Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ứng dụng tua bin hướng chéo cánh cố định ứng dụng cho thủy điện nhỏ ở Việt Nam

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:159

Thêm vào BST

Báo xấu

24
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu tua bin hướng chéo, bánh công tác cánh cố định có vành ngoài khe hở trụ, áp dụng cho thủy điện nhỏ và cực nhỏ, cột nước thấp và trung bình của Việt Nam. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ứng dụng tua bin hướng chéo cánh cố định ứng dụng cho thủy điện nhỏ ở Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ****** NGHIÊN CỨU TUA BIN HƯỚNG CHÉO CÁNH CỐ ĐỊNH ỨNG DỤNG CHO THỦY ĐIỆN NHỎ Ở VIỆT NAM Chuyên nghành: KỸ THUẬT MÁY VÀ THIẾT BỊ THỦY KHÍ Mã nghành: 62.52.16.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI 2012
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ****** PHẠM PHÚC YÊN NGHIÊN CỨU TUA BIN HƯỚNG CHÉO CÁNH CỐ ĐỊNH ỨNG DỤNG CHO THỦY ĐIỆN NHỎ Ở VIỆT NAM Chuyên ngành: KỸ THUẬT MÁY VÀ THIẾT BỊ THỦY KHÍ Mã ngành: 62.52.16.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: 1. GS.TS Lê Danh Liên. 2. PGS.TS. Bùi Quốc Thái. HÀ NỘI 2012
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu riêng của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. TÁC GIẢ LUẬN ÁN
MỤC LỤC Trang PHẦN MỞ ĐẦU 1 1. Sự cần thiết của đề tài 1 2. Mục đích và phạm vi nghiên cứu 2 2.1. Mục đích nghiên cứu 2 2.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3 2.3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 3 CHƢƠNG 1 4 TỔNG QUAN VỀ TUA BIN HƢỚNG CHÉO 1.1. Phạm vi làm việc của tua bin hƣớng chéo 4 1.1.1. Sự ra đời của tua bin hướng chéo 4 1.1.2. Phân loại và phạm vi làm việc của tua bin hướng chéo 5 1.2. Tổng quan về kết quả nghiên và ứng dụng tua bin hƣớng chéo 7 trên thế giới 1.2.1. Tua bin hướng chéo công suất vừa và lớn 7 1.2.2. Các kết quả nghiên cứu tua bin hướng chéo của Nga (Liên Xô 9 cũ) 1.2.3. Tua bin hướng chéo công suất nhỏ 13 1.3 Tổng quan về nghiên cứu và ứng dụng tua bin hƣớng chéo ở Việt 15 Nam 1.4. Nhiệm vụ nghiên cứu khoa học của đề tài 18 1.4.1. Phương pháp nghiên cứu 18 1.4.2. Nội dung nghiên cứu của luận án 18 CHƢƠNG 2 NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN CHO MÔ HÌNH TUA 20 BIN HƢỚNG CHÉO CÁNH CỐ ĐỊNH CÔNG SUẤT NHỎ 2.1. Lựa chọn phƣơng pháp tính toán thiết kế profil lá cánh bánh công 20 tác tua bin mô hình hƣớng chéo 2.1.1. Thiết kế BCT tua bin hướng chéo theo phương pháp một tọa độ 21
