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 lo ại 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 hiệ u 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 s ử 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- Ht h...............................................................35
2.1.1.1 Cột nước lý thuyết c ủa bánh công tác trong chế độ bơm...................38
2.1.1.2 Cột nước lý thuyết c ủa 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 tổ n 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 thi ết 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 gi ả thiết thiết kế...............................................................56
2.3.3 Ảnh hưởng c ủa đường kính D1, D2............................................................57
2.3.4 Ảnh hưởng góc tới δ và góc đặt cánh β1B...................................................58
2.3.5 Ảnh hưởng c ủa góc đặt cánh β2B...............................................................60
2.3.6 Ảnh hưởng c ủa 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 c ắt kinh tuyế n.............................................................................................62
2.4 Thiết kế biên dạng cánh - Phân tích ảnh hưởng của biên dạng cánh đến hiệu
suất c ủa PaT.........................................................................................................63
2.4.1 Lựa chọ n 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 c ủa 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 thi ết 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 c ột trụ và cánh hướng...................................................74
2.5.3 Thiết kế ống hút (ống xả)...........................................................................75
2
2.6
Kết luận chương 2 ..............................................................................................
CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH DÒNG CHẢY TRONG TỔ MÁY
BƠM –TUABIN BẰNG MÔ PHỎNG 3D .................................................................
3.1
Thiết lập bài toán mô phỏng 3D ở chế độ dừng ..........................................
3.1.1
Lựa chọ n mô hình rối và mô hình quay
3.2
Chia lưới ..............................................................................................................
3.3
Các điều kiện biên...............................................................................................
3.4
Các kết quả trong chế độ bơm .........................................................................
3.5
Kết quả trong chế độ tuabin............................................................................
3.6
Đánh giá phân bố tổn thất trong chế độ bơm và tuabin ............................
3.7
Đánh giá ảnh hưởng của cột trụ đến hiệu suất của máy PaT ...................
3.8
Kết luận chương 3 ..............................................................................................
CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM MÔ HÌNH BƠM – TUABIN
THUẬN NGHỊCH...........................................................................................................
4.1
Giới thiệu về hệ thống thử nghiệm của Công ty CP chế tạo bơm H
Dương .................................................................................................................................
4.2
Các thông số hình học c ủa tổ máy thí nghiệm.............................................
4.3
Thiết lập sơ đồ và phương án thí nghiệm chế độ bơm ...............................
4.3.1
Sơ đồ và các thành phần thí nghiệm......
4.3.2
Quy trình thử nghiệm .............................
4.3.3
Kết quả và thảo luận các kết quả trong
4.3.3.1 Đánh giá các đường cong năng lượng................................................
4.3.3.2 So sánh với các nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng ..........................
4.4
Thiết lập sơ đồ và phương án thí nghiệm tuabin.......................................
4.4.1
Sơ đồ thí nghiệm ....................................
4.4.2
Quy trình thử nghiệm ............................
4.4.3 Kết quả và thảo luận trong vận hành chế độ tuabin .....................................
4.4.3.1 Đánh giá các đường cong năng lượng..............................................
4.4.3.2 So sánh với các tính toán lý thuyết ...................................................
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 Tổ ng 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 tổ n thất trong hệ thố ng 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 c ủa 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 c ủa 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 c ủa 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 lo ại 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 c ắt 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 c ủa yế u tố trượt..........................................................................................36
Hình 2.3 Tam giác tốc độ tại mặt cắt c ửa vào và ra c ủa 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 đ ập đầu cánh....................................................................................44
Hình 2.7 Tổ n thất phân tán do ảnh hưởng c ủa độ loe hoặc côn c ủa cánh.................44
Hình 2.8 Cân bảng công suất của hệ thố ng 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 c ủa 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 c ủa 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 t ại điểm thiết kế..................................................................................................................59
Hình 2.16 Ảnh hưởng của c ủa 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 t ại 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 c ủa 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 c ủa 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 c ủa 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
trung bình 50% t ại điểm thiết kế .....................................................................................
Hình 3.9 Trường dòng chảy qua khu vực cánh hướng và cột trụ................................
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 c ủ
Hình 3.12
Phân bố áp suất dọc the
Hình 3.13
Phân bố đường dòng tro
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 ........................
Hình 3.16
Phân bố áp suất (tải trọ
Hình 3.17
Đặc tính năng lượng c ủ
Hình 3.18
Đánh giá tổ n thất trong
Hình 3.19
Đánh giá tổ n thất trong
Hình 4.1
Các thông số hình học của bộ phậ
Hình 4.2
Sơ đồ thí nghiệm bơm ...................
Hình 4.3
Hệ thống thí nghiệm bơm .............
