Nghiên cứu sử dụng năng lượng mới ( năng lượng sức gió và mặt trời) phụ vụ sản xuất

bộ nông nghiệp và phát triển nông thôn
viện khoa học thủy lợi



báo cáo tổng kết chuyên đề

nghiên cứu tua bin nghiêng phục vụ phát
triển thủy điện nhỏ ở việt nam

thuộc đề tài kc 07.04:
nghiên cứu, lựa chọn công nghệ và thiết bị để khai thác và
sử dụng các loại năng lợng tái tạo trong chế biến nông,
lâm, thủy sản, sinh hoạt nông thôn và bảo vệ môi trờng



Chủ nhiệm đề tài: TS Hoàng Văn thắng










5817-1
16/5/2006

hà nội 5/2006

Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04
Viện Khoa học Thủy lợi
Lời nói đầu
Chơng I. Mở đầu 2
1.1. Đặt vấn đề. 2
1.2. Phơng pháp nghiên cứu. 2
Chơng II. Tổng quan về tua bin tia nghiêng 3
2.1. TBTN của hãng GILKES. 4
2.2. TBTN do Trung Quốc sản xuất. 6
2.3. Một số thông tin khác. 8
2.4. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng TBTN ở Việt Nam. 8
Chơng III. Cơ sở lý thuyết và các kết quả nghiên cứu tBTN 9
3.1. Cơ sở lý thuyết TBTN. 9
3.1.1. Tác động tơng hỗ giữa dòng tia và tấm bản. 9
3.1.2. Lý thuyết đơn giản của TBTN. 14
3.2. Thiết kế TBTN. 17
3.2.1. Biên dạng phần dẫn dòng của TBTN. 18
3.2.2. Thiết kế bộ phận hớng dòng (vòi phun). 22
3.2.3. Bộ phận lái, cắt dòng. 27
3.2.4. Dòng tia tự do trong không khí. 28
3.2.5. Nghiên cứu, thiết kế bánh xe công tác. 29
3.2.6. Vỏ tua bin. 33
3.2.7. Bố trí các bộ phận cơ bản của TBTN. 33
3.3. Chọn kết cấu tổ máy, số vòi phun. 34
3.4. Phơng pháp thiết kế TBTN. 36
3.4.1. Chọn các kích thớc cơ bản. 36
3.4.2. Xây dựng chơng trình tính các thông số chính của TBTN. 38

Chơng IV. Nghiên cứu thực nghiệm tBTN 43
4.1. Hớng nghiên cứu TBTN. 43
Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04
Viện Khoa học Thủy lợi
4.1.1. Vòi phun. 43
4.1.2. Bánh xe công tác. 43
4.1.3. Tơng quan giữa vòi phun và bánh công tác. 43
4.2. Thiết kế TBTN mô hình. 44
4.2.1. Lựa chọn kết cấu. 44
4.2.2. Lựa chọn kích thớc, thông số cơ sở TBTN mô hình. 44
4.2.3. Tính toán các thông số cơ bản của TBTN mô hình. 44
4.2.4. Thiết kế bánh xe công tác. 45
4.2.5. Lựa chọn vòi phun. 46
4.3. Mô hình hoá tua bin. 47
4.4. Thực nghiệm tua bin mô hình. 49
4.4.1. Hệ thống thí nghiệm. 49
4.4.2. Thí nghiệm tua bin mô hình 53
4.5. Xây dựng đặc tính tổng hợp chính của tua bin mô hình. 60
4.6. Các kết luận rút ra từ thực nghiệm. 63
Kết luận 65
Tài liệu tham khảo 67
Phụ lục 68






Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04
Viện Khoa học Thủy lợi

1
Lời nói đầu
Mặc dù nguồn và lới điện quốc gia phát triển mạnh, nhng theo đánh giá
của ngành năng lợng, tới năm 2010 vẫn còn khỏang 400 xã cha đợc sử dụng điện
từ lới quốc gia vì chi phí quá cao cho phát triển lới điện. Hơn nữa, với điều kiện tự
nhiên có nhiều thuận lợi cho phát triển thủy điện vừa và nhỏ thì việc phát triển thủy
điện nhỏ và các nguồn năng lợng tái tạo khác để cấp điện là một giải pháp kinh tế
bền vững, góp phần bảo vệ môi trờng.
Trên thế giới, thủy điện vừa và nhỏ ngày càng đợc quan tâm sử dụng không
chỉ ở các nớc đang phát triển mà còn ở ngay các nớc phát triển nh Anh, Pháp,
Đức
Nghiên cứu, chế tạo tua bin thủy điện vừa đòi hỏi có đội nũ cán bộ có năng
lực nghiên cứu triển khai của nhiều nghành khoa học khác nhau (Cơ khí, Thủy lực,
Điện, Điều khiển tự động ) vừa mang tính đơn chiếc, tốn nhiều nhân công. Do
vậy, khả năng cạnh tranh của Việt Nam là rất cao trong lĩnh vực này. Do vậy, đẩy
mạnh nghiên cứu phát triển thủy điện vừa và nhỏ vừa cung cấp cho thị trờng trong
nớc lại vừa có khả năng xuất khẩu.
Tua bin tia nghiêng là loại tua bin có đặc tính năng lợng tốt: hiệu suất khá
cao và đờng hiệu suất phẳng, vùng làm việc tơng đối rộng. Tuy nhiên công nghệ
chế tạo chúng còn khá phức tạp (nhất là bánh công tác). Hiện nay, có rất ít tài liệu
nói về loại tua bin này. Để nghiên cứu và phát triển loại tua bin này ở Việt Nam,
chúng tôi lựa chọn nghiên cứu một tua bin tia nghiêng mô hình dựa trên cơ sở một
số lý thuyết tính toán của tua bin xung kích, các tua bin thực và dựa trên thực
nghiệm để hoàn thiện. Từ mô hình đã đợc nghiên cứu, dựa trên nguyên tắc về các
tiêu chuẩn tơng tự, chúng ta sẽ có đợc gam tua bin này.
Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04
Viện Khoa học Thủy lợi
2
Chơng I. Mở đầu
1.1. Đặt vấn đề.

Tua bin tia nghiêng (TBTN) thuộc nhóm tua bin có tỷ tốc thấp, nằm giữa tua
bin gáo và tua bin XK2L. Trong thực tế chế tạo tua bin, nhiều trờng hợp phảI lựa
chọn TBTN hoặc tua bin gáo nhiều vòi phun, vì nếu sử dụng các lọai tua bin khác là
không kinh tế hoặc hiệu suất thấp. ở Việt Nam, một số trạm thủy điện đã nhập thiết
bị TBTN của nớc ngoài nh Trạm thuỷ điện Kỳ Sơn - Hà Tĩnh với hai tổ máy
250kW, Trạm thuỷ điện Nà Chá - Mộc Châu - Sơn La một tổ máy 130kW của hãng
GILKES (Anh) và đã nhập hàng ngàn tổ máy thủy điện siêu nhỏ (TĐSN) có công
suất 200 ữ 300W của Trung Quốc. Thực tế cho thấy rằng các tổ máy này có kết cấu
đơn giản, độ bền cao và hiệu quả năng lợng tốt. Do vậy đề tài đã đặt vấn đề nghiên
cứu TBTN cho thủy điện nhỏ trong giới hạn bớc đầu là các tua bin có công suất
dới 200kW với các nội dung:
- Nghiên cứu lý thuyết và mô hình để xây dựng biên dạng cánh, phần dẫn
dòng.
- Xây dựng gam tua bin
- ứng dụng để thiết kế một số tổ máy: 200W, 500W, 1000W, 5kW và 10kW.
- Làm cơ sở cho thiết kế các tổ máy có công suất tới 200kW.
1.2. Phơng pháp nghiên cứu.
Khi bắt đầu bớc vào nghiên cứu TBTN, đề tài gặp phải các khó khăn lớn là:
- Cơ sở lý thuyết về TBTNT là không hòan chỉnh, dựa trên lý thuyết đơn giản
với rất nhiều giả thiết làm đơn giản hóa bài tóan.
- Tài liệu nớc ngòai cũng rất thiếu.
Do vậy đề tài sử dụng các phơng pháp nghiên cứu sau:
- Nghiên cứu lý thuyết: Dựa vào lý thuyết đơn giản của TBTN, các nghiên cứu
về tua bin gáo có thể ứng dụng cho TBTN.
- Nghiên cứu theo mẫu: Lựa chọn các mẫu có chất lợng tốt, đo đạc và phân
tích các số liệu mẫu.
- Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm trên mô hình, xử lý số liệu.
- Thử nghiệm hiện trờng.
- Xây dựng các chỉ tiêu thiết kế chung để nhân rộng từ mô hình ra tua bin thực.

Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04
Viện Khoa học Thủy lợi
3
Chơng II. Tổng quan về tua bin tia nghiêng
Ngay từ thế kỷ 15, Leona de Vinci đã phát minh ra dạng bánh xe nớc, đó
chính là dạng sơ khai nhất của TBTN ngày nay.












Hình 1. Dạng TBTN cổ nhất còn giữ lại đợc đến nay tại bảo tàng
Leonardo da Vinci ở Milano - Italy
Tổng kết tài liệu nghiên cứu và chế tạo TBTN trên thế giới cho thấy:
TBTN đợc sử dụng cho phạm vi rộng nhất là:
H = 300 m
Q = 5 m
3
/s
Với 3 dạng kết cấu:
- TBTN trục ngang 1 vòi phun.
- TBTN trục ngang 2 vòi phun.
- TBTN trục đứng nhiều vòi phun.

Hiệu suất cao nhất đợc đánh giá vào khỏang 86 ữ 87%.
Một số nhà nghiên cứu nổi tiếng về TBTN nh: y . (I. F.
Sipulin);
Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04
Viện Khoa học Thủy lợi
4
ở Anh, hãng GILKES là hãng nghiên cứu hàng đầu về TBTN. Từ năm 1993,
hãng TANAKA (Nhật Bản) trên cơ sở nghiên cứu của GILKES cũng đã xây dựng
gam TBTN của mình. ở Trung Quốc, TBTN cũng đợc sử dụng từ lâu nhng gần
đây, viện nghiên cứu TRIED (Thiên Tân - Trung Quốc) cũng đã nghiên cứu tiêu
chuẩn hóa TBTN cho trạm thủy điện có cột áp nhỏ hơn 180m.
Một số thông tin về TBTN trên thế giới nh sau:
2.1. TBTN của hãng GILKES.
Hãng GILKES sản xuất tua bin thủy lực từ năm 1856 và đã bán sản phẩm ra
hơn 80 nớc trên thế giới. Gam TBTN do hãng giới thiệu có phạm vi làm việc:
H = 20 ữ 300 m
P = 50 ữ 10.000kW
Với kết cấu trục ngang (hình 2), bánh công tác đợc lắp công sôn trên trục tua
bin. Cấp đờng kính bánh công tác D
1
= 30, 33, 36, 40, 44, 48, 53, 58, 64, 71, 78, 88,
94, 104, 114cm. Phạm vi sử dụng nh ở hình 3.

Hình 2. Kết cấu TBTN của hãng GILKES



Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04
Viện Khoa học Thủy lợi
5











Hình 3. Biểu đồ sử dụng sản phẩm TBTN của hãng GILKES
TBTN do hãng GILKES sản xuất có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, lắp đặt và
vận hành. Tổ máy TBTN của GILKES lần đầu tiên sử dụng ở Việt Nam tai trạm
Thủy điện Nà Chá (Mộc Châu - Sơn La là một trạm thủy điện kiểu mẫu về thủy điện
nhỏ ở Việt Nam (hình 4).

Hình 4. TBTN đợc lắp đặt tại TTĐ Nà Chá - Mộc Châu - Sơn La
Với kết cấu 2 mũi phun, TBTN có phạm vi làm việc rộng (2 lần) so với lọai
TBTN do Trung Quốc sản xuất.
Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04

Viện Khoa học Thủy lợi
6
2.2. TBTN do Trung Quốc sản xuất.
Trung quốc sử dụng rộng rãI TBTN cho thủy điện vừa và nhỏ với kết cấu trục
ngang, 1 vòi phun (hình 5).











Hình 5. Kết cấu TBTN do Trung Quốc chế tạo
TBTN đợc tiêu chuẩn hóa thành 2 mẫu XJ
13
và XJ
02
với phạm vi làm việc:
H = 30 ữ 150 m
P = 5 ữ 1250 kW.
Cấp đờng kính bánh công tác D
1
= 12, 20, 25, 32, 40, 50cm
Đờng kính dòng tia d
0
= 5, 6, 7, 9, 11 và 12,5cm.

Bộ điều tốc đợc sử dụng là điều tốc cơ khí - thủy lực.








Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04
Viện Khoa học Thủy lợi
7

Hình 6. Biểu đồ sử dụng sản phẩm TBTN XJ
02
do Trung Quốc sản xuất
Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04
Viện Khoa học Thủy lợi
8
2.3. Một số thông tin khác.
Ngoài hai đại diện trên, hãng NEWMILLS HYDRO (Anh) giới thiệu lọai
TBTN trục đứng có nhiều mũi phun (hình 7).











