Thiết kế, chế tạo tổ máy thuỷ điện cực nhỏ cột nước thấp phù hợp với điều kiện làm việc ở môi trường nước biển để khai thác nguồn năng lượng thuỷ triều

Bộ công nghiệp
viện nghiên cứu cơ khí





báo cáo tổng kết
đề tài nghiên cứu khoa học công nghệ
cấp bộ năm 2007


T
ên đề tài:

Thiết kế, chế tạo tổ máy thuỷ điện cực nhỏ cột
nớc thấp phù hợp với điều kiện làm việc ở môi trờng
nớc biển để khai thác nguồn năng lợng thuỷ triều
phát điện phục vụ dân sinh vùng hải đảo Quảng Ninh
Ký hiệu: 102- 07 RD/HĐ - KHCN



C quan ch qun : B Cụng Thng
Cơ quan chủ trì đề tài : Viện Nghiên cứu Cơ khí
Chủ nhiệm đề tài : Th.s Nguyễn Chí Cờng

6904
18/6/2008


Hà Nội, năm 2008
Đề tài 102-07RD/HĐ-KHCN
2
MC LC
Chng I. Kho sỏt, ỏnh giỏ kh nng ng dng in thy triu.
1.1. Tng quan vn nng lng Vit Nam 3
1.2. Cỏc gii phỏp cung cp in nng 4
1.3. Kho sỏt v gii phỏp xõy dng cụng trỡnh 9
1.4. Kt lun 19
Chng II.Tớnh toỏn thit k tua bin nc ng dng trm in thy triu

2.1. Giới thiệu chung 20
2.2. Cơ sở lý thuyết tính toán thiết kế tua bin cột nớc thấp 20
2.3. Thiết kế tua bin thuỷ điện công suất 1 kW, cột nớc tính toán H = 1,5m
40
Ch
ng III. Kt qu kho nghim v ng dng thc t ca ti

3.1. Kt cu chung t mỏy thu in cc nh 58
3.2. Mụ hỡnh s dng in nng 59
3.3. Ni dung v kt qu kho nghim 63
3.4. Kt lun 69

Chng IV. Kt lun v kin ngh

4.1. ỏnh giỏ tim nng thy in thy triu Qung Ninh 71
4.2. Kh
nng khai thỏc in thy triu
71
4.3. Mt s kin ngh
72
Ti liu tham kho
73



§Ò tµi 102-07RD/H§-KHCN
3
CHƯƠNG I
KHẢO SÁT, ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG ĐIỆN THUỶ TRIỀU
1.1. Tổng quan vấn đề năng lượng ở Việt Nam
Hiện nay, tại Việt Nam, điện lưới đã phủ khoảng 80% toàn quốc, 20% còn lại là
các hải đảo, vùng sâu, vùng xa. Thế nhưng việc phủ kín lưới điện đến các nơi này ước
tính cần phải mất khoảng 10 năm nữa vớ
i nhiều chi phí rất tốn kém, chưa kể việc xây
dựng các trạm tải về các vùng kéo theo nhiều tổn hao trong truyền tải điện cũng như chi
phí đầu tư xây dựng nhà trạm.
Trong khi đó, tốc độ tăng trưởng kinh tế cao đã kéo theo nhu cầu sử dụng điện
năng trong nước tăng nhanh. Theo con số của Ban soạn thảo Bản quy hoạch phát triển
điện lực giai đ
oạn 2006
÷
2015 (có xét đến năm 2025 - Quy hoạch điện 6), thì nhu cầu

phát triển phụ tải giai đoạn 2006 ÷ 2010 sẽ vào khoảng 17,1%/năm và nhu cầu điện sản
xuất là 16,9%/năm. Trong các năm 2010 ÷ 2015, tốc độ tăng trưởng phụ tải sẽ vào khoảng
11%/năm và còn khoảng 9%/năm trong giai đoạn đến 2020.

Hình 1.1. Điện năng sản xuất hàng năm theo kịch bản thấp
được Chính phủ phê duyệt ngày 15/10/ 2004.
(Nguồn: báo cáo của giáo sư Phạm Duy Hiến tại hội thảo
“Phát triển năng lượng bền vững ở Việt Nam”)
Theo cân đối nhu cầu năng lượng cho thấy từ sau năm 2010 (nếu không có đột
biến lớn về khả năng khai thác) thì khả năng cung cấp năng lượng từ các nguồn tài
nguyên truyền thống trong nước sẽ không thể đáp ứng được nhu cầu, dự tính đến năm
2015 lượng thiếu hụt nhiên liệu cho sản xuất điện sẽ vào khoảng 9 tỷ kWh. Tương tự,
năm 2020 sẽ thi
ếu hụt khoảng 35 ÷ 64 tỷ kWh. Dài hạn hơn, đến năm 2030 khả năng
thiếu hụt sẽ tăng lên từ 59 đến 192 tỷ kWh. Thậm chí những năm sau đó khả năng thiếu
hụt còn trầm trọng hơn.

§Ò tµi 102-07RD/H§-KHCN
4
Để tránh nguy cơ thiếu hụt năng lượng , một chiến lược phát triển năng lượng dài
hơi, trong đó khai thác hiệu quả các nguồn tài nguyên sẵn có, kết hợp cùng yếu tố môi
trường bền vững đang trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết.
1.2. Các giải pháp cung cấp điện năng
Để giải quyết bài toán thiếu hụt năng lượng, các nước trên thế giới đang hướng t
ới
các giải pháp sau:
• Giảm tổn thất điện năng
• Tăng hiệu quả sử dụng điện năng
• Tìm kiếm, phát triển các nguồn năng lượng mới
• Kết hợp phát triển năng lượng với bảo vệ môi trường