2.1.1.1. Cơ sở lý luận lựa chọn phương pháp một tọa độ 21 2.1.1.2. Nội dung cơ bản của phương pháp một tọa độ 21 2.1.2. Xây dựng tọa độ đường nhân và đắp độ dày cho profil cánh 25 2.2. Cơ sở lý thuyết xác định phân bố vận tốc và áp suất trên profil 26 cánh 2.3. Cơ sở đánh giá tổn thất năng lƣợng của dòng chảy qua tua bin 32 2.3.1. Tổn thất do va đập 33 2.3.2. Tổn thất do sự co hẹp và mở rộng đột ngột của dòng chảy 35 2.3.3. Tổn thất do ma sát của dòng chất lỏng với cánh dẫn và do chuyển 37 động xoáy qua khe hở giữa bánh công tác và buồng tua bin 2.4. Cơ sở xây dựng đƣờng đặc tính lý thuyết của tua bin hƣớng chéo 39 2.4.1. Phân loại đường đặc tính tua bin 39 2.4.2. Xây dựng đường đặc tính cột áp của tua bin 40 2.4.3. Xây dựng đường đặc tính tổng hợp lý thuyết của tua bin hướng 45 chéo 2.4.3.1. Vẽ đường quan hệ Q = f(n) 45 2.4.3.2. Vẽ đường quan hệ η = f(n) 47 2.4.3.3. Xây dựng đường đặc tính tổng hợp lý thuyết 49 2.5. Tính toán bánh công tác trên máy vi tính 51 2.5.1. Chương trình tính toán phân bố vận tốc và áp suất trên profil 51 cánh 2.5.2. Chương trình tính toán tổn thất bánh công tác 53 2.6. Nghiên cứu ảnh hƣởng của độ mau lƣới cánh đến đặc tính làm 54 việc của tua bin 2.7. Các kết quả nghiên cứu TBHC cánh xoay 59 2.7.1. Các thông số chính và kết cấu của tua bin hướng chéo 60 2.7.2. Các kết quả nghiên cứu về hệ thống dẫn dòng TBHC cánh xoay 62 2.7.3. Các bước tính toán lựa chọn thông số kết cấu phần dẫn dòng của TB 64 2.7.4. Lựa chọn các thông số cơ bản phần dẫn dòng cho thiết kế TB mô 67
hình của đề tài CHƢƠNG 3 70 THIẾT KẾ VÀ THỬ NGHIỆM MÔ HÌNH TUA BIN HƢỚNG CHÉO CÁNH CỐ ĐỊNH CÔNG SUẤT NHỎ 3.1. Phƣơng pháp nghiên cứu thực nghiệm 70 3.2. Tính toán thiết kế tua bin mô hình 72 3.2.1. Cơ sở mô hình hoá và chọn tua bin mô hình 72 3.2.2. Tính toán thiết kế phần dẫn dòng tua bin mô hình 75 3.2.3. Tính toán thiết kế bánh công tác tua bin mô hình 81 3.2.3.1. Tính toán thiết kế profile cánh các mẫu BCT 82 3.2.4. Tính toán tổn thất, hiệu suất các mẫu cánh BCT, vẽ đường đặc 86 tổng hợp tính lý thuyết và đánh giá sơ bộ đặc tính làm việc TB 3.2.5. Vẽ đường đặc tính tổng hợp lý thuyết 87 3.3. Thử nghiệm tua bin mô hình 92 3.3.1. Xác định các thông số chính cần đo 92 3.3.2. Phương pháp xây dựng đường đặc tính tổng hợp chính 93 3.3.3. Giá thí nghiệm tua bin 94 3.3.3.1. Mô tả chung hệ thống 94 3.3.3.2. Các hạng mục và thiết bị trong hệ thống 95 3.4. Phƣơng pháp thực nghiệm tua bin 98 3.4.1. Số liệu thực nghiệm 98 3.4.2. Quá trình đo 99 3.4.3. Xử lý dữ liệu thí nghiệm 100 3.4.4 Xử lý bộ dữ liệu 101 3.5. Kết quả thực nghiệm 102 KẾT LUẬN 110 Đánh giá kết quả nghiên cứu 110 Những đóng góp mới của đề tài 111 Kiến nghị 112
