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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI








ĐINH MINH HẢI




NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH NĂNG LƢỢNG
CỦA TUA BIN TÂM TRỤC VỚI BÁNH CÔNG TÁC
CÓ DÃY CÁNH NGẮN


Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
Mã số: 62520116




LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học:

1. GS. TS Nguyễn Thế Mịch.
2. PGS. TS Trƣơng Việt Anh.









HÀ NỘI - 2014






LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án tiến sĩ với đề tài: “Nghiên cứu đặc
tính năng lƣợng của tua bin tâm trục với bánh công tác có dãy cánh ngắn” tác giả đã nhận
đƣợc nhiều sự giúp đỡ từ các tổ chức và cá nhân.

Tác giả xin trân trọng cảm ơn:

1. Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Đào tạo sau Đại học, Viện Cơ khí Động
lực, Bộ môn Máy và tự động thuỷ khí đã tạo điều kiện về mặt thời gian cũng nhƣ công tác
chuyên môn để tác giả tập trung vào công việc nghiên cứu;
2. Hội Cơ học Việt Nam, Hội cơ học Thuỷ khí, Viện Nghiên cứu cơ khí, các tạp chí

trong và ngoài nƣớc đã hỗ trợ kinh phí, tạo điều kiện để tác giả báo cáo công trình nghiên
cứu;
3. Viện Thuỷ điện và Năng lƣợng tái tạo – Viện Khoa học Thuỷ lợi Việt Nam đã hỗ
trợ kinh phí và giúp đỡ tác giả hoàn thành phần thực nghiệm;
4. Tập thể cán bộ hƣớng dẫn: GS.TS Nguyễn Thế Mịch; PGS.TS Trƣơng Việt Anh
đã định hƣớng, hƣớng dẫn để tác giả hoàn thiện luận án;
5. Gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã động viên, khích lệ để tác giả hoàn thành luận
án.


Tác giả





Đinh Minh Hải

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận án “Nghiên cứu đặc tính năng
lƣợng của tua bin tâm trục với bánh công tác có dãy cánh ngắn” đều do tôi tự thực hiện
hoặc đồng thực hiện dƣới sự hƣớng dẫn của tập thể cán bộ hƣớng dẫn GS.TS Nguyễn Thế
Mịch; PGS.TS Trƣơng Việt Anh.
Để hoàn thành luận án này, tôi chỉ dùng những tài liệu đã ghi trong mục tài liệu tham
khảo mà không dùng bất cứ một tài liệu nào khác. Không hề có sự sao chép, gian lận kết
quả của bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác.


Tác giả





Đinh Minh Hải








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
Chƣơng 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 nƣớc 5
1.3.1 Nghiên cứu tua bin tâm trục có dãy cánh ngắn ở nƣớc 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 Phƣơng pháp nghiên cứu 12
1.6 Kết luận 12
Chƣơng 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 trƣng 13
2.1.2 Ảnh hƣởng 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 hƣớng 17
2.3.1 Nhiệm vụ và các thông số đặc trƣng 18

2.3.2 Thiết kế biên dạng profile cánh hƣớng 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 lƣợng 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 Phƣơng pháp xây dựng đƣờng dòng đẳng thế 26
2.5.2 Phƣơng 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 Phƣơng pháp xây dựng biên dạng cánh BCT tua bin tâm trục 30
2.5.3.1 Phƣơng pháp dòng một chiều 31
2.5.3.2 Phƣơng pháp hai toạ độ (Phƣơng pháp Bauersfelder) 36
2.6 Kết luận 42
Chƣơng 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
Chƣơng 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 Ƣu 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 lƣới trong CFD 56
4.1.8 Chọn lựa mô hình lƣới 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
Chƣơng 5. Nghiên cứu thực nghiệm tua bin trên hệ thống thí nghiệm 71
5.1 Đƣờng đặc tính tua bin 72
5.1.1 Cơ sở xây dựng đƣờng đặc tính lý thuyết của tua bin tâm trục 72
5.1.2 Phƣơng pháp xây dựng đƣờng 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 Phƣơng 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
Chƣơng 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, đƣờng đặc tính làm việc,
xây dựng đặc tính tổng hợp chính các mẫu cánh 100
i

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

BCT
Bánh công tác
CHD
Cánh hƣớng dòng
Co
Hằng số tích phân
c
x

Hệ số lực cản
c

y

Hệ số lực nâng
c
xp

Hệ số lực cản profile
c
xp

Hệ số tổn thất khe hở tƣơng đối
D1
Đƣờng kính lối vào Bánh công tác (mm)
D2
Đƣờng kính lối ra Bánh công tác (mm)



Tỷ số bầu tƣơng đối của BCT
d
b

Đƣờng kính bầu BCT
E
Năng lƣợng đơn vị (j/kg)
F
Diện tích (m
2
)

H
Cột áp của tua bin (m)
H
lth

Cột áp lý thuyết (m)
H
thực

Cột áp thực tế (m)
h
c

Sức cản thuỷ lực (m)



Tổn thất tƣơng đối (không thứ nguyên)




Tổn thất thuỷ lực tƣơng đối (không thứ nguyên)




Tổn thất tƣơng đối bánh công tác (không thứ nguyên)





Tổn thất tƣơng đối ống xả (không thứ nguyên)




Tổn thất tƣơng đối profile (không thứ nguyên)
H
Sai số giới hạn tƣơng đối của cột áp (%)
g
Gia tốc trọng trƣờng (m/s
2
)
L
Chiều dài dây cung của prôfin (m)
L
z