• Phát triển thị trường điện cạnh tranh
Nguồn năng lượng điện
ở nước ta hiện chưa được sử dụng hiệu quả, còn tổn thất
và lãng phí nhiều. Mức độ tổn thất có thể đến 15,8%, trong khi ở nhiều nước trên thế giới
mức tổn thất chỉ vào khoảng 7 ÷ 9%. Tổn thất điện năng trong truyền tải và phân phối ở
nước ta hiện nay khoảng 12%, ở một số nước trong khu vực khoảng là 7%. Mức độ t
ổn
thất điện nhiều đến mức ước tính trong 5 năm tới, cứ giảm bớt tổn thất điện năng 1%,
Việt Nam sẽ tiết kiệm được 3,4 GWh, tương đương với sản lượng của một nhà máy công
suất 500 ÷ 600 MW.
Hệ quả của việc đầu tư máy móc thiết bị và công nghệ trước đây khiến cho ngành
công nghiệp Việt Nam nằm trong nhóm đứng cu
ối thế giới về hiệu quả sử dụng năng
lượng. Hiện tại, ngành công nghiệp - chiếm khoảng 40% nhu cầu năng lượng thương mại
của Việt Nam, tương đương khoảng 19 triệu tấn dầu quy đổi/năm - vẫn chưa có tiến bộ
đáng kể nào trong việc tăng hiệu quả sử dụng năng lượng. Đợt khảo sát gần đây tại mộ
t số
nhà máy sản xuất thép, xi măng, sành sứ, hàng tiêu dùng cho thấy, tiềm năng tiết kiệm
năng lượng có thể đạt đến 20%, tức là có thể giảm bớt chi phí cho sử dụng năng lượng
trong ngành công nghiệp khoảng 10.000 tỷ đồng mỗi năm.
Theo ông Phạm khánh Toàn - Viện Năng lượng - Bộ Công nghiệp (cũ), nguyên
nhân khiến cho đại đa số các cơ sở công nghiệp Việt Nam đạt mức hiệu suấ
t sử dụng năng
lượng thấp, thì thứ nhất do thiếu khuôn khổ pháp lý để thúc đẩy các hoạt động tiết kiệm
năng lượng trong công nghiệp. Thứ hai là
thiếu các thông tin về tiềm năng nâng cao tiết
§Ò tµi 102-07RD/H§-KHCN
5
kiệm năng lượng, chi phí và lợi ích của các thiết bị tiết kiệm năng lượng, tiềm năng của
các giải pháp tiết kiệm năng lượng chi phí thấp, các ứng dụng và công nghệ mới.

Theo một báo cáo của Viện Năng lượng, cho đến nay Việt Nam mới khai thác
được 25% nguồn năng lượng tái tạo, phần lớn là thuỷ điện, còn lại 75% vẫn chưa được
khai thác.
• Năng l
ượng mặt trời là nguồn năng lượng sạch, không gây khí thải và hiệu ứng nhà
kính, tại các huyện đảo có số giờ nắng tương đối lớn, trung bình khoảng 2000 ÷
2500 h/năm với tổng năng lượng bức xạ mặt trời trung bình khoảng 150
kCal/cm
2
/năm. Tuy nhiên thiết bị có giá thành cao (khoảng 20000 USD cho một hệ
thống điện có công suất 2 kW), trong khi thu nhập của dân cư các huyện đảo còn
thấp. Mặt khác, pin mặt trời không phát huy được hiệu quả trong những ngày mưa
hay trời âm u.
• Năng lượng gió cũng là nguồn năng lượng sạch, thân thiện với môi trường. Nhìn ra
thế giới, năng lượng gió hiện còn rất mới. Đức và sau đó là Tây Ban Nha, Hoa Kỳ
và Đan M
ạch là những quốc gia sử dụng năng lượng gió nhiều nhất, các quốc gia
còn lại đều có công suất lắp đặt ít hơn 100 MW. Tiềm năng về năng lượng gió ở
Việt Nam được đánh giá cao, nhưng hiện tại vẫn trong giai đoạn nghiên cứu thử
nghiệm, ứng dụng vào thực tế chưa nhiều. Mặt khác, tần suất gió tại nhiều huyện
đảo không ổn định, ph
ụ thuộc vào thời tiết, chiều gió thay đổi hay theo khí hậu, địa
hình, tốc độ gió rất không đều, nên ứng dụng năng lượng gió cung cấp điện cho
các huyện đảo không được khả thi.
• Trong hàng loạt các giải pháp phát triển các nguồn điện như nhập khẩu điện, phát
triển thủy điện, điện hạt nhân, , dường như nước ta còn bỏ quên nguồn điệ
n thuỷ
triều, một nguồn điện giá thành rẻ và lại rất thân thiện với môi trường. Nghiên cứu
ứng dụng năng lượng điện thuỷ triều đã được quan tâm nghiên cứu từ sau cuộc
khủng hoảng năng lượng đầu những năm 1970, mở ra triển vọng mới về năng

lượng do thuỷ triều là nguồn năng lượng vô tận, không gây ô nhiễm môi trường.
Trong n
ỗ lực xây dựng thị trường điện cạnh tranh, Thủ tướng Chính phủ đã ra Quyết
định số 26/2006/QĐ-TTg ngày 26/1/2006 về lộ trình hình thành và phát triển thị trường
điện lực Việt Nam gồm ba cấp độ: cấp độ 1 (từ 2005 ÷ 2014) là thị trường phát điện cạnh
§Ò tµi 102-07RD/H§-KHCN
6
tranh, cấp độ 2 (từ 2015 ÷ 2022) là thị trường bán buôn điện cạnh tranh và cấp độ 3 (từ
sau 2022) là thị trường bán lẻ điện cạnh tranh. Hiện nay EVN đang trực tiếp ký hợp đồng
với các công ty phát điện thuộc và ngoài EVN, từng bước tạo thị trường phát điện cạnh
tranh.
a. Tình hình nghiên cứu, ứng dụng năng lượng đại dương trên thế giới
Đứng trước tình trạ
ng cạn kiệt các nguồn năng lượng hoá thạch truyền thống và sự
ô nhiễm môi trường ngày càng nghiêm trọng, nhiều quốc gia trên thế giới đã xúc tiến cho
xây dựng các nhà máy điện nguyên tử công suất lớn để bù đắp tình trạng thiếu hụt năng
lượng trong tương lai gần. Năng lượng hạt nhân được coi là một nguồn năng lượng sạch,
thân thiện do không làm ô nhiễm môi trường. Nhưng nguồn năng l
ượng này vẫn gây
nhiều tranh cãi, nhất là sau thảm hoạ Chernobyl tại Ukraina, Liên Xô (cũ), đã gây lên tâm
lý lo ngại về tính an toàn của các nhà máy hạt nhân. Mặt khác, nguồn uranni đang trở nên
cạn kiệt, lại không phải quốc gia nào cũng có khả năng tiếp cận được kỹ thuật nhà máy
điện hạt nhân. Vậy nên xu hướng hiện nay có ba dạng năng lượng tái tạo chính đang được
thế giới quan tâm là năng lượng mặt trời, nă
ng lượng gió và năng lượng đại dương.
Hiện nay trên thế giới nhiều nước đã đầu tư nghiên cứu năng lượng đại dương theo
các phương án: điện thủy triều (tận dụng độ chênh lệch mực nước thủy triều); điện sóng
biển (tận thu năng lượng sóng biển để phát điện); điện dòng chảy (dòng thủy triều hoặc
dòng hải l
ưu). Mỗi dạng lại có các kiểu tua bin khác nhau.

