bộ nông nghiệp và phát triển nông thôn viện khoa học thủy lợi báo cáo tổng kết chuyên đề nghiên cứu tua bin nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam thuộc đề tài kc 07.04: nghiên cứu, lựa chọn công nghệ và thiết bị để khai thác và sử dụng các loại năng lợng tái tạo trong chế biến nông, lâm, thủy sản, sinh hoạt nông thôn và bảo vệ môi trờng Chủ nhiệm đề tài: TS Hoàng Văn thắng 5817-1 16/5/2006 hà nội 5/2006 Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi Lời nói đầu Chơng I. Mở đầu 2 1.1. Đặt vấn đề. 2 1.2. Phơng pháp nghiên cứu. 2 Chơng II. Tổng quan về tua bin tia nghiêng 3 2.1. TBTN của hãng GILKES. 4 2.2. TBTN do Trung Quốc sản xuất. 6 2.3. Một số thông tin khác. 8 2.4. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng TBTN ở Việt Nam. 8 Chơng III. Cơ sở lý thuyết và các kết quả nghiên cứu tBTN 9 3.1. Cơ sở lý thuyết TBTN. 9 3.1.1. Tác động tơng hỗ giữa dòng tia và tấm bản. 9 3.1.2. Lý thuyết đơn giản của TBTN. 14 3.2. Thiết kế TBTN. 17 3.2.1. Biên dạng phần dẫn dòng của TBTN. 18 3.2.2. Thiết kế bộ phận hớng dòng (vòi phun). 22 3.2.3. Bộ phận lái, cắt dòng. 27 3.2.4. Dòng tia tự do trong không khí. 28 3.2.5. Nghiên cứu, thiết kế bánh xe công tác. 29 3.2.6. Vỏ tua bin. 33 3.2.7. Bố trí các bộ phận cơ bản của TBTN. 33 3.3. Chọn kết cấu tổ máy, số vòi phun. 34 3.4. Phơng pháp thiết kế TBTN. 36 3.4.1. Chọn các kích thớc cơ bản. 36 3.4.2. Xây dựng chơng trình tính các thông số chính của TBTN. 38 Chơng IV. Nghiên cứu thực nghiệm tBTN 43 4.1. Hớng nghiên cứu TBTN. 43 Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 4.1.1. Vòi phun. 43 4.1.2. Bánh xe công tác. 43 4.1.3. Tơng quan giữa vòi phun và bánh công tác. 43 4.2. Thiết kế TBTN mô hình. 44 4.2.1. Lựa chọn kết cấu. 44 4.2.2. Lựa chọn kích thớc, thông số cơ sở TBTN mô hình. 44 4.2.3. Tính toán các thông số cơ bản của TBTN mô hình. 44 4.2.4. Thiết kế bánh xe công tác. 45 4.2.5. Lựa chọn vòi phun. 46 4.3. Mô hình hoá tua bin. 47 4.4. Thực nghiệm tua bin mô hình. 49 4.4.1. Hệ thống thí nghiệm. 49 4.4.2. Thí nghiệm tua bin mô hình 53 4.5. Xây dựng đặc tính tổng hợp chính của tua bin mô hình. 60 4.6. Các kết luận rút ra từ thực nghiệm. 63 Kết luận 65 Tài liệu tham khảo 67 Phụ lục 68 Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 1 Lời nói đầu Mặc dù nguồn và lới điện quốc gia phát triển mạnh, nhng theo đánh giá của ngành năng lợng, tới năm 2010 vẫn còn khỏang 400 xã cha đợc sử dụng điện từ lới quốc gia vì chi phí quá cao cho phát triển lới điện. Hơn nữa, với điều kiện tự nhiên có nhiều thuận lợi cho phát triển thủy điện vừa và nhỏ thì việc phát triển thủy điện nhỏ và các nguồn năng lợng tái tạo khác để cấp điện là một giải pháp kinh tế bền vững, góp phần bảo vệ môi trờng. Trên thế giới, thủy điện vừa và nhỏ ngày càng đợc quan tâm sử dụng không chỉ ở các nớc đang phát triển mà còn ở ngay các nớc phát triển nh Anh, Pháp, Đức Nghiên cứu, chế tạo tua bin thủy điện vừa đòi hỏi có đội nũ cán bộ có năng lực nghiên cứu triển khai của nhiều nghành khoa học khác nhau (Cơ khí, Thủy lực, Điện, Điều khiển tự động ) vừa mang tính đơn chiếc, tốn nhiều nhân công. Do vậy, khả năng cạnh tranh của Việt Nam là rất cao trong lĩnh vực này. Do vậy, đẩy mạnh nghiên cứu