Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí động lực: Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số hình học của bánh công tác đến đặc tính làm việc của máy thuận nghịch bơm – tuabin ns thấp

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:129

Thêm vào BST

Báo xấu

49
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn nghiên cứu nhằm 3 mục tiêu chính: Đưa ra cơ sở tính toán thiết kế bánh công tác thuận nghịch cho máy PaT có ns thấp (trong khoảng 90-150) trên cơ sở lý thuyết hiện có; đưa ra dạng thiết kế cánh BCT có các thông số hình học phù hợp với khả năng làm việc ở hai chế độ bơm và tuabin; áp dụng để phân tích dạng máy PaT tại Việt Nam.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí động lực: Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số hình học của bánh công tác đến đặc tính làm việc của máy thuận nghịch bơm – tuabin ns thấp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN THỊ NHỚ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ HÌNH HỌC CỦA BÁNH CÔNG TÁC ĐẾN ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC CỦA MÁY THUẬN NGHỊCH BƠM – TUABIN nS THẤP LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Hà Nội – 2019
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN THỊ NHỚ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ HÌNH HỌC CỦA BÁNH CÔNG TÁC ĐẾN ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC CỦA MÁY THUẬN NGHỊCH BƠM – TUABIN nS THẤP Ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực Mã số: 9520116 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. TRƯƠNG VIỆT ANH 2. TS. VŨ VĂN TRƯỜNG Hà Nội – 2019
LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và chưa được ai công bố trên bất kỳ tài liệu nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Hà nội, ngày …….tháng ....năm 2019 Tập thể hướng dẫn khoa học Nghiên cứu sinh Nguyễn Thị Nhớ
LỜI CẢM ƠN Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS. Trương Việt Anh và TS. Vũ Văn Trường đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn và giúp đỡ tác giả trong suốt thời gian thực hiện và hoàn thành luận án. Tác giả xin chân thành cảm ơn đến các cấp lãnh đạo của Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Phòng Đào tạo, Viện Cơ khí Động lực, Bộ môn Máy và Tự động thủy khí, các thầy, cô giáo và các bạn đồng nghiệp đã tạo điều kiện thuận lợi, chia sẻ, tư vấn cho tác giả trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận án. Tác giả xin chân thành cảm ơn đến các cấp lãnh đạo của Trường Đại học Thủy Lợi, Bộ môn Thủy điện và Năng lượng tái tạo, các thầy, cô giáo và các bạn đồng nghiệp đã tạo điều kiện thuận lợi, chia sẻ, tư vấn cho tác giả trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận án. Tác giả xin trân trọng cảm ơn các nhà khoa học, các cơ quan đã tạo điều kiện cung cấp các thông tin và tài liệu cần thiết, giúp đỡ tác giả trong quá trình nghiên cứu, thực hiện luận án. Tác giả xin chân thành cảm ơn đến tập thể lãnh đạo, anh em nhân viên kỹ thuật, công nhân của Công ty CP chế tạo bơm Hải Dương đã giúp đỡ tận tình trong quá trình thực hiện luận án và có nhiều góp ý, hỗ trợ rất quý báu về thiết kế, chế tạo cũng như thử nghiệm các máy mẫu trong luận án. Cuối cùng tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè, người thân đã luôn là chỗ dựa vững chắc cả về vật chất và tinh thần trong suốt quá trình nghiên cứu đến khi hoàn thành bản luận án này. Nghiên cứu sinh Nguyễn Thị Nhớ
MỤC LỤC MỞ ĐẦU .................................................................................................................. 14 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MÁY THỦY LỰC THUẬN NGHỊCH BƠM– TUABIN ................................................................................................................... 19 1.1 Giới thiệu chung về bơm–tuabin ..................................................................... 19 1.1.1 Lịch sử phát triển của bơm–tuabin trong thủy điện tích năng .................... 19 1.1.2 Các loại bơm phù hợp cho vận hành tuabin – phạm vi ứng dụng .............. 22 1.1.3 Cấu tạo bơm - tuabin loại ly tâm – tâm trục ............................................... 22 1.2 Tình hình nghiên cứu PaT trên thế giới ......................................................... 24 1.2.1 Vấn đề 1: Lựa chọn vùng làm việc của bơm và tuabin - tỷ số cột áp và lưu lượng tại điểm hiệu suất lớn nhất ......................................................................... 