Năm 1960 người Pháp đã xây nhà máy điện thủy triều trên sông Ranxơ. Phương
pháp ứng dụng năng lượng thuỷ triều truyền thống là xây dựng những con đập giữ nước
tại các cửa sông, nhà máy điện thuỷ triều La Rance gần St Malo, với công suất 240 MW-
gồm 24 tổ máy, sản lượng điện hàng năm đến 544.10
6
kWh. Vốn xây dựng nhà máy cao
gấp hai lần so với điện truyền thống. Các nhà máy điện thuỷ triều kiểu này vẫn gây nhiều
tranh cãi vì sự tác động của nó tới môi trường tự nhiên.
Tại Nga cũng có nhiều dự án xây dựng nhà máy điện thủy triều lớn như nhà máy ở
vịnh Lumbôvxki với công suất 5,2 MW/tổ (64 tổ), tại đây có độ lớn triều trung bình là 4,2
m; tại Menzinxki có độ lớn triề
u trung bình đạt 5,37m đã lắp đặt tổ máy có công suất đến
20MW.
§Ò tµi 102-07RD/H§-KHCN
7
Vào tháng 6 năm 2003 tại phía bắc bờ biển Devon, các kỹ sư người Anh đã thử
nghiệm thành công trạm điện thuỷ triều kiểu dòng chảy. Tua bin có hai cánh quạt dài 11
m, công suất thiết kế 300 kW, turbine phát điện được đặt trực tiếp giữa dòng thuỷ triều
và do đó có thể liên tục cung cấp điện. Tua bin phát điện chạy bằng dòng thuỷ triều không
gây tiếng ồn, có hiệu suất cao, và không phá vỡ c
ảnh quan thiên nhiên, không phương hại
tới các loài động vật biển vì cánh quạt chỉ quay với vận tốc 20 vòng/phút.

Hình 1.2. Tua bin kiểu dòng chảy.
Tại khu vực châu Á, Trung Quốc là nước đầu tiên xây dựng trạm điện thủy triều,
Trung Quốc bắt đầu xây dựng trạm đầu tiên năm 1980, đưa vào hoạt động 1984, công
suất tổ máy 600 kW/tổ (buld tua bin). Mới đây nhất tháng 1 năm 2006 tại tỉnh Zhejiang
phía đông Trung Quốc trạm điện thuỷ triều công suất 40 kW đi vào hoạt động với chi phí
23.000 USD.
Đề tài 102-07RD/HĐ-KHCN

8

Hỡnh 1.3. Tua bin buld.
Trong bi cnh cỏc ngun nhiờn liu ca cỏc nh mỏy phỏt in s dng nng
lng hoỏ thch ngy cng cn kit thỡ cụng ngh sn xut in t cỏc ngun nng lng
tỏi sinh nh thu nng, phong nng v nng lng mt tri rt cú trin vng.
b. Tỡnh hỡnh ng dng trong nc
Trong nhng nm gn õy cỏc hot ng nghiờn cu v ng dng nng l
ng
mi, nng lng tỏi to nc ta ngy cng phỏt trin v cú nhng kt qu ng dng
ỏng k, ú l vic ng dng cỏc ngun nng lng mt tri, nng lng giú, thy in,
nng lng sinh khi, nng lng a nhit, nng lng súng
Vit Nam với bờ biển dài trên 3000 km, diện tích 3 triệu km
2
cú nhiu tim nng
phỏt trin v in thy triu. Cỏc kt qu o c cho thy chờnh mc nc thy triu
ven bin nc ta tng i ln, trung bỡnh khong 1,5 m, ln nht n 4,7 m. Ch thu
triu tng i a dng, t nht chiu u, n bỏn nht chiu u v chiu hn hp.
Nhiu vựng c ỏnh giỏ cú tim nng khai thỏc in thu chiu, nh lu vc h thng
sụng Cu Long, b bin vnh Bc B.
Qua khảo sát, phần lớn các đảo không có điện lới quốc gia, điện mặt trời do giá
thành quá cao nên ngời dân không thể tự đầu t trang bị. Hơn nữa, trong mùa đông và
ngày ma, bức xạ mặt trời thấp dẫn tới giảm công suất điện sản sinh ra, không đáp ứng
đợc yêu cầu năng lợng nh trong ngày nắng. Về năng lợng gió, do vận tốc gió thấp và
không thờng xuyên, công nghệ lại phức tạp, giá thành cao nên ngời dân không có điều
kiện sử dụng. Năng lợng thuỷ điện nhỏ trên các đảo, do không có các dòng sông, suối có
lu vực đủ rộng nên chỉ có thể sử dụng năng lợng thuỷ triều. Hiện tại dân tại các huyện
đảo chủ yếu sử dụng điện diezen, giá điện cao, khoảng 6000 ữ 10000 đ/kWh và chỉ sử
dụng vào khoảng 4 ữ 6 tiếng buổi tối.
§Ò tµi 102-07RD/H§-KHCN

9
Hiện nay, việc nghiên cứu ứng dụng thủy triều để phát điện ở Việt Nam đang ở
bước đầu tiên, mới được đề cập trong thời gian gần đây và ở qui mô thí nghiệm. Các
hướng nghiên cứu chủ yếu tập chung theo dạng thủy điện thủy triều có đập, thủy triều
dòng chảy…
Dạng ứng dụng dòng chảy thuỷ triều ở trong nước hi
ện tại mới chỉ có một công
trình nghiên cứu đề cập. Đề tài có mã số I119 "Nghiên cứu thiết kế, chế tạo và thử
nghiệm trạm phát điện dùng dòng chảy thuỷ triều công suất nhỏ từ 0,5
÷
1 kW", do
Viện Năng Lượng thuộc Tổng công ty Điện lực Việt Nam chủ trì. Dạng tua bin Sovonius
mà đề tài đưa ra có hiệu suất thấp (η
T
=0,23), khả năng ứng dụng khai thác năng lượng đại
dương không cao.
Phương pháp điện thủy triều có đập chắn có đặc điểm tương tự như thủy điện
truyền thống, tuy nhiên điện thủy triều có đặc điểm là cột nước thấp, do đó phải tính toán,
lựa chọn loại tua bin phù hợp mới phát huy được hiệu quả sử dụng.
1.3. Khảo sát và giải pháp xây dựng công trình
a. Một số khái niệm về thuỷ triều
Để nghiên cứu hiện tượng thuỷ triều, người ta đã đề cập đến một số khái niệm liên
quan như biên độ triều, thời gian chiều dâng, thời gian chiều rút, chu kỳ thuỷ triều
• Chiều dâng: là dao động mực nước biển lên cao dần rồi đạt tới vị trí cao nhất, hay
là sự dâng cao của m
ực nước từ lúc nước ròng đến lúc nước lớn.
• Chiều rút: là dao động mực nước biển xuống dần rồi đạt tới vị trí thấp nhất, hay là
sự hạ thấp mực nước biển từ lúc nước lớn đến lúc nước dòng.
• Nước lớn: là vị trí cao nhất của nước biển trong một chu kỳ dao động.
• Nước ròng: là vị trí thấp nh

