bộ nông nghiệp và phát triển nông thôn viện khoa học thủy lợi báo cáo tổng kết chuyên đề nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thử nghiệm tua bin thủy điện cột nớc thấp thuộc đề tài kc 07.04: nghiên cứu, lựa chọn công nghệ và thiết bị để khai thác và sử dụng các loại năng lợng tái tạo trong chế biến nông, lâm, thủy sản, sinh hoạt nông thôn và bảo vệ môi trờng Chủ nhiệm chuyên đề: ThS nguyễn vũ việt 5817-2 16/5/2006 hà nội 5/2006 Mục lục Trang Mở đầu 1 Chơng I. Tổng quan về thuỷ điện nhỏ cột nớc thấp. 2 1.1 Phạm vi làm việc của tuabin hớng trục: 2 1.2. Nghiên cứu và sản xuất tua bin hớng trục thủy điện nhỏ của các nớc. 3 1.2.1. Tuabin hớng trục thủy điện nhỏ của Trung Quốc: 3 1.2.2. Tuabin hớng trục thủy điện nhỏ của Tiệp khắc (cũ). 3 1.2.3. Tuabin hớng trục của Liên Xô (cũ). 4 1.2.4. TBHT của hãng Kushiro (Nhật) [34]. 5 1.2.5. TBHT của hãng Toshiba (Nhật) [34]. 6 1.2.6. Gam TBHT của hãng Turboatom (Nga). 8 1.2.7. Gam tuabin hớng trục của hãng Sulzer (Thụy Sĩ ) 9 1.2.8. Một số loại kết cấu đặc biệt khác: 11 1.3. Nghiên cứu và sản suất tuabin hớng trục ở Việt Nam: 14 1.4 Tổng kết về các nghiên cứu TBHT. 16 1.5 Ưu điểm của tổ máy tua bin hớng trục kiểu dòng chảy thẳng trục ngang. 17 1.6 Nhiệm vụ nghiên cứu khoa học của đề tài nhánh. 17 Chơng II. NC lý thuyết thiết kế tbht cột nớc thấp. 19 2.1. Chọn phơng pháp thiết kế tua bin mô hình. 19 2.1.1. Tổng quan về phơng pháp thiết kế tua bin hớng trục. 19 2.1.2. Thiết kế tua bin hớng trục theo phơng pháp phân bố xoáy. 23 2.2. Cơ sở lý thuyết của phơng pháp phân bố xoáy. 25 2.3. Xác định tọa độ đờng nhân profile và xây dựng profile có độ dày: 31 2.4. Xác định phân bố vận tốc và áp suất trên profile cánh: 32 2.5. Đánh giá tổn thất và hiệu suất của tua bin: 37 2.6. Tính toán bánh công tác trên máy vi tính: 42 2.6.1 Chơng trình tính toán thiết kế profile cánh: 42 2.6.2. Tính toán profile cánh theo phơng pháp phân bố xoáy. 43 2.6.3. Xâu cánh (xếp các profile) theo phơng chiếu đứng và phơng chiếu bằng. 46 2.6.4. Chơng trình tính toán phân bố vận tốc và áp suất trên profile cánh. 46 2.6.5 Chơng trình tính toán tổn thất và hiệu suất của bánh công tác: 49 2.7. Kết luận 49 Chơng III. Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm tua bin mô hình. 52 3.1.Chọn kết cấu tổ máy. 52 3.1.1. Tua bin dạng capxun: 52 3.1.2 Tua bin dòng nửa thẳng: 52 3.1.3. Phần dẫn dòng của tua bin thí nghiệm: 53 3.2. Thiết kế BXCT tuabin mô hình. 53 3.2.1. Xác định các thông số của lới cánh và các thành phần vận tốc của dòng chảy qua BCT tua bin (cho mẫu cánh 4K84) 53 3.2.2. Xác định các thông số của lới cánh và các thành phần vận tốc của dòng chảy qua BCT(cho mẫu cánh 9a1). 