Hình chiếu dây cung theo phƣơng hƣớng trục (m)
L
u

Hình chiếu dây cung theo phƣơng hƣớng vòng (m)
L
TBBCT

Chiều dài trung bình bánh công tác
l/t
Độ mau của dãy cánh

M
Mô men (Nm)
N
td

Số lƣợng tiết diện tính toán
N
Công suất (W)
N
tl

Công suất thuỷ lực (W)
N
tr

Công suất trên trục (W)
N
ms

Công suất tổn thất do ma sát (W)
ii

N
Sai số giới hạn tƣơng đối của công suất (%)
N
*

Sai số mạch động của công suất (%)
N


Sai số tổng cộng của công suất (%)
t/l
Bƣớc lƣới tƣơng đối (không thứ nguyên)
n
Vòng quay (vg/phút)
n
s

Số vòng quay đặc trƣng (vg/ph)
n’
I

Vòng quay quy dẫn (không thứ nguyên)
P
Áp suất (kg/cm
2
)
Pa
Áp suất khí quyển (kg/cm
2
)
Q
Lƣu lƣợng (m
3
/s)
Qd
Lƣu lƣợng dò rỉ (m
3
/s)
Qtt

Lƣu lƣợng thực tế (m
3
/s)
Qlth
Lƣu lƣợng lý thuyết (m
3
/s)
Q’
I
Lƣu lƣợng quy dẫn (không thứ nguyên)
Q
Sai số giới hạn tƣơng đối của lƣu lƣợng (%)
Q
*
Sai số mạch động của lƣu lƣợng (%)
Q

Sai số tổng cộng của lƣu lƣợng (%)
Ri
Bán kính tính toán của các tiết diện (m)
Rx
Lực cản
Ry
Lực nâng
Re
Số râynôn (không thứ nguyên)
s
Chiều dày lá cánh
t
Bƣớc cánh

TB
Tua bin
TBTT
Tua bin tâm trục
TTĐ
Trạm thuỷ điện
u
Tọa độ theo phƣơng quay
V
Vận tốc tuyệt đối (m/s)
V
z

Vận tốc dọc trục (m/s)
V
u

Vận tốc xoáy (m/s)
V
2u

Vận tốc xoáy tại lối ra khỏi BCT (m/s)
V
2UGT

Giả thiết vận tốc xoáy tại lối ra khỏi BCT (m/s)
V
0z

Thành phần vận tốc dòng không nhiễu tại điểm z=0

V
0u

Thành phần vận tốc dòng không nhiễu tại điểm u=0
U
Vận tốc vòng (m/s)
X
M

Giá trị đo tới hạn
X
Giá trị đo thực
iii

W
Vận tốc tƣơng đối (m/s)
W
1

Vận tốc tƣơng đối ở lối vào của lƣới (m/s)
W
2

Vận tốc tƣơng đối ở lối ra của lƣới (m/s)
W


Vận tốc của dòng song phẳng không nhiễu (m/s)
z
Toạ độ vuông góc với phƣơng u

Z
CT

Số lá cánh của bánh công tác

Lƣu số vận tốc

Trọng lƣợng riêng (N/m
3
)
(s)
Hàm xoáy

Khối lƣợng riêng (kg/m
3
)

Hệ số nhớt động học (m
2
/s)

Góc đặt cánh (độ)

1

Góc của dòng chảy khi vào (độ)

2
Góc của dòng chảy khi ra (độ)


0
Góc đặc trƣng cho độ cong của profile (độ)


Góc của dòng song phẳng không nhiễu (độ)

Góc ngoặt của dòng chảy (độ)

chiều rộng tƣơng đối của máng dẫn

Vận tốc góc (rad/s)

0

Hàm dòng của dòng thế không nhiễu

1

Hàm dòng cảm ứng tạo bởi các xoáy liên hợp

(t)

Hàm dòng tổng cộng

(s)

Hàm dòng cảm ứng tạo bởi các xoáy (s) bên trong prôfin

(u,z)

Hàm dòng tổng cộng
/L
Hàm dòng trên chu tuyến prôfin

Tổn thất thủy lực tƣơng đối tổng cộng (không thứ nguyên)

Khoảng cách giữa hai lƣới (m)

max

Độ dày (m)

max
/l
Độ dày tƣơng đối (không thứ nguyên)

x

Sai số tƣơng đối của giá trị đo

y

Sai số giới hạn tƣơng 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

iv


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 tƣơng đối của hiệu suất (%)
BHBG
Biến hình bảo giác



v


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 Phân loại tua bin theo n
s
2
Bảng 1.2 Một số trạm thủy điện sử dụng tua bin tâm trục có dãy cánh ngắn 6
Bảng 1.3 Thông số tua bin tâm trục có dãy cánh ngắn tại Trung Quốc 8
Bảng 1.4 So sánh kết quả chạy mô phỏng với mô hình S-A và k- tại Trung Quốc 9
Bảng 1.5 Thông số tua bin tổ máy 3 nhà máy thuỷ điện KANSAI, Nhật Bản 10
Bảng 2.1 Kích thƣớc cơ bản của khuỷu số 4 (m) 24
Bảng 2.2 Kích thƣớc cơ bản ống xả (m) 24
Bảng 2.3. Profile khí động. 35
Bảng 3.1 Các giá trị vận tốc kinh tuyến tại mép vào và ra của cánh trên các đƣờng dòng . 48
Bảng 3.2 Góc đặt của profile cánh tại mép vào và ra 49
Bảng 3.3 Góc bao của các tiết diện ứng với các đƣờng dòng 50
Bảng 4.1 Kết quả tính toán từ Ansys Fluent với mô hình 2D 70
Bảng 5.1 Bảng so sánh thông số thực nghiệm các mẫu cánh 82