ất của nước biển trong một chu kỳ dao động.
• Biên độ chiều: là khoảng cách theo chiều thẳng đứng giữa mực nước lớn và mực
nước ròng kế tiếp hay khoảng cách giữa mực nước ròng và mực nước lớn kế tiếp.
• Độ cao chiều: là vị trí mực nước vào lúc nước lớn trên một mức nào đó được quy
ước là mực số 0.
• Thời gian chi
ều dâng: là khoảng thời gian giữa thời điểm xuất hiện nước ròng và
nước lớn kế tiếp.
§Ò tµi 102-07RD/H§-KHCN
10
• Thời gian chiều rút: là khoảng thời gian giữa thời điểm xuất hiện nước lớn và
nước ròng kế tiếp.
• Chu kỳ thuỷ triều: là khoảng thời gian giữa hai lần nước lớn liên tiếp, hoặc hai
khoảng nước ròng liên tiếp.
Chu kỳ bán nhật chiều trung bình khoảng 12 giờ 25 phút. Vì vậy trong một ngày
mặt trăng (là khoảng thời gian giữa hai lần mặt trăng liên tiế
p cao nhất qua kinh tuyến)
bằng 24 giờ 50 phút, đều đặn hai lần con nước lớn và hai lần nước ròng. Các thời gian
chiều dâng và thời gian chiều rút bằng nhau, các độ cao nước lớn và nước dòng kế tiếp
nhau hầu như bằng nhau và biến thiên theo quy luật trong một tháng. Người ta còn gọi
thuỷ triều có tính chất và đặc điểm như trên là bán nhật chiều đều, hoặc bán nhật chiều
thuần nhất. Bán nhật chiề
u có thời gian chiều dâng chênh lệch nhiều với thời gian chiều
rút được gọi là
triều nước nông vì loại chiều này thường quan trắc thấy ở các vùng nước
nông, chủ yếu ở vùng cửa sông.
Chu kỳ nhật chiều dài gấp đôi chu kỳ bán nhật chiều. Trong một ngày mặt trăng
có thể quan trắc thấy một lần nước lớn và một lần nước dòng.
Trong thực tế còn có loại thuỷ triều thay đổi theo chu kỳ, có khi gần giống nhật
triều, có khi lại gần giống bán nhậ

t triều. Người ta gọi đó là triều hỗn hợp hay tạp triều.
Triều hỗn hợp được chia làm hai loại: bán nhật triều không đều và nhật triều không đều
tuỳ theo nó giống nhật triều hay giống bán nhật triều hơn.
b. Thuỷ triều ven biển Việt Nam
Thuỷ triều là một hiện tượng tự nhiên, gây nên sự dao động của mực nước biển mà
nguyên nhân sâu xa của nó là sự tác động tươ
ng hỗ giữa mặt trăng, mặt trời và trái đất.
Hiện tượng dao động của mực nước biển còn bị chi phối rất lớn bởi các yếu tố địa hình,
địa lý khu vực. Nước ta có bờ biển dài trên 3000 km, chiếm phần lớn bờ phía Tây của
biển Đông với địa hình phức tạp kéo dài trên 14 vĩ độ, nên chế độ triều ở nước ta khá đa
dạng và phức tạ
p. Có những vùng nhật triều như ven biển Vịnh Bắc Bộ, lại có những
vùng bán nhật triều và bán nhật triều không đều như vùng biển Trung Nam Bộ và Vịnh
Thái Lan, biên độ triều từ 0,5 ÷ 4 m.
Thuỷ triều ở ven biển nước ta thể hiện đầy đủ các dạng dao động. Có nơi trong một
ngày đêm thuỷ triều ở đó có một lần đạt trị số lớn nhất, m
ột lần đạt trị số nhỏ nhất. Cũng
§Ò tµi 102-07RD/H§-KHCN
11
có nơi một ngày đêm thuỷ triều có hai lần đạt trị số lớn, hai lần đạt trị số nhỏ và có nơi
trong một tháng thuỷ triều lại thể hiện ở cả hai loại trên với những cao độ khác nhau.
Thuỷ triều có thể gây tác hại nhưng cũng có thể đem lại lợi ích cho con người. Để
có thể lợi dụng diễn biến thuỷ triều nhằm phụ
c vụ cho đời sống con người và hạn chế bớt
tác hại của nó, cần phải hiểu bản chất, đặc điểm và quy luật diễn biến của thuỷ triều.
Từ bảng 1.1. ta nhận thấy thuỷ triều ở Việt Nam có đầy đủ các tính chất, đặc điểm,
chế độ và các dạng chiều. Độ cao thuỷ triều ở ven biển nước ta cũng biế
n động không đơn
điệu, trong khi tại Cửa Ông biên độ chiều đạt tới 4,7 m, tại Hồng Gai biên độ chiều đạt
khoảng 4,3 m thì tại Hà Tiên biên độ chiều chỉ đạt khoảng 1,7 m. Nhìn chung, độ cao

thuỷ triều đạt trị số lớn ở vịnh Bắc Bộ, đồng thời chế độ chiều ở khu vực này là nhật triều
thuần nhất, hầu hết số ngày trong tháng có trên dưới 26 ngày chỉ
có một lần nước lớn và
một nước ròng
Bảng 1.1. Mức độ biến động cụ thể về chiều ở mực nước tại một số khu
vực ven biển Việt Nam
Địa
phương
Chế độ chiều
Trị số lớn nhất
trong nhiều năm (m)
Ghi
chú
Cửa Ông Nhật triều đều 4,7

Hòn Gai Nhật triều đều 4,3

Hải Phòng Nhật triều đều 4,0

Thanh Hoá Nhật triều không đều 3,8

Cửa Hội Nhật triều không đều 3,2

Ròn Nhật triều không đều 3,2

Cửa Ranh Bán nhật triều không đều 2,1

Cửa Tùng Bán nhật triều không đều 1,4

Đà Nẵng Bán nhật triều không đều 1,6

Qui Nhơn Nhật triều không đều 2,3

Vũng Tàu Bán nhật triều không đều 4,2

Hà Tiên Triều hỗn hợp 1,7

Nguồn: Vũ Như Hoán - Thuỷ triều ở ven biển Việt Nam -2000


§Ò tµi 102-07RD/H§-KHCN
12


c. Khảo sát các bãi triều tỉnh Quảng Ninh


Hình 1.4. Bản đồ tỉnh Quảng Ninh.