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 113 TÀI LIỆU THAM KHẢO 114 PHỤ LỤC 116 PHỤ LỤC I. Kết quả tính toán thiết kế các mẫu cánh 117 PHỤ LỤC II. Kết quả tính toán thuỷ lực của mẫu A 126 PHỤ LỤC III. Kết quả tính toán thuỷ lực của mẫu B 129 PHỤ LỤC IV. Kết quả tính toán thuỷ lực của mẫu C 132 PHỤ LỤC V. Kết quả tính toán thuỷ lực của mẫu 2 135 PHỤ LỤC VI. Kết quả tính toán thuỷ lực của mẫu 3 138 PHỤ LỤC VII. Đƣờng đặc tính thực nghiệm 141
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT BCT Bánh công tác CHD Cánh hướng dòng C0 Hằng số tích phân cx Hệ số lực cản cy Hệ số lực nâng cxp Hệ số lực cản profile cxp Hệ số tổn thất khe hở tương đối D Ký hiệu tua bin hướng chéo của Nga: D30, D45, D60 D60 Tua bin hướng chéo loại góc nghiêng 60 độ D1 Đường kính bánh công tác (m) db Tỷ số bầu tương đối của BCT db Đường kính bầu BCT E Năng lượng đơn vị (j/kg) F Diện tích (m2) H Cột áp của tua bin (m) Hlth Cột áp lý thuyết (m) Hthực Cột áp thực tế (m) hc Sức cản thuỷ lực (m)  h Tổn thất tương đối (không thứ nguyên)  hthl Tổn thất thuỷ lực tương đối (không thứ nguyên)  hbct Tổn thất tương đối bánh công tác (không thứ nguyên)  hoh Tổn thất tương đối ống hút (không thứ nguyên)  h profile Tổn thất tương đối profile (không thứ nguyên)
H Sai số giới hạn tương đối của cột áp (%) g Gia tốc trọng trường (m/s2) L Chiều dài dây cung của prôfin (m) l/t Độ mau của dẫy cánh M Mô men (Nm) Ntd Số lượng tiết diện tính toán N Công suất (W) Ntl Công suất thuỷ lực (W) Ntr Công suất trên trục (W) Nms Công suất tổn thất do ma sát (W) N Sai số giới hạn tương đối của công suất (%) N* Sai số mạch động của công suất (%) N Sai số tổng cộng của công suất (%) n Số vòng quay (vòng/phút) ns Số vòng quay đặc trưng (vòng/ph) n’1 Số vòng quay quy dẫn (không thứ nguyên) P Áp suất (Kg/cm2) Pa Áp suất khí quyển (Kg/cm2) Q Lưu lượng (m3/s) Qd Lưu lượng rò rỉ (m3/s) Qtt Lưu lượng thực tế (m3/s) Qlth Lưu lượng lý thuyết (m3/s) Q’1 Lưu lượng quy dẫn (không thứ nguyên) Q Sai số giới hạn tương đối của lưu lượng (%) Q* Sai số mạch động của lưu lượng (%) Q Sai số tổng cộng của lưu lượng (%) Ri Bán kính tính toán của các tiết diện (m)
Rx Lực cản Ry Lực nâng Re Số râynôn (không thứ nguyên) t Bước cánh TB Tua bin TBHC Tua bin hướng chéo VNKHT Vành ngoài khe hở trụ TTĐ Trạm thuỷ điện u Tọa độ theo phương quay Cm Vận tốc tuyệt đối (m/s) Vz Vận tốc dọc trục (m/s) Vu Vận tốc xoáy (m/s) V2u Vận tốc xoáy tại lối ra khỏi BCT (m/s) U Vận tốc vòng (m/s) XM Giá trị đo tới hạn X Giá trị đo thực W Vận tốc tương đối (m/s) W1 Vận tốc tương đối ở lối vào của lưới (m/s) W2 Vận tốc tương đối ở lối ra của lưới (m/s) W Vận tốc của dòng song phẳng không nhiễu (m/s) z Toạ độ vuông góc với phương u ZCT Số lá cánh của bánh công tác  Lưu số vận tốc  Trọng lượng riêng (N/m3) (s) Hàm xoáy  Khối lượng riêng (Kg/m3)  Hệ số nhớt động học (m2/s)