24 1.2.2 Vấn đề 2: Dự báo đặc tính năng lượng của bơm–tuabin khi hoạt động ở chế độ bơm và tuabin .................................................................................................. 26 1.2.3 Vấn đề 3: Lý thuyết trong thiết kế bánh công tác cho máy thuận nghịch PaT .............................................................................................................................. 27 1.2.4 Vấn đề 4: Ảnh hưởng của một số thông số hình học bánh công tác đến đặc tính vận hành của bơm và tuabin ......................................................................... 29 1.3 Tình hình nghiên cứu, thiết kế và sử dụng PaT ở Việt Nam ........................ 31 1.4 Kết luận chương 1............................................................................................. 32 CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT KẾ BÁNH CÔNG TÁC THUẬN NGHỊCH BƠM-TUABIN....................................................................... 35 2.1 Cơ sở lý thuyết để dự báo đặc tính của bơm - tuabin khi vận hành trong chế độ của bơm và tuabin ............................................................................................. 35 2.1.1 Tính toán cột nước lý thuyết- Hth ................................................................ 35 2.1.1.1 Cột nước lý thuyết của bánh công tác trong chế độ bơm .................... 38 2.1.1.2 Cột nước lý thuyết của bánh công tác trong chế độ tuabin ................. 38 2.1.2 Tính toán các thành phần tổn thất- hloss ....................................................... 39 2.1.2.1 Cột nước tổn thất thủy lực trong bánh công tác của chế độ bơm ........ 41 2.1.2.2 Xác định tổn thất qua bánh công tác trong chế độ tuabin.................... 45 2.1.3 Cột nước tổn thất thủy lực trong các bộ phận dẫn dòng ............................. 46 2.1.4 Hiệu suất toàn tổ máy.................................................................................. 48 1
2.2 Cơ sở lý thuyết trong thiết kế bánh công tác thuận nghịch bơm-tuabin .... 50 2.2.1 Cơ sở lý thuyết thiết kế bơm ly tâm và tuabin tâm trục .............................. 50 2.2.2 Đề xuất phương pháp thiết kế và mẫu biên dạng cánh bánh công tác thuận nghịch bơm tuabin trong nghiên cứu ................................................................... 50 2.2.2.1 Phương pháp thiết kế ........................................................................... 50 2.2.2.2 Đề xuất mẫu biên dạng cánh trong nghiên cứu ................................... 52 2.2.2.3 Quy trình thiết kế bánh công tác thuận nghịch bơm tuabin ................. 54 2.3 Thiết kế mặt cắt kinh tuyến - Phân tích ảnh hưởng của một số thông số hình học chính đến chất lượng thủy lực của vận hành chế độ bơm và tuabin .......... 56 2.3.1 Xác định các thông số đầu vào.................................................................... 56 2.3.2 Mục tiêu và các giả thiết thiết kế ................................................................ 56 2.3.3 Ảnh hưởng của đường kính D1, D2 ............................................................. 57 2.3.4 Ảnh hưởng góc tới δ và góc đặt cánh β1B.................................................... 58 2.3.5 Ảnh hưởng của góc đặt cánh β2B ................................................................. 60 2.3.6 Ảnh hưởng của số cánh Z ............................................................................ 61 2.3.7 Đánh giá chung kết quả khảo sát một số thông số mặt cắt cửa vào, cửa ra và mặt cắt kinh tuyến ................................................................................................ 62 2.4 Thiết kế biên dạng cánh - Phân tích ảnh hưởng của biên dạng cánh đến hiệu suất của PaT ............................................................................................................ 63 2.4.1 Lựa chọn bộ thông số đầu vào của mặt cắt kinh tuyến ............................... 63 2.4.2 Thiết kế ba phương án biên dạng cánh ....................................................... 64 2.4.3 Đánh giá chất lượng thủy lực của 3 mẫu cánh bằng mô phỏng số ............. 65 2.4.3.1 Thiết lập bài toán mô phỏng 2D .......................................................... 65 2.4.3.2 Kết quả đánh giá 3 mẫu cánh ............................................................... 68 2.4.3.3 So sánh mô hình cánh thiết kế với mẫu cánh thông thường ................ 71 2.4.4 Đánh giá chất lượng xâm thực của mẫu cánh thiết kế và đề xuất hiệu chỉnh biên dạng cánh...................................................................................................... 72 2.5 Cơ sở lý thuyết trong thiết kế các bộ phận dẫn dòng .................................... 74 2.5.1 Lý thuyết thiết kế buồng xoắn trong mô hình bơm và tuabin ..................... 74 2.5.2 Tính toán thiết kế cột trụ và cánh hướng .................................................... 74 2.5.3 Thiết kế ống hút (ống xả) ............................................................................ 75 2