Tỉnh Quảng Ninh với đặc điểm là tỉnh miền núi - duyên hải với hơn 80% đất đai là
đồi núi và gần hai nghìn hòn đảo chiếm trải dài theo hơn 250 km đường ven biển. Quá
trình khảo sát được tiến hành tại một số địa điểm thuộc huyện đảo Vân Đồn, huyện đảo
Cô Tô và ven biển thuộc địa phận huyện Yên Hưng.
Huyện đảo Vân Ðồn bao gồm một dãy đảo chạ
y dài suốt ven biển như những bình
phong kín đáo, thuyền bè đi lại dễ dàng thuận lợi vì ở đây nước sâu, dòng rộng, lại có thể
lợi dụng thuỷ triều được cả trong bốn mùa. Dãy đảo Vân Đồn gồm 600 hòn đảo, với diện
tích 58,4 km
2
, chia thành hai quần đảo là Vân Hải và Cái Bầu. Dân số Vân Ðồn gồm

23.000 người phân bố trên 20 hòn đảo lớn nhỏ. Các xã đảo thuộc huyện Vân Đồn, mặc dù
về điều kiện tự nhiên có rất nhiều điều kiện để phát triển nhưng hiện tại trên các xã đảo
§Ò tµi 102-07RD/H§-KHCN
13
này do chưa có nguồn điện đủ lớn và ổn định nên việc phát triển kinh tế - xã hội còn
nhiều hạn chế.
Huyện đảo Cô Tô, cách thành phố Hạ Long khoảng 200 km về phía Đông, có diện
tích tự nhiên là 48,2 km
2
. Cô Tô có địa hình đồi núi, phần giữa các đảo đều cao, vây
quanh là những đồi núi thấp và những cánh đồng hẹp, ven đảo là những bãi cát nhỏ và
vịnh nhỏ. Cô Tô có khí hậu nhiệt đới gió mùa, nhiệt độ không khí bình quân cao 22,5
o
C.
Huyện Yên Hưng có diện tích 31,4 km
2
, nằm ở phía tây nam tỉnh Quảng Ninh.
Dân số Yên Hưng theo thống kê năm 2006 là 135.472 người. Cơ cấu kinh tế của huyện
Yên Hưng hiện nay là nông - ngư –lâm - công nghiệp và dịch vụ. Địa hình ven biển thuộc
địa phận huyện Yên Hưng tương đối phức tạp, chủ yếu là rừng sú, vẹt và các bãi cát chạy
dọc ven biển.
Theo “Bảng thuỷ triều 2007” do Trung tâm Khí tượng Thuỷ văn Biển phát hành,
dự báo thu
ỷ triều năm 2007 tại tỉnh Quảng Ninh và các vùng kế cận có đặc điểm sau:
• Ở Hồng Gai, triều lên cao nhất tới 4,4 m trên số “0 độ sâu” và xuống thấp nhất tới
0,0 m. Số ngày trong năm có mực nước triều cao từ 3,5 m trở lên là 170 ngày.
• Ở Cửa Ông, triều cao nhất tới 4,7 m trên số “0 độ sâu” và xuống thấp nhất tới 0,1
m. Số ngày trong năm có mực nước triều cao từ 3,5 m trở lên là 209 ngày.
Thu
ỷ triều ven biển tỉnh Quảng Ninh có chế độ nhật triều thuần nhất, theo “Bảng

thuỷ triều” do Trung tâm khí tượng Thuỷ văn Biển cung cấp từ năm 1998 đến năm 2007
thì biên độ chiều tại vùng ven biển Quảng Ninh là khá lớn, trung bình là 3 m, thời gian
triều dâng và thời gian chiều rút bằng nhau, các độ cao nước lớn và nước ròng kế tiếp hầu
như bằng nhau và biến thiên theo quy luật trong một tháng.
Tại các khu v
ực khảo sát có nhiều đầm, phá tự nhiên và nhân tạo, dân cư địa
phương sử dụng để nuôi trồng hải sản. Độ chênh lệch cột nước khi thuỷ triều tại các đầm
vào khoảng 1,2 ÷ 1,8 m, có khả năng nâng cao được cột nước lên 2,2 ÷ 2,4 m nếu tiến
hành gia cố bờ đầm. Không chỉ ở đảo mà các đầm ven bờ biển cũng phải sử dụng máy
phát diezen do không có điện lướ
i. Kết hợp sử dụng các đầm nuôi trồng thuỷ sản để phát
điện thuỷ triều sẽ mang tính hiệu quả kinh tế cao do không chỉ thay thế được nguồn điện
diezen đầm đang sử dụng mà còn tận dụng được cơ sở hạ tầng sẵn có để xây nhà trạm.

§Ò tµi 102-07RD/H§-KHCN
14


.

Hình 1.5. Máy phát diezen sử dụng tại đầm.

Bảng 1.2. Biên độ nước đo tại ven biển huyện Yên Hưng, tháng 12 năm 2006
Nước lớn Nước ròng Nước lớn Nước ròng
Ngày
Giờ
Độ
cao
Giờ
Độ

cao
Biên
độ
Giờ
Ngày

Giờ Độ
cao
Giờ
Độ
cao
Biên
độ
1 2h09 2,5 11h41 1,8 0,7 17 3h28 3,2 16h51 1,3 1,9
3 3h20 3,3 14h51 1,2 2,1 19 5h37 3,9 18h01 0,9 3,0
5 4h05 3,7 17h12 0,9 2,8 21 5h37 3,9 18h01 0,6 3,3
7 6h26 4,0 19h36 0,6 3,4 23 7h03 3,9 19h32 0,7 3,2
9 7h56 3,8 20h16 0,9 2,9 25 8h37 3,5 20h43 1,1 2,4
11 9h16 3,2 20h19 1,3 1,8 27 10h16 2,8 20h42 1,8 1,0
13 8h45 2,7 19h36 1,7 1,0 29 1h22 2,6 15h07 1,4 1,2
15 3h55 2,7 17h49 1,6 1,1 31 2h31 3,4 15h40 1,1 2,3

§Ò tµi 102-07RD/H§-KHCN
15



Bảng 1.3. Biên độ nước ven biển huyện Yên Hưng, tháng 3 năm 2007
Nước lớn Nước ròng Nước lớn Nước ròng
Ngày

Giờ
Độ
cao
Giờ
Độ
cao
Biên
độ
Giờ
Ngày
Giờ Độ
cao
Giờ
Độ
cao
Biên
độ
2 3h12 3,6 15h51 0,4 3,2 18 3h35 3,3 17h40 0,8 2,5
4 4h33 3,2 18h30 0,9 2,3 20 5h34 2,6 21h16 1,2 1,4
6 5h19 2,6 20h46 1,4 1,2 22 16h55 2,8 23h30 1,4 1,4
8 17h32 2,3 10h16 1,6 0,7 24 19h55 3,3 8h11 0,7 2,6
10 21h02 2,7 10h04 1,1 2,6 26 22h37 3,5 10h07 0,3 3,2
12 23h15 3,2 10h58 0,6 2,6 28 23h51 3,6 12h03 0,3 3,3
14 00h10 3,4 12h21 0,3 3,1 30 1h47 3,3 14h11 0,7 2,6
16 1h51 3,6 14h25 0,4 3,2


Bảng 1.4. Biên độ nước ven biển huyện Yên Hưng, tháng 4 năm 2007
Nước lớn Nước ròng Nước lớn Nước ròng
Ngày

