nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thử nghiệm tua bin thủy điện cột nước thấp

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



báo cáo tổng kết chuyên đề

nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thử nghiệm tua bin
thủy điện cột nớc thấp

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 chuyên đề: ThS nguyễn vũ việt







5817-2
16/5/2006

hà nội 5/2006



Mục lục
Trang
Mở đầu 1
Chơng I. Tổng quan về thuỷ điện nhỏ cột nớc thấp. 2
1.1 Phạm vi làm việc của tuabin hớng trục: 2
1.2. Nghiên cứu và sản xuất tua bin hớng trục thủy điện nhỏ của các
nớc.
3
1.2.1. Tuabin hớng trục thủy điện nhỏ của Trung Quốc: 3
1.2.2. Tuabin hớng trục thủy điện nhỏ của Tiệp khắc (cũ). 3
1.2.3. Tuabin hớng trục của Liên Xô (cũ). 4
1.2.4. TBHT của hãng Kushiro (Nhật) [34]. 5
1.2.5. TBHT của hãng Toshiba (Nhật) [34]. 6
1.2.6. Gam TBHT của hãng Turboatom (Nga). 8
1.2.7. Gam tuabin hớng trục của hãng Sulzer (Thụy Sĩ ) 9
1.2.8. Một số loại kết cấu đặc biệt khác: 11
1.3. Nghiên cứu và sản suất tuabin hớng trục ở Việt Nam: 14
1.4 Tổng kết về các nghiên cứu TBHT. 16
1.5 Ưu điểm của tổ máy tua bin hớng trục kiểu dòng chảy thẳng trục
ngang.
17
1.6 Nhiệm vụ nghiên cứu khoa học của đề tài nhánh. 17
Chơng II. NC lý thuyết thiết kế tbht cột nớc thấp. 19
2.1. Chọn phơng pháp thiết kế tua bin mô hình. 19
2.1.1. Tổng quan về phơng pháp thiết kế tua bin hớng trục. 19
2.1.2. Thiết kế tua bin hớng trục theo phơng pháp phân bố xoