Tài liệu Nghiên cứu đặc tính năng lượng của tua bin tâm trục với bánh công tác có dãy cánh ngắn (tt)

1 LỜI NÓI ĐẦU 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 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 khảo sát bằng phần mềm mô phỏng và kiểm nghiệm 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. Chương 1. Tổng quan 1.1 Phân loại tua bin và phạm vi sử dụng 1.2 Giới thiệu chung về tua bin tâm trục 1.3 Nghiên cứu tua bin TT có dãy cánh ngắn trong, ngoài nước 1.3.1 Nghiên cứu tua bin TT có dãy cánh ngắn ở nước ngoài Bánh công tác tua bin tâm trục có dãy cánh ngắn không còn mới tại nước ngoài, các nước đã sản xuất và nghiên cứu về tua bin trước Việt Nam rất lâu. Tuy nhiên các kết quả nghiên cứu không được công bố rộng rãi và chi tiết, nên phạm vi sử dụng, phương pháp tính toán, kết cấu hợp lý của bánh công tác có dãy cánh ngắn vẫn còn là bí quyết, bí mật của quốc gia. 1.3.2 Tại Việt Nam Việc nghiên cứu về bánh công tác có dãy cánh ngắn tại Việt Nam là hoàn toàn mới mẻ và rất cần thiết vì trong tương lai còn nhiều trạm thủy điện cột nước cao có thể sử dụng bánh công tác loại này. 1.4 Phạm vi nghiên cứu của luận án Đứng trước những yêu cầu thực tiễn, luận án đi sâu nghiên cứu ảnh hưởng kết cấu bánh công tác tới đặc tính năng lượng của tua bin tâm trục có ns thấp (15070) và cột nước làm việc cao (120450 m), 2 công suất tua bin từ 550 MW. Các thông số chính của Bánh công tác ảnh hưởng tới năng lượng tua bin mà luận án nghiên cứu là: 1. Xem xét ảnh hưởng chiều dài lá cánh ngắn tới đặc tính năng lượng của tua bin, từ đó đưa ra độ dài hợp lý của cánh ngắn, cho đặc tính năng lượng tốt nhất; 2. Khi có chiều dài hợp lý của cánh ngắn, nghiên cứu đưa ra nguyên tắc cơ bản thiết kế, áp dụng bánh công tác tua bin tâm trục có dãy cánh ngắn. 1.5 Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu cơ sở lý thuyết, tính toán thiết kế tua bin mô hình, khi có mô hình cụ thể khảo sát đặc tính năng lượng bằng phần mềm Ansys Fluent với các mẫu bánh công tác có chiều dài lá cánh ngắn khác nhau, kiểm nghiệm bằng mô hình thật trong phòng thí nghiệm, từ đó xây dựng đặc tính tổng hợp của tua bin, lựa chọn được kết cấu bánh công tác cho hiệu suất cao nhất. Khi có kết quả nghiên cứu đề xuất ra được kết cấu BCT hợp lý, áp dụng để chế tạo được BCT có dãy cánh ngắn cho các nhà máy thủy điện đang vận hành cũng như xây dựng mới trong tương lai tại Việt Nam. 1.6 Kết luận Trong phần 1 của luận văn, đã phân tích đánh giá tình hình, kết quả nghiên cứu bánh công tác có dãy cánh ngắn cứu trong và ngoài nước, từ đó đưa ra được mục tiêu luận án, đối tượng và phạm vi nghiên cứu, khi đã có đối tượng định hướng phương pháp nghiên cứu. Chương 2. Lý thuyết tính toán thiết kế tua bin tâm trục [2,4,7] 2.1 Buồng xoắn 2.2 Cột trụ 2.3 Cánh hướng 2.4 Ống xả 2.5 Bánh công tác 2.5.1 Phương pháp xây dựng đường dòng đẳng thế 2.5.2 Phương pháp biến hình bảo giác ứng dụng trong thiết kế bánh công tác 2.5.3 Phương pháp xây dựng biên dạng cánh bánh công tác tua bin tâm trục 3 2.6 Kết luận Phần dẫn dòng tua bin tâm trục phức tạp, trong phần 2 đã trình bày lý thuyết để tính toán thiết kế các bộ phận chính của tua bin như Buồng xoắn, cột trụ, cánh