2.6 Kết luận chương 2............................................................................................. 76 CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH DÒNG CHẢY TRONG TỔ MÁY BƠM –TUABIN BẰNG MÔ PHỎNG 3D ............................................................ 77 3.1 Thiết lập bài toán mô phỏng 3D ở chế độ dừng ............................................. 77 3.1.1 Lựa chọn mô hình rối và mô hình quay ...................................................... 77 3.2 Chia lưới ............................................................................................................ 77 3.3 Các điều kiện biên ............................................................................................ 78 3.4 Các kết quả trong chế độ bơm......................................................................... 79 3.5 Kết quả trong chế độ tuabin ............................................................................ 84 3.6 Đánh giá phân bố tổn thất trong chế độ bơm và tuabin ............................... 86 3.7 Đánh giá ảnh hưởng của cột trụ đến hiệu suất của máy PaT ...................... 89 3.8 Kết luận chương 3............................................................................................. 90 CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM MÔ HÌNH BƠM – TUABIN THUẬN NGHỊCH .................................................................................................. 92 4.1 Giới thiệu về hệ thống thử nghiệm của Công ty CP chế tạo bơm Hải Dương .................................................................................................................................. 92 4.2 Các thông số hình học của tổ máy thí nghiệm ............................................... 93 4.3 Thiết lập sơ đồ và phương án thí nghiệm chế độ bơm .................................. 94 4.3.1 Sơ đồ và các thành phần thí nghiệm ........................................................... 94 4.3.2 Quy trình thử nghiệm .................................................................................. 96 4.3.3 Kết quả và thảo luận các kết quả trong vận hành bơm ............................... 98 4.3.3.1 Đánh giá các đường cong năng lượng ................................................. 98 4.3.3.2 So sánh với các nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng ............................ 99 4.4 Thiết lập sơ đồ và phương án thí nghiệm tuabin......................................... 100 4.4.1 Sơ đồ thí nghiệm ....................................................................................... 100 4.4.2 Quy trình thử nghiệm ................................................................................ 102 4.4.3 Kết quả và thảo luận trong vận hành chế độ tuabin .................................. 103 4.4.3.1 Đánh giá các đường cong năng lượng ............................................... 103 4.4.3.2 So sánh với các tính toán lý thuyết .................................................... 105 3
4.5 Đánh giá ảnh hưởng của độ mở cánh hướng đến vận hành bơm và tuabin ................................................................................................................................ 106 4.5.1 Đánh giá vùng làm việc của bơm và tuabin .............................................. 108 4.5.2 Đánh giá tỷ lệ về cột nước và lưu lượng tại điểm BEP............................. 111 4.6 Xác định và đánh giá sai số đo ...................................................................... 112 4.6.1 Công thức tính toán sai số ......................................................................... 112 4.6.2 Tính toán và đánh giá sai số của nghiên cứu ............................................ 114 4.7 Kết luận chương 4........................................................................................... 116 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 117 TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................... 120 4
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Thống kê một số trạm thủy điện tích năng lớn trên thế giới sử dụng máy bơm –tuabin thuận nghịch ........................................................................................ 22 Bảng 1.2 Tổng hợp các kết quả nghiên cứu để dự đoán điểm làm việc của PaT ... 25 Bảng 1.3 Bảng tổng hợp đánh giá các kết quả nghiên cứu ..................................... 26 Bảng 1.4 Danh mục các dự án Thủy điện tích năng giai đoạn 2011-2030 .............. 32 Bảng 2.1 Bảng tổng các thành phần tổn thất trong hệ thống PaT ............................ 41 Bảng 2.2 Bảng tóm tắt quá trình khảo sát ảnh hưởng của Z đến đặc tính năng lượng của PaT trong chế độ bơm (chế độ tuabin làm tương tự) ......................................... 52 Bảng 2.3 Các thông số hình học chính của bánh công tác thuận nghịch PaT .......... 62 Bảng 2.4 Đánh giá sự hiệu chỉnh các thông số hình học trong máy thuận nghịch bơm -tuabin so với bơm và tuabin độc lập ....................................................................... 62 Bảng 2.5 Các thông số hình học chính của BCT...................................................... 64 Bảng 2.6 Các thông số hình học của BCT sau khi đã hiệu chỉnh sang cánh không gian .................................................................................................................................. 73 Bảng 3.1 Các thông số lưới ...................................................................................... 78 Bảng 3.2 Đánh giá ảnh hưởng của cột trụ đến tổn thất của tổ máy.......................... 90 Bảng 4.1 Các thông số năng lượng của tổ máy thiết kế ........................................... 93 Bảng 4.2 Các thông số hình học của BCT................................................................ 93 Bảng 4.3 Các thành phần thiết bị phục vụ thí nghiệm ............................................. 95 Bảng 4.4 Chênh lệch tính toán giữa lý thuyết và thực nghiệm chế độ bơm .......... 100 Bảng 4.5 Các thành phần thiết bị phục vụ thí nghiệm tuabin ................................ 102 Bảng 4.6 Chênh lệch tính toán giữa lý thuyết và thực nghiệm trong chế độ tuabin ................................................................................................................................ 105 Bảng 4.7 Thống kê các kết quả của bơm và tuabin tại điểm BEP của ba phương án độ mở cánh hướng ....................................................................................................... 106 Bảng 4.8 Dung sai các thông số khảo nghiệm máy bơm ....................................... 114 5
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Các loại máy dùng cho nhà máy thủy điện tích năng ................................ 19 Hình 1.2 Sự phát triển của máy bơm – tuabin một cấp [4] ...................................... 21 Hình 1.3 Mặt cắt ngang mô hình bơm – tuabin dạng ly tâm –francis ..................... 23 Hình 1.4 So sánh đường kính D2 và số cánh Z giữa bơm và tuabin ........................ 23 Hình 1.5 Tiêu chuẩn chọn điểm tính toán trong mô hình PaT ................................. 25 Hình 1.6 Thuật toán thiết kế cánh bánh công tác ..................................................... 28 Hình 1.7 Mặt Pareto cho các kết quả tối ưu ............................................................. 28 Hình 1.8 Phân bố áp lực ........................................................................................... 28 Hình 1.9 Đường cong phụ tải cân bằng do thuỷ điện tích năng ............................... 31 Hình 2.1 Chú giải một số ký hiệu và quy ước vị trí trong luận án ........................... 35 Hình 2.2 Ảnh hưởng của yếu tố trượt....................................................................... 36 Hình 2.3 Tam giác tốc độ tại mặt cắt cửa vào và ra của bánh công tác bơm .......... 38 Hình 2.4 Xác định góc dòng chảy α2, ứng dụng cho PaT có cánh hướng............... 39 Hình 2.5 Các khối vùng tính toán tốn thất trong PaT............................................... 40 Hình 2.6 Tách thành do va đập đầu cánh ................................................................. 44 Hình 2.7 Tổn thất phân tán do ảnh hưởng của độ loe hoặc côn của cánh ................ 44 Hình 2.8 Cân bảng công suất của hệ thống PaT. ...................................................... 49 Hình 2.9 Mô hình lý thuyết trong thiết kế bánh công tác thuận nghịch PaT ........... 51 Hình 2.10 Đặc tính biên dạng cánh bơm-tuabin thuận nghịch ................................. 52 Hình 2.11 Dạng hình học của đường nhân prophin cánh ......................................... 53 Hình 2.12 Quy trình thiết kế BCT thuận nghịch PaT ............................................... 55 Hình 2.13 Ảnh hưởng của D2 đến đến hiệu suất, công suất và cột nước của chế độ bơm và tuabin tại điểm thiết kế ................................................................................ 57 Hình 2.14 Ảnh hưởng của của D2 trong vận hành chế độ bơm và tuabin ................ 58 Hình 2.15 Ảnh hưởng của 1B đến hiệu suất, công suất và cột nước của chế độ bơm và tuabin tại điểm thiết kế ........................................................................................ 59 Hình 2.16 Ảnh hưởng của của 1B trong vận hành chế độ bơm và tuabin ............... 59 6
Hình 2.17 Ảnh hưởng của 2B đến hiệu suất, công suất và cột nước của chế độ bơm và tuabin tại điểm thiết kế ........................................................................................ 60 Hình 2.18 Ảnh hưởng của số cánh Z đến hiệu suất, công suất và cột nước của chế độ bơm và tuabin tại điểm thiết kế ................................................................................ 61 Hình 2.19 Các quy luật phân bố của góc đặt cánh ................................................... 64 Hình 2.20 So sánh ba mẫu biên dạng cánh khảo sát ................................................ 65 Hình 2.21 Hình học và các điều kiện biên................................................................ 68 Hình 2.22 Phân bố trường dòng của 3 mẫu cánh ..................................................... 68 Hình 2.23 Phân bố động năng rối của 3 mẫu cánh. (a) mô hình bơm, (b) mô hình tuabin ........................................................................................................................ 69 Hình 2.24 So sánh hiệu suất của 3 mẫu cánh. P là kết quả của mô hình bơm, T là kết quả của mô hình tuabin, PaT là kết quả trung bình của bơm và tuabin ................... 70 Hình 2.25 So sánh đặc tính thủy lực của mẫu cánh cong đối xứng và cánh thông thường ....................................................................................................................... 71 Hình 2.26 Phân bố tỷ lệ pha trong mô hình bơm theo thời gian ............................. 72 Hình 2.27 Điều chỉnh biên dạng mép vào của cánh BCT ....................................... 72 Hình 2.28 Kết quả mô phỏng 3D của mô hình bơm sau khi đã điều chỉnh hình học .................................................................................................................................. 72 Hình 2.29 Thông số hình học chính của bánh xe công tác bơm – tuabin thuận nghịch .................................................................................................................................. 73 Hình 3.1 Toàn bộ khối hình học của hệ thống PaT .................................................. 77 Hình 3.2 Lưới tính toán tại một số vùng tiêu biểu ................................................... 78 Hình 3.3 Điều kiện biên cho mô phỏng PaT ............................................................ 79 Hình 3.4 (a) Sự phân bố đường dòng trong vùng bánh công tác và cánh hướng. Sự phân bố vận tốc tại một máng dẫn của vùng bánh công tác ..................................... 79 Hình 3.5 Sự phân bố vận tốc tại các mặt cắt dọc theo bề rộng cánh trong vùng bánh công tác ..................................................................................................................... 80 Hình 3.6 Sự phân bố áp suất dọc theo biên dạng cánh tại các mặt cắt dọc theo bề rộng cánh trong vùng bánh công tác. ................................................................................ 80 Hình 3.7 Sự phân bố áp suất tại mặt cắt 50% bề rộng cánh cho vùng bánh công tác và cánh hướng. Ps là áp suất tĩnh. ................................................................................. 81 7