 Góc đặt cánh (độ) 1 Góc của dòng chảy khi vào (độ) 2 Góc của dòng chảy khi ra (độ)  Góc ngoặt của dòng chảy (độ)  Vận tốc góc (rad/s) 0 Hàm dòng của dòng thế không nhiễu 1 Hàm dòng cảm ứng tạo bởi các xoáy liên hợp max Độ dày (m) max/l Độ dày tương đối (không thứ nguyên) x Sai số tương đối của giá trị đo y Sai số giới hạn tương đối của kết quả đo m Cấp chính xác của thiết bị đo * Chiều dầy dịch chuyển (bị ép) của lớp biên ** Chiều dầy tổn thất xung lực của lớp biên y Sai số giới hạn tuyệt đối  Hệ số xâm thực  Hiệu suất chung (không thứ nguyên) tl Hiệu suất thuỷ lực (không thứ nguyên) tt Hiệu suất thể tích (không thứ nguyên) ck Hiệu suất cơ khí (không thứ nguyên) BCT Hiệu suất bánh công tác (không thứ nguyên)  Sai số giới hạn tương đối của hiệu suất (%)
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 1. Bảng 1.1: Phân loại tua bin theo số vòng quay đặc trưng.Tr.7 2. Bảng 1.2 – Các trạm thủy điện sử dụng tua bin hướng chéo loại công suất vừa và lớn[17].Tr.8-9 3. Bảng 1.3: Các thông số cơ bản của tua bin hướng chéo[17].Tr.12 4. Bảng 1.4: Danh mục các dự án thủy điện nhỏ sử dụng tua bin hướng chéo do hãng Geppert chế tạo [15].Tr.14-15 5. Bảng 2.1: Đắp độ dày cho profil cánh bánh công tác trên mặt nón.Tr.27 6. Bảng 2.2: Các thông số cơ bản chọn tua bin mô hình.Tr.69 7. Bảng 3.1: Bảng so sánh các thông số thực nghiệm và tính toán các mẫu cánh.Tr.105 8. Bảng 3.2: Thông số lưới cánh BCT mẫu 1 – 2.Tr.106 9. Bảng 3.3: Thông số lưới cánh BCT mẫu 3.Tr.107 10.Bảng 3.4: Bảng so sánh kết quả thực nghiệm của mẫu 3 so với các mẫu cũ.Tr.108
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH 1. Hình 1.1: Tổ máy tua bin hướng chéo cánh xoay N = 240 MW,H = 86 m, n = 166,7 v/p[17].Tr.5 2. Hình 1.2: Phân loại tua bin theo công suất-cột nước của Hãng Mitsubishi (Nhật Bản)[17].Tr.6 3. Hình 1.3: Phân loại tua bin theo số vòng quay đặc trưng ns của Hãng Mitsubisi (Nhật Bản)[17].Tr.6 4. Hình 1.4:a. Trạm thủy điện hỗn lưu 2 tổ x 103 MW do hãng Misubisi chế tạo[13];b. trạm thủy điện 2 tổ x 49 MW tua bin hướng chéo + 02 tổ x 50 MW tua bin hướng trục (1975) do hãng SKD Slovakia cung cấp[14].Tr.8 5. Hình 1.5: Các trạm thủ điện tua bin hướng chéo 5 x 108 MW (1981-1996) và 4 x 225MW + 2 x 215 MW(1975-1980) do Nga sản xuất [14].Tr.10 6. Hình 1.6: Sơ đồ kết cấu và quan hệ kích thước phần dẫn dòng TBHC kiểu cánh quay[17].Tr.11 7. Hình 1.7: Đặc tính làm việc của một số loại tua bin tâm trục, tua bin hướng chéo và tua bin hướng trục[17].Tr.13 8.Hình 1.8: Bánh công tác và tua bin hướng chéo do hãng Geppert thiết kế và chế tạo[15].Tr.15 9. Hình 2.1: Chọn mặt ánh xạ.Tr.23 10. Hình 2.2: Các thành phần vận tốc của dòng chảy tại mép vào của profil lá cánh BCT.Tr.33 11. Hình 2.2: Các thành phần vận tốc của dòng chảy tại mép vào của profil lá cánh BCT.Tr.34 12. Hình 2.4: Các thông số của BCT và profil lá cánh BCT.Tr.35