hướng… Bánh công tác là phần quan trọng nhất của tua bin, nó biến năng lượng dòng nước thành chuyển động quay, tổn thất về thuỷ lực tại đây cũng lớn nhất (chiếm 60% tổng tổn thất tua bin). Trong chương này đã tóm tắt các bước tiến hành tính toán thiết kế lá cánh bánh công tác tua bin bao gồm: dựng dòng đẳng thế, biến hình bảo giác, sử dụng phương pháp dòng một chiều hoặc hai toạ độ để thiết kế profile lá cánh bánh công tác tua bin tâm trục giúp cho việc tính toán thiết kế lá cánh bánh công tác tua bin mô hình. Chương 3. Tính toán thiết kế tua bin mô hình 3.1 Cơ sở mô hình hoá và chọn tua bin mô hình 3.2 Tính toán thiết kế phần dẫn dòng tua bin mô hình Thông số chính giá thí nghiệm: Căn cứ vào năng lực của phòng thí nghiệm tua bin thủy lực thuộc Viện thủy điện và Năng lượng tái tạo, thông số chính của giá thí nghiệm tua bin như sau: - Cột áp nhỏ nhất (tính toán): Hmin = Htt =10 m. Chọn đường kính bánh công tác tua bin mẫu: Các bánh công tác mô hình thí nghiệm tua bin thường có đường kính 250 mm, 350 mm và 400 mm để thí nghiệm đặc tính năng lượng và xâm thực. Trên cơ sở hệ thống thí nghiệm tua bin hiện có của Viện Thuỷ điện và Năng lượng tái tạo có thể xác định đường kính bánh công tác tua bin mô hình của đề tài là D1 = 350mm. Thông số chính của tua bin mô hình Tham khảo tua bin mẫu HL100A 35.18 và tua bin nguyên hình sơ bộ của đề tài, có thể xác định các thông số chính của tua bin mô hình như sau: Số lá cánh Z = 30 Chiều rộng tương đối của cánh B/D1 = 0,11 Đường kính phân bố cánh hướng D0/D1 = 1,08 Tỷ số đường kính lối ra/vào BCT D2/D1= 0,58 4 Số vòng quay quy dẫn nI’ = 66,5 vg/ph Lưu lượng quy dẫn QI’ = 0,42 l/s Hiệu suất lớn nhất ηmax = 85% Đường kính danh nghĩa BCT chọn D1 = 350 mm Các thông số tính toán thủy lực của tua bin tâm trục mô hình: - Lưu lượng qua tua bin: 3 3 Q 𝑀 = 𝑄𝐼′ . 𝐷12 . √𝐻 = 0,42.0, 352 √10 = 0,162 𝑚 ⁄𝑠 = 583,2 𝑚 ⁄ℎ Số vòng quay đặc trưng của tua bin: - Chọn hiệu suất tính toán của tua bin là η = 85%. n𝑠𝑀 = 3,65. 𝑛𝐼′ . √𝑄𝐼′ .  = 3,65.66,5. √0,42.0,85 = 145 𝑣𝑔/𝑝ℎ - Số vòng quay của tua bin: 𝑛𝑀 = 𝑛𝐼′ √𝐻 𝐷1 = 66,5.√10 0,35 = 600 vg/ph  = π.n/30 = 3,14.600/30 = 62,8 rad/s - Công suất của tua bin: NM=9,81..𝑄𝐼′ . 𝐷12 . 𝐻√𝐻 = 9,81.0,85.0,42.0,35.0,35.10.3,16 = 13,5 𝑘𝑊 Sử dụng lý thuyết tính toán, thiết kế các chi tiết của tua bin như đã trình bày ở phần 2, thiết kế chế tạo được tua bin mô hình hoàn thiện với đường kính cánh D1 = 350 mm. Hình 1. Bản vẽ chung tua bin mô hình 5 3.3 Tính toán thiết kế bánh công tác tua bin mô hình Để xây dựng đường dòng đẳng thế trong mặt phẳng kinh tuyến của mô hình chúng tôi sử dụng chương trình đã được ứng dụng ở Viện Đại học Grơnốp Cộng hòa Pháp. Để xây dựng đường dòng, trước tiên xây dựng đường bao của mặt cát kinh tuyến theo các kích thước cho trong phần đầu của phần này. Kết quả tính toán được cho dưới dạng file gồm: - Tọa độ Z và R (m) của các đường dòng; - Vận tốc kinh tuyến Vm (m/s) trên các đường dòng và một số các thông số khác. Dựa theo các kết quả tính toán trong phụ lục 1 ta xây dựng được các đường dòng và biểu đồ phân bố vận tốc theo đường dòng cho các đường dòng khác nhau. Ở đây ta chỉ cần xây dựng các tiết diện cánh cho 5 đường dòng nên ta lược bỏ các đường dòng 2, 4, 6 và 8. Các tiết diện (profile) cánh từ mặt trụ BHBG ta sẽ xây dựng lại trên mặt phẳng kinh tuyến và mặt chiếu ngang (hình 4). Như vậy ta đã xây dựng được cánh bánh công tác hoàn chỉnh. Số cánh công tác bằng 30. 