm W: tốc độ trung bình của dòng chảy D: đ−ờng kính trong của ống dẫn Q: L−u l−ợng thể tích của chất lỏng L−u l−ợng kế này cho phép đo l−u l−ợng tới 1000 m3/h với sai số 0,5%. Giá trị đo có thể đọc trực tiếp trên màn hình hiện số của thiết bị và có thể truyền về máy tính (tín hiệu analog 4-20mA). Thiết bị có ký hiệu là 7ME2531φ250. 9- Kênh dẫn n−ớc sau thí nghiệm về bể cấp. 10- Trung tâm thu thập và xử lý số liệu: Thiết bị chuyển đổi dữ liệu: gồm 16 cổng, có thể thu thập đồng thời 16 thông số đo, đ−a vào máy vi tính để xử lý. Thiết bị có ký hiệu là DEWEBOOK. Hình 37. Sơ đồ hệ thống thu thập và xử lý số liệu Trong khi thí nghiệm, tất cả các thông số 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, ghi lại vào file.xls một cách tức thời tại mỗi thời điểm. NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 70 Sơ đồ đo của hệ thống có thể mô tả nh− Hình 37. 4.5.2 Thí nghiệm tua bin mô hình ƒ Tóm tắt quá trình thực nghiệm o Ph−ơng pháp thực nghiệm: Ph−ơng pháp thực nghiệm dựa trên nguyên tắc thông qua việc đo đạc các thông số liên quan để xác định hiệu suất của tua bin. Hiệu suất của tua bin xác định theo công thức: (4.17) Trong đó: NT : công suất trên trục tua bin (kW), xác định theo công thức : ω*MNT = (4.18) - M : mômen trên trục (kNm) - ω : Vận tốc góc (rad/s) Q : l−u l−ợng qua tua bin (m3/s) H : cột áp làm việc của tua bin (m) Cột áp của tua bin xác định tại cửa vào tua bin xác định theo công thức: (4.19) hMP Av +=γ Trong đó : γ vP : cột áp tĩnh tại vị trí tâm trục tua bin. MA : giá trị áp suất trên áp kế h : Trênh lệch cao độ điểm đặt áp kế với tâm trục tua bin. g Vv 2 2 : động năng tại cửa vào tua bin, trong đó : Vv : Giá trị vận tốc tại cửa vào xác định theo công thức : v v F QV = (Fv : diện tích cửa vào tua bin) HQ NT T **81,9 =η g VPHHH vvDT 2 2 +=+= γ NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 71 o Quá trình thực nghiệm: Tiến hành đo tại các các vị trí hành trình của cánh h−ớng n−ớc của vòi phun theo 2 chiều tiến và lùi. Theo chiều tiến, mỗi lần tăng độ mở cánh h−ớng một giá trị 20mm. Tại mỗi vị trí của cánh h−ớng dòng, thay đổi số vòng quay của tua bin (bằng cách thay đổi công suất trên động cơ gây tải), tất cả các thông số đo đ−ợc tự động ghi vào file kết quả (tại mỗi điểm đo, lấy rất nhiều giá trị), các số liệu này tạo thành một bộ dữ liệu giúp cho quá trình xử lý đạt đ−ợc độ chính xác cao hơn. Khi mở hết cánh h−ớng (Ao max), thực hiện quá trình đo ng−ợc lại t−ơng tự nh− chiều tiến cho đến khi đóng hoàn toàn. Quy trình thực nghiệm đ−ợc tiến hành cho tr−ờng hợp sử dụng ống hút và không sử dụng ống hút. o Qui trình xử lý dữ liệu thí nghiệm: *, Sai số dụng cụ đo: Sai số dụng cụ đo đánh giá theo công thức : Kdc(%)= δM (%) * XM / x (4.20) Trong đó: Kdc: Sai số đo t−ơng đối của giá trị đo δM : Cấp chính xác của thiết bị đo. XM : Giá trị đo giới hạn x : Giá trị đo thực. *, Sai số bộ dữ liệu đo đ−ợc: Sai số bộ dữ liệu đo đ−ợc tính