13. Hình 2.5: Sơ đồ phần dẫn dòng của tua bin phản lực.tr.43 14. Hình 2.6: Tam giác vận tốc của dòng chảy tại mép vào và mép ra của .profil lá cánh BCT.Tr.43 15. Hình2.7: Biểu đồ quan hệ giữa cột áp và lưu lượng.Tr.46 16. Hình 2.8: Đường đặc tính cột áp của tua bin.Tr.47 17. Hình 2.9: Quan hệ Hlth = f(Q).Tr.48 18. Hình 2.10: Quan hệ Q = f(n).Tr.48 19. Hình 2.11: Quan hệ giữa cột áp và lưu lượng của tua bin theo độ mở.Tr.49 20. Hình 2.12: Quan hệ Q = f(n).Tr.49 21. Hình 2.13: Quan hệ η = f(Q).Tr.50 22. Hình 2.13: Quan hệ η = f(Q).Tr.51 23. Hình 2.15: Quan hệ η = f(n).Tr.52 24. Hình 2.16: Đường đặc tính tổng hợp lý thuyết.Tr.52 25. Hình 2.17: Sơ đồ khối CT tính toán phân bố vận tốc và áp suất trên Profile cánh.Tr.54 26. Hình 2.18: Sơ đồ khối tính toán tổn thất và áp suất BCT.Tr.55 27. Hình 2.19: Quan hệ giữa l/t = f(nI') và  BXCT = f(nI').Tr.57 28. Hình 2.20: Quan hệ σ = f(l/t).Tr.58 29. Hình 2.21.Tr.59 30. Hình 2.22: Phần dẫn dòng của tua bin D60 ( ДПЛ60) [17].Tr.62 31. Hình 2.23: Phần dẫn dòng của tua bin D45 ( ДПЛ45) & D30 ( ДПЛ 30)[17].Tr.62 32. Hình 2.24: a) Mối quan hệ giữa các thông số hình học phần dẫn dòng TB θ = 600. b) Các loại BCT tua bin θ = 60; Z = 8, 10, 12, 14 cánh.[17].Tr.63
33. Hình 2.25: Quan hệ giữa tỷ số bầu và chiều rộng cánh dẫn[17].Tr.65 34. Hình 3.1: Cánh hướng dòng tua bin hướng chéo D60.Tr.80 35. Hình 3.2: Bánh công tác mẫu 1 và mẫu 2.Tr.80 36. Hình 3.3: Bánh công tác của mẫu 3.Tr.81 37. Hình 3.4: Các mẫu cánh và BCT trong quá trình chế tạo.Tr.81 38. Hình 3.5: Các mẫu BCT hoàn thiện.Tr.81 39. Hình 3.6: Bản vẽ phần dẫn dòng tua bin hướng chéo mô hình.Tr.82 40. Hình 3.7: Đường dòng đẳng thế trong mặt cắt kinh tuyến.Tr.84 41. Hình 3.8 : Bản vẽ chế tạo cánh bánh công tác tua bin hướng chéo mô hình.Tr.85 42. Hình 3.9: Bản vẽ các profiles cánh BCT.Tr.85 43. Hình 3.10: Đường đặc tính tổng hợp lý thuyết mẫu A (mẫu 1).Tr.89 44. Hình 3.11: Đường đặc tính tổng hợp lý thuyết mẫu B.Tr.89 45. Hình 3.12: Đường đặc tính tổng hợp lý thuyết mẫu C.Tr.90 46. Hình 3.13: Đường đặc tính tổng hợp lý thuyết mẫu 2. Tr.90 47. Hình 3.14: Đường đặc tính tổng hợp lý thuyết mẫu 3.Tr.91 48. Hình 3.15: Sơ đồ giá thí nghiệm tua bin.Tr.96 49. Hình 3.16: Ảnh chụp toàn cảnh giá thí nghiệm.Tr.96 50. Hình 3.17: Sơ đồ hệ thống đo và xử lý số liệu.Tr.99 51. Hình 3.18 : Đường đặc tính thực nghiệm mẫu cánh 1(φ = 00).Tr103 52. Hình 3.19: Đường đặc tính thực nghiệm mẫu cánh 2(φ = 50).Tr.104 53. Hình 3.20: Đường đặc tính thực nghiệm mẫu cánh 3(φ = 50).Tr.104 54. Hình 3.21: 1) Tỉ số l/t của mẫu 1 – 2; 2) Tỉ số l/t của mẫu 3.Tr.107