101.4 89.6 75.1 58.0 R34.2 50.7 71.7 87.8 101.4 Hình 2. Sơ đồ đường dòng trong mặt cắt kinh tuyến 36.8 R175 6 Vm, m/s S,m Hình 3. Biểu đồ phân bố vận tốc kinh tuyến theo đường dòng Hình 4. Xây dựng các profile cánh trên các mặt trụ BHBG Hình 4. Xây dựng các profile cánh trên các mặt trụ BHBG Để chế tạo cánh ta xây dựng bản vẽ dưỡng cánh. Bản vẽ dưỡng được xây dựng như sau: Ta cắt cánh bằng các mặt cắt ngang vuông góc với trục. Các mặt cắt này cắt nhau một đoạn chừng 8 ÷ 12mm. Hình chiếu các tiết diện cánh tạo bởi các mặt cắt này được xây dựng trên mặt chiếu ngang (hình 5). Nhờ các hình chiếu các tiết diện này (với khoảng cách xác định giữa chúng) ta sẽ chế tạo được dưỡng cánh của bánh công tác. 7 Z 1 2 3 4 5 10' 6 5' 15' 10 20' 15 25' 20 30' 25 20 15 20' 15' 10 10' 9 0' 0 a 10 c 12 45 40 40' 30 35 25 30' 35' 25' a b c d e 5 5' b 11 55 50 5 7 8 60' 45' 50' 55' 35' 40'35 40 45 5055 60 30 d e 0 0' 0 R a b c d e 12 11 10 9 0 5° 8 10° 7 15° 6 20° 25° 5 30° 4 35° 3 2 40° 45° 1 50° 55° 60° Hình 5. Xây dựng bản vẽ dưỡng chế tạo cánh Hình 6 Bản vẽ chế tạo Bánh công tác 8 Hình 7. Chế tạo, mài lá cánh bánh công tác theo dưỡng Hình 8. Hàn lá cánh lên vành 3.4 Kết luận Trong chương 3 tác giả đã trình bày kết quả áp dụng lý thuyết của chương 2 để tính toán thiết kế tua bin mô hình. Chương 3 cũng trình bày các bước thiết kế profile lá cánh bánh công tác, kết quả tính toán thiết kế phù hợp với lý thuyết và thực tiễn, mô hình đã được gia công chế tạo hoàn thiện theo đúng thiết kế. Chương 4. Khảo sát đặc tính thuỷ động BCT mô hình bằng Ansys Fluent 4.1 Giới thiệu về phần mềm Ansys Fluent [10] 4.2 Khảo sát đặc tính thuỷ động BCT với mô hình 2D trên Ansys Fluent Trên cơ sở thiết kế bánh công tác đã trình bày ở chương 3, tác giả đã tính toán thiết kế bánh công tác tua bin tâm trục gồm đủ 30 cánh, sau đó cắt bớt chiều dài của một nửa số lá cánh bánh công tác ở phía chiều ra (những lá cánh bị cắt bớt này được gọi là dãy cánh ngắn), dùng phép biến hình bảo giác trải phẳng 2D bánh công tác này rồi dùng phần mềm Ansys Fluent để nghiên cứu dòng chảy và đặc tính năng lượng 9 với 6 trường hợp chạy thử: 15 cánh dài như nhau (TH1); cánh ngắn bằng 1/3 cánh dài (TH2); cánh ngắn bằng 5/12 cánh dài (TH3); cánh ngắn bằng 1/2 cánh dài (TH4); cánh ngắn bằng 7/12 cánh dài (TH5); cánh ngắn bằng 2/3 cánh dài (TH6). Hình 9. Các bước xây dựng mô hình 2D chạy Ansys Fluent 4.2.1 Xây dựng bài toán 2D Bài toán khảo sát ở đây là khảo sát dòng qua lưới cánh bánh công tác tại đường dòng trung bình. Với bánh công tác mô hình đã được tính toán thiết kế ở phần 2, tiếp theo ánh xạ lưới cánh lên mặt trụ bán kính R=104,86mm. Ta được lưới cánh trải phẳng, ở đây ta chỉ khảo sát 3 cánh chính và 3 cánh ngắn. Khi trải phẳng chú ý đảm bảo 2 đường biên bên đạt điều kiện tuần hoàn. Mô hình sau khi xây dựng trong Solidworks được tiến hành chia lưới và khai báo trong Gambit, lưới chia theo phần tử tam giác, số lưới chia 268.598 lưới: Hình 10. Mô hình bài toán Chọn thuật giải: Solver: Segregated (Giải các phương trình liên tục, phương trình bảo toàn động lượng và năng lượng đã được số hoá); Phương pháp nội suy: Implicit; Chiều: 2D; Thời gian: Steady; Mô hình tính toán: k-; Trao đổi nhiệt: không; Chọn vật liệu: chất lỏng là nước ρ=998,2kg/m3. Đặt điều kiện tính toán cho bài toán: áp suất vận hành, bỏ qua ảnh hưởng của gia tốc trọng trường. 