Tiến Sĩ Nghiên cứu đặc tính năng lượng của tua bin tâm trục với bánh công tác có dãy cánh ngắn

LUẬN ÁN TIẾN SĨ
NĂM 2014
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT . i
DANH MỤC CÁC BẢNG v
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ v
LỜI NÓI ĐẦU . 1
Chương 1. Tổng quan 2
1.1 Phân loại tua bin và phạm vi sử dụng 2
1.2 Giới thiệu chung về tua bin tâm trục . 3
1.2.1 Buồng dẫn tua bin 4
1.2.2 Bánh công tác . 4
1.2.3 Ống xả 5
1.3 Nghiên cứu tua bin tâm trục có dãy cánh ngắn trong, ngoài nước 5
1.3.1 Nghiên cứu tua bin tâm trục có dãy cánh ngắn ở nước ngoài 7
1.3.1.1 Tại Trung Quốc . 7
1.3.1.2 Tại Nhật Bản . 9
1.3.2 Tại Việt Nam 12
1.4 Phạm vi nghiên cứu của luận án 12
1.5 Phương pháp nghiên cứu . 12
1.6 Kết luận . 12
Chương 2. Lý thuyết tính toán thiết kế tua bin tâm trục [2,4,7] . 13
2.1 Buồng xoắn 13
2.1.1 Nhiệm vụ và các thông số đặc trưng 13
2.1.2 Ảnh hưởng của buồng xoắn đến đặc tính của tua bin 13
2.1.3 Tính toán các thông số hình học 14
2.2 Cột trụ 15
2.2.1 Nhiệm vụ và đặc điểm 15
2.2.2 Thiết kế biên dạng cánh cột trụ 16
2.3 Cánh hướng . 17
2.3.1 Nhiệm vụ và các thông số đặc trưng 18
2.3.2 Thiết kế biên dạng profile cánh hướng 18
2.4 Ống xả . 19
2.4.1 Nhiệm vụ vai trò của ống xả 19
2.4.1.1 Tua bin không có ống xả . 19
2.4.1.2 Tua bin có ống xả 20
2.4.2 Tổn thất năng lượng của ống xả . 21
2.4.2.1 Tổn thất nội bộ 21
2.4.2.2 Tổn thất động năng ở cửa ra ống xả 21
2.4.3 Hệ số phục hồi của ống xả . 22
2.4.4 Thiết kế ống xả . 22
2.4.4.1 Đoạn chóp cụt (đoạn loe thẳng) 22
2.4.4.2 Đoạn khuỷu cong B 23
2.4.4.3 Đoạn mở rộng nằm ngang . 24
2.5 Bánh công tác 25
2.5.1 Phương pháp xây dựng đường dòng đẳng thế 26
2.5.2 Phương pháp BHBG ứng dụng trong thiết kế cánh bánh công tác 27
2.5.2.1 Biến hình bảo giác lên mặt trụ 27
2.5.2.2 Biến hình bảo giác lên mặt nón 29
2.5.3 Phương pháp xây dựng biên dạng cánh BCT tua bin tâm trục 30
2.5.3.1 Phương pháp dòng một chiều . 31
2.5.3.2 Phương pháp hai toạ độ (Phương pháp Bauersfelder) 36
2.6 Kết luận . 42
Chương 3. Tính toán thiết kế tua bin mô hình 43
3.1 Cơ sở mô hình hoá và chọn tua bin mô hình . 43
3.2 Tính toán thiết kế phần dẫn dòng tua bin mô hình 44
3.3 Tính toán thiết kế bánh công tác tua bin mô hình . 46
3.4 Kết luận . 54
Chương 4. Khảo sát đặc tính thuỷ động BCT mô hình bằng Ansys Fluent . 54
4.1 Giới thiệu về phần mềm Ansys Fluent [10] 55
4.1.1 Định nghĩa về CFD 55
4.1.2 Ưu điểm và hạn chế của CFD 55
4.1.3 Các lĩnh vực áp dụng CFD hiện nay 55
4.1.4 Giới thiệu phần mềm Ansys Fluent và Gambit 55
4.1.5 Cấu trúc của bộ phần mềm Ansys Fluent . 55
4.1.6. Khả năng của Ansys Fluent . 56
4.1.7 Vai trò của tạo lưới trong CFD 56
4.1.8 Chọn lựa mô hình lưới . 56
4.1.9 Các điều kiện biên 57
4.1.10 Vật liệu . 58
4.2 Khảo sát đặc tính thuỷ động BCT mô hình bằng Ansys Fluent 58
4.2.1 Xây dựng bài toán 2D 59
4.2.2 Kết quả khảo sát 2D bánh công tác tua bin 60
4.2.2.1 Phân bố áp suất tĩnh 60
4.2.2.2 Phân bố vận tốc . 67
4.3 Kết luận . 71
Chương 5. Nghiên cứu thực nghiệm tua bin trên hệ thống thí nghiệm 71
5.1 Đường đặc tính tua bin 72
5.1.1 Cơ sở xây dựng đường đặc tính lý thuyết của tua bin tâm trục . 72
5.1.2 Phương pháp xây dựng đường đặc tính tổng hợp chính 72
5.2 Hệ thống thí nghiệm tua bin 72
5.2.1 Mô tả chung hệ thống . 72
5.2.2 Các hạng mục và thiết bị trong hệ thống 74
5.3 Phương pháp thực nghiệm tua bin . 76