theo công thức: Kdl(%)= (Ymax- Ymin)/ YTB (4.21) Trong đó: Kdl: Sai số t−ơng đối của bộ dữ liệu đo Ymax: Giá trị đo đ−ợc lớn nhất của bộ dữ liệu Ymin: Giá trị đo đ−ợc nhỏ nhất của bộ dữ liệu YTB: Giá trị trung bình đo đ−ợc của bộ dữ liệu Một phép đo tại chế độ bình ổn sẽ cho Kdl(%)< Kdc(%) (nếu không có các yếu tố ngoại lai tác động vào). *, Độ phân tán chuẩn của dữ liệu: Độ phân tán chuẩn của dữ liệu SD tính theo công thức: NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 72 (4.22) Trong đó : n – số số liệu tại một giá trị của vòng quay xi - độ lớn của giá trị thứ i *, Đ−ờng mô tả (Fit line) : Các giá trị đo đ−ợc, sau khi xử lý có thể biểu diễn bằng một đ−ờng cong hay thẳng trên trục toạ độ (x,y) – Fit line – có giá trị sai số nhỏ nhất từ các điểm đo đ−ợc. Các đ−ờng này lại có thể mô tả bằng các hàm toán học biểu diễn quan hệ y=f(x). ở đây ta sử dụng chủ yếu 2 loại hàm : Hàm bậc nhất : y=ax+b Dành cho y là các đại l−ợng cột áp tĩnh, l−u l−ợng, mô men và x là tốc độ vòng quay n và tốc độ qui dẫn n1 ’. Hàm bậc 2 : y=ax2+bx+c Dành cho các đ−ờng biểu diễn công suất trên trục, hiệu suất với tốc độ. ở đây, ta dùng ph−ơng pháp " diện tích nhỏ nhất" để tính qui hồi từ bộ dữ liệu ra hàm biểu diễn các giá trị quan hệ. Thanh sai số : mỗi điểm đo đ−ợc đánh giá bằng các thanh sai số cho các đại l−ợng X, Y. Giá trị của các thanh sai số này có thể đ−ợc tính bằng ±Kdc. Xong do số dữ liệu của thí nghiệm đủ nhiều nên ta tính độ lớn của thanh sai số = SD ( Độ phân tán chuẩn). Đ−ờng mô tả phải đi qua tất cả các hình elíp có tâm là giá trị đo đ−ợc và đỉnh là đầu các thanh sai số. Sai số chuẩn SE: Sai số chuẩn dùng để đo sai số của đại l−ợng y so với x (giữa bộ dữ liệu và đ−ờng mô tả) )1( )( 2 11 2 − − = ∑∑ == nn xxn SD n i n i NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 73 (4.23) Trong đó: n – số dữ liệu của cả bộ dữ liệu xi- giá trị của biến i yi – giá trị của dữ liệu theo biến i R-squared : là đại l−ợng biểu diễn tính "trùng khít" của Fit line và bộ dữ liệu. R- squared có giá trị từ 0 đến 1, R-squared càng gần 1 có nghĩa là đ−ờng mô tả càng đúng với bộ dữ liệu đã có. R-squared đ−ợc tính theo công thức : (4.24) o Xử lý bộ dữ liệu : B−ớc 1 : Xử lý sơ bộ Do quá trình thu thập dữ liệu là liên tục, bao gồm cả thời gian điều chỉnh tải, nên một số lớn các số liệu đ−ợc ghi nhận là không nằm trong chế độ bình ổn của tua bin, vậy tr−ớc khi đ−a công cụ vào để xử lý, đánh giá ta cần có b−ớc xử lý sơ bộ để gạt bỏ các giá trị ngoại lai hoặc các giá trị không đáng tin cậy. Việc xử lý này đ−ợc làm với từng điểm làm việc (n=const và cùng khoảng thời gian đo) Các số liệu sau cần đ−ợc xử lý : 1. Có độ phân tán dữ liệu lớn hơn sai số của dụng cụ đo 2. Các số liệu có d−ới 5 records cho cùng 1 điểm làm việc (chế độ làm việc không ổn định). 