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Phạm vi sử dụng các loại tua bin của Escher-Wyss 3
Hình 1.2 Phạm vi sử dụng tua bin của VATECH (Ấn Độ) 3
Hình 1.3 Phạm vi sử dụng tua bin của hãng GILKES 3
Hình 1.4 Cấu tạo cơ bản của tua bin tâm trục 4
Hình 1.5 Bánh công tác tua bin tâm trục cột nƣớc thấp 5
Hình 1.6 Bánh công tác tua bin tâm trục cột nƣớc cao 5
Hình 1.7 Tua bin Model SIMENS trên giàn thử tại Trung Quốc 7
Hình 1.8 Tua bin Model Alstom trên giàn thử tại Trung Quốc 7
Hình 1.9 Nghiên cứu bánh công tác tua bin bằng CFD tại Trung Quốc 8
Hình 1.10 Mô hình 3D bánh công tác có dãy cánh ngắn tại Trung Quốc 8
Hình 1.11 Phân bố vận tốc, cánh ngắn quay góc α so với cánh dài mô hình tại Nhật Bản 9
Hình 1.12 Đồ thị so sánh hiệu suất hai loại bánh công tác mô hình tại Nhật Bản 9
Hình 1.13 Bản vẽ 3D, mô phỏng dòng chảy qua bánh công tác tổ máy 3 KANSAI 10
Hình 1.14 Quan hệ tỉ số giữa đƣờng kính lối vào ra với n
s
tua bin 10
Hình 1.15 Đồ thị so sánh hiệu suất, độ rung tổ máy giữa 2 loại bánh công tác 11
Hình 1.16 Bánh công tác có dãy cánh ngắn lắp tại nhà máy thuỷ điện Kannagawa PSPP . 11
Hình 1.17 Đồ thị so sánh phạm vi làm việc, hiệu suất tua bin, dao động áp suất 11
Hình 2.1 Các thông số hình học buồng xoắn 14
Hình 2.2 Dữ liệu để tính thông số hình học buồng xoắn 15
Hình 2.3 Thông số tính toán cột trụ 16
vi

Hình 2.4 Dựng đƣờng tâm profile và sơ đồ sắp xếp cánh cột trụ 17
Hình 2.5 Các thông số hình học đặc trƣng và các dạng Profile cánh hƣớng 18
Hình 2.6 Dựng Profile cánh hƣớng theo phƣơng pháp 1 toạ độ 19
Hình 2.7 Sơ đồ phần dẫn dòng tua bin tâm trục 20
Hình 2.8 Ống xả cong của tua bin 23
Hình 2.9 Sơ đồ tính toán đƣờng dòng trong buồng dẫn tua bin tâm trục 26

Hình 2.10 Biểu đồ vận tốc kinh tuyến 27
Hình 2.11a Xây dựng biên dạng cánh bánh công tác trong mặt chiếu đứng và chiếu bằng 28
Hình 2.11b Sơ đồ xây dựng biên dạng cánh trên mặt trụ BHBG 28
Hình 2.12 Đƣờng cong quan hệ y = f(l) để thực hiện BHBG 29
Hình 2.13 Sơ đồ xây dựng biên dạng cánh trên mặt nón BHBG 30
Hình 2.14 Chọn mặt ánh xạ 32
Hình 2.15 Lƣới ánh xạ 34
Hình 2.16 Đắp độ dày cánh 35
Hình 2.17 Bản vẽ thiết kế cánh bánh công tác tua bin tâm trục 36
Hình 2.18 Dựng profile trong mặt cắt kinh tuyến 42
Hình 3.1 Bản vẽ lắp tua bin mô hình 46
Hình 3.2 Sơ đồ đƣờng dòng trong mặt cắt kinh tuyến 48
Hình 3.3 Đồ thị phân bố vận tốc kinh tuyến theo đƣờng dòng 48
Hình 3.4 Xây dựng các profile cánh trên các mặt trụ BHBG 51
Hình 3.5 Xây dựng lá cánh bánh công tác trên mặt chiếu đứng và chiếu bằng 51
Hình 3.6 Xây dựng bản vẽ dƣỡng chế tạo cánh 52
Hình 3.7 Bản vẽ chế tạo Bánh công tác 53
Hình 3.8 Chế tạo, mài lá cánh bánh công tác theo dƣỡng 53
Hình 3.9 Hàn lá cánh lên vành 54
Hình 3.10 Đồ gá cân bằng bánh công tác 54
Hình 3.11 Hoàn thiện các mẫu Bánh công tác 54
Hình 4.1 Cấu trúc của bộ phần mềm Ansys Fluent 56
Hình 4.2 Các bƣớc xây dựng mô hình 2D chạy Ansys Fluent 59
Hình 4.3 Mô hình bài toán 59
Hình 4.4 Phân bố áp suất tĩnh trên lá cánh TH1 61
Hình 4.5 Phân bố áp suất tĩnh trên lá cánh TH2 62
Hình 4.6 Phân bố áp suất tĩnh trên lá cánh TH3 63
Hình 4.7 Phân bố áp suất tĩnh trên lá cánh TH4 64
Hình 4.8 Phân bố áp suất tĩnh trên lá cánh TH5 65
Hình 4.9 Phân bố áp suất tĩnh trên lá cánh TH6 66

vii

Hình 4.10 Phân bố vận tốc trên lá cánh TH1 67
Hình 4.11 Phân bố vận tốc trên lá cánh TH2 68
Hình 4.12 Phân bố vận tốc Bánh công tác TH3 68
Hình 4.13 Phân bố vận tốc Bánh công tác TH4 69
Hình 4.14 Phân bố vận tốc Bánh công tác TH5 69
Hình 4.15 Phân bố vận tốc Bánh công tác TH6 69
Hình 4.16 Biến thiên vận tốc lối vào và ra tại đƣờng trung bình giữa 2 lá cánh 70
Hình 5.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống thí nghiệm tua bin 73
Hình 5.2 Bơm nguồn và bể tạo áp thí nghiệm 73
Hình 5.3 Phòng thu thập số liệu và kênh xả 74
Hình 5.4 Lắp đặt tua bin trên hệ thống thí nghiệm 74
Hình 5.5 Chạy mô hình trên hệ thống thí nghiệm 74
Hình 5.6 Sơ đồ hệ thống đo và xử lý số liệu 76
Hình 5.7 Đƣờng đặc tính thực nghiệm mẫu cánh 1 (l=0) 80
Hình 5.8 Đƣờng đặc tính thực nghiệm mẫu cánh 2 (l=1/3L) 81
Hình 5.9 Đƣờng đặc tính thực nghiệm mẫu cánh 3 (l=1/2L) 81
Hình 5.10 Đƣờng đặc tính thực nghiệm mẫu cánh 4 (l=2/3L) 82
1