57 3.2.3. Tính toán, thiết kế profile cánh: 58 3.2.4.Tính toán hiệu suất các mẫu cánh. 60 3.3. Thử nghiệm tua bin mô hình. 62 3.3.1. Đờng đặc tính tổng hợp chính của tua bin và các thông số cần phải đo đạc. 62 3.3.2.Giá thử nghiệm tua bin. 63 3.3.2.1 Mô tả chung hệ thống. 63 3.3.2.2. Các thông số chính của các bộ phận trong hệ thống. 65 3.3.3. Xác định các thông số của tua bin mô hình cột nớc thấp và hệ thống thí nghiệm. 68 3.3.3.1 Chọn đờng kính bánh công tác tua bin mẫu. 68 3.3.3.2 Chọn các thông số chính của hệ thống thí nghiệm. 68 3.3.4. Phơng pháp thực nghiệm Tua bin. 69 3.3.4.1. Các số liệu thực nghiệm. 69 3.3.4.2. Quá trình đo. 70 3.3.4.3. Xử lý dữ liệu thí nghiệm. 70 3.3.4.4 Xử lý bộ dữ liệu. 71 Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột nớc thấp Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thuỷ Lợi 1 Phần mở đầu Việc sử dụng các nguồn năng lợng mới và tái tạo đã và đang đợc nghiên cứu và triển khai ở Việt nam. Năng lợng thuỷ điện có những u điểm nổi bật nh hiệu suất cao, giá thành thấp và đảm bảo vệ sinh môi trờng. Tua bin thuỷ điện là bộ phận quan trọng của trạm thuỷ điện, kiểu loại tua bin phụ thuộc vào điều kiện thuỷ năng nh cột nớc, lu lợng. Các vị trí có điều kiện thuỷ năng thuận lợi với cột nớc địa hình cao cho các trạm thuỷ điện nhỏ đã đợc khai thác nhiều. Còn lại phổ biến là các điểm có cột nớc thấp, lu lợng lớn. Mặt khác xây dựng các trạm thuỷ điện cực nhỏ cột nớc thấp là rất cần thiết phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt và sản xuất của đồng bào vùng núi cao, xa lới điện quốc gia. Từ những năm 1980 trở lại đây đã có nhiều cơ sở sản xuất và nghiên cứu tham gia vào việc thiết kế chế tạo thiết bị thuỷ điện nhỏ. Song kết cấu và các mẫu cánh tua bin cột nớc thấp mới chỉ đợc nghiên cứu rất sơ bộ, chủ yếu là việc sao chép từ các bản vẽ nớc ngoài, nên việc ứng dụng tua bin cột nớc thấp còn rất hạn chế. Xuất phát từ nhu cầu thực tế đó phần đề tài nhánh của đề tài KC07 - 04 đề cập đến các nội dung sau: - Nghiên cứu tổng quan về ứng dụng tua bin cột nớc thấp. Phần này đề cập một cách khái quát đến nhu cầu khai thác năng lợng cột nớc thấp ở nớc ta, tóm tắt quá trình nghiên cứu và ứng dụng các tổ máy cột nớc thấp của các nớc trên thế giới và ở Việt Nam. - Tính toán thiết kế tua bin hớng trục. Trong phần này chúng tôi trình bày cơ sở lý thuyết của phơng pháp thiết kế tua bin hớng trục, đánh giá tổn thất và hiệu suất của tua bin. Cũng nh tổng kết việc áp dụng công cụ máy tính và khai thác các chơng trình tính toán đã đợc thiết lập. - Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm tổ máy thuỷ điện nhỏ cột n ớc thấp. Với mục đích thiết lập một qui trình thiết kế chế tạo tổ máy thuỷ điện cột nớc thấp và đáp ứng nhu cầu cụ thể về tổ máy thuỷ điện cực nhỏ, sau khi phân tích và lựa chọn kết cấu chúng tôi thiết kế cánh bánh xe công tác có ứng dụng phơng pháp tính toán với trợ giúp của máy tính. Các kết quả của việc chế tạo và thử nghiệm tổ máy cho phép kiểm tra đánh giá quá trình tính toán thiết kế tổ máy và kiểm tra khả năng ứng dụng thực tế của tổ máy thuỷ điện nhỏ. Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột nớc thấp Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thuỷ Lợi 2 Chơng I. Tổng quan về thuỷ điện nhỏ cột nớc thấp. 1.1. Phạm vi làm việc của tua bin hớng trục: Để xác định phạm vi làm việc của tuabin hớng trục, trớc hết cần phải phân loại tua bin. Có hai phơng pháp chính để phân loại tuabin hiện nay là: - Phân loại theo cột nớc. - Phân loại theo hệ số tỉ tốc N s . Phân loại tuabin theo cột nớc chỉ đợc áp dụng cho các tổ máy lớn. ở các trạm thủy điện nhỏ việc phân loại tuabin theo N s là hợp lí vì với cùng một cột nớc sẽ có sự trùng lặp các vùng làm việc của các tuabin khác nhau và cách phân loại này thể hiện đặc tính xâm thực, khả năng thoát, khả năng quay nhanh của tuabin. Hệ số tỉ tốc của tua bin hớng trục. Để lựa chọn tua bin thủy lực cần dựa vào các thông số công suất (N), cột nớc (H), số vòng quay (n). Ngời ta dùng N s làm đại lợng đặc trng tổng hợp cho 3 thông số kể trên. Hệ số tỷ tốc N s đợc định nghĩa là số vòng quay của một tuabin mẫu có đờng kính bánh xe công tác D 1 = 1m, làm việc với cột nớc là H=1m và phát ra công suất một mã lực. 4 1 . HHD Nn N S = (1.1) Tính theo các thông số quy dẫn: 1 ' 1 ' .65,3 QnNs = (1.2) Bảng 1. Phân loại tuabin theo tỷ tốc N S STT Loại tuabin Tỷ tốc thấp Tỷ tốc trung bình Tỷ tốc cao 1 Tuabin hớng trục 270 - 500 500 - 750 750 - 1000 2 Tuabin tâm trục 60 - 150 150 - 220 220 - 350 3 Tuabin XK2 lần 42 - 80 80 - 120 120 - 170 4 Tuabin gáo 19 35 60 5 Tuabin tia nghiêng 20 40 70 Nh vậy tuabin hớng trục có tỷ tốc N S nằm trong khoảng từ 270 - 1000v/ph, tuabin hớng trục cột nớc thấp có tỷ tốc N S = 750 - 1000v/ph. Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột nớc thấp Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thuỷ Lợi 3 1.2. Nghiên cứu và sản xuất tua bin hớng trục thủy điện nhỏ của các nớc. 1.2.1. Tua bin hớng trục thủy điện nhỏ của Trung Quốc: Gam tua bin thuỷ điện nhỏ của Tung Quốc bao gồm 5 loại tuabin: ZZ760, ZZ600, ZZ560, ZZ500, ZZ450 có tỷ tốc tơng ứng: 760, 600, 560, 500, 450. Các chỉ tiêu kỹ thuật đợc trình bày trên bảng sau: Bảng .2. Các thông số cơ bản trong gam tua bin hớng trục của Trung Quốc Chế độ tối u Phạm vi cột nớc (m) Kiểu BCT Đờng kính BCT mô hình Chiều cao cánh hớng nớc bo/D1 Tỷ số bầu do/D1 Số lá cánh Z 1 Vòng quay quy dẫn (v/ph) Lu lợng quy dẫn (m 3 /s) Hiệu suất (%) ZD760 250 0,45 0,35 4 3 - 8 ZZ600 195 4 142 1,03 85,5 6 - 15 ZZ560 460 0,40 0,33/0,38 4 140 1,06 89,0 15-22 ZZ560 460 0,40 0,35/0,40 4 140 1,08 88,3 18-30 ZZ500 460 0,40 0,40/0,44 5 128 0,98 89,5 25-40 ZZ450 350 0,375 0,45/0,50 6 120 