Hình 3.8 Phân bố các thành vận tốc W và Cm dọc theo máng cánh tại vị trí lát cắt trung bình 50% tại điểm thiết kế .............................................................................. 82 Hình 3.9 Trường dòng chảy qua khu vực cánh hướng và cột trụ ............................. 82 Hình 3.10 Sự phân đường dòng và áp suất trong toàn hệ thống PaT ở chế độ bơm 82 Hình 3.11 Đặc tính năng lượng của PaT ở chế độ bơm ........................................... 83 Hình 3.12 Phân bố áp suất dọc theo lá cánh và trong hệ thống tuabin .................... 84 Hình 3.13 Phân bố đường dòng trong hệ thống tuabin ............................................ 84 Hình 3.14 Phân bố đường dòng và vận tốc trong máng cánh BCT và cánh van tuabin .................................................................................................................................. 85 Hình 3.15 Phân bố chi tiết véctơ vận tốc tại lối ra của chế độ tuabin ...................... 85 Hình 3.16 Phân bố áp suất (tải trọng cánh) dọc theo lá cánh ................................... 86 Hình 3.17 Đặc tính năng lượng của PaT ở chế độ tuabin ........................................ 86 Hình 3.18 Đánh giá tổn thất trong chế độ bơm ....................................................... 87 Hình 3.19 Đánh giá tổn thất trong chế độ tuabin .................................................... 87 Hình 4.1 Các thông số hình học của bộ phận dẫn dòng ........................................... 94 Hình 4.2 Sơ đồ thí nghiệm bơm ............................................................................... 95 Hình 4.3 Hệ thống thí nghiệm bơm .......................................................................... 95 Hình 4.4 Kết quả thí nghiệm các đường cong đặc tính bơm với phương án độ mở 10mm cánh hướng, số vòng 600 vòng/phút ............................................................. 98 Hình 4.5 So sánh đường đặc tính của bơm giữa lý thuyết, mô phỏng CFD và thực nghiệm, Phương án độ mở a02=10mm ...................................................................... 99 Hình 4.6 Sơ đồ thí nghiệm tuabin........................................................................... 100 Hình 4.7 Hệ thống thí nghiệm tuabin ..................................................................... 101 Hình 4.8 Đường cong đặc tính của PaT khi vận hành trong chế độ tuabin, phương án độ mở a02=10mm .................................................................................................... 104 Hình 4.9 So sánh các đường cong đặc tính của tuabin giữa lý thuyết và thực nghiệm, phương án độ mở a02=10mm. ................................................................................. 105 Hình 4.10 Ảnh hưởng của độ mở cánh hướng đến đặc tính của bơm với các phương án độ mở cánh hướng 5mm; 10mm và 15mm ........................................................ 106 Hình 4.11 Ảnh hưởng của độ mở cánh hướng đến đặc tính của tuabin với các phương án độ mở cánh hướng 5mm; 10mm và 15mm ........................................................ 107 8
Hình 4.12 Xác định góc mở cánh hướng ................................................................ 108 Hình 4.13 Vùng vận hành của bơm và tuabin với phương án độ mở a01=5mm..... 108 Hình 4.14 Vùng vận hành của bơm và tuabin với phương án độ mở a02=10mm... 109 Hình 4.15 Vùng vận hành của bơm và tuabin với phương án độ mở a03=15mm... 109 Hình 4.16 Đánh giá tỷ lệ lưu lượng tại điểm BEP giữa tuabin và bơm ................. 111 Hình 4.17 Đánh giá tỷ lệ cột nước tại điểm BEP giữa tuabin và bơm ................... 111 9
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký Thông số Đơn vị Công thức hiệu A Diện tích m2 A = Db ao Độ mở cánh hướng nước m b Chiều rộng máng dẫn m C Vận tốc tuyệt đối m/s c = cm2 + c22 Cu Thành phần vận tốc quay của m/s cm cu = vận tốc tuyệt đối tan  Cm Thành phần kinh tuyến của vận m/s Q cm = tốc tuyệt đối Am D, d Đường kính m e Độ dày lá cánh m f Tần số dòng điện Hz g Gia tốc trọng trường m/s2 9,81 H Cột nước m h Tỷ lệ cột nước h= HT HP hbend Tổn thất tại những vị trí uốn m cong hcas Tổn thất thủy lực buồng xoắn m hcir Tổn thất dòng xoáy m hdif Tổn thất phân tán do dòng loe m (dòng côn) và độ dày của cánh hdisk Tổn thất ma sát đĩa trong BCT m hdr Tổn thất thủy lực trong ống hút m hfr Tổn thất ma sát của dòng chất m lỏng với cánh dẫn hgc Tổn thất co hẹp từ từ (chế độ m tuabin) hge Tổn thất mở rộng từ từ (chế độ m bơm) him Tổn thất thủy lực trong bánh m công tác hin Tổn thất va đập đầu cánh m 10