LỜI NÓI ĐẦU

Việt Nam nằm ở vùng nhiệt đới gió mùa, lƣợng mƣa tƣơng 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 đƣợc chú trọng khai thác biến thành năng lƣợng điện phục vụ cho việc phát
triển kinh tế của đất nƣớc.

Tua bin thủy lực là bộ phận quan trọng của trạm thuỷ điện. Lựa chọn kiểu loại tua
bin phụ thuộc vào cột nƣớc và lƣu lƣợng 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 nƣớc 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 nƣớc địa hình và lƣu lƣợng, 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
nƣớc cao, bánh công tác có chênh lệch về đƣờng kính lối vào và ra lớn, lối vào có đƣờng
kính rộng, lối ra đƣờng kính hẹp, chất lỏng vào bánh công tác dễ dàng nhƣng 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 nƣớc ngoài, nên chƣa có một nghiên cứu nào đề cập tới loại bánh công tác với
kết cấu mới này, với mong muốn đƣa ra đƣợc phạm vi làm việc của tua bin tâm trục có dãy
cánh ngắn, chiều dài tối ƣu 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 phƣơng
pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp chạy phần mềm mô phỏng và mô hình thực trong phòng
thí nghiệm sẽ là kết quả bƣớc 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.
2


Chương 1. Tổng quan

1.1 Phân loại tua bin và phạm vi sử dụng
Để xác định phạm vi làm việc của tua bin, trƣớc hết cần phải phân loại tua bin. Có
hai cách để phân loại tua bin hiện nay là: [7]
- Phân loại theo cột nƣớc.
- Phân loại theo số vòng quay đặc trƣng n
s
.

Phân loại tua bin theo cột nƣớc chỉ cho biết sơ bộ vùng ứng dụng các loại tua bin
theo điều kiện địa hình. Nhƣng với cùng một cột nƣớc có thể sẽ có sự trùng lặp các vùng
làm việc của các tua bin khác nhau nên sự phân loại theo số vòng quay đặc trƣng n
s
sẽ giúp
nhận biết sâu hơn về các đặc tính thuỷ lực của tua bin nhƣ: đặc tính xâm thực, khả năng
thoát, số vòng quay của tua bin.
Số vòng quay đặc trƣng của tua bin tâm trục n
s

Khi lựa chọn tua bin thủy lực cần dựa vào các thông số công suất (N), cột nƣớc (H),
số vòng quay (n). Ngƣời ta dùng n
s
làm đại lƣợng đặc trƣng tổng hợp cho 3 thông số kể
trên.
Số vòng quay đặc trƣng n
s
của một tua bin đƣợc xác định theo công thức:









(1.1)
Tính theo các thông số quy dẫn:









(1.2)
Với: n
I
'- số vòng quay quy dẫn (v/ph)
Q
I
'- Lƣu lƣợng quy dẫn (m
3
/s)
Bảng 1.1 Phân loại tua bin theo n
s

TT
Loại tua bin
Giới hạn theo n

s
Theo H (m)
1
Hƣớng trục cánh quay n
s
cao
950759
512
2
Hƣớng trục cánh quay n
s
trung bình
750550
1222
3
Hƣớng trục cánh quay n
s
thấp
553350
2240
4
Tâm trục n
s
cao
400250
2050
5
Tâm trục n
s
trung bình

250150
50120
6
Tâm trục n
s
thấp
15070
1203000
7
Gáo
5010
2002000
Nhƣ vậy tua bin tâm trục có số vòng quay đặc trƣng n
S
nằm trong khoảng từ
70400vg/ph, trong đó cột nƣớc cao có số vòng quay đặc trƣng n
S
= 15070 vg/ph. Tuy
nhiên tuỳ từng hãng đã chế tạo và đƣa ra phạm vi sử dụng có khác nhau:

3


Hình 1.1 Phạm vi sử dụng các loại tua bin của Escher-Wyss

Hình 1.2 Phạm vi sử dụng tua bin của VATECH (Ấn Độ)

Hình 1.3 Phạm vi sử dụng tua bin của hãng GILKES
1.2 Giới thiệu chung về tua bin tâm trục
Tua bin tâm trục là hệ tua bin phản kích đƣợc sử dụng rộng rãi nhất (chiếm tới 60%

trong tổng số các loại tua bin đã lắp đặt), hãng Asltom thì gọi tua bin tâm trục là "Chìa
khoá của lợi nhuận" [25], điều này chứng tỏ rằng đây là loại tua bin có hiệu quả kinh tế
nhất trong các loại tua bin. Tua bin tâm trục có 2 loại: trục đứng và trục ngang, trục ngang
thƣờng dùng cho công suất <5 MW và hiệu suất thƣờng thấp hơn trục đứng từ 2 đến 5%.
Cấu tạo cơ bản tua bin tâm trục
Chuyển động của chất lỏng trong bánh công tác tua bin tâm trục (ở tất cả các điểm)
lúc đầu theo hƣớng xuyên tâm khi đi qua các khe giữa các cánh dòng nƣớc bị chuyển
hƣớng 90
0
và ra khỏi bánh công tác để vào ống xả theo hƣớng dọc trục.
Các bộ phận chính của tua bin tâm trục. [2,7]
Trong tua bin tâm trục, bộ phận ảnh hƣởng lớn đến hiệu suất đó là phần dẫn dòng.
Phần dẫn dòng gồm 3 bộ phận chính:
- Buồng dẫn tua bin;
- Bánh công tác;
4


- Ống xả tua bin.