PHẦN MỞ ĐẦU 1. Sự cần thiết của đề tài Hiện nay so với thuỷ điện vừa và lớn, tiềm năng về thủy điện nhỏ của Việt Nam vẫn còn nhiều chưa được khai thác đầy đủ. Đây chính là nguồn năng lượng tái tạo, ít ảnh hưởng đến môi trường, ngoài cung cấp điện năng cho lưới điện quốc gia, nó còn góp phần quan trọng thực hiện chương trình điện khí hóa phục vụ đời sống của đồng bào vùng sâu, vùng xa. Tiềm năng thủy điện nhỏ của Việt nam phân bố ở các tỉnh miền núi phía Bắc, miền Trung, và miền Nam. Theo số liệu phê duyệt quy hoạch các dự án thủy điện nhỏ nối lưới năm 2009 của bộ Công thương, khu vực miền Bắc có gần 350 trạm với tổng công suất là 3.978 MW, khu vực miền Trung và miền Nam là gần 600 trạm với tổng công suất là 4.014 MW. Ngoài ra các trạm thủy điện nhỏ không nối lưới công suất dưới 300 kW/trạm, theo quy hoạch của các tỉnh có khoảng 300 trạm. Trong số đó các trạm có cột nước trung bình từ 20-40m, công suất trạm dưới 3 MW (công suất 1 tổ máy dưới 1,5 MW) khá phổ biến chiếm khoảng 30-35% tổng số các trạm thủy điện nhỏ, tương đương khoảng 440 trạm. Ở Việt Nam hiện nay, trong phạm vi thủy điện nhỏ và cực nhỏ có nhiều loại tua bin được nghiên cứu và ứng dụng thực tế, vùng cột nước cao có các loại tua bin xung kích như: tua bin gáo, tua bin xung kích hai lần, tua bin tia nghiêng, v.v… Đối với vùng cột nước thấp và trung bình có hai loại tua bin phản lực được ứng dụng: tua bin hướng trục cánh cố định và tâm trục, trên cơ sở sử dụng một số mẫu của nước ngoài. Tua bin hướng chéo cũng nằm trong vùng làm việc này, chưa được nghiên cứu và đưa vào ứng dụng cho thủy điện nhỏ và cực nhỏ ở Việt Nam. Tiềm năng thủy điện nhỏ cũng là thị trường cho ngành cơ khí Việt Nam tham gia chế tạo các thiết bị thủy điện đồng bộ, vì phù hợp năng lực công nghệ sản xuất hiện nay. Để làm được điều này phải có các mẫu tua bin đầy đủ cho từng địa hình, nói cách khác phải có gam tua bin hoàn thiện thích ứng cột nước cao đến cột nước thấp và trung bình. 1
Trong lĩnh vực chế tạo tua bin thủy lực ở Việt nam đang gặp nhiều trở ngại. Trước hết là công tác thiết kế tua bin. Chúng ta thiếu các gam tua bin, các mẫu cánh phù hợp với từng điều kiện địa hình, trong đó có các tua bin cột nước trung bình. Mặt khác, trong chế tạo tua bin tâm trục, khó nhất là chế tạo bánh công tác (trong loại tua bin phản lực cánh cố định, bánh công tác tua bin tâm trục phức tạp nhất). Cánh bánh công tác tua bin tâm trục có biên dạng không gian góc xoắn lớn, số lượng lá cánh nhiều (nhỏ nhất là 13 cánh), công nghệ chế tạo phức tạp. Do vậy giá thành chế tạo cao, nhất là tổ máy công suất nhỏ, thiết bị chế tạo trong nước không cạnh tranh được thiết bị nhập khẩu