Hình 7. Sơ đồ kết cấu TBTN nhiều vòi phun của hãng
NEWMILLS HYDRO
2.4. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng TBTN ở Việt Nam.
ở nớc ta mới chỉ có một số trạm thuỷ điện nhỏ sử dụng loại tua bin này (đã

nói trong phần mở đầu). Các tổ máy thủy điện cực nhỏ (sử dụng TBTN) đã đợc đa
vào sử dụng rộng rãi, các sản phẩm này từ hai nguồn: thuỷ điện Pico 200ữ500W
nhập khẩu từ Trung Quốc và các tổ máy 200 ữ 7500W do Trung tâm Thủy điện -
Viện Khoa học Thủy lợi chế tạo.
Nhận thấy những u điểm của TBTN phục vụ phát triển thủy điện nhỏ và cực
nhỏ trong nớc, gần đây Trung Tâm Thủy Điện - Viện Khoa học Thủy lợi đã đầu t
nghiên cứu ứng dụng lọai tua bin này và bớc đầu đã đạt đợc nhũng kết quả tốt tạo
tiền đề cho các nghiên cứu sâu hơn.
Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04
Viện Khoa học Thủy lợi
9
Chơng III. Cơ sở lý thuyết và các kết quả nghiên cứu tBTN
Trong TBTN, dòng chất lỏng phun vào cánh bánh công tác dới một góc
nghiêng (hình 8)

Hình 8. Dòng chất lỏng phun vào BCT TBTN
Cơ sở lý thuyết của TBTN đợc dựa trên lý thuyết về tác động tơng hỗ giữa
dòng tia và tấm bản.
3.1. Cơ sở lý thuyết TBTN.
3.1.1. Tác động tơng hỗ giữa dòng tia và tấm bản.
3.1.1.1. Tấm bản cong đối xứng đặt cố định.
Xét tác động của dòng tia lên tấm bản cong đối xứng đặt cố định (hình 9).

Hình 9. Sơ đồ dòng tia chảy lên tấm bản cong đối xứng đặt cố định.
Với giả thiết chất lỏng là lý tởng, áp dụng phơng trình động lợng, ta có
lực P do chất lỏng tác động lên tấm bản là:

x
f
V
2
V
1
V
2
f
1


Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04
Viện Khoa học Thủy lợi
10

)cos1(

)cos1(

2
11
== f
g
v
g

Qv
P
(3.1)
Từ công thức này ta thấy rằng lực P sẽ lớn nhất khi = 180
0
và trong trờng hợp
này:

f
g
v
P
2
1
2
=
(3.2)
Nếu f
1
là hình chiếu của bản cong lên phơng vuông góc với x, áp lực trung bình lên
tấm bản là:

1
2
1
1
2
gf
fv
f

p
h
p
==

(3.3)
vì
g
v
Hh
p
2
2
1
=
suy ra f
1
4f (3.4)
Từ đây ta thấy rằng để đạt yêu cầu tác dụng của dòng chảy lên tấm bản, diện
tích hình chiếu của bản lên phơng vuông góc dòng tia phải lớn hơn 4 lần diện tích
tiết diện dòng tia. Nguyên tắc lý thuyết này đợc sử dụng để lựa chọn kích thớc
của BCT tua bin xung kích.
3.1.1.2. Tấm bản cong đối xứng chuyển động theo trục dòng tia.
Trên đây ta đã nói đến lực tác dụng tơng hỗ giữa dòng tia và tấm bản. Khi
tấm bản đứng yên sẽ không có trao đổi năng lợng. Muốn cho tấm bản nhận đợc
năng lợng từ dòng tia, nó phải chuyển động với vận tốc u nào đó (sơ đồ trên hình
10).
Lúc này vận tốc của dòng tia so với tấm bản:
w = c - u (3.5)
Trong đó: u - vận tốc theo

c - vận tốc tuyệt đối.
Sau một đơn vị thời gian, khối lợng nớc chảy lên tấm bản là:

wf
g
m .

=
(3.6)


Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04
Viện Khoa học Thủy lợi
11









Hình 10. Sơ đồ dòng tia lên tấm bản cong đang chuyển động
theo trục của dòng tia.
áp dụng phơng trình động lợng, ta có:

)cos1()(

2

= uc
g
f
P
(3.7)
Công suất do lực P sinh ra:

)cos1()(

.
2

== uuc
g
f
uPN
n
(3.8)
Công suất của dòng tia:

f
g
c
Q
g
c
N
z
2

2
22
==

(3.9)
Hiệu suất thủy lực:

3
2
)cos1()(2
c
uuc
N
N
z
n
th



==
(3.10)
Hiệu suất thủy lực lớn nhất
max
:

)cos1(
27
8

max

=
th
(3.11)
Hiệu suất cực đại
th max
có giá trị lớn nhất khi = 180
0


1
27
16
max
<<=
th

(3.12)
Điều này đợc giải thích rằng khi tấm bản dịch chuyển ra xa nơi xuất phát
dòng tia, chỉ có một phần chất lỏng tác dụng đợc lên nó, lu lợng của phần chất
u
x
f
W