10 - Đặt điều kiện cho lối vào theo điều kiện Pressure-inlet và lối ra là Pressure-outlet (khai báo áp suất đầu vào là 101.325 Pa, áp suất đầu ra 0); đặt tiêu chuẩn hội tụ: 1e-05. - Đặt số vòng lặp cần thiết để bài toán hội tụ và cho bắt đầu tính toán. Áp dụng các thông số trên cho 06 bài toán: 1. Bánh công tác với chiều dài cánh ngắn bằng 0 (TH1); 2. Bánh công tác với cánh ngắn bằng 1/3 cánh dài (TH2); 3. Bánh công tác với cánh ngắn bằng 5/12 cánh dài (TH3); 4. Bánh công tác với cánh ngắn bằng 1/2 cánh dài (TH4); 5. Bánh công tác với cánh ngắn bằng 7/12 cánh dài (TH5); 6. Bánh công tác với cánh ngắn bằng 2/3 cánh dài (TH6). 4.2.2 Kết quả khảo sát 2D bánh công tác tua bin 4.2.2.1 Phân bố áp suất tĩnh * Bánh công tác với 15 lá cánh có độ dài như nhau (TH1) 120.000 Bụng cánh Lưng cánh 100.000 Áp suất tĩnh (Pa) 80.000 60.000 40.000 20.000 0 0,0 20,0 40,0 60,0 80,0 100,0 120,0 140,0 160,0 180,0 -20.000 Chiều dài cánh (mm) Hình 11. Phân bố áp suất tĩnh trên lá cánh TH1 Qua hình 11 cho thấy: Áp suất phân bố đều trên mặt lưng và bụng cánh, áp suất phía bụng lớn hơn phía lưng đảm bảo sự chênh lệch áp tạo mômen quay cho từng lá cánh, trên toàn bộ bề mặt cánh không 11 sinh ra áp suất bão hoà, chênh lệch áp suất bụng và lưng tăng dần theo chiều dài và lớn nhất ở khoảng 62 mm rồi giảm dần. * Bánh công tác với cánh ngắn bằng 1/3 cánh dài (TH2) 120.000 100.000 Bụng cánh dài Lưng cánh dài Áp suất tĩnh (Pa) 80.000 Bụng cánh ngắn Lưng cánh ngắn 60.000 40.000 20.000 0 0,0 20,0 40,0 60,0 80,0 100,0 120,0 140,0 160,0 180,0 -20.000 Chiều dài cánh (mm) Hình 12. Phân bố áp suất tĩnh trên lá cánh TH2 Qua hình 12 cho thấy: Áp suất phân bố không đều đều trên mặt lưng và bụng cánh, thi thoảng có sự biến đổi về giá trị, với cánh dài áp suất phía bụng ban đầu nhỏ hơn phía lưng, tới chiều dài 52 mm áp suất lưng bụng đổi chiều rồi gia tăng khoảng cách chênh lệch, tới chiều dài 145 mm chênh lệch giảm dần. Trên đồ thị phần diện tích tạo bởi chênh áp suất (bụng lớn hơn lưng) lớn hơn nhiều so với diện tích phía ngược lại, đảm bảo tạo năng lượng trên lá cánh dài. Với lá cánh ngắn, áp suất bụng cao hơn lưng ngay từ đầu, chênh lệch khá lớn tạo vùng diện tích chênh áp trên biểu đồ, điều này cho thấy năng lượng tạo được trên cánh ngắn khá lớn, không có sự biến đổi năng lượng bất lợi trên lá cánh ngắn. Trường hợp này phần diện tích đồ thị tạo bởi chênh áp (bụng lớn hơn lưng) có lợi lớn hơn trường hợp 1. 