0,92 90,5 Kết cấu của các loại tua bin ở bảng trên có kết cấu cổ điển là buồng xoắn bê tông hoặc buồng xoắn kim loại, trục đứng, ống hút thẳng hoặc cong. Tua bin hớng trục đợc bổ xung thêm một số mẫu cánh cột nớc thấp. Các thông số cơ bản của tua bin hớng trục kiểu ống đợc nghiên cứu ở Trung Quốc nh bảng 3. Bảng 3 H(m) b/D 1 d b /D 1 Z 1 n 1 ' (v/ph) Q 1 ' (l/s) < 7 0,4 0,35 3 172 - 175 1600 - 2800 < 12 0,35 0,40 4 150 - 155 1300 - 2400 < 18 0,32 0,43 5 135 - 142 1250 - 2000 1.2.2. Tua bin hớng trục thủy điện nhỏ của Tiệp khắc (cũ). Tua bin hớng trục thủy điện nhỏ của Tiệp Khắc chỉ gồm 4 mẫu cánh trong đó Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột nớc thấp Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thuỷ Lợi 4 có hai mẫu cánh dùng cho các loại tuabin có kết cấu trục đứng và trục ngang cổ điển là 4K84 và 4K69, có hai mẫu cánh dùng cho tuabin hớng trục có phần dẫn dòng hình chữ S là 4PK - 10 và 4PK - 26. 1.2.3. Tua bin hớng trục của Liên Xô (cũ). Tua bin hớng trục của Liên Xô năm 1962 cho TĐN, có 3 loại BCT, sử dụng trong phạm vi cột nớc H < 30m. Có số hiệu 70, 510, 587. Sau đó bánh công tác 510 đợc thay thế bởi bánh công tác 20/661, các chỉ tiêu kỹ thuật nh ở bảng 4. Bảng 4 Loại bánh công tác Các chỉ tiêu kỹ thuật 70 510 587 Hệ số tỷ tốc N S 810 670 600 Q I Max (l/s) 2150 1850 1700 b O /D 1 0,415 0,4 0,4 d b /D 1 0,35 0,4 0,45 Phạm vi cột nớc (m) 2 - 7 4 - 16 16 - 30 Phạm vi công suất (KW) 10 - 3000 10 - 5000 5000 Vào những năm thập kỷ 70 - thế kỷ XX Liên Xô (cũ) đã xây dựng gam tua bin hớng trục trục ngang chủ yếu dùng kết cấu capxun bao gồm các mẫu cánh - gaI, - 11a, - 16, - 16 - 1 có các thông số của chế độ tối u nh ở bảng 5: Bảng 5. BXCT N 1 (v/ph) Q 1 (l/s) (%) kp - gaI 173 1680 88,5 1,3 - 11a 175 1550 86,5 1,5 - 16 158 1760 87,5 1,17 - 16 - 1 157 1730 87,5 1,23 Để trình bày rõ hơn những thay đổi trong kết cấu gam TBHT, trong phần này giới thiệu một số hãng tiêu biểu về TĐN sau: Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột nớc thấp Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thuỷ Lợi 5 1.2.4. TBHT của hng Kushiro (Nhật) [34]. Hình 1. Tua bin hớng trục hoàn thiện của hãng Kushiro. Hãng Kushiro đa ra một mẫu kết cấu chung cho tua bin ống dùng cho các trạm thuỷ điện mini và micro. Sản phẩm của hãng dùng công nghệ cao: dùng bộ bánh răng hành tinh để dùng máy phát có vòng quay cao. Toàn bộ tua bin, hộp bánh răng hành tinh và máy phát đợc đặt trong nớc và đợc thể hiện ở hình 2. Hình 2. Cấu tạo cơ bản của tua bin Kushiro. Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột nớc thấp Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thuỷ Lợi 6 Hình 3. Biểu đồ lựa chọn sản phẩm tua bin của hãng Kushiro. Phạm vi làm việc: Cột nớc H 1 ữ 35 m Lu lợng Q 0,3 ữ 15 m 3 /s Công suất P 10 ữ 1000 kW TB này cũng sử dụng 2 loại BCT có phạm vi nh trên, toàn bộ tổ máy đặt trong ống kín, nối trực tiếp vào ống áp lực và ống xả. 1.2.5. TBHT của hng Toshiba (Nhật) [34]. Hình 4. Tua bin hớng trục hoàn thiện của hãng Toshiba. Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột nớc thấp Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thuỷ Lợi 7 Hình 5. Cấu tạo cơ bản của tua bin Toshiba. Hãng Toshiba đa ra mẫu tua bin cáp xun có phần tua bin nằm trong nớc nhng máy phát lại nằm ngoài và dùng đai truyền động. Loại máy này có thể lắp rất linh hoạt, trên bất kỳ một đờng ồng dẫn nớc nào có thế năng. Biểu đồ lựa chọn sản phẩm tua bin của hãng thể hiện trên hình 6 Hình 6. Biểu đồ lựa chọn sản phẩm tua bin của hãng Toshiba. [...]... rất đa dạng: D1 = 1 2, 1 3, 1 5, 1 8, 2 0, 2 5, 3 0, 6 0, 7 5, 8 0, 9 5, Viện khoa học Thuỷ Lợi 15 Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột nớc thấp Đề tài KC07 - 04 10 0, 12 0, 132cm 1.4 Tổng kết về các nghiên cứu TBHT Trong TĐN, TBHT giới hạn trong phạm vi cột nớc H< 20m Trong phạm vi này, tùy theo đặc điểm của tổ máy để xác định tỷ số Ns của BCT khác nhau: Với các loại TB có kết cấu truyền thống... thủy công có sẵn, cấu tạo của phần trạm rất đơn giản Viện khoa học Thuỷ Lợi 13 Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột nớc thấp Đề tài KC07 - 04 Hình 15 TBHT buồng xiphông 1.3 Nghiên cứu và sản suất tuabin hớng trục ở Việt Nam: TBHT đợc chế tạo từ những năm 60 Lúc đầu chỉ là những tua bin hết sức đơn giản, nh tua bin g , tua bin với cánh bằng thép tấm có bề dầy không đổi, hàn với bầu cánh... D1(mm) D.db(mm) 75 0,8 50 95 0,1 060 118 0,1 320 150 0,1 700 190 0,2 120 320 405 500 640 810 Viện khoa học Thuỷ Lợi 12 Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột nớc thấp Đề tài KC07 - 04 2 Tua bin hớng trục kiểu cáp xun buồng hở và buồng xi phông Để sử dụng cho các TTD cột nớc thấp, hãng ESAC (pháp) đa ra ba kiểu kết cấu: TBHT kiểu bóng đèn, buồng hở Phạm vi làm việc: Cột nớc H 1,5 ữ 8m Lu lợng Q 3... profile) đợc chia thành 6 phần bằng nhau và ta sẽ xác định vận tốc cảm ứng tại 7 điểm 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, (- 1, -2/ 3, -1/ 3, 0, +1/ 3, +2/ 3, +1) theo hình dới: Y a = 0 X Hình 18 Sơ đồ phân bố các điểm tính toán trên dây cung profile Viện khoa học Thuỷ Lợi 29 Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột nớc thấp Đề tài KC07 - 04 Thành phần vận tốc V''x đợc xác định theo tích phân D.A.Nepomniaxy:... thực nghiệm để kiểm chứng các kết quả tính toán lý thuyết, từ đó vẽ đợc đờng đặc tính tổng hợp của BCT và xác định đợc ảnh hởng của các thông số kết cấu của BCT đến đặc tính làm việc cuẩ tua bin, cuối cùng đa ra nhận xét vầ kết luận của đề tài nhánh Viện khoa học Thuỷ Lợi 18 Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột nớc thấp Chơng II Đề tài KC07 - 04 Nghiên cứu lý thuyết thiết kế tbht cột. .. trục cột nớc thấp với kết cấu trục ngang với công suất từ 5 đến 200kW Các công việc chính cần phải làm trong thiết k , thử nghiệm tua bin thuỷ lực là: - Nghiên cứu các phơng pháp thiết k , chọn các thông số phù hợp để nâng cao hiệu suất thuỷ lực của cánh công tác - Nghiên cứu thiết kế phần dẫn dòng của tua bin Trong khuôn khổ của đề tài chúng tôi nghiên cứu chọn mẫu phần dẫn dòng tua Viện khoa học Thuỷ. .. chuyển cơ động đợc Kết cấu tổ máy rất gọn nh , dùng máy phát không đồng bộ 3 pha và điều tốc tải giả Đặc tính của tổ máy đợc thể hiện ở hình 8 = Hình 8 Đặc tính của tuabin Turboatom Viện khoa học Thuỷ Lợi 8 Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột nớc thấp Đề tài KC07 - 04 Phạm vi làm việc: Cột nớc H 2 ữ 5m Lu lợng Q 0,1 ữ 4m3/s Công suất P 1,5 ữ 5,5 kW 1.2.7 Gam tuabin hớng trục của hng... 0,1 ữ 2,6 MW Viện khoa học Thuỷ Lợi 10 Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột nớc thấp Đề tài KC07 - 04 Hình 11 Bố trí công trình TBHT do hãng Sulzer chế tạo Bộ truyền đai đợc sử dụng trong phạm vi công suất P < 600KW 1.2.8 Một số loại kết cấu đặc biệt khác: 1 Tua bin ống của hãng Neyrpic(Pháp) Để hạ thấp cao trình lắp máy, nâng cao hiệu suất tổ máy và giảm kích thớc Neyrpic đã đa ra kết... lợi 75 70 4,5 Tên thiết bị Cơ quan sản suất 1 4K - 69 Nhà máy công cụ I 2 30/587 3 CCQ - DK - 25 4 BT - 40 5 6 Viện khoa học Thuỷ Lợi 14 Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột nớc thấp Đề tài KC07 - 04 7 CCQ661 - K - N - 80 80 135 9,5 8 COQ587 - ON - 60 60 80 9 - 12 30 - 10 - 40 2-4 2 - 10 1 - 40 200 6-8 9 10 11 4K84 - H - 3 0,4 0,6 0 Nhiều cơ quan 60 Tuốc bin ống ĐH Bách Khoa và 20 -... của tua bin hớng trục, thực hiện chức năng biến đổi năng lợng của dòng chất lỏng thành cơ năng và điện năng BCT có ảnh hởng quyết định tới hiệu suất và chất lợng của máy Vì vậy thiết kế BCT là 1 khâu rất quan trọng cần phải đợc thực hiện một cách chuẩn xác, khoa học Trong tính toán tua bin hớng trục thờng thừa nhận mặt dòng đối xứng trục là Viện khoa học Thuỷ Lợi 23 Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử . bình: 20/66 1, 4K - 69. - Nhóm tỷ tốc thấp: 30/587. Các cấp BCT rất đa dạng: D 1 = 1 2, 1 3, 1 5, 1 8, 2 0, 2 5, 3 0, 6 0, 7 5, 8 0, 9 5, Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột nớc thấp Đề. khoa học thủy lợi báo cáo tổng kết chuyên đề nghiên cứu, thiết k , chế tạo thử nghiệm tua bin thủy điện cột nớc thấp thuộc đề tài kc 07.04: nghiên cứu, lựa chọn công nghệ và thiết. 75 0,8 50 95 0,1 060 118 0,1 320 150 0,1 700 190 0,2 120 D.db(mm) 320 405 500 640 810 Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột nớc thấp Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thuỷ Lợi 13 2. Tua bin