C

W

f
1


Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04
Viện Khoa học Thủy lợi
12
lỏng này tỷ lệ với vận tốc tơng đối w = c - u. Nếu u càng nhỏ, lực tác dụng lên tấm
bản càng lớn nhng khi u = 0 chất lỏng sẽ không truyền năng lợng cho tấm bản
nữa. Muốn cho tấm bản nhận toàn bộ năng lợng của dòng tia thì vòi phun cũng
phải chuyển động với vận tốc u. Khi đó sau một đơn vị thời gian dòng chảy lên tấm
bản với một khối lợng là:
fc
g
m

=
(3.13)
Kết quả ta có:

)cos1)((

= ucfc
g
P
(3.14)
Công suất do lực sinh ra:

)cos1()(

== uucfc
g
PuN
n
(3.15)
Hiệu suất thủy lực:

2
)cos1()(2
c
uuc
th



=
(3.16)
cũng tơng tự nh trên ta tìm đợc u tối u:
2
c
u
tu
=
(3.17)
Hiệu suất cực đại lúc này là:
)cos1(
2
1
max

=
th
(3.18)
Khi = 180
0
thì
th max
= 1
Nh vậy về mặt lý thuyết, tấm bản có thể nhận toàn bộ năng lợng dòng tia.
Kết luận này mang ý nghĩa về nguyên tắc đối với tua bin xung kích.
3.1.1.3. Tấm bản cong chuyển động dới một góc

với trục dòng tia.
Bây giờ ta xét trờng hợp khác khi tấm bản chuyển động với vận tốc u tạo
nên một góc nào đó so với vận tốc của dòng tia (hình 11).
Từ tam giác vận tốc tại cửa vào ta xác định trị số của vận tốc tơng đối:

cos2
22
uucw +=



Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04
Viện Khoa học Thủy lợi
13
c
2
w
2

u

2

1

c
1
u
w
1
u











Hình 11. Sơ đồ dòng tia tác động lên tấm bản cong đang chuyển động
dới một góc so với trục của dòng tia
Để thoả mãn yêu cầu về điều kiện chảy vào của dòng tia, hớng của w phải
trùng với tiếp tuyến của tấm bản. Góc
1
biểu thị hớng của vận tốc tơng đối w
1

với
hớng chuyển động của bản đợc xác định từ tam giác vận tốc cửa vào:
1
11
sin
sin
w
c
=
(3.19)
Lực tác động lên bản theo hớng chuyển động:

)cos...2cos-cos.(

22
2
ucucuc
g
Q
P +=
(3.20)
Công suất do lực P sinh ra:

)cos...2cos-cos..(.

.
22
2
ucucucu
g

Q
uPN
n
+==
(3.21)
Hiệu suất thủy lực sẽ là:

2
22
2
th
)cos...2-cos-cos..(.2

c
ucucucu
+
=
(3.22)
Lực tác động theo hớng vuông góc với chuyển động cũng xác định tơng tự:

)cos...2sinsin.(

22
2
ucucc
g
Q
P
+=
(3.23)

Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04
Viện Khoa học Thủy lợi
14
Trên đây là các phơng trình lý thuyết có ý nghĩa trong việc phân tích quá
trình làm việc của TBTN.
Từ lý thuyết cơ bản của dòng tia và tấm bản, rút ra một số kết luận quan
trọng:
- Diện tích chiếu của tấm bản lên phơng vuông góc với dòng tia để thu đợc
hiệu quả cao là
84
1
ữ=
f
f
.
- Vận tốc chuyển động tối u của tấm bản để thu nhận năng lợng là:
u
tu
=
2
c

- Khi = 180
0
,
th
= 1. (ở điều kiện lý tởng)
3.1.2. Lý thuyết đơn giản của TBTN.
Trong TBTN, nớc chảy vào BCT tạo với mặt phẳng quay một góc .
Dòng chảy vào BCT từ một mặt và ra khỏi ở mặt khác. Nớc không chảy ra

phía ngoài BCT do đó phía ngoài BCT cho phép dùng một vành néo, các cánh của
bánh xe. Đây cũng là u điểm về kết cấu BCT so với tua bin gáo. Cánh có hình dạng
gáo với cạnh cửa vào không lớn lắm và để ra khỏi cánh thuận lợi đòi hỏi cạnh cửa ra
kéo dài hơn nhiều so với cạnh cửa vào. Tuy vậy trong lý thuyết đơn giản về TBTN
nó đợc giả thiết là quá trình chảy trên cánh xảy ra trên các mặt phẳng song song
với trục BCT và trục dòng tia. Sơ đồ chảy lên BCT thể hiện trên hình 12.