12 * Bánh công tác với cánh ngắn bằng 5/12 cánh dài (TH3) 140.000 Bụng cánh dài Lưng cánh dài Bụng cánh ngắn Lưng cánh ngắn 120.000 Áp suất tĩnh (Pa) 100.000 80.000 60.000 40.000 20.000 0 0,0 -20.000 20,0 40,0 60,0 80,0 100,0 120,0 140,0 160,0 180,0 Chiều dài cánh (mm) Hình 13. Phân bố áp suất tĩnh trên lá cánh TH3 Qua hình 13 cho thấy: Áp suất phân bố không đều đều trên mặt lưng và bụng cánh, thi thoảng có sự biến đổi về giá trị, với cánh dài áp suất phía bụng ban đầu nhỏ hơn phía lưng, tới chiều dài 52 mm áp suất lưng bụng đổi chiều rồi gia tăng khoảng cách chênh lệch, tới chiều dài 145 mm chênh lệch giảm dần. Trên đồ thị phần diện tích tạo bởi chênh áp suất (bụng lớn hơn lưng) lớn hơn nhiều so với diện tích phía ngược lại, đảm bảo tạo năng lượng trên lá cánh dài. Với lá cánh ngắn, áp suất bụng cao hơn lưng ngay từ đầu, chênh lệch khá lớn tạo vùng diện tích chênh áp trên biểu đồ, điều này cho thấy năng lượng tạo được trên cánh ngắn khá lớn, không có sự biến đổi năng lượng bất lợi trên lá cánh ngắn. Trường hợp này phần diện tích đồ thị tạo bởi chênh áp (bụng lớn hơn lưng) có lợi lớn hơn trường hợp 1. * Bánh công tác với cánh ngắn bằng 1/2 cánh dài (TH4) Qua hình 14 cho thấy: Trên lá cánh dài áp suất phân bố không đều đều trên mặt lưng và bụng cánh, ban đầu áp suất bụng cánh nhỏ hơn lưng cánh, tới chiều dài 68 mm thì áp suất đổi chiều, áp suất bụng cánh lớn hơn lưng cánh, độ chênh tăng rõ rệt, đây là yếu tố tạo năng lượng có lợi cho bánh công tác. Phần diện tích năng lượng có lợi trên đồ thị lớn hơn nhiều so với phần bất lợi. 13 Trên lá cánh ngắn, áp suất bụng cánh lớn hơn lưng cánh ngay từ đầu, độ chênh lệch lớn cho thấy năng lượng trên cánh ngắn rất tốt, cánh ngắn nhận được nhiều năng lượng từ dòng nước. Tổng diện tích năng lượng có lợi trên đồ thị trường hợp này cũng lớn nhất trong 06 trường hợp chạy bài toán, điều này có thể cho thấy với chiều dài cánh ngắn bằng ½ cánh dài ở thí nghiệm này năng lượng có lợi do bánh công tác tạo ra là lớn nhất, trên lá cánh không có áp suất áp suất bão hoà. 140.000 120.000 Bụng cánh dài 100.000 Áp suất tĩnh (Pa) Lưng cánh dài 80.000 Bụng cánh ngắn 60.000 Lưng cánh ngắn 40.000 20.000 0 0,0 -20.000 20,0 40,0 60,0 80,0 100,0 120,0 140,0 160,0 180,0 Chiều dài cánh (mm) Hình 14. Phân bố áp suất tĩnh trên lá cánh TH4 * Bánh công tác với cánh ngắn bằng 7/12 cánh dài (TH5), Qua hình 15 cho thấy: Áp suất phân bố không đều đều trên mặt lưng và bụng cánh, thi thoảng có sự biến đổi về giá trị, với cánh dài áp suất phía bụng ban đầu nhỏ hơn phía lưng, tới chiều dài 68 mm áp suất lưng bụng đổi chiều rồi gia tăng khoảng cách chênh lệch, tới chiều dài 150 mm chênh lệch giảm dần. Trên đồ thị phần diện tích tạo bởi chênh áp suất (bụng lớn hơn lưng) lớn hơn nhiều so với diện tích phía ngược lại, đảm bảo tạo năng lượng trên lá cánh dài. Với lá cánh ngắn, áp suất bụng cao hơn lưng ngay từ đầu, chênh lệch khá lớn tạo vùng diện tích chênh áp trên biểu đồ, điều này cho thấy năng lượng tạo được trên cánh ngắn khá lớn, không có sự biến đổi năng lượng bất lợi trên lá cánh 14 ngắn. Trường hợp này phần diện tích đồ thị tạo bởi chênh áp (bụng lớn hơn lưng) có lợi lớn hơn trường hợp 1. 