hleg Tổn thất lưu lượng trong các m khe rãnh hrec Tổn thất dòng quẩn m hse Tổn thất mở rộng đột ngột m hsc Tổn thất co hẹp đột ngột m hspa Tổn thất thủy lực vùng khoảng m trống hvan Tổn thất thủy lực cánh hướng m Hs Độ sâu hút m K3 Mô men vận tốc của dòng chảy K3 = c3u.R3 ở lối vào buồng xoắn Kcas Hệ số buồng xoắn L Độ dài bình quân lá cánh m n Số vòng quay đồng bộ v/p ns Số vòng quay đặc trưng p Áp suất Pa P Công suất kW Q Lưu lượng m3/h/ (m3/s) Qleg Tổn thất rò rỉ m3/s q Hệ số lưu lượng q= QT QP R Bán kính m Re Hệ số Reynolds U Vận tốc quay m/s Dn u= 60 W Vận tốc tương đối m/s w = c m2 + (u − cu ) 2 Z Số cánh của BCT  Góc giữa véctơ vận tốc quay và độ cm  = arctan vận tốc tuyệt đối cu B Góc đặt cánh độ cm  B = arctan u − cu  'B Góc dòng chảy, hợp giữa vộctơ độ c1m 1 1 ' = arctan vận tóc tương đối và quay u1 − c1u i’ Góc lệch mép vào độ i1 ' = 1B − 1 ' 11
 Góc lệch mép ra độ  =  2B −  2  Hệ số dòng chảy độ c1m 1 = u1  Hệ số trượt  sin  B   = f 1 1 − K  0.7 Z La  w   Kw Yếu tố trượt  d * −  Lim  3 k w = 1 −  m    1 −  Lim   8.16 sin    Lim = exp − B   Z  d1m* ≤  Lim thì Kw =1 f1 =0,98 với bơm ly tâm  Hệ số tổn thất cục bộ λ Hệ số tổn thất dọc đường h Hiệu suất thủy lực % vol Hiệu suất thể tích % m Hiệu suất cơ khí %  Độ nhớt động lực s/m2  Khối lượng riêng của chất lỏng kg/m3 φ Góc buồng xoắn  Hệ số chèn dòng   −1 Ze  = 1 −   D sin  B sin   θ Góc ôm cánh  Hệ số khí thực Các chỉ số 0 Vị trí ngay trước khi vào bánh công tác 1 Vị trí cửa vào BCT 2 Vị trí cửa ra BCT 3 Vị trí ngay sau mép ra bánh công tác (cánh hướng) 4 Vị trí cột trụ và buồng xoắn 5 Vị trí cửa ra ống hút Ave Giá trị trung bình 12
B Cánh BEP Điểm tốt nhất (về mặt hiệu suất) m Kinh tuyến Loss Tổn thất Net Thực tế (sau khi trừ tổn thất) u Thành phân quay h Thủy lực max Lớn nhất min Nhỏ nhất P Bơm T Tuabin Theo Lý thuyết ∞ Điều kiện lý tưởng, cánh nhiều vô cùng. Các chữ cái viết tắt Pump as turbine PaT Bánh công tác BCT Nhà máy thuỷ điện tích năng NMTĐTN Trạm thủy điện TTĐ 13
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Bơm–tuabin (Pump as Turbine, được viết tắt là PaT) là thiết bị thủy lực vừa có khả năng làm việc như bơm và tuabin, được dùng trong các trạm thủy điện tích năng. Công trình thuỷ điện tích năng tích năng lượng nước khi nhu cầu điện thấp vào ban đêm và sử dụng nguồn năng lượng tích được này để đáp ứng nhu cầu phủ đỉnh. Do đó, nó có thể điều chỉnh cân bằng giữa cung cấp - nhu cầu và giảm đi khoảng cách giữa nhu cầu đỉnh và nhu cầu thấp điểm. Xét về mặt kinh tế, thuỷ điện tích năng phù hợp với việc cung cấp điện đỉnh biểu đồ phụ tải trong khi nhiệt điện than và điện nguyên tử phù hợp với việc cấp điện ở thân và gốc của biểu đồ. Theo đó thuỷ điện tích năng là phương án thay thế có tính kinh tế nhất cho nguồn cấp điện ở đỉnh sơ đồ phụ tải. Theo quyết định số 428/QĐ-TTg ngày 18/03/2016 của Thủ tướng Chính phủ “Phê duyệt điều chỉnh Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2011 - 2020 có xét đến năm 2030” thì công trình TĐTN đầu tiên Bác Ái 1,2 sẽ được đưa vào vận hành năm 2023 với công suất lắp máy mỗi tổ là 300 MW. Sau đó, vào năm 2025, TĐTN Bác ái 3,4 sẽ tiếp tục được đưa vào vận hành. Từ năm 2028 đến 2030 sẽ lần lượt là các trạm TĐTN Đông Phù Yên 1, 2, và 3 cũng với công suất mỗi tổ là 300MW. Trước tình hình đó, việc nghiên cứu các thiết bị thủy lực để phục vụ cho vận hành các công trình TĐTN là cấp bách. Tuy nhiên, những thiết bị chính như tuabin, bơm hay bơm- tuabin thuận nghịch và động cơ máy phát thông thường phải nhập khẩu từ nước ngoài, điều này làm tăng chi phí cho dự án. Vì vậy, việc nghiên cứu để lựa chọn, thiết kế và chế tạo những trang thiết bị đó là cần thiết để nâng cao hiệu quả kinh tế của dự án, đồng thời có thể chủ động về mặt công nghệ. Thế giới đã công bố rất nhiều nghiên cứu về bánh công tác thuận nghịch bơm- tuabin. Các nghiên cứu đó đã sử dụng nhiều mô hình toán khác nhau, các kỹ thuật mô phỏng và thực nghiệm để dự báo các đặc tính năng lượng khi bơm vận hành thuận nghịch cũng như các kết quả trong quá trình thiết kế và cải tiến biên dạng cánh. Kết quả cho thấy các máy thuận nghịch đã có thể làm việc lên đến 700m cột nước, công suất trên 500MW và hiệu suất thủy lực trung bình máy đạt tới 91%. Tuy nhiên, các vấn đề trên vẫn còn là thách thức do đặc điểm phức tạp của vấn đề nghiên cứu, đó là: (1) Lý thuyết thiết kế và đặc tính thủy lực của máy chưa được công bố đầy đủ, rõ ràng, không thể áp dụng với đặc thù của từng máy; (2) Đa số các kết quả trên thế giới về loại máy này đều được thực hiện bằng mô phỏng số và thực nghiệm. Tuy nhiên, việc nghiên cứu thử nghiệm ở Việt Nam có nhiều khó khăn. Như vậy, tính chính xác để dự báo đặc tính năng lượng của máy PaT trong cả hai mô hình bơm và tuabin và lý thuyết để tính toán thiết kế các thông số hình học và biên dạng cánh là hai thách thức lớn đối với việc thiết kế, chế tạo tổ máy PaT ở Việt Nam. Để đáp ứng nhu cầu 14