Hình 12. Sơ đồ dòng chảy vào BCT TBTN
c
2
u
w
2
c
u2

2

2

1

1
w
1
c
1
u
c
u1
d
Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04
Viện Khoa học Thủy lợi
15
Giá trị của vận tốc tơng đối xác định theo công thức:

cos..2
22
ucucw
+=

Giả thiết rằng tiếp tuyến với mặt trong của cánh đi qua cạnh cửa vào và trùng
với hớng vận tốc w
1
.
Từ phơng trình cơ bản của tua bin:
gH = .(c
u1
r
1
- c
u2

r
2
) (3.24)
Trong đó: r
1
= r
2
=
2
1
D
và .r
1
= .r
2
=u
c
u1
= c
1
cos
1
= w
1
cos
1
+ u (3.25)
c
u2
= c

2
cos
2
= u - w
2
cos(180
0
-
2
) (3.26)
Trong đó:
-
1
,
2
là góc giữa véc tơ vận tốc tuyệt đối tại cửa vào c
1
và cửa
ra c
2
với vectơ vận tốc u;
-
1
,
2
là các góc giữa vectơ vận tốc tơng đối tại cửa vào w
1
và
cửa ra w
2

với vec tơ vận tố theo u.
Từ đây hiệu suất sẽ là:
)]180cos([cos
2
)]}180cos([]cos{[

2
0
1
2
1
1
2
2
0
211
TL
+=
=
+
=
c
uw
gH
wuuwu

(3.27)
Trong đó:
1
2

W
W
=


: Hệ số vận tốc mũi phun
gH
c
2
1
=

(3.28)
Biến đổi ta có:

)cos(cos
sin
sin)sin(
2
21
1
2
111
2

=
TL
(3.29)
Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04
Viện Khoa học Thủy lợi
16
Nh vậy hiệu suất thuỷ lực của TBTN phụ thuộc vào các góc
1
,
1
,
2
. Ta
cần phải xác định các giá trị tối u của các góc này. ở công thức (3.29) ta thấy
TL

đạt max khi cos
2
= -1 hay
2
= 180
0
.
Để tìm giá trị tối u của
1
ta cần tìm đạo hàm riêng của theo
1
.
0
sin

coscos
]cossincos2)sin(cos[sin2


1
2
21
1111
2
1
2
1
2
1
th
=

=


Kết quả:
1
=
2
1

(3.30)
Thay vào (3.29) ta có :

]cos[cos

sin
2/sin
2
21
1
2
1
2
2
max
th
=

(3.31)
Sau khi biến đổi ta có:

1
21
2
max
cos1
coscos



+

=
th
(3.31a)

Lấy đạo hàm riêng của (3.31a) theo
1
ta có:

0
)cos1(
)cos1(sin
2
1
21
2
1
max
=
+
+
=







th
(3.32)
Nh vậy hiệu suất cực đại theo lý thuyết đơn giản khi:

1
= 0;

1
= 0;
2
= 180
0

(3.33)
Lúc đó:
2
1
2
max


+
=
th
(3.34)
Nếu giả thiết chất lỏng là lý tởng thì = 1; = 1 ta có:
th max
= 1
Nh vậy về mặt lý thuyết, hiệu suất thủy lực của TBTN có thể bằng 1. Nhng
để đạt đợc điều này cần phải thoả mãn điều kiện
1
=
1
= 0 và
2
=180
0

có nghĩa là
dòng chảy vào và ra phải trùng với phơng của BCT. Trên thực tế điều này không
thể có đợc vì nếu dòng chảy ra với góc
2
=180
0
thì dòng chảy ra của cánh trớc
đập vào lng cánh sau. Nhìn vào sơ đồ làm việc của TBTN ta cũng thấy không thể
tạo đợc góc dòng vào
1
= 0
0
. Nh các phân tích cơ sở lý thuyết tua bin xung kích
ta thấy rằng, khi tốc độ vòng quay BCT lệch đi so với tốc độ tối u về giá trị lớn hơn
Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04
Viện Khoa học Thủy lợi
17
hoặc nhỏ hơn hiệu suất đều giảm đi vì tổn thất liên quan đến vận tốc cửa ra tăng.
Nhng ở TBTN, hiệu suất sẽ giảm nhanh hơn vì ngoài tổn thất do vận tốc ở cửa ra,
tại cửa vào cũng tổn thất nhiều do hớng của vận tốc tơng đối không còn trùng với
tiếp tuyến mặt trong của cánh nữa (Điều này không xảy ra đối với tua bin gáo).
Từ các kết luận trên đây cho thấy rằng ngay cả lý thuyết và thực tế hiệu suất
của TBTN luôn thấp hơn tua bin gáo. Tuy nhiên với những u điểm của nó nh đã
phân tích ở chơng I, TBTN đợc vẫn đợc sử dụng rộng rãi cho thủy điện nhỏ.
Khi thoả mãn điều kiện
1
=
2
1