140.000 120.000 Bụng cánh dài 100.000 Áp suất tĩnh (Pa) Lưng cánh dài 80.000 Bụng cánh ngắn 60.000 Lưng cánh ngắn 40.000 20.000 0 0,0 20,0 40,0 -20.000 60,0 80,0 100,0 120,0 140,0 160,0 180,0 Chiều dài cánh (mm) Hình 15. Phân bố áp suất tĩnh trên lá cánh TH5 * Bánh công tác với cánh ngắn bằng 2/3 cánh dài (TH6), Áp suất tĩnh (Pa) 100.000 Bụng cánh dài 80.000 Lưng cánh dài 60.000 Bụng cánh ngắn Lưng cánh ngắn 40.000 20.000 0 0,0 20,0 40,0 60,0 80,0 100,0 120,0 140,0 160,0 180,0 -20.000 -40.000 Chiều dài cánh (mm) Hình 16. Phân bố áp suất tĩnh trên lá cánh TH6 15 Qua hình 16 cho thấy: Trên cánh dài áp suất lưng lớn hơn áp suất bụng ngay từ lối vào, tới chiều dài 78 mm áp suất lưng bụng mới đổi chiều, bắt đầu tạo năng lượng có lợi, tuy nhiên diện tích năng lượng có lợi do cánh dài tạo ra trên đồ thị cũng tương đương phần diện tích năng lượng không có lợi, có thể nói ở trường hợp này cánh dài hầu như không tạo được mô men quay cho bánh công tác. Trên cánh ngắn, áp suất bụng lớn hơn lưng ngay từ lối vào, tạo nên năng lượng có lợi, độ chênh áp bụng lưng khá lớn, có thể thấy trường hợp này năng lượng tạo ra tại bánh công tác tua bin phần lớn là do cánh ngắn. Qua 6 trường hợp khảo sát, phân bố áp suất đều tương đương các nghiên cứu lý thuyết, tuy nhiên tại các lá cánh dài có các trường hợp bị đảo chiều áp suất lưng bụng, chắc chắn có ảnh hướng tới việc truyền năng lượng giữa dòng chất lỏng với bánh công tác, các trường hợp đều cho thấy việc biến đổi năng lượng của dòng nước trên cánh ngắn là rất tốt, không bị đảo chiều áp suất. 4.2.2.2 Phân bố vận tốc 15,0 14,0 Vận tốc dòng chảy (m/s) 13,0 12,0 11,0 10,0 9,0 8,0 TH1 Th4 TH2 TH5 TH3 TH6 7,0 0,0 50,0 100,0 Chiều dài cánh (mm) 150,0 Hình 17. Biến thiên vận tốc lối vào và ra tại đường trung bình 16 Phân bố vận tốc đều, hướng vận tốc thuận không có đột biến, không tạo xoáy, dòng chảy đi vào và đi ra hợp lý, vận tốc tăng dần theo chiều dòng chảy cho thấy sự biến đổi dần năng lượng từ thế năng sang động năng trên bề mặt lá cánh. Trường hợp 1 có vận tốc suôn đều, không có đột biến do không có dãy cánh ngắn ở giữa, năm trường hợp có dãy cánh ngắn vận tốc đều bị biến đổi tại điểm kết thúc chiều dài của dãy cánh ngắn, điều này cũng cần nghiên cứu thêm về góc đặt, độ dầy chiều ra của cánh ngắn để có đường vận tốc trung bình suôn hơn nữa, tránh việc tạo xoáy khi hết chiều dài dãy cánh ngắn. Kết quả tính toán lực tác động lên cánh dài của các trường hợp như sau (tính cho 1m chiều sâu cánh). Bảng 1. Kết quả tính toán từ Ansys Fluent với mô hình 2D TT Trường hợp P vào (Pa) P ra (Pa) V vào (m/s) V ra (m/s) Fx (kN) Fy (kN) 1 TH1 71.282,27 0 7,76 13,68 39,18 -46,64 2 TH2 72.461,45 0 7,60 13,43 42,12 -47,84 3 TH3 72.882,51 0 7,5 13,32 43,39 -48,20 4 TH4 73.067,52 0 7,5 13,28 49,12 -48,66 5 TH5 73.110,28 0 7,5 13,28 43,47 -48,99 6 TH6 73.159,31 0 7,5 13,29 42,38 -49,44 Qua bảng kết quả cho thấy: Với trường hợp 4 (TH4 - chiều dài cánh ngắn bằng ½ cánh dài) có lực tác dụng theo phương x lên cánh lớn nhất, lực này cũng chính là tác nhân gây mô men quay cho bánh công tác. Kết quả khảo sát này là nền tảng để tính toán, nghiên cứu sâu hơn nữa về trường hợp này. 4.3 Kết luận Trên cơ sở mẫu cánh tua bin đã thiết kế chế tạo theo cơ sở lý thuyết ở chương 2, tiến hành khảo sát 2D mô hình cho 06 trường hợp bánh công tác, chiều dài dãy cánh ngắn khác nhau thì phân bố áp suất trên lá cánh tua bin cũng khác nhau, đặc tính năng lượng cũng khác nhau, qua phân tích các kết quả ở trên cho thấy: Bánh công tác với dãy cánh ngắn có chiều dài bằng ½ cánh dài cho năng lượng tốt