phát triển thủy điện vừa và nhỏ vừa cung cấp cho thị trờng trong nớc lại vừa có khả năng xuất khẩu. Tua bin tia nghiêng là loại tua bin có đặc tính năng lợng tốt: hiệu suất khá cao và đờng hiệu suất phẳng, vùng làm việc tơng đối rộng. Tuy nhiên công nghệ chế tạo chúng còn khá phức tạp (nhất là bánh công tác). Hiện nay, có rất ít tài liệu nói về loại tua bin này. Để nghiên cứu và phát triển loại tua bin này ở Việt Nam, chúng tôi lựa chọn nghiên cứu một tua bin tia nghiêng mô hình dựa trên cơ sở một số lý thuyết tính toán của tua bin xung kích, các tua bin thực và dựa trên thực nghiệm để hoàn thiện. Từ mô hình đã đợc nghiên cứu, dựa trên nguyên tắc về các tiêu chuẩn tơng tự, chúng ta sẽ có đợc gam tua bin này. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 2 Chơng I. Mở đầu 1.1. Đặt vấn đề. Tua bin tia nghiêng (TBTN) thuộc nhóm tua bin có tỷ tốc thấp, nằm giữa tua bin gáo và tua bin XK2L. Trong thực tế chế tạo tua bin, nhiều trờng hợp phảI lựa chọn TBTN hoặc tua bin gáo nhiều vòi phun, vì nếu sử dụng các lọai tua bin khác là không kinh tế hoặc hiệu suất thấp. ở Việt Nam, một số trạm thủy điện đã nhập thiết bị TBTN của nớc ngoài nh Trạm thuỷ điện Kỳ Sơn - Hà Tĩnh với hai tổ máy 250kW, Trạm thuỷ điện Nà Chá - Mộc Châu - Sơn La một tổ máy 130kW của hãng GILKES (Anh) và đã nhập hàng ngàn tổ máy thủy điện siêu nhỏ (TĐSN) có công suất 200 ữ 300W của Trung Quốc. Thực tế cho thấy rằng các tổ máy này có kết cấu đơn giản, độ bền cao và hiệu quả năng lợng tốt. Do vậy đề tài đã đặt vấn đề nghiên cứu TBTN cho thủy điện nhỏ trong giới hạn bớc đầu là các tua bin có công suất dới 200kW với các nội dung: - Nghiên cứu lý thuyết và mô hình để xây dựng biên dạng cánh, phần dẫn dòng. - Xây dựng gam tua bin - ứng dụng để thiết kế một số tổ máy: 200W, 500W, 1000W, 5kW và 10kW. - Làm cơ sở cho thiết kế các tổ máy có công suất tới 200kW. 1.2. Phơng pháp nghiên cứu. Khi bắt đầu bớc vào nghiên cứu TBTN, đề tài gặp phải các khó khăn lớn là: - Cơ sở lý thuyết về TBTNT là không hòan chỉnh, dựa trên lý thuyết đơn giản với rất nhiều giả thiết làm đơn giản hóa bài tóan. - Tài liệu nớc ngòai cũng rất thiếu. Do vậy đề tài sử dụng các phơng pháp nghiên cứu sau: - Nghiên cứu lý thuyết: Dựa vào lý thuyết đơn giản của TBTN, các nghiên cứu về tua bin gáo có thể ứng dụng cho TBTN. - Nghiên cứu theo mẫu: Lựa chọn các mẫu có chất lợng tốt, đo đạc và phân tích các số liệu mẫu. - Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm trên mô hình, xử lý số liệu. - Thử nghiệm hiện trờng. - Xây dựng các chỉ tiêu thiết kế chung để nhân rộng từ mô hình ra tua bin thực. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 3 Chơng II. Tổng quan về tua bin tia nghiêng Ngay từ thế kỷ 15, Leona de Vinci đã phát minh ra dạng bánh xe nớc, đó chính là dạng sơ khai nhất của TBTN ngày nay. Hình 1. Dạng TBTN cổ nhất còn giữ lại đợc đến nay tại bảo tàng Leonardo da Vinci ở Milano - Italy Tổng kết tài liệu nghiên cứu và chế tạo TBTN trên thế giới cho thấy: TBTN đợc sử dụng cho phạm vi rộng nhất là: H = 300 m Q = 5 m 3 /s Với 3 dạng kết cấu: - TBTN trục ngang 1 vòi phun. - TBTN trục ngang 2 vòi phun. - TBTN trục đứng nhiều vòi phun. Hiệu suất cao nhất đợc đánh giá vào khỏang 86 ữ 87%. Một