Hình 1.4 Cấu tạo cơ bản của tua bin tâm trục
1.2.1 Buồng dẫn tua bin
Làm nhiệm vụ dẫn nƣớc từ ống nƣớc qua kênh dẫn đến bánh công tác với tổn thất
nhỏ nhất và sự phân bố vận tốc đi vào bánh công tác phải đều (đối xứng qua trục). Buồng
dẫn tua bin cỡ trung bình và lớn gồm có: Buồng xoắn, cột trụ và cánh hƣớng nƣớc.
Buồng xoắn tua bin có tiết diện ngang (tiết diện cắt chứa trục tua bin) giảm dần từ
tiết diện vào đến tiết diện cuối. Nhờ sự thay đổi tiết diện này mà kích thƣớc buồng xoắn
nhỏ hơn so với các loại buồng có tiết diện ngang không đổi, và đảm bảo dòng chất lỏng
vào bánh công tác đều hơn (đối xứng qua trục tua bin), tạo điều kiện dòng ổn định qua
bánh công tác. ở tua bin cột nƣớc cao buồng xoắn thƣờng làm bằng kim loại. Tiết diện kinh

tuyến buồng xoắn kim loại thƣờng là hình tròn hay elip.
Cột trụ, còn gọi là stato tua bin có nhiệm vụ chính là truyền tải trọng phía trên tua bin
xuống móng nhà máy (với tua bin trục đứng). Stato phải đủ bền và không làm ảnh hƣởng
tới đến dòng chảy. Cột trụ thƣờng có tiết diện khí động.
Cánh hƣớng (bộ phận hƣớng dòng) nằm sau cột trụ gồm nhiều cánh có tiết diện khí
động nằm cách đều nhau. Cánh hƣớng làm nhiệm vụ hƣớng dòng chảy vào bánh công tác ở
một góc thích hợp và phân bố vận tốc dòng chảy vào bánh công tác đều. Ngoài ra cánh
hƣớng còn làm nhiệm vụ thay đổi lƣu lƣợng vào bánh công tác cho phù hợp với phụ tải của
máy phát điện. Cánh hƣớng cũng làm nhiệm vụ dừng và mở tua bin.
Để điều chỉnh lƣu lƣợng, cánh hƣớng quay xung quanh trục cố định nhờ thiết bị điều
khiển (bộ điều tốc). Khi cánh hƣớng quay thì khoảng cách giữa chúng (gọi là độ mở cánh
hƣớng a
0
) thay đổi. Lƣu lƣợng qua cánh hƣớng vào bánh công tác thay đổi và thay đổi luôn
cả hƣớng dòng chảy vào bánh công tác.
Để điều chỉnh độ mở a
0
ngƣời ta dùng cơ cấu điều chỉnh cánh hƣớng. Cơ cấu này
gồm vành điều chỉnh qua hệ thống thanh truyền. Vành điều chỉnh đƣợc dẫn động bằng các
xy lanh thuỷ lực. Khi có tín hiệu điều chỉnh, các xy lanh thuỷ lực chuyển động tịnh tiến,
kéo vành điều chỉnh quay đi một góc nào đó. Qua hệ thống thanh truyền dẫn tới quay tất cả
cánh hƣớng với một góc nhƣ nhau, nghĩa là làm thay đổi độ mở cánh hƣớng a
0
.
1.2.2 Bánh công tác
Là bộ phận quan trọng nhất trong tua bin, làm nhiệm vụ biến đổi thủy năng thành cơ
năng. Bánh công tác gồm các lá cánh gắn trên 2 vành đĩa. Cánh có dạng cong không gian
và số cánh tuỳ thuộc cột áp làm việc tua bin (từ 7 - 30 cánh). Ngƣời ta thƣờng chế tạo cánh
và 2 vành đĩa sau đó hàn thành một chi tiết. Nếu trƣờng hợp đƣờng kính bánh công tác quá
lớn, ngƣời ta chế tạo thành 2 nửa và khi ráp lại thì hàn hai khối đó thành một chi tiết. Tuỳ

Buồng xoắn
Bánh công tác
Cánh hƣớng
Ống xả
5


theo cột nƣớc sử dụng bánh công tác có cấu tạo khác nhau. Đặc trƣng cho sự khác nhau đó
là tỷ số giữa đƣờng kính mép ra D
2
và đƣờng kính mép vào D
1
của bánh công tác.
Bánh công tác dùng cho tua bin có cột nƣớc trung bình (H <80 m) có tỷ số 




(hình 1.5) với cột nƣớc cao (H >80 m) thì



 (hình 1.6).

Hình 1.5 Bánh công tác tua bin tâm trục cột nước thấp

Hình 1.6 Bánh công tác tua bin tâm trục cột nước cao
1.2.3 Ống xả
Nhiệm vụ của ống xả là dẫn nƣớc từ bánh công tác ra xuống hạ lƣu. Ống xả cho phép
sử dụng phần năng lƣợng còn lại của dòng chảy sau khi ra khỏi bánh công tác. Ống xả có

dạng ống loe thẳng hoặc ống loe cong. Độ cao của ống loe có ảnh hƣởng lớn đến chỉ tiêu
kinh tế của trạm vì nó quyết định khối lƣợng đào sâu của công trình, tức là số vốn đầu tƣ
xây dựng nhà máy thuỷ điện. Vì vậy trong thực tế ít sử dụng ống loe thẳng mà thƣờng sử
dụng ống loe cong.