nhất. Chương 5. Nghiên cứu thực nghiệm tua bin trên hệ thống thí nghiệm Việc thiết kế tua bin mô hình dựa trên điều kiện tương tự, theo công suất và thông số kỹ thuật của phòng thí nghiệm, theo các thông số kỹ thuật đã lựa chọn từ mô hình cơ sở tua bin ở chương 3. Trên cơ 17 sở chạy mô hình 2D các mẫu cánh công tác ở chương 4, chế tạo 04 mẫu cánh với chiều dài cánh ngắn lần lượt bằng 0; 1/3; ½; 2/3 cánh dài, từ đó lần lượt chạy tua bin mô hình lắp 04 mẫu cánh này trên hệ thống thí nghiệm tua bin, vẽ đặc tính, xem xét các điều kiện, rồi lựa chọn được mẫu cánh tốt nhất cho tua bin. 5.1 Đường đặc tính tua bin 5.2 Hệ thống thí nghiệm tua bin 5.2.1 Mô tả chung hệ thống Để nghiên cứu thực nghiệm tua bin mô hình tâm trục cần phải có hệ thống thí nghiệm (giá thí nghiệm) tua bin đáp ứng được các yêu cầu chính xác, hiện đại, và thuận tiện cho việc thao tác, gia công số liệu. Với mục tiêu đó chúng tôi tiến hành thử tua bin mô hình tâm trục trên giá thí nghiệm của Viện thủy điện và Năng lượng tái tạo - Viện Khoa học Thuỷ lợi Việt Nam. Sơ đồ giá thí nghiệm tua bin được giới thiệu trên hình 18. 5.3 Phương pháp thực nghiệm tua bin 5.3.1 Số liệu thực nghiệm Trên cơ sở các số liệu đo được ta tính các thông số làm việc của tua bin: a. Cột nước làm việc của tua bin H (m) Cột nước của tua bin xác định trên cơ sở phương trình Bernuli viết cho hai mặt cắt vào và ra khỏi tua bin: 𝐻 = 𝐻𝑇 + 𝐻𝐷 + 𝐻𝑆 = 𝑃1 𝛾 𝑉2 𝑃 1 + 2𝑔 + (ℎ − 𝛾2 ) b. Công suất trên trục NT (kW). Công suất trên trục tua bin xác định theo mô men và vòng quay: 𝑁T = 𝑀. 𝜔 = 𝑀. 𝜋. 𝑛/30 = M.π.n/30 (Nm/s) c. Hiệu suất của tua bin: Hiệu suất của tua bin xác định theo biểu thức: N 𝑇 𝜂T = 9,81.𝑄.𝐻 Trong đó: Q - lưu lượng qua tua bin (m3/s) 5.3.2 Quá trình đo Thử nghiệm tua bin mô hình với cột nước 10m, độ mở cánh hướng từ a0 = 5; 10; 15; 17,5; 20; 25; 28 mm. 18 Trình tự tiến hành: Mở cánh hướng tới vị trí 5 mm, điều chỉnh biến trở để máy chạy ổn định, bắt đầu tiến hành đo đạc khoảng 01 tiếng máy chạy, vừa chạy vừa điều chỉnh biến trở dây quấn trong dải cho phép để có bộ thông số đo khác nhau. Tiến hành tương tự với các độ mở cánh hướng 10; 15; 17,5; 20; 25; 28 mm. Khi mở hết cánh hướng tới độ mở 28 mm, thực hiện quá trình lùi đo ngược lại tương tự như chiều tiến cho đến khi đóng cánh hướng hoàn toàn. Hình 18. Sơ đồ nguyên lý hệ thống thí nghiệm tua bin Hình 19. Thực nghiệm mô hình trên giá thí nghiệm 19 5.3.3 Xử lý dữ liệu thí nghiệm 5.3.4 Xác định sai số đo 5.4 Kết quả thực nghiệm Sử dụng kết quả đo trong quá trình thực nghiệm các mẫu cánh để xây dựng các đường đặc tính đơn, từ các đường đặc tính đơn, xây dựng đường đặc tính tổng hợp chính tua bin mô hình làm cơ sở đánh giá chất lượng làm việc của mẫu cánh. Sau khi đo đạc, xử lý số liệu tỉ mỉ, chính xác, tiến hành vẽ đường đặc tính tổng hợp chính cho các mẫu cánh thực nghiệm, kết quả được các đường đặc tính như sau: nI ' nI ' 15 10 a0=5mm 74 20 70 71 73 64 72 28 25 74 20 15 69% 28 25 73 76 77 78 78,5 79,5 80,5 81 81,5 72% 72 74 76 77 68 70 10 a0=5mm 70 78 78,5 68 68 82% 79% 66 66 64 64 62 62 60 0,1 Q I' 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 Q I' 60 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 l=0 