5.3.1 Số liệu thực nghiệm . 76
5.3.2 Quá trình đo 76
5.3.3 Xử lý dữ liệu thí nghiệm 77
5.3.4 Xác định sai số đo 77
5.3.4.1 Sai số xác định theo cấp chính xác của thiết bị đo . 79
5.3.4.2 Sai số do mạch động các thông số đo: 79
5.3.5.3 Sai số tổng cộng 80
5.4 Kết quả thực nghiệm 80
5.5 Kết luận . 83
Chương 6. Kết quả . 83
KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ . 84
TÀI LIỆU THAM KHẢO . 86
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN . 88
Phụ lục 1: Số liệu thiết kế profile bánh công tác . 89
Phụ lục 2: Bản vẽ thiết kế tua bin mô hình 91
Phụ lục 3: Kết quả khảo sát mô hình 2D trên phần mềm Ansys Fluent 98
Phụ lục 4: Số liệu thí nghiệm mô hình trên hệ thống thí nghiệm, đường đặc tính làm việc,
xây dựng đặc tính tổng hợp chính các mẫu cánh . 100
LỜI NÓI ĐẦU
Việt Nam nằm ở vùng nhiệt đới gió mùa, lượng mưa tương đối lớn. Cùng với điều
kiện địa hình có nhiều dãy núi cao, tạo ra một nguồn thuỷ năng dồi dào. Nguồn thuỷ năng
này đã và đang được chú trọng khai thác biến thành năng lượng điện phục vụ cho việc phát
triển kinh tế của đất nước.
Tua bin thủy lực là bộ phận quan trọng của trạm thuỷ điện. Lựa chọn kiểu loại tua
bin phụ thuộc vào cột nước và lưu lượng của từng trạm. Trong biểu đồ sử dụng tua bin của
các hãng chế tạo có sự chồng lấn phạm vi sử dụng ở dải cột nước cao giữa tua bin tâm trục
và tua bin gáo. Về mặt lý thuyết, hiệu suất của tua bin gáo và tua bin tâm trục là ngang
nhau. Khi có cùng cột nước địa hình và lưu lượng, dùng tua bin tâm trục sẽ lợi hơn vì: Tua
bin tâm trục có cột áp hút, do vậy có công suất đạt cao hơn, tua bin tâm trục độ ồn thấp và
độ bền cao hơn, điều khiển dễ hơn so với tua bin gáo. Tuy nhiên, với tua bin tâm trục cột
nước cao, bánh công tác có chênh lệch về đường kính lối vào và ra lớn, lối vào có đường
kính rộng, lối ra đường kính hẹp, chất lỏng vào bánh công tác dễ dàng nhưng khi ra thì khó
vì bị chèn dòng, giảm hiệu suất, để giải quyết vấn đề này một số hãng đã nghiên cứu chế
tạo bánh công tác tua bin tâm trục có dãy cánh ngắn.
Tại Việt Nam đã có một số Nhà máy thuỷ điện sử dụng tua bin tâm trục với kết cấu
bánh công tác có dãy cánh ngắn, tuy nhiên thiết bị là nhập ngoại trọn gói 100% từ nhà
cung cấp ở nước ngoài, nên chưa có một nghiên cứu nào đề cập tới loại bánh công tác với
kết cấu mới này, với mong muốn đưa ra được phạm vi làm việc của tua bin tâm trục có dãy
cánh ngắn, chiều dài tối ưu của dãy cánh ngắn trong bánh công tác phục vụ cho việc lựa
chọn tua bin, thiết kế chế tạo bánh công tác thay thế và sản xuất mới cho các trạm thuỷ
điện tại Việt Nam, tác giả đã đi sâu nghiên cứu vấn đề trên tại luận văn: “Nghiên cứu đặc
tính năng lượng của tua bin tâm trục với bánh công tác có dãy cánh ngắn” với phương
pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp chạy phần mềm mô phỏng và mô hình thực trong phòng
thí nghiệm sẽ là kết quả bước đầu tại Việt Nam về nghiên cứu kết cấu bánh công tác mới.
Với kết quả nghiên cứu này tác giả hy vọng sẽ là tài liệu phục vụ cho giảng dạy, cho lựa
chọn loại tua bin khi sử dụng tại Nhà máy thuỷ điện có cân nhắc giữa tua bin gáo và tua
bin tâm trục, đồng thời kết quả nghiên cứu cũng là tài liệu cho việc sửa chữa các trạm đang
sử dụng và là tiền đề cho các nghiên cứu sâu hơn về kết cấu loại bánh công tác tua bin tâm
trục có dãy cánh ngắn sau này.