, tam giác vận tốc tại cửa vào sẽ là tam giác
cân (u = w
1
) và vận tốc cửa ra là nhỏ nhất vì w
2
w
1
= u.
Vận tốc tối u đợc xác định:
1
1
cos2

c
u
tu
=
(3.35)
suy ra
1
cos2
1


=
tu
(3.36)
Các thí nghiệm tại viện nghiên cứu máy thủy lực Liên Xô cũ () cho thấy
rằng
tu

= 0,46 ữ 0,47.
Sau cùng, theo (3.20); (3.23) và (3.22) ta có:
Lực tác dụng lên BCT theo chiều quay là:
)cos21cos(cos
1
2
21


+=
g
QC
P
u
(3.37)
Lực hớng trục là:

)cos21sin(sin
1
2
210


+=
g
Qc
P
(3.38)
Và hiệu suất với = 1; = 1 là:

)cos21cos(cos2
1
2
21

+=
(3.39).
3.2. Thiết kế TBTN.
Các bộ phận và tham số cơ bản trong TBTN bao gồm:

Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04
Viện Khoa học Thủy lợi
18
+ Các bộ phận chính:
- Vòi phun, kim phun và bộ phận chuyển tiếp từ ống dẫn.
- Bánh công tác ua bin
- Buồng tua bin
+ Các tham số cơ bản:
- Tỷ số:
0
1
d
D

- Khỏang cách mũi phun đến bánh công tác, chất lợng dòng tia.
- Chuyển động của dòng tia qua BCT và sau BCT, hệ số co hẹp và giãn nở
của dòng tia.
Để nâng cao chất lợng làm việc của TBTN, cần tập trung nghiên cứu các bộ
phận và tham số trên.
3.2.1. Biên dạng phần dẫn dòng của TBTN.

3.2.1.1. Bộ phận ống dẫn.
Bộ phận ống dẫn là bộ phận nối tiếp giữa đờng ống áp lực của trạm thủy
điện và vòi phun của tua bin. Các yêu cầu chính đối với bộ phận ống dẫn là:
- Tổn thất thủy lực trong ống nhỏ.
- Tạo ra trờng vận tốc phân bố đều, không xóay trớc bộ phận hớng dòng.
- Có kích thớc nhỏ gọn.
- Đối với các trạm thủy điện nhỏ, kích thớc của bộ phận ống dẫn phảI phù
hợp với các tiêu chuẩn ống thông dụng.
Trong nghiên cứu, chế tạo tua bin gáo, các dạng ống dẫn đã đợc nghiên cứu
khá sâu. Do vậy, có thể phân tích lựa chọn các kích thớc cho phù hợp.
Việc lựa chọn các kích thớc ống dẫn tiến hành nh sau:
Đờng kính ống dẫn xác định theo công thức:
d
od
= (3 ữ 3,5)d
vp
(3.40)
Trong đó:
d
od
: đờng kính ống dẫn
d
vp
: đờng kính vòi phun
Nh vậy: d
od
= (3ữ3,5)*1,2d
0

V

0
= (13ữ17,6)V
od
Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04
Viện Khoa học Thủy lợi
19
Hay: K
0
=(170ữ300)K
od

Trong đó: K
0
: động năng dòng chảy tại mũi phun
K
od
: động năng dòng chảy trong ống dẫn
Do tổn thất thủy lực trong ống dẫn tỷ lệ thuận với thành phần động năng
dòng chảy nên với lựa chọn trên, tổn thất trong ống dẫn là rất nhỏ.
Từ công thức xác định vận tốc của dòng chảy qua mũi phun:
V
0
=
gH2*

với = 0,96 ữ 0,98, chọn với = 0,7
Suy ra: V
od
=(0,075ữ0,055)*
gH2

(3.41)
Với các tổ máy thủy điện nhỏ, có thể chọn V
od
=0,09*
gH2
(3.42)
Hình dạng và kích thớc tơng quan của ống dẫn:
Kết quả nghiên cứu về mũi phun tại nhà máy kim khí Lêningrát về 3 phơng
án ống dẫn cong: = 45
0
, L = 5d; = 45
0
, L = 1,5d; = 90
0
và L = 1,5d (hình 13)
cho kết quả dòng tia nh bảng 1.
Phơng án a, tổ chức dòng tia tốt nhất, tổn thất thủy lực nhỏ nhng kích
thớc cồng kềnh, phơng án c tổ chức dòng tia kém và tổn thất thủy lực lớn. Do vậy,
trong thiết kế thủy điện cực nhỏ có thể dùng phơng án b. Một lu ý trong thiết kế là
dòng tia nở ra sau mặt cắt co hẹp với tỷ lệ =
%5,19
%100*36
3643
=

. Khi thiết cần thu
hẹp khỏang cách giữa BCT và vòi phun và lựa chọn tỷ số
0
1
d

D
phù hợp để không gây
hiện tợng dòng tia phun lên vành và bầu BCT.