3. Các dữ liệu có d−ới 20 records cho cùng 1 điểm làm việc (Dữ liệu này không đủ độ tin cậy – các dữ liệu này có thể giữ lại trong bộ dữ liệu chuẩn nh−ng chỉ với t− cách để tham khảo). ⎥⎥ ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ − −−⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ −= ∑∑ ∑∑∑ ∑∑ == === == 2 1 2 1 2 2 1112 11 2 )( ))(( )( )2( 1 n i n i n i n i n i n i n i xxn yxxyn yyn nn SE ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ ⎟⎟⎠ ⎞⎜⎜⎝ ⎛−⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ ⎟⎟⎠ ⎞⎜⎜⎝ ⎛− ⎟⎟⎠ ⎞⎜⎜⎝ ⎛⎟⎟⎠ ⎞⎜⎜⎝ ⎛− = ∑∑∑∑ ∑∑∑ ==== === 2 11 2 2 11 2 111 )( n i n i n i n i n i n i n i yynxxn yxxyn R NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 74 Sau khi xử lý sơ bộ (dùng công cụ Excel). Ta có bộ dữ liệu chuẩn cho mỗi độ mở của cánh h−ớng tua bin. B−ớc 2 : Tính toán Sử dụng phần mềm SPSS để xử lý bộ dữ liệu chuẩn. Lập bảng thống kê bộ dữ liệu với các giá trị Trung bình, Max, Min, SE, SD tại mỗi điểm.Tính hồi qui và vẽ các đ−ờng quan hệ Q, H, M, NTL=f(n), NT=f(n), η=f(n), Q1’=f(n1’) với các đ−ờng biểu diễn giá trị trung bình, đ−ờng bao sai số của đ−ờng trung bình và đ−ờng bao sai số của toàn bộ dữ liệu (lấy với độ tin cậy 95%). ƒ Kết quả thực nghiệm: ở mỗi độ mở, sau khi xử lý số liệu đo đạc đ−ợc, bằng phần mềm SPSS ta xây dựng đ−ợc bộ các đ−ờng quan hệ để đánh giá chất l−ợng và xây dựng đặc tính tổng hợp chính của tua bin mô hình. Số l−ợng số liệu trong các file số liệu đ−ợc ghi khi đo và các bảng thống kê các bộ dữ liệu với các giá trị Trung bình, Max, Min, SE, SD tại mỗi điểm do phần mềm SPSS tự động lập ra có khối l−ợng rất lớn không thể thống kê hết đ−ợc trong phần phụ lục. Do đó chỉ thống kê có tính chất ví dụ về dạng các số liệu và bảng. Hình 38; 39; 40; 41; 42 và 43 là một bộ các đ−ờng cong: cột áp, l−u l−ợng, mô men, công suất thủy lực, công suất trên trục và hiệu suất với số vòng quay tại vị trí cánh h−ớng mở 140 mm ở hai chế độ sử dụng và không ống hút, thu đ−ợc khi thực nghiệm do phần mềm SPSS tự động vẽ ra. Với các độ mở khác và Ao max trong phần phụ lục. NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 75 4.6. Xây dựng đặc tính tổng hợp chính của tua bin mô hình Khi tiến hành thí nghiệm tua bin, ở mỗi độ mở của cánh h−ớng Ao=const, ta xác định đ−ợc một loạt các thông số Q, H, n, … ở các chế độ khác nhau. Đối với tua bin XK2L, nói chung l−u l−ợng phụ thuộc vào độ mở của cánh h−ớng, không phụ thuộc vào số vòng quay. Riêng đối với tua bin mô hình kiểu CINK, do đặc điểm kết cấu khác mới so với các tua bin XK2L truyền thống về vòi phun và cơ cấu đIều chỉnh l−u l−ợng nên chế độ làm việc của tua bin này cũng có sự khác biệt. Với mỗi độ mở cánh h−ớng không đổi, khi số vòng quay thay đổi kéo theo l−u l−ợng vào tua bin cung thay đổi. Đ−ờng đặc tính tổng hợp chính của tua bin CINK đ−ợc xậy dựng trình tự theo các b−ớc sau: - Với mỗi độ mở A0 của bộ phận ngắt dòng vòi phun ta sẽ đo đ−ợc một loạt các thông số Q, H, n,…Từ số liệu đo đ−ợc này ta sẽ xây dựng đ−ợc các đ−ờng cong Q = f(n’I), η = f(n’I) dựa vào các công thức quy