1.3 Nghiên cứu tua bin tâm trục có dãy cánh ngắn trong, ngoài nước
Về mặt lý thuyết thì hiệu suất của tua bin gáo và tâm trục là ngang nhau, tuy nhiên
khi có cùng cột áp địa hình và lƣu lƣợng, nếu dùng tua bin tâm trục sẽ lợi hơn vì: Tua bin
tâm trục có cột áp hút nên có công suất cao hơn, tua bin tâm trục độ ồn thấp và độ bền hơn
6


tua bin gáo, điều khiển dễ hơn tua bin gáo; Tuy nhiên, với tua bin tâm trục cột nƣớc cao,
bánh công tác có chênh lệch về đƣờng kính lối vào và ra lớn, lối vào có đƣờng kính rộng,
lối ra đƣờng kính hẹp, chất lỏng vào bánh công tác thì dễ dàng nhƣng khi ra thì khó vì bị
chèn dòng, giảm hiệu suất. Để tránh hiện tƣợng chèn dòng này, ngƣời ta đã cắt bớt chiều
dài của một nửa số lá cánh bánh công tác ở phía chiều ra (những lá cánh bị cắt bớt này
đƣợc gọi là dãy cánh ngắn), tăng khả năng thoát, tránh hiện tƣợng va đập, nâng cao hiệu
suất tua bin. Trong thực tế nƣớc ngoài đã sản xuất và sử dụng kết cấu bánh công tác có dãy
cánh ngắn, nhƣng chƣa có tài liệu nào công bố về kết cấu, biên dạng dãy cánh ngắn này,
phạm vi sử dụng, cũng nhƣ đặc tính năng lƣợng.
Qua xem xét các tua bin tâm trục gần đây nhập về Việt Nam cho thấy: Vùng cột
nƣớc cao có thể dùng tua bin gáo và tâm trục thì các nhà cung cấp đã đề xuất dùng tua bin
tâm trục với bánh công tác đã đƣợc cải tiến. Thực tế tại Việt Nam đã có 02 nhà máy thủy
điện dùng tua bin tâm trục trong dải cột nƣớc cao:

Bảng 1.2 Một số trạm thủy điện sử dụng tua bin tâm trục có dãy cánh ngắn
TT
Thông số
Giá trị

Ghi chú
1
Thuỷ điện Quảng Trị

Kiểu tua bin (Francis trục đứng)
HL (F) - LJ - 155A


Cột nƣớc max (m)
376,24


Cột nƣớc tính toán (m)
334,12


Cột nƣớc min (m)
324,12


Công suất (MW)
33


Vòng quay (vg/ph)
750


Vòng quay lồng (vg/ph)
1.280

Lƣu lƣợng (m
3
/s)
10,8


D1 (mm)
1586


D2 (mm)
1.026,5


Số tổ máy
02

2
Thuỷ điện Bản Cốc (Nghệ An)

Kiểu tua bin (Francis trục đứng)
HL 100A - LJ - 120


Cột nƣớc max (m)
206,87

Cột nƣớc tính toán (m)
187


Cột nƣớc min (m)
187


Công suất (MW)
6,289


Vòng quay (vg/ph)
750


Vòng quay lồng (vg/ph)
1.110


Lƣu lƣợng (m
3
/s)
3,71


D1 (mm)
1.235

D2 (mm)
715


Số tổ máy
03


Việc nghiên cứu hoàn thiện lý thuyết tính toán, đƣa ra đƣợc mẫu bánh công tác phù
hợp, có hiệu suất cao, ứng dụng để chế tạo đƣợc trong nƣớc là một nội dung cần thiết,
nhằm nâng cao năng lực của các cơ quan nghiên cứu, thiết kế chế tạo, sửa chữa thiết bị
thủy điện trong nƣớc.
Ở nƣớc ngoài, tua bin tâm trục có dãy cánh ngắn đã đƣợc các hãng nổi tiếng nghiên
cứu, với những phòng thí nghiệm hiện đại, xây dựng đƣợc nhiều mẫu cánh có hiệu suất
cao, mở rộng phạm vi làm việc của tua bin. Một số kết quả nghiên cứu về tua bin tâm trục
có dãy cánh ngắn đã đƣợc các nhà khoa học trên thế giới công bố nhƣ sau:
7


1.3.1 Nghiên cứu tua bin tâm trục có dãy cánh ngắn ở nước ngoài
1.3.1.1 Tại Trung Quốc

Hình 1.7 Tua bin Model SIMENS trên giàn thử tại Trung Quốc

Hình 1.8 Tua bin Model Alstom trên giàn thử tại Trung Quốc

Năm 2008 tại hội thảo Quốc tế thông tin về nghiên cứu máy (International
Symposium on Information Science and Engineering) nhóm tác giả Yi-hua; Hou Xue-yi;
Qi Ren-nian; Li Jing Zhang đã công bố kết quả sử dụng phần mềm Fluent để nghiên cứu
bánh công tác có dãy cánh ngắn trong bài báo: “Mô phỏng, tính toán dòng chảy 3D qua

bánh công tác tua bin tâm trục có dãy cánh ngắn (Numerical Simulation of 3-D Flow in
Low Specific Speed Francis Runner withSplitter Blades)". [18]
8



Hình 1.9 Nghiên cứu bánh công tác tua bin bằng CFD tại Trung Quốc

Trong bài báo này, nhóm tác giả dùng phần mềm Fluent để tính toán, mô phỏng 3D
bánh công tác tua bin tâm trục có dãy cánh ngắn. Mô hình tua bin mà nhóm tác giả nghiên
cứu có thông số nhƣ sau:
Bảng 1.3 Thông số tua bin tâm trục có dãy cánh ngắn tại Trung Quốc
Số lá cánh
11 ÷ 11
Đƣờng kính bánh công tác (m)
01