từ Trung quốc. Do vậy cần thiết nghiên cứu loại tua bin có đặc tính làm việc tốt, có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo giúp cho nhà chế tạo trong nước hạ giá thành sản phẩm, hoặc có nhiều mẫu tua bin để lựa chọn… là trách nhiệm của các nhà nghiên cứu thiết kế tua bin thủy lực trong nước. Tua bin hướng chéo có ưu điểm hiệu suất cao, vùng làm việc tối ưu rộng đặc biệt hiệu quả trong phạm vi cột nước thấp và trung bình với tỉ tốc ns = 250 ÷ 450 vg/ph. Do vậy nghiên cứu ứng dụng tua bin có đặc tính làm việc tốt này cho thuỷ điện nhỏ và cực nhỏ sẽ cho ta một loại tua bin phản lực tốt có thể thay thế tua bin hướng trục cánh cố định, tua bin tâm trục trong vùng làm việc trên. Việc “Nghiên cứu ứng dụng tua bin hướng chéo cánh cố định ứng dụng cho thủy điện nhỏ ở Việt Nam” là rất cần thiết. Nghiên cứu đề tài trên sẽ bổ xung 01 mẫu tua bin mới cho gam tua bin phản lực cột nước thấp và trung bình của Việt Nam, thúc đẩy chế tạo thiết bị thủy điện nhỏ phát triển góp phần nội địa hóa lĩnh vực thủy điện của nước ta. 2. Mục đích và phạm vi nghiên cứu 2.1. Mục đích nghiên cứu Mục đích nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu tua bin hướng chéo, bánh công tác cánh cố định có vành ngoài khe hở trụ, áp dụng cho thủy điện nhỏ và cực nhỏ, cột nước thấp và trung bình của Việt Nam. 2
2.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu  Đối tượng nghiên cứu Tua bin hướng chéo có kết cấu buồng xoắn kim loại trục ngang, ống hút tiết diện tròn, phục vụ vùng làm việc: - Công suất: 40 ÷ 1000 kW. - Cột nước 20 ÷ 40 m (Số vòng quay đặc trưng ns  250  450 vg/ph).  Phạm vi nghiên cứu Trong tua bin thủy lực, bánh công tác là bộ phận quan trọng nhất, quyết định đến chất lượng làm việc của tua bin, nó truyền năng lượng của dòng nước lên trục tua bin. Do vậy, luận án giới hạn phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu một số thông số kết cấu cánh bánh công tác kiểu cố định có vành ngoài khe hở trụ ảnh hưởng đến đặc tính làm việc của tua bin hướng chéo. 2.3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Mẫu bánh công tác cánh cố định có vành ngoài khe hở trụ là một mẫu mới, chưa có tài liệu nào công bố việc nghiên cứu này. Bằng lý thuyết và thực nghiệm đề tài xác định được ảnh hưởng của một số thông số kết cấu cánh bánh công tác đến đặc tính làm việc tua bin hướng chéo, đề xuất một mẫu cánh có chất lượng tốt làm cơ sở cho thiết kế chế tạo tua bin hướng chéo kiểu cánh cố định có vành ngoài khe hở trụ có cột nước thấp và trung bình phạm vi công suất nhỏ và cực nhỏ của Việt Nam. Kết quả của luận án là tài liệu tham khảo cho công tác nghiên cứu hoàn thiện gam các loại tua bin thủy điện nhỏ và phục vụ thiết kế chế tạo các loại tua bin hướng chéo loại này cho các dự án thủy điện nhỏ ở Việt Nam. 3