dẫn: H nDn 1'1 = (4.25) HD QQ 2 1 ' 1 = (4.26) - Để xây dựng các đ−ờng đồng hiệu suất, trên đồ thị η = f(n’I) lấy một giá trị hiệu suất bằng hằng số, ví dụ η = 65%, với các độ mở ta sẽ đ−ợc tập hợp các điểm 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 . Dóng ng−ợc lên trên với các đ−ờng độ mở t−ơng ứng ta sẽ đ−ợc các điểm 1’, 2’, 3’, 4’, 5’, 6’, 7’, 8’. Nối tất cả các điểm này lại ta sẽ đ−ợc đ−ờng đồng hiệu suất η = 65%. Hình 44 mô tả ph−ơng pháp xây dựng các đ−ờng đồng hiệu suất. Hình 45 và 46 là kết quả xây dựng đ−ờng đặc tính tổng hợp chính của tua bin mô hình có sử dụng ống hút và không có ống hút. NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 76 n1, Hình 44. Ph−ơng pháp xây dựng đ−ờng đặc tính tổng hợp chính tua bin XK2L kiểu CINK Q1 , η(%) n1 , NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 77 4.7. Các kết luận rút ra từ thực nghiệm. Từ các số liệu thực nghiệm, kết quả xây dựng các đ−ờng cong quan hệ và đ−ờng đặc tính tổng hợp chính ta có thể rút ra các kết luận sau: - Với kết cấu này, tua bin XK2L kiểu CINK đã làm việc không những chỉ có phần động năng dòng chảy tác dụng lên bánh xe công tác mà nó còn tận dụng đ−ợc cả một phần thế năng của dòng chảy, thể hiện rất rõ trong tr−ờng hợp có ống hút. Điều này đ−ợc thể hiện bởi hiệu suất tua bin XK2L kiểu CINK t−ơng đối cao (78%), nhất là khi có sử dụng ống hút. Cao hơn nhiều so với các tua bin XK2L truyền thống (th−ờng khoảng ≤ 65%) trong cùng vùng làm việc, phù hợp với lý thuyết tính toán. - Khi làm việc tại một độ mở nhất định, khi phụ tải thay đổi, tức là thay đổi số vòng quay sẽ dẫn đến l−u l−ợng vào tua bin cũng sẽ thay đổi. Đây là một trong những điểm khác biệt lớn nhất của tua bin này so với các tua bin XK2L khác và b−ớc đầu khẳng định tính “phản kích” của tua bin XK2L. - Hiệu suất tua bin ở các độ mở A0 khác nhau phụ thuộc vào số vòng quay. Hiệu suất tối −u (ηmax) t−ơng ứng với số vòng quay tối −u: • Khi tua bin không có ống hút: - A0 = 100 ηmax =64% n = 380v/ph - A0 = 140 ηmax =69% n = 400v/ph - A0 = Max ηmax =70% n = 380v/ph • Khi tua bin có ống hút: - A0 = 100 ηmax =69% n = 390v/ph - A0 = 120 ηmax =72% n = 400v/ph - A0 = 140 ηmax =75% n = 400v/ph - A0 = 160 ηmax =78% n = 400v/ph - A0 = Max ηmax =77% n = 400v/ph - Giá trị hiệu suất tối −u (ηmax) thay đổi theo độ mở Ao và đạt giá trị lớn nhất bằng 78% tại độ mở Ao = 160. Tại độ mở này, giá trị l−u l−ợng qui dẫn là 1100m3/h và số vòng quay quy dẫn khoảng n'I = 40v/ph t−ơng đuơng với số vòng quay đặc tr−ng ns = 71v/ph phù hợp với lý thuyết tính toán. NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 78 - Vùng làm việc có hiệu suất cao t−ơng đối rộng: l−u l−ợng qui dẫn (Q1’) thay đổi từ 950 ữ 1250 m3/h, số vòng quay quy dẫn (n'I) thay đổi từ 35 ữ 42v/ph chênh lệch rất ít so với tính toán. Tổng hợp các kết luận trên cho thấy: - Các kết quả thực nghiệm nói chung phù hợp với lý thuyết cơ bản của tau bin XK2L, nằm trong