Dải cột nƣớc làm việc (m)
Nhỏ nhất
400
Tính toán
450
Lớn nhất
500
Điểm làm việc tốt nhất
Số vòng quay (vg/ph)
630
Lƣu lƣợng (m
3
/s)

0,179


Hình 1.10 Mô hình 3D bánh công tác có dãy cánh ngắn tại Trung Quốc
Nhóm tác giả dùng mô hình S-A và k- của phần mềm Fluent để chạy mô phỏng, kết
quả hiệu suất thuỷ lực bánh công tác và phân bố áp suất tĩnh trên mặt cánh do 2 mô hình
đƣa ra không sai khác nhiều. Nhóm nghiên cứu cũng kết luận hoàn toàn có thể dùng cả 2
mô hình S-A và k- để nghiên cứu, tính toán bài toán bánh công tác tâm trục, tuy nhiên
dùng mô hình S-A dễ hội tụ hơn, nhanh hơn và dễ sử dụng hơn k- một chút. [19]
9


Bảng 1.4 So sánh kết quả chạy mô phỏng với mô hình S-A và k-

tại Trung Quốc
TT
Lƣu lƣợng
(m3/s)
Cột nƣớc
(m)
Mô hình S-A
Mô hình k-
Hiệu suất
thuỷ lực
(%)
Áp suất nhỏ
nhất trên bề mặt
lá cánh (kPa)
Hiệu suất
thuỷ lực

(%)
Áp suất nhỏ nhất
trên bề mặt lá
cánh (kPa)
1
3,806
400
97,96
16,4
98,39
16,8
2
3,806
450
98,54
17,9
99,96
18,2
3
3,806
500
98,54
19,4
99,31
19,6
4
4,995
400
96,13
16,0

97,81
16,3
5
4,995
450
98,24
17,8
99,73
18,1
6
4,995
500
97,65
17,9
98,47
18,4
Trong những năm gần đây, Trung Quốc cũng sản xuất tua bin tâm trục cột nƣớc cao
với bánh công tác có dãy cánh ngắn và hiện tại có 02 trạm đang đƣợc lắp đặt và chạy rất tốt
tại Việt Nam là Bản Cốc và Quảng Trị.

1.3.1.2 Tại Nhật Bản
Năm 2002 tại tạp chí khoa học mã số 0-7803-7525-4/8 2002 IEEE các tác giả Shinji
Yumoto; Takashi Kaito; Yasuo Takeuchi- Kiyohito Tani and Katsumasa Shimmei đã công
bố kết quả nghiên cứu trong bài báo đăng trên tạp chí: “Công nghệ chế tạo tua bin thuỷ lực
cho các nhà máy điện (Hydro Turbine Technology Contributing to Power System
Stabilization)”, trong kết quả nghiên cứu này, nhóm tác giả sử dụng mô hình với cột nƣớc
290 m, vòng quay 450 vg/ph, công suất 60 MW, nhóm nghiên cứu xem xét phân bố áp
suất, phân bố vận tốc trên cả cánh dài và cánh ngắn đồng thời quay cánh ngắn với một góc
02 độ, qua kết quả mô phỏng kết quả đƣa ra là: hiệu suất bánh công tác có cánh ngắn cao
hơn bánh công tác thƣờng tới 5%. [15]

Hình 1.11 Phân bố vận tốc, cánh ngắn quay góc α so với cánh dài mô hình tại Nhật Bản

Hình 1.12 Đồ thị so sánh hiệu suất hai loại bánh công tác mô hình tại Nhật Bản
Hiệu suất TB với BCT
có dãy cánh phụ;
Hiệu suất TB với BCT
không có dãy cánh phụ;
10


Năm 2006 các tác giả Masami Harano; Kiyohito Tani; Satoru Nomoto đã công bố
kết quả nghiên cứu trong bài báo: "Áp dụng tua bin tâm trục có dãy cánh ngắn cho tổ máy
số 3 nhà máy điện KANSAI (Practical Application of High-performance Francis-turbine
Runner Fitted with Splitter Blades at Ontake and Shinkurobegawa No. 3 Power Stations of
THE KANSAIELECTRIC POWER CO., INC)", thông số tua bin nhƣ bảng 1.5:

Bảng 1.5 Thông số tua bin tổ máy 3 nhà máy thuỷ điện KANSAI, Nhật Bản
Cột nƣớc lớn nhất (m)
290
Công suất lớn nhất (MW)
60
Vòng quay tua bin (vg/ph)
450
Đƣờng kính bánh công tác (mm)
2.256
Số vòng quay đặc trƣng n
s

92

Hình 1.13 Bản vẽ 3D, mô phỏng dòng chảy qua bánh công tác tổ máy 3 KANSAI


Hình 1.14 Quan hệ tỉ số giữa đường kính lối vào ra với n
s
tua bin

Đây là kết quả tổng hợp từ nghiên cứu thực tiễn, tổ máy số 3 của nhà máy thuỷ điện
tại Kansai đã đƣợc chế tạo và lắp đặt bánh công tác có dãy cánh ngắn. Qua kết quả chạy
thử cho thấy hiệu suất cao hơn bánh công tác thƣờng, độ ồn và rung động cũng thấp hơn.
Tại đồ thị hiệu suất nhóm nghiên cứu cho thấy hiệu suất cao hơn hơn 5% so với bánh công
tác thƣờng, đây là một con số đáng kể nhất là đối với tua bin công suất lớn. [16]
11