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 ...................................................................
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
Hình 4.6
Sơ đồ thí nghiệm tuabin .................................................................................
Hình 4.7
Hệ thống thí nghiệm tuabin ...........................................................................
Hình 4.8
Đường cong đặc tính của PaT kh
độ mở a02=10mm .............................................................................................................
Hình 4.9
So sánh các đường cong đặc tính
phương án độ mở a02=10mm. ........................................................................................
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
Hình 4.11 Ảnh hưởng của độ mở cánh hướng đến đặc tính của tuabin với các phương
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
Ký
hiệu
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ C
Thông số
A
ao
b
Diện tích
Độ mở cánh hướng nước
Chiều rộng máng dẫn
C
Vận tốc tuyệt đối
Cu
Thành phần vận tốc quay của
vận tốc tuyệt đối
Cm
Thành phần kinh tuyến của vận
tốc tuyệt đối
D, d
e
Đường kính
Độ dày lá cánh
f
Tần số dòng điện
g
H
h
Gia tốc trọng trường
Cột nước
Tỷ lệ cột nước
hbend
Tổn thất tại những vị trí uốn
cong
hcas
hcir
hdif
Tổn thất thủy lực buồng xoắn
Tổn thất dòng xoáy
Tổn thất phân tán do dòng loe
(dòng côn) và độ dày của cánh
Tổn thất ma sát đĩa trong BCT
hdisk
hdr
hfr
hgc
Tổn thất thủy lực trong ống hút
Tổn thất ma sát của dòng chất
lỏng với cánh dẫn
Tổn thất co hẹp từ từ (chế độ
tuabin)
Tổn thất mở rộng từ từ (chế độ
bơm)
hge
him
hin
Tổn thất thủy lực trong bánh
công tác
Tổn thất va đập đầu cánh
hleg
Tổn thất lưu lượng trong các
khe rãnh
m
hrec
Tổn thất dòng quẩn
m
hse Tổn thất mở rộng đột ngột
hsc Tổn thất co hẹp đột ngột
m
hspa
m
11
m
Tổn thất thủy lực vùng
khoảng trống
m
m
hvan Tổn thất thủy lực cánh hướng
Hs Độ sâu hút
K3
ở
Mô men vận tốc của dòng chảy
lối vào buồng xoắn
Kcas Hệ số buồng xoắn
LĐộ dài bình quân lá cánh
m
n Số vòng quay đồng bộ ns
Số vòng quay đặc trưng
v/p
Pa
kW
p Áp suất P
Công suất Q
Lưu lượng
Qleg
(m3/s)
Tổn thất rò rỉ
q
R
Re
m3/h/
m3/s
Hệ số lưu lượng
Bán kính
m
Hệ số Reynolds
U
Vận tốc quay
m/s
W
Vận tốc tương đối
m/s
Z
Số cánh của BCT
độ
Góc giữa véctơ vận tốc
quay và vận tốc tuyệt đối
B
độ
'B
độ
i’
độ
w
cm2 u cu 2
ar
ct
a
n
c
m
q
Q
cu
T
QP
K3 = c3u.R3
B
1 ' arctan
u
1u
Dn
60
Góc lệch mép ra
độ
Hệ số dòng chảy
độ
Kw
c1m1 u
1
c
i1 ' 1B 1 '
2B 2
Hệ số trượt
Yếu tố trượt
f
k
w
Hệ số tổn thất cục bộ
λ
Hệ số tổn thất dọc đường
h
vol
m
φ
Góc buồng xoắn
Hệ số chèn dòng
d1m* ≤ Lim
f1 =0,98 với bơm ly tâm
1
θ
Góc ôm cánh
Hệ số khí thực
Các chỉ số
Ave
1
2
Vị trí ngay trước khi vào bánh công tác
Vị trí cửa vào BCT
3
Vị trí cửa ra BCT
4
Vị trí ngay sau mép ra bánh công tác (cánh hướng)
5
6
Vị trí cột trụ và buồng xoắn
Vị trí cửa ra ống hút
Giá trị trung bình
12
B
Cánh
m
Kinh tuyến
Loss
Tổn thất
Net
Thực tế (sau khi trừ tổn thất)
u
Thành phân quay
hThủy lực
max
Lớn nhất
min
Nhỏ nhất
P
Bơm
∞
Điều kiện lý tưởng, cánh nhiều vô cùng.
TTuabin
Các chữ cái viết tắt
PaT
Pump as turbine
Bánh công tác
BCT
Nhà máy thuỷ điện tích năng
NMTĐTN
TTĐ
Trạm thủy điện
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 nhiê n, 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
- Xem thêm -