Giờ
Độ
cao
Giờ
Độ
cao
Biên
độ
Ngày

Giờ Độ
cao
Giờ
Độ
cao
Biên
độ
1 3h13 2,8 17h40 1,3 1,5 17 13h07 2,4 21h47 1,4 1,0
3 3h49 2,2 21h13 1,6 0,6 19 16h22 3,1 4h28 1,1 2,0
5 17h00 2,6 7h46 1,4 1,2 21 18h43 3,6 6h50 0,4 3,2
7 19h07 3,0 8h10 0,9 2,1 23 21h00 3,7 8h41 0,2 3,5
9 21h10 3,4 9h15 0,5 2,9 25 23h02 3,4 10h33 0,4 3,0
11 23h06 3,5 10h45 0,4 3,1 27 23h57 3,2 11,25 0,7 1,5
13 0h07 3,5 12h41 0,6 2,9 29 1h12 2,6 14h23 1,6 1,4
15 2h07 3,0 16h32 1,1 1,9 30 1h12 2,3 14h23 1,6 0,7
§Ò tµi 102-07RD/H§-KHCN
16

Diễn biến thuỷ triều ven biển tại khu vực Đầm nhà Mạc, xã Phong Cốc, huyện
Yên Hưng, qua các tháng 10 năm 2006; tháng 3, tháng 4 năm 2007. Trong tháng 10 năm

2006 có 22 ngày biên độ thuỷ triều cao hơn 1,2 m, biên độ thuỷ triều cao nhất trong tháng
là 3,4 m, biên độ thuỷ triều thấp nhất trong tháng là 0,6 m, biên độ trung bình là 1,54 m;
trong tháng 3 năm 2007, có 20 ngày biên độ thuỷ triều cao hơn 1,2m; trong đó biên độ
thuỷ triều cao nhất trong tháng là 3,6 m, biên độ thấp nhất là 0,5 m, biên độ dao động
trung bình khoảng 1,6 m; trong tháng 4 năm 2007, có 21 ngày biên độ thu
ỷ triều cao hơn
1,2 m, trong đó biên độ cao nhất là 3,5 m, biên độ thấp nhất là 0,6 m, biên độ trung bình
là 1,44 m. Thời gian cột nước cao hơn 1 m trong một ngày vào khoảng 8 ÷ 10 tiếng

Hình 1.6. Bãi đầm nhà Mạc, xã Phong Cốc, huyện Yên Hưng.
Có hai phương án phát điện (hình 1.4), phương án thứ nhất mở cửa đầm lấy nước
vào khi triều dâng. Khi triều hạ, mực nước trong đầm cao hơn mực nước biển, tạo cột áp
chạy máy phát điện. Khi cột áp hạ thấp dưới mức làm việc của tổ máy phát điện mở cửa
đầm lấy nước vào, quá trình lặp lại.
§Ò tµi 102-07RD/H§-KHCN
17
Phương án thứ hai tận dụng cả hai chiều chênh lệnh mực nước, tức là cả khi mực
nước triều cao hơn mực nước đầm. Do kết hợp phát điện với nuôi trồng thuỷ sản nên
phương án này không được khả thi.


t
tÝch
t
ph¸t
0
-A
A
t
ph¸t

t
tÝch
t
ph¸t
t
tÝch
T
b)
-A
0
A
t
t
1
2
2
1
t
1
t
2
t
5
a)
T
t
6
t
3
t

2
t
1

Hình 1.7. Sơ đồ nguyên lý phát điện thuỷ chiều
a-phát điện một chiều; b-phát điện hai chiều;
A: độ cao mực nước; t- thời gian trong ngày; T- một chu kỳ của thuỷ triều;
1- Dao động nước ngoài đầm (ngoài biển); 2- dao động nước trong đầm.
§Ò tµi 102-07RD/H§-KHCN
18

Hình 1.8. Quá trình đo đạc, khảo sát.
Có thể sử dụng cửa phai sẵn có của đầm để xây dựng, lắp đặt nhà trạm. Móng công
trình có thể xử lý bằng gạch, đất, đá đầm kỹ, trong trường hợp nên đất yếu cần đóng thêm
cọc tre.

`
Hình 1.9. Giải pháp xây dựng nhà trạm:
1.tổ máy phát điện; 2. máng dẫn dòng; 3. sàn thao tác; 4. cửa cống.

2 1
3
4
§Ò tµi 102-07RD/H§-KHCN
19
4. Kết luận
Việc nghiên cứu để đầu tư xây dựng nguồn năng lượng sạch, ổn định cho các xã
đảo là cần thiết, thiết thực, giúp cho các xã đảo có điều kiện phát triển kinh tế - xã hội và
nâng cao dân trí; bảo đảm an ninh quốc phòng vùng biển phía Đông Bắc của Tổ quốc.
Đề tài “Thiết kế, chế tạo tổ máy thuỷ điện cực nhỏ, cột nước thấp phù h

ợp với điều
kiện làm việc ở môi trường nước biển để khai thác nguồn năng lượng thuỷ triều, phục vụ
dân sinh vùng hải đảo Quảng Ninh”.
Mục tiêu của đề tài là: “Xây dựng báo cáo khảo sát điều tra và giải pháp xây dựng
công trình; xây dựng bộ bản vẽ thiết kế tổ máy thuỷ điện nhỏ; xây dựng trạm thuỷ điện
nhỏ, phân tích và đánh giá hi
ệu quả ứng dụng”.
Để thiết kế chế tạo được tổ máy tua bin phù hợp điều kiện dùng năng lượng thủy
triều, đòi hỏi sự tính toán, lựa chọn loại tua bin phù hợp đảm bảo chất lượng điện, đạt
hiệu suất cao. Vật liệu chế tạo thiết bị cũng đòi hỏi phù hợp điều kiện làm việc môi
trường nước biển và dễ s
ử dụng.


Đề tài 102-07RD/HĐ-KHCN
20
CHNG II
Tính toán thiết kế tua bin nớc ứng dụng cho trạm
điện thuỷ triều
2.1. Giới thiệu chung

Các trạm phát điện thuỷ triều có đặc điểm là cột nớc làm việc của tua bin rất
thấp do độ chênh lệch thuỷ triều giữa nớc lớn và nớc ròng không cao. Độ chênh
trung bình giữa nớc lớn và nớc ròng tại vùng biển Quảng Ninh vào khoảng 2,0 m.
Ngoài ra chiều cao cột nớc tại các trạm điện thuỷ triều còn phụ thuộc điều kiện địa
hình và sản xuất thực tế của vùng triều.
Các vùng đảo Quảng Ninh nh Quan Lạn, Minh Châu, Ngọc Vừng có tiềm
năng và nhu cầu ứng dụng điện thuỷ triều, có nhiều đầm nuôi thuỷ sản và vùng eo biển
có thể tận dụng để xây dựng các trạm điện thuỷ triều. Đối với các vùng đầm nớc và eo
biển ở đây độ chênh thuỷ triều thuận lợi cho việc xây dựng các trạm điện thuỷ triều