Hình 1.15 Đồ thị so sánh hiệu suất, độ rung tổ máy giữa 2 loại bánh công tác
Năm 2008, các tác giả S.WATANABE, M. INAGAKI, N.UMEDA, T.KURO -
KAWA, Y.ENOMOTO công bố nghiên cứu "Phát triển Bánh công tác có dãy cánh ngắn
(The Development of Runner With Splitter Blades) ". Bánh công tác có dãy cánh ngắn
đƣợc lắp cho tổ máy số 1 tại nhà máy thuỷ điện Kannagawa PSPP thuộc Công ty điện lực
TOKYO (TokyoElectric Power Co. - TEPCO). Nhà máy có công suất 450 MW, tổ máy lắp
bánh công tác có dãy cánh ngắn công suất 103 MW, cột nƣớc làm việc 138,2 m. [21]

Hình 1.16 Bánh công tác có dãy cánh ngắn lắp tại nhà máy thuỷ điện Kannagawa PSPP

Hình 1.17 Đồ thị so sánh phạm vi làm việc, hiệu suất tua bin, dao động áp suất
Qua hình 1.17 cho thấy: Khi sử dụng bánh công tác có dãy cánh ngắn, phạm vi làm

việc của tua bin đƣợc mở rộng, hiệu suất của tua bin cao hơn.
Có thể nói rằng Bánh công tác tua bin tâm trục có dãy cánh ngắn không còn mới
tại nƣớc ngoài, các nƣớc đã sản xuất và nghiên cứu về tua bin trƣớc Việt Nam rất lâu.
Tuy nhiên các kết quả nghiên cứu không đƣợc công bố rộng rãi và chi tiết, nên phạm vi
12


sử dụng, phƣơng 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
Tại Việt Nam cũng đã có một số đơn vị nghiên cứu sản xuất tua bin tâm trục, tuy
nhiên các phòng thì nghiệm đều hạn chế cả về trang thiết bị và con ngƣời, nên cho đến nay
hầu nhƣ chƣa có nghiên cứu gì mới về tua bin tâm trục, gần đây nhất Viện Thuỷ điện và
Năng lƣợng tái tạo có lấy mẫu cánh của Trung Quốc rồi chế tạo hoàn thiện BCT cho trạm
thuỷ điện Tén Tần, Cấm Sơn; sản xuất thành công tua bin cho trạm Suối Tân 2 (mua BCT
của Trung Quốc). Công ty cơ khí Hà Nội có thiết kế chế tạo hoàn thiện phần dẫn dòng và
ống xả cho tua bin Cấm Sơn. Hiện tại một số đơn vị trong nƣớc đã mua đƣợc phần mềm
Ansys Fluent phục vụ tính toán và mô phỏng các thông số thuỷ lực của tua bin. 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 tƣơng lai còn nhiều trạm thủy điện cột nƣớc cao có thể sử dụng bánh
công tác loại này. Nghiên cứu hoàn thiện lý thuyết tính toán, phạm vi sử dụng, kết cấu hợp
lý bánh công tác là công việc với khối lƣợng đồ sộ, tuy nhiên nếu có có đƣợc kết quả
nghiên cứu tốt sẽ là tài liệu tham khảo, giúp đỡ rất nhiều cho công tác nghiên cứu và chế
tạo tua bin.

1.4 Phạm vi nghiên cứu của luận án
Đứng trƣớc những yêu cầu thực tiễn, luận án đi sâu nghiên cứu ảnh hƣởng kết cấu
bánh công tác tới đặc tính năng lƣợng của tua bin tâm trục có n
s

thấp (15070) và cột nƣớc
làm việc cao (120450 m), công suất tua bin từ 550 MW. Các thông số chính của Bánh
công tác ảnh hƣởng tới năng lƣợng tua bin mà luận án nghiên cứu là:
1. Xem xét ảnh hƣởng chiều dài lá cánh ngắn tới đặc tính năng lƣợng của tua bin, từ
đó đƣa ra độ dài hợp lý của cánh ngắn, cho đặc tính năng lƣợng tốt nhất;
2. Khi có chiều dài hợp lý của cánh ngắn, nghiên cứu đƣa 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,
tiến hành khảo sát tua bin trong phần mềm Ansys Fluent với các mẫu bánh công tác có
chiều dài lá cánh ngắn khác nhau, kiểm chứng lại bằng chạy mô hình thật trong phòng thí
nghiệm, từ đó xây dựng đặc tính tổng hợp của tua bin, lựa chọn đƣợc kết cấu bánh công tác
cho hiệu suất cao nhất. Khi có những kết quả nghiên cứu đề xuất ra đƣợc kết cấu BCT hợp
lý, áp dụng để chế tạo đƣợc BCT có dãy cánh ngắn cho các nhà máy thủy điện đang vận
hành cũng nhƣ xây dựng mới trong tƣơng lai tại Việt Nam.

1.6 Kết luận
Tại vùng làm việc có cột nƣớc cao, tua bin tâm trục (số vòng quay đặc trƣng n
s
=
15070 vg/ph) có phạm vi làm việc trùng với tua bin gáo, khi sử dụng tua bin tâm trục sẽ
có nhiều ƣu điểm hơn tua bin gáo, tuy nhiên để đảm bảo độ bền bánh công tác tua bin tâm
trục khi làm việc ở cột nƣớc cao, bánh công tác cần nhiều lá cánh, khi có nhiều lá cánh lại
gây tổn thất ma sát lớn làm giảm hiệu suất của tua bin;
Ở nƣớc ngoài đã có một số nƣớc tiến hành thay đổi chiều dài một nửa số lá cánh của
bánh công tác (số lá cánh này đƣợc gọi là cánh ngắn), qua kết quả dùng CFD và thí nghiệm
thực tế cho thấy: Khi thay đổi chiều dài của ½ số lá cánh thì hiệu suất của tua bin thay đổi,
độ ồn, độ rung động khi làm việc nhỏ hơn so với ban đầu;