thực tiễn, luận án chọn đề tài:“Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số hình học của bánh công tác đến đặc tính làm việc của máy thuận nghịch bơm–tuabin ns thấp”. Luận án sẽ tập trung giải quyết hai vấn đề lớn ở trên theo các điều kiện và giả thiết cho một mô hình máy cụ thể của đề tài. 2. Mục tiêu nghiên cứu của Luận án Luận án đưa ra ba mục tiêu gồm: (1) Đưa ra cơ sở tính toán thiết kế bánh công tác thuận nghịch cho máy PaT có ns thấp (trong khoảng 90-150) trên cơ sở lý thuyết hiện có. (2) Đưa ra dạng thiết kế cánh BCT có các thông số hình học phù hợp với khả năng làm việc ở hai chế độ bơm và tuabin. (3) Áp dụng để phân tích dạng máy PaT tại Việt Nam. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3.1 Phạm vi nghiên cứu Theo bảng danh mục các dự án Thủy điện tích năng giai đoạn 2011-2030 có điều chỉnh thì sẽ chỉ còn bảy phương án TĐTN có khả năng được xây dựng với tổng công suất lắp máy là 2100MW. Cũng theo quy hoạch, đây đều là các trạm TĐTN có công suất lắp máy là 300MW và cột nước cao. Dựa vào các thông số tính toán sơ bộ về cột nước, lưu lượng và công suất dự kiến, bảy phương án TĐTN (bao gồm TTDTN Bắc Ái phương án 1,2,3,4 và Đông Phù Yên phương án 1,2) đều cho thấy đây đều là các trạm có số vòng quay đặc trưng ns của thiết bị thủy lực dao động từ 90 đến 150. Vì vậy, tác giả lực chọn phạm vi nghiên cứu của luận án là các máy PaT có ns từ 90 đến 150 phù hợp với tình hình thực tế nghiên cứu ở Việt Nam. 3.2 Đối tượng nghiên cứu Bánh công tác là bộ phận quan trọng nhất, quyết định hiệu quả làm việc của máy thủy lực PaT. Do đó, đối tượng nghiên cứu của luận án là thiết kế chế tạo và nghiên cứu thử nghiệm một máy PaT có ns thấp. 4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu Tác giả sử dụng phương pháp nghiên cứu, tính toán lý thuyết kết hợp với phương pháp mô phỏng số động lực học dòng chảy CFD và thực nghiệm để giải quyết các mục tiêu đã nêu của luận án. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 5.1 Ý nghĩa khoa học của đề tài (1) Đề xuất được phương pháp tiếp cận khoa học trong nghiên cứu để dự báo các 15
đặc tính năng lượng (cột nước (H), công suất (P) và hiệu suất (η)) của máy PaT làm việc ở chế độ bơm và tuabin. (2) Trên cơ sỏ lý thuyết truyền thống về thiết kế các thông số hình học của bánh công tác bơm và tuabin. Luận án đã đề xuất được phương pháp tính toán thiết kế biên dạng cánh bánh công tác thuận nghịch PaT có sự cân nhắc về đặc tính thủy lực cho cả bơm và tuabin. (3) Kết hợp phương pháp tính toán mô phỏng số và thực nghiệm để đánh giá, kiểm chứng hiệu quả trên cơ sở các đề xuất từ lý thuyết. 5.2 Ý nghĩa thực tiễn (1) Với định hướng phát triển của các trạm thủy điện tích năng trong tương lai đã được Chính phủ phê duyệt, luận án đã đi theo đúng chiến lược phát triển và khai thác nguồn tài nguyên nước ở Việt Nam. Luận án đã đi vào giải quyết các vấn đề mang tính cấp thiết và thời sự, nâng cao hiệu quả kinh tế cho xã hội. (2) Phương pháp luận, phương pháp tính toán, phương pháp đánh giá và phương pháp thiết kế của luận án có giá trị hữu ích cho các kỹ sư trong nước có thể chủ động hơn trong thiết kế bơm–tuabin thuận nghịch nói riêng và máy cánh nói chung. (3) Đưa ra các giải pháp công nghệ giúp nâng cao hiệu quả khai thác dòng chảy của các trạm thủy điện tích năng và các ứng dụng khác trong điều kiện Việt Nam. 6. Những đóng góp mới của luận án (1) Luận án đã đưa ra được phương pháp tính toán dự báo đặc tính năng lượng trên cơ sở tính toán lý thuyết các thành phần cột nước lý thuyết, cột nước tổn thất của dòng chảy trong tổ máy PaT ở cả hai chế độ bơm và tuabin. Phương pháp này có thể được áp dụng trong dự báo sơ bộ đặc tính của máy khi lựa chọn phương án thiết kế PaT. (2) Luận án đã xây dựng được mẫu cánh mới cho PaT theo dạng một cung cong đối xứng, phù hợp với yêu cầu làm việc của PaT trong cả hai chế độ bơm và tuabin. (3) Đã đánh giá được sự ảnh hưởng của các thông số hình học quan trọng đối với bánh công tác thuận nghịch PaT, bao gồm: D; β1B; β2B và Z. (4) Đã áp dụng phương pháp phân tích mô phỏng số kết hợp với thực nghiệm để kiểm chứng phương pháp thiết kế cánh theo dạng một cung cong như đã đề xuất. 7. Cấu trúc của luận án 16