cũng chỉ vào khoảng 1,5 ữ 2,0 m.
Để phục vụ cho mục đích nghiên cứu và ứng dụng ở đây các trạm điện thuỷ triều
chúng tôi sẽ chọn cột áp làm việc của tua bin là 1,2 ữ 1,8 m, cột nớc trung bình tính
toán là 1,5 m. Công suất tổ máy chúng tôi chọn là 1kW. Nếu chọn công suất lớn, kích
thớc máy sẽ lớn, cồng kềnh, chế tạo tốn kém cần phải có dự án đầu t lớn. Nếu chọn
công suất nhỏ hơn sẽ cần rất nhiều tổ máy cho một trạm thuỷ điện, việc xây dựng trạm,
vận hành sẽ phức tạp, không kinh tế.
Vì vậy ở đây chúng tôi sẽ chọn loại công suất 1 kW để thiết kế chế tạo và ứng
dụng thử nghiệm.
2.2. Cơ sở lý thuyết tính toán thiết kế tua bin nớc cột nớc thấp
2.2.1. Tóm lợc các phơng pháp tính toán thiết kế
Trong thực tế tua bin nớc đợc thiết kế chế tạo rất nhiều loại khác nhau tuỳ
theo điều kiện cột nớc làm việc của tua bin.
Trong điều kiện cột nớc thấp ngời ta thờng sử dụng tua bin hớng trục. Loại
tua bin này có khả năng thoát lớn và có vòng quay làm việc cao.
Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài, chúng tôi sẽ chỉ giới thiệu cơ sở lý thuyết
tính toán thiết kế tua bin hớng trục, vì loại tua bin này sẽ đợc nghiên cứu thiết kế chế
tạo và ứng dụng để xây dựng các trạm điện thuỷ triều.
Bánh công tác là bộ phận quan trọng nhất của tua bin hớng trục, thực hiện chức
năng biến đổi năng lợng của dòng chất lỏng thành cơ năng và điện năng. Bánh công
tác có ảnh hởng quyết định tới hiệu suất và chất lợng của máy. Vì vậy thiết kế bánh
công tác là một khâu rất quan trọng cần phải đợc thực hiện một cách chính xác.
Đề tài 102-07RD/HĐ-KHCN
21
Cánh công tác của tua bin hớng trục có thể tính toán thiết kế theo bốn phơng
pháp sau:
Phơng pháp phân bố xoáy trên cung mỏng để thiết kế các prôphin có chiều dầy
nhỏ vô cùng và có độ cong bé.
Phơng pháp phân bố xoáy, nguồn và tụ còn gọi là phơng pháp các điểm kỳ dị,
dùng để thiết kế các prôphin có chiều dày hữu hạn.

Phơng pháp biến hình bảo giác nhờ các hàm ánh xạ đặc biệt.
Phơng pháp lực nâng.
Trong thực tế chế tạo tua bin thuỷ lực, ngời ta thờng sử dụng hai phơng pháp:
Phơng pháp phân bố xoáy trên cung mỏng và phơng pháp các điểm kỳ dị.
Nội dung cơ bản của phơng pháp phân bố xoáy trên cung mỏng là thay thế tác
động của các prôphin lên dòng chất lỏng bởi các xoáy phân bố dọc theo đờng nhân
prôphin theo một quy luật xác định. Lần đầu các xoáy đợc phân bố dọc theo dây cung
prôphin. Kết quả tính toán ta nhận đợc hình dạng đờng nhân prôphin.Trong lần tính
gần đúng tiếp theo các xoáy đợc phân bố dọc theo đờng nhân prôphin vừa mới nhận
đợc trong lần tính trớc. Prôphin có chiều dầy hữu hạn sẽ nhận đợc bằng phơng
pháp dựng hình dựa theo quy luật phân bố độ dầy của prôphin mẫu đối xứng trên cơ sở
chiều dầy cực đại chọn trớc của prôphin thiết kế.
Phơng pháp các điểm kỳ dị có nội dung tơng tự nh phơng pháp phân bố
xoáy. Trong phơng pháp này tác động của prôphin lên dòng chất lỏng đợc thay thế
bởi các xoáy, nguồn và tụ phân bố trên đờng nhân prôphin. Đ
ờng dòng tổng hợp
khép kín của chuyển động tơng đối chính là chu tuyến của prôphin có chiều dày hữu
hạn. Việc tính toán thiết kế cánh tua bin hớng trục bằng phơng pháp các điểm kỳ dị
đòi hỏi một khối lợng tính toán rất lớn mất nhiều thời gian và công sức. Với sự phát
triển của kỹ thuật tính toán trên máy vi tính, phơng pháp này ngày càng đợc ứng
dụng rộng rãi.
Phơng pháp phân bố xoáy trên cung mỏng đòi hỏi khối lợng tính toán ít hơn
so với phơng pháp các điểm kỳ dị, thuận tiện cho việc tính toán bằng máy tính tay và
lập trình trên máy vi tính. Nếu chọn đúng các thông số tính toán, các hệ số ảnh hởng
của lới cánh có chiều dầy hữu hạn, phơng pháp này sẽ cho các prôphin cánh phù hợp
tạo nên các bánh công tác có chất lợng cao.
Vì vậy trong phạm vi đề tài này sẽ chỉ đi sâu tìm hiểu, nghiên cứu ứng dụng
phơng pháp phân bố xoáy trên cung mỏng của Lêxôkhin để tính toán thiết kế cánh tua
bin hớng trục.

Đề tài 102-07RD/HĐ-KHCN
22
2.2.2. Cơ sở lý thuyết của phơng pháp phân bố xoáy
Trong chuyển động của dòng chất lỏng, các prôphin có độ cong nhỏ trong lới
cánh có thể thay bằng các lớp xoáy với quy luật phân bố xác định dọc theo đờng nhân
prôphin.
Khi khảo sát chuyển động của chất lỏng tiếp xúc trực tiếp với bề mặt cánh ta cần
phải tính tới tác động của lực nhớt. ở lớp biên trên bề mặt cánh vận tốc dòng chất lỏng
thay đổi từ không tới giá trị xác định của dòng chảy. Sự thay đổi đột ngột của vận tốc
dòng chất lỏng là nguyên nhân tạo thành xoáy trong lớp biên . Vì vậy lớp biên có có thể
thay thế bởi lớp xoáy bao gồm các xoáy có cờng độ nhất định phân bố liên tục dọc
theo bề mặt cánh.
Bề mặt cánh đợc tạo nên bởi tập hợp các đờng dòng của chuyển động tơng
đối và các lớp xoáy liên hợp. Vì vậy để xác định các prôphin cánh cần phải tìm đờng
dòng tổng hợp của chuyển động tơng đối.
Vận tốc tổng hợp của dòng tơng đối ở một điểm bất kỳ có thể xác định bằng
tổng vận tốc dòng không nhiễu và vận tốc cảm ứng tạo nên bởi các xoáy phân bố trên
tất cả các prôphin tại điểm đó.
Khi xác định đợc giá trị và phơng của vận tốc tơng đối tại các điểm tính toán
của prôphin , ta xác định đợc hình dạng đờng nhân của prôphin đó.