(a)
Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04
Viện Khoa học Thủy lợi
20

(b)












(c)
Hình 13. Các phơng án khuỷu cong của bộ phận dẫn nớc đến
Bảng 1

Phơng án Độ mở S Lu lợng d
0
(mm) d cách vòi 170mm
a
b
c

40
20,72

20,15
20,72

33
36
31

37
43
45

a
b
c

20
16,86
16,6
16,86

30
31
31

31
38
38

a
b

c

7,5
8,03
8,24
8,83

21
22
22

22
26
27


Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04
Viện Khoa học Thủy lợi
21
3.2.2. Thiết kế bộ phận hớng dòng (vòi phun).
Bộ phận hớng dòng của TBTN là bộ phận trong đó xẩy ra quá trình biến đổi
áp năng của dòng chảy thành động năng. Ngoài ra nó còn có chức năng điều chỉnh
lu lợng tua bin.
Vòi phun hình côn tiết diện tròn với van kim đồng trục dịch chuyển theo
hớng trục vòi phun (hình 14) là thực hiện tốt nhất các nhiệm vụ trên. Khi ở vị trí
tận cùng bên phải van kim đóng tiết diện cửa ra. Dịch chuyển van kim sang trái, tiết
diện cửa ra tăng lên, lu lợng sẽ tăng. Biên dạng của vòi phun sao cho lu lợng
thay đổi đều phụ thuộc vào hành trình của van kim và ở trên từng vị trí của van kim
vận tốc dòng chảy tăng dần dọc theo đờng dòng và lớn nhất tại cửa ra.

Hình 14. Vòi phun tiết dện tròn điều chỉnh độ mở bằng van kim
Về mặt kết cấu nên làm sao cho hành trình cực đại của van kim nhỏ tới mức
tối thiểu. Thực tế vòi phun đợc chế tạo tơng ứng với các thông số cơ bản (đờng
kính cửa vào và cửa ra), với kết cấu bộ phận điều khiển van kim và số liệu vận hành
của các vòi phun đã sử dụng.








Hình 15. Sơ đồ dòng chảy thế của đờng dẫn trong vòi phun
Về nguyên tắc khi xem xét một số phơng án biên dạng vòi phun. Để cho
từng phơng án, ta xây dựng hình chiếu đờng kinh tuyến của ống dẫn khi độ mở
Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở việt nam đề tài kc07 - 04
Viện Khoa học Thủy lợi
22
của bộ phận hớng dòng khác nhau (hình 15). Sau đó đa lên hình chiếu kinh tuyến
của ống dẫn các đờng dòng và các đờng đẳng thế xuất phát từ các giả thiết dòng
chảy thế đối xứng. Dòng chảy thế theo kinh tuyến đợc xác định bằng phơng pháp
đồ giải kết hợp giải tích gần đúng. Cơ sở lý thuyết và phơng pháp xây dựng đờng
đờng dòng đẳng thế nh sau:

a. Cơ sở lý thuyết:
Dòng chảy trong bộ phận hớng dòng nói chung là phức tạp, tuy nhiên với
giả thiết nó là dòng chảy thế, ta vẫn có thể giải bài toán thuận với độ chính xác chấp
nhận đợc. Dòng đẳng thế đặc trng bởi tính chất: không có các xoáy xung quanh
trục các phần tử chất lỏng. Với biểu thức toác học
u
= 0, dọc theo dòng chảy và
theo đờng vuông góc với đờng dòng cả vận tốc và áp lực đều thay đổi.
Ký hiệu S
1
, S
2


, S
i
là các đờng dòng và n
1
, n
2


, n
j
là các đờng vuông
góc với các đờng dòng. Lu lợng qua vòi phun xác định theo công thức:

=
R
r

m
nrCQ

2
(3.43)
Trong đó: r bán kính trong phần dẫn dòng của vòi phun
R bán kính biên dạng ngoài phần dẫn dòng của vòi phun.
Lu lợng nguyên tố Q qua một diện tích vành khăn giữa hai đờng dòng là:
Q = 2r
1
C
m1
n
1
= 2r
2
C
m2
n
2
=...= const
Nếu gọi là độ chênh thế giữa 2 đờng vuông góc đứng cạnh nhau, cách
nhau khoảng S, thì theo toán học đã chứng minh vận tốc C
m
tính theo dòng đẳng
thế bằng công thức:
SdS
d
C
m

=
(3.44)
thay vào công thức (3.43) ta có:
n
S
r
n
S
rQ
R
r
R
r


=


=


22

gọi:

=
R
r
n
S
r
F

2
(3.45)
ta có: Q = 2F. (3.46)