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 l = 1/3 L Hình 20. Đường đặc tính thực nghiệm mẫu cánh 1,2 (l=0, l=1/3L) Đánh giá kết quả thực nghiệm mẫu 1: Mẫu 1 có chiều dài cánh ngắn bằng 0, khả năng thoát nước lớn, lưu lượng qua tua bin lớn nhất trong các trường hợp, dòng chảy suôn không bị va đập, hiệu suất từ 64 đến 79% thấp nhất trong 5 trường hợp, hiệu suất max trong vùng QI’ từ 0,45 đến 0,49. Khi tăng độ mở a0 từ 5 đến 28 mm, lưu lượng qua tua bin tăng, hiệu suất max khi a0 = 17,5 mm sau đó giảm dần khi tiếp tục mở hết độ mở cánh hướng. nI ' 10 20 15 74 a0=5mm 76 25 nI ' 28 78 79 81 77 72 10 74 82 70 20 15 70 72 83 83,5 84 84,5 70 85% 68 25 28 72 75 76 71 79,5 80 80,5 81 81,5 82 a0=5mm 68 82,5% 66 66 64 64 62 60 0,1 62 Q I' 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 l = 1/2 L 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 60 0,1 Q I' 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 l = 2/3 L Hình 21. Đường đặc tính thực nghiệm mẫu cánh 3,4 (l=1/2L ,l=2/3L) 20 Đánh giá kết quả thực nghiệm mẫu 2: Mẫu 2 có chiều dài cánh ngắn bằng 1/3 chiều dài cánh dài, dòng chảy dần bị co hẹp do có thêm cánh chèn vào giữa, hiệu suất từ 69 đến 82%, hiệu suất max trong vùng QI’ từ 0,42 đến 0,46. Khi tăng độ mở a0 từ 5 đến 28 mm, lưu lượng qua tua bin tăng, hiệu suất max khi a0 = 17,5 mm sau đó giảm dần khi tiếp tục mở hết độ mở cánh hướng. Đánh giá kết quả thực nghiệm mẫu 3: Mẫu 3 có chiều dài cánh ngắn bằng 1/2 chiều dài cánh dài, dòng chảy dần bị co hẹp do có thêm cánh chèn vào giữa, hiệu suất từ 72 đến 85%, hiệu suất max trong vùng QI’ từ 0,41 đến 0,44. Khi tăng độ mở a0 từ 5 đến 28 mm, lưu lượng qua tua bin tăng, hiệu suất max khi a0 = 17,5 mm sau đó giảm dần khi tiếp tục mở hết độ mở cánh hướng, đây là trường hợp cho hiệu suất cao nhất, phù hợp với kết quả chạy mô phỏng trên phần mềm Ansys Fluent. Đánh giá kết quả thực nghiệm mẫu 4: Mẫu 4 có chiều dài cánh ngắn bằng 2/3 chiều dài cánh dài, dòng chảy bị co hẹp nhiều hơn do có thêm cánh chèn vào giữa, hiệu suất từ 70 đến 82,5%, hiệu suất max trong vùng QI’ từ 0,38 đến 0,43. Hiệu suất max khi a0 = 17,5 mm sau đó giảm dần khi tiếp tục mở hết độ mở cánh hướng. Bảng 2. Bảng so sánh thông số thực nghiệm các mẫu cánh TT 1 2 3 4 Chiều dài cánh ngắn l=0 l = 1/3L l = 1/2L l = 2/3L max (%) 79 82 85 82,5 QI’ tại max 0,47 0,43 0,42 0,41 5.5 Kết luận Để có các số liệu thực tế kiểm nghiệm mô hình, tác giả đã tiến hành thực nghiệm tua bin mô hình với 04 mẫu cánh khác nhau trên hệ thống thí nghiệm, qua quá trình đo đạc, xử lý số liệu, vẽ đồ thị tác giả đã có được 04 đường đặc tính tổng hợp chính. Qua xem xét so sánh các đặc tính năng lượng này cho thấy: trường hợp bánh công tác với cánh ngắn có chiều dài bằng ½ cánh dài cho hiệu suất tua bin cao nhất. Chương 6. Kết quả Việc thí nghiệm tua bin trên hệ thống thí nghiệm với 04 mẫu cánh cần nhiều thời gian điều chỉnh, xử lý số liệu và xây dựng đường đặc tính, qua kết quả thu được sau khi xây dựng cho thấy các số liệu thực nghiệm phù hợp với lý thuyết và mô phỏng bằng phần mềm, với các kết cấu Bánh công tác khác nhau cho hiệu suất tua bin khác nhau và vùng làm việc, lưu lượng qua tua bin khác nhau, tuy nhiên lưu lượng