giới hạn cho phép. - Cần đi sâu nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết về chế độ làm việc thực tế của tua bin XK2L kiểu CINK để khẳng định tính chất phản kích của loại tua bin này nhằm nâng cao hiệu suất và mở rộng phạm vi ứng dụng cho thủy điện nhỏ. NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 79 Kết luận 5.1 Các kết quả đề tài đã đạt đ−ợc 1. Nhóm nghiên cứu đề tài đã tổng hợp và đánh giá lại phạm vi sử dụng và khả năng mở rộng việc ứng dụng tua bin XK2L . Các nghiên cứu cho thấy rằng loại tua bin này với kết cấu mới sẽ rất phù hợp với thủy điện nhỏ và cực nhỏ trong điều kiện tự nhiên, kinh tế và trình độ công nghệ của Việt Nam do công nghệ chế tạo đơn giản, dễ lắp đặt, vận hành, bảo d−ỡng và đặc tính vận hành tốt. 2. Tổng hợp đ−ợc cơ sở lý thuyết tua bin xung kích, lý thuyết đơn giản và mỏ rộng nghiên cứu lý thuyết tua bin XK2L, từ đó xây dựng đ−ợc kết cấu tua bin XK2L kiểu CINK với kết cấu điều chỉnh l−u l−ợng mới nhằm đạt đ−ợc chất l−ợng làm việc ổn định hơn và hiệu suất cao hơn. Đ−a ra các nguyên tắc và ph−ơng pháp thiết kế tua bin XK2L kiểu CINK dựa trên các cơ sở tối −u hoá các thông số thiết kế tua bin XK2L truyền thống. 3..Xây dựng ph−ơng pháp và ch−ơng trình tính toán các thông số cơ bản của tua bin XK2L cho trạm thủy điện trên máy tính giúp cho công việc tính toán đ−ợc nhanh chóng và thuận tiện. 5. Thiết kế và đ−a vào thực nghiệm tại phòng thí nghiệm tua bin mô hình XK2L kiểu CINK. Mặc dù các điều kiện và thiết bị của phòng thí nghiệm ch−a thật phù hợp nh−ng đề tài cũng đã đ−a ra đ−ợc đặc tính năng l−ợng và đặc tính tổng hợp chính của tua bin XK2L kiểu CINK ở Việt Nam ở các chế độ có và không sử dụng ống hút với độ tin cậy có thể chấp nhận đ−ợc. 6. Căn cứ vào các kết quả thực nghiệm có thể thấy rằng rằng tua bin XK2L kiểu CINK làm việc nh− một tua bin nửa phản kích ở một số chế độ làm việc. Đồng thời, nghiên cứu thực nghiệm cũng khẳng định vai trò của ống hút. Với chế độ sử dụng ống hút, hiệu suất của tua bin mô hình đã nâng lên khoảng 8%. Đây là cơ sở để mở rộng công tác nghiên cứu loại tua bin này trên quan điểm mới nhằm nâng cao hơn nữa hiệu suất và phạm vi sử dụng loại tua bin XK2L kiểu CINK cho thuỷ điện nhỏ. 5.2. H−ớng nghiên cứu tiếp theo H−ớng nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào các vấn đề sau: NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 80 1. Dựa trên các phần mềm mạnh về tính toán động lực học chất lỏng (ANSYS, FLUENT...) để nghiên cứu và phân tích dòng chảy trong vòi phun và trên BCT nhằm khẳng định về lý thuyết tính chất phản kích trong tua bin XK2L kiểu CINK. 2. Thực nghiệm để đánh giá ảnh h−ởng các yếu tố đến hiệu suất chung của tua bin XK2L nh−: vòi phun,BCT và ống hút. 3. Nghiên cứu, tính toán độ bền các lá cánh của BCT nhằm tối −u hoá csc thông số thiết kế loại tua bin này. NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04 Viện khoa học thuỷ lợi 81 Phụ lục