Hình 2.1. Sơ đồ động học của lới prôphin cánh bánh công tác tua bin hớng trục.
Vận tốc cảm ứng tạo nên bởi tất cả các xoáy trong lới tại một điểm bất kỳ toạ
độ x
o
, y
o
trên prôphin tính toán đợc xác định bằng công thức:

()()
() ()

+

=
2/L
2/L
oo
o
x
xx
T
2
cosyy
T
2
Ch
dssyy
T
2
Sh
T2
1
V

Đề tài 102-07RD/HĐ-KHCN
23

()()
() ()

+



























=
2/L

2/L
oo
o
y
xx
T
2
cosyy
T
2
Ch
dssxx
T
2
Sh
T2
1
V
.
trong đó:
x
o
, y
o
toạ độ điểm tính toán trên prôphin (ứng với điểm
o
);
x, y toạ độ điểm tại đó có phân bố xoáy (ứng với điểm ).
Để tính vận tốc cảm ứng tại các điểm tính toán của prôphin cần phải cho trớc
quy luật phân bố xoáy dọc theo đờng nhân prôphin.

Quy luật phân bố xoáy có thể cho dới dạng chuỗi lợng giác của Glaoerơ:
() = A
o
ctg(/2) + A
1
sin + A
2
sin2 + A
3
sin3 + + A
n
sinn;
hoặc dới dạng chuỗi sau:

()
114A1A21A
1
1
A
222
3
2
2
2
1o
+

+++

+
=

Trong đó, - toạ độ tơng đối của điểm nằm trên prôphin,
2
/
L
s
= = cos.
Lu số vận tốc bao quanh prôphin tạo ra bởi các xoáy phân bố theo quy luật xác
định dọc theo prôphin đợc xác định bằng:

()

+

=
2/L
2/L
dss
.
Trong đó: (s) cờng độ xoáy phân bố dọc theo đờng nhân prôphin;
s biến số tích phân không thứ nguyên, ds =
dsin
2
l

;
L chiều dài dây cung prôphin.
Thế biểu thức lợng giác của (s) vào biểu thức tính lu số ta đợc:

.dsinksinAdsin
2
ctgA
2
L
dsinksinA 3sinA2sinAsinA
2
ctgA
2
L
0
1k
0
ko
0
k321o








+

=






+++++

=





=



Tích phân đầu tiên bằng:

()
=+=




00
dcos1dsin
2

ctg
.
Để tính tích phân thứ hai ta dùng biểu thức tích phân lợng giác đã biết, lợi dụng
tính chất trực giao của hàm lợng giác:
Đề tài 102-07RD/HĐ-KHCN
24






=

=
0
.nk khi:2/
;nk khi:0
dnsinksin

Tất cả các tích phân dạng này đều bằng không (0) trừ một số hạng có k = 1. Do
vậy, ta có lu số vận tốc bao quanh prôphin bằng:

s
1
o
2
A
A
2

L
+=






+

=


Từ biểu thức này ta thấy rằng: lu số vận tốc bao quanh prôphin đợc tạo nên
bởi góc va ,

= f(A
o
) và độ cong của prôphin f,
s
= f(A
1
). Các thành phần còn lại
của chuỗi hàm () chỉ ảnh hởng tới phân bố vận tốc theo prôphin mà không làm thay
đổi lu số vận tốc bao quanh prôphin đó.
Đối với các lới cánh bánh công tác hớng trục, quy luật phân bố xoáy thờng
cho dới dạng không ellip tức là tồn tại cả hai thành phần chứa A
o
và A
1

trong biểu thức
phân bố xoáy (). Ta có:

() () ()
+=+

+
=
s
2
1o
1A
1
1
A

trong đó:

()

+
=
1
1
A
o
, với A
o
0 hàm xoáy xác định chảy bao bản phẳng đặt lệch
so với dòng phẳng không nhiễu một góc bằng góc va ;

()
2
1
1As = , với A
1
0 hàm xoáy xác định chảy bao cung parabol của
dòng phẳng không nhiễu với vận tốc W
m
, song song với dây cung.
Khi đó lu số vận tốc bao quanh prôphin bằng:

()
+

+
==

+

+

+

d
2
L
.1Ad
2
L

.
1
1
Adss
1
1
2
1
1
1
o
2/L
2/L
=

+
s
.
Vận tốc cảm ứng tạo bởi các xoáy

()
s
()ký hiệu tơng ứng là V

và V
s
. Khi
đó vận tốc cảm ứng tổng cộng bằng:
V = V

+ V
s
.
Hình chiếu trên trục x:

() ()

+

+



à

+

+
à

=+=
1
1
2
1
1
1
o
xsxx
d1

cosCh2
Sh
T2
LA
d
1
1
cosCh2
Sh
T2
LA
VVV
.
trong đó, biến số
()
yy
T
2
o


= ,
()
xx
T
2
o


=à .

Khi tích phân theo các đờng phân bố xoáy với giá trị x = x
o
và y = y
o
, hàm dới
dấu tích phân có dạng bất định 0/0. Để có thể tích phân đợc trong trờng hợp này, vận
tốc cảm ứng tại mỗi điểm của prôphin sẽ tách phần hai thành phần:
Đề tài 102-07RD/HĐ-KHCN
25
- Thành phần vận tốc cảm ứng V tạo nên bởi các xoáy phân bố trên prôphin
gốc;
- Thành phần vận tốc cảm ứng V tạo nên bởi các xoáy phân bố trên tất cả các
prôphin còn lại.
Ta sẽ có vận tốc V = V + V.
Hình chiếu của vận tốc cảm ứng theo phơng trục x:
V = V
x
+ V
x
.
Hình chiếu trên phơng x của vận tốc cảm ứng tạo bởi các xoáy

() đợc xác
định bằng các biểu thức sau:

()
2
sinA
d
1

1
2
sinA
dsin
2
1
1
A
V
o
1
1
o
1
1
o
o
o
/
x

=


+


=

+
=

+

+


.

()

+

+




+
=

+

à

=
1
1
2
1
1
o
o
o
//
x
.d
1
1
)(a
T2
LA
d
1
1sin
L
T2
cosch2
sh
T2
LA

V
Trong đó hàm a(
) bằng:






à

=
o
sin
2cosch
sh
2
1
)(a
.
Với
L
T2
=
.
Đờng tích phân (dây cung prôphin) đợc chia thành 6 phần bằng nhau và ta sẽ
xác định vận tốc cảm ứng tại 7 điểm 0; 1; 2; 3; 4; 5; 6 tơng ứng toạ độ -1; -2/3; -1/3; 0;
+1/3; +2/3; +1 (xem hình 2 dới đây).

Hình 2.2. Sơ đồ phân bố các điểm tính toán trên dây cung prôphin.

Thành phần vận tốc
//
x
V

đợc xác định theo tích phân của D. A. Nhepomnhiaxi:

()
.a334a630a180a460a90a126
T2560
LA
V
654321
o
//
x
+++

=