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TUA BIN HƯỚNG CHÉO 1.1. Phạm vi làm việc của tua bin hướng chéo 1.1.1. Sự ra đời của tua bin hướng chéo Tua bin hướng chéo là loại tua bin phản lực. Nó là sự kết hợp ưu điểm của hai loại tua bin tâm trục và hướng trục. Tua bin hướng chéo ra đời năm 1950, do giáo sư người Nga có tên Kviakobski sáng chế và sau đó hai năm kỹ sư người Anh là Derias cũng phát minh ra. Tính chất làm việc của tua bin hướng chéo là, dòng chảy qua vùng bánh công tác có hướng tạo với trục quay tua bin một góc nghiêng nhất định (tua bin tâm trục có dòng chảy hướng vuông góc với trục quay, tua bin hướng trục có dòng chảy song song với trục quay). Bầu cánh của tua bin hướng chéo cánh xoay có dạng hình nón, cơ cấu điều chỉnh các lá cánh nằm trong bầu bánh công tác. Tua bin hướng chéo làm việc trong phạm vi cột nước từ 20 ÷ 200m. Nó được coi như là sự chuyển tiếp giữa tua bin tâm trục và hướng trục, phạm vi hoạt động đạt hiệu suất cao tương đối rộng so với tua bin tâm trục và hướng trục. Tua bin hướng chéo có thể thay thế tua bin hướng trục ở phạm vi cột nước thấp và thay thế được tua bin tâm trục ở cột nước trung bình. Tua bin hướng chéo cánh xoay được nghiên cứu và áp dụng khá rộng rãi ở các nước Liên Xô cũ, đặc biệt phổ biến ở Nhật Bản. Nó thường được ứng dụng đối với trạm thủy điện lớn từ vài chục MW trở lên đến vài trăm MW cho 1 tổ máy. Tua bin hướng chéo cánh xoay có kết cấu điều chỉnh rất phức tạp, kích thước lắp đặt dọc trục đòi hỏi độ chính xác cao. Do vậy, thường chỉ áp dụng cho các trạm thủy điện lớn và vừa. Trên hình 1.1 thể hiện kết cấu của tua bin hướng chéo cánh xoay công suất lớn đến 240 MW. 4
Hình 1.1: Tổ máy tua bin hướng chéo cánh xoay N = 240 MW, H = 86 m, n = 166,7 vg/ph[17] 1.1.2. Phân loại và phạm vi làm việc của tua bin hướng chéo Để xác định phạm vi làm việc của tua bin, phải dựa vào nguyên tắc phân loại chúng. Có hai cách để phân loại tua bin: - Phân loại theo phạm vi công suất (N = f(H)) tương ứng với cột nước. - Phân loại theo số vòng quay đặc trưng ns (ns = f(H)). Phân loại tua bin theo công suất cho ta khái quát vùng làm việc của tua bin theo quy mô và điều kiện địa hình. Phân loại theo số vòng quay đặc trưng cho nhận biết cụ thể hơn về các đặc tính thủy lực của tua bin. Hình 1.2 trình bày biểu đồ phân loại và lựa chọn các tua bin theo công suất của hãng Mitsubisi (Nhật Bản) [17]. Theo biểu đồ ta có nhận xét: vùng làm việc phía trên của TB hướng chéo - cột áp cao hơn, trùng với vùng làm việc của TB tâm trục; vùng làm việc phía dưới trùng với vùng của TB hướng trục. 5