số nhà nghiên cứu nổi tiếng về TBTN nh: y . (I. F. Sipulin); Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 4 ở Anh, hãng GILKES là hãng nghiên cứu hàng đầu về TBTN. Từ năm 1993, hãng TANAKA (Nhật Bản) trên cơ sở nghiên cứu của GILKES cũng đã xây dựng gam TBTN của mình. ở Trung Quốc, TBTN cũng đợc sử dụng từ lâu nhng gần đây, viện nghiên cứu TRIED (Thiên Tân - Trung Quốc) cũng đã nghiên cứu tiêu chuẩn hóa TBTN cho trạm thủy điện có cột áp nhỏ hơn 180m. Một số thông tin về TBTN trên thế giới nh sau: 2.1. TBTN của hãng GILKES. Hãng GILKES sản xuất tua bin thủy lực từ năm 1856 và đã bán sản phẩm ra hơn 80 nớc trên thế giới. Gam TBTN do hãng giới thiệu có phạm vi làm việc: H = 20 ữ 300 m P = 50 ữ 10.000kW Với kết cấu trục ngang (hình 2), bánh công tác đợc lắp công sôn trên trục tua bin. Cấp đờng kính bánh công tác D 1 = 30, 33, 36, 40, 44, 48, 53, 58, 64, 71, 78, 88, 94, 104, 114cm. Phạm vi sử dụng nh ở hình 3. Hình 2. Kết cấu TBTN của hãng GILKES Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 5 Hình 3. Biểu đồ sử dụng sản phẩm TBTN của hãng GILKES TBTN do hãng GILKES sản xuất có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, lắp đặt và vận hành. Tổ máy TBTN của GILKES lần đầu tiên sử dụng ở Việt Nam tai trạm Thủy điện Nà Chá (Mộc Châu - Sơn La là một trạm thủy điện kiểu mẫu về thủy điện nhỏ ở Việt Nam (hình 4). Hình 4. TBTN đợc lắp đặt tại TTĐ Nà Chá - Mộc Châu - Sơn La Với kết cấu 2 mũi phun, TBTN có phạm vi làm việc rộng (2 lần) so với lọai TBTN do Trung Quốc sản xuất. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 6 2.2. TBTN do Trung Quốc sản xuất. Trung quốc sử dụng rộng rãI TBTN cho thủy điện vừa và nhỏ với kết cấu trục ngang, 1 vòi phun (hình 5). Hình 5. Kết cấu TBTN do Trung Quốc chế tạo TBTN đợc tiêu chuẩn hóa thành 2 mẫu XJ 13 và XJ 02 với phạm vi làm việc: H = 30 ữ 150 m P = 5 ữ 1250 kW. Cấp đờng kính bánh công tác D 1 = 12, 20, 25, 32, 40, 50cm Đờng kính dòng tia d 0 = 5, 6, 7, 9, 11 và 12,5cm. Bộ điều tốc đợc sử dụng là điều tốc cơ khí - thủy lực. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 7 Hình 6. Biểu đồ sử dụng sản phẩm TBTN XJ 02 do Trung Quốc sản xuất [...]... Viện Khoa học Thủy lợi đã đầu t nghiên cứu ứng dụng lọai tua bin này và bớc đầu đã đạt đợc nhũng kết quả tốt tạo tiền đề cho các nghiên cứu sâu hơn Viện Khoa học Thủy lợi 8 Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam Chơng III đề tài kc07 - 04 Cơ sở lý thuyết và các kết quả nghiên cứu tBTN Trong TBTN, dòng chất lỏng phun vào cánh bánh công tác dới một góc nghiêng (hình... 32 Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 - Xây dựng biên dạng cánh sau khi xử lý số liệu Kết quả đo nh trong phụ lục 1 3.2.6 Vỏ tua bin Vỏ tua bin ngoài việc bảo đảm cho nớc không bị bắn ra sàn còn cần phải đảm bảo dòng nớc ra khỏi bánh xe công tác không bắn ngợc trở lại ảnh hởng đến sự làm việc của tua bin Hiện nay, vỏ tua bin đợc coi là u việt. .. của vòi phun Viện Khoa học Thủy lợi 25 Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 Thông thờng ở vị trí đóng và ở độ mở nhỏ, diện tích tiết diện biến đổi tơng đối đều, theo chiều tăng độ mở ở đoạn giữa của các đờng cong có vùng biến đổi với gradien nhỏ hơn Do đó phải làm sao cho sự giảm gradien cục bộ này không lớn Những nghiên cứu trong những năm gần đây.. .Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 2.3 Một số thông tin khác Ngoài hai đại diện trên, hãng NEWMILLS HYDRO (Anh) giới thiệu lọai TBTN trục đứng có nhiều mũi phun (hình 7) Hình 7 Sơ đồ kết cấu TBTN nhiều vòi phun của hãng NEWMILLS HYDRO 2.4 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng TBTN ở Việt Nam ở nớc ta mới chỉ có một số trạm thuỷ điện nhỏ sử... tích cơ sở lý thuyết tua bin xung kích ta thấy rằng, khi tốc độ vòng quay BCT lệch đi so với tốc độ tối u về giá trị lớn hơn Viện Khoa học Thủy lợi 16 Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 hoặc nhỏ hơn hiệu suất đều giảm đi vì tổn thất liên quan đến vận tốc cửa ra tăng Nhng ở TBTN, hiệu suất sẽ giảm nhanh hơn vì ngoài tổn thất do vận tốc ở cửa ra,... Đờng kính bầu ở lối vào: dbV= 0,734D1 - Đờng kính bầu ở lối ra: dbR= 0,507D1 Viện Khoa học Thủy lợi 31 Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam - Chiều cao của bầu: H = 0,330D1 - Đờng kính vành ở lối vào: Dv=1,440D1 - Đờng kính lối ra lớn nhất: D3=1,750D1 - Đờng kính lối ra nhỏ nhất: D2=0,283D1 - Chiều rộng của cánh: B1=0,373D1 - Chiều rộng cánh ở lối ra nhỏ nhất: B2=0,303D1... triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 (b) (c) Hình 13 Các phơng án khuỷu cong của bộ phận dẫn nớc đến Bảng 1 Phơng án a b c a b c a b c Độ mở S d0(mm) 33 36 31 d cách vòi 170mm 37 43 45 40 Lu lợng 20,72 20,15 20,72 20 16,86 16,6 16,86 30 31 31 31 38 38 7,5 8,03 8,24 8,83 21 22 22 22 26 27 Viện Khoa học Thủy lợi 20 Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài... Khoa học Thủy lợi 17 Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 + Các bộ phận chính: - Vòi phun, kim phun và bộ phận chuyển tiếp từ ống dẫn - Bánh công tác ua bin - Buồng tua bin + Các tham số cơ bản: - Tỷ số: D1 d0 - Khỏang cách mũi phun đến bánh công tác, chất lợng dòng tia - Chuyển động của dòng tia qua BCT và sau BCT, hệ số co hẹp và giãn nở của dòng... tán đã chỉ ra rằng ma sát nớc và không khí rất nhỏ, có thể qua Những vùng lồi lõm của Viện Khoa học Thủy lợi 28 Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 biểu đồ vận tốc theo biên ông giải thích bởi sự xuất hiện dấu vết của các tầng giới hạn Nhng thực tế dòng tia không thể xem là trơn tuyệt đối Qua nghiên cứu bằng phơng pháp chụp ảnh cho thấy bề mặt của... độ mở Viện Khoa học Thủy lợi 21 Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 của bộ phận hớng dòng khác nhau (hình 15) Sau đó đa lên hình chiếu kinh tuyến của ống dẫn các đờng dòng và các đờng đẳng thế xuất phát từ các giả thiết dòng chảy thế đối xứng Dòng chảy thế theo kinh tuyến đợc xác định bằng phơng pháp đồ giải kết hợp giải tích gần đúng Cơ sở lý . mô hình ra tua bin thực. Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 3 Chơng II. Tổng quan về tua bin tia nghiêng . và phát triển nông thôn viện khoa học thủy lợi báo cáo tổng kết chuyên đề nghiên cứu tua bin nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam thuộc đề tài kc 07.04: nghiên cứu, . Chơng IV. Nghiên cứu thực nghiệm tBTN 43 4.1. Hớng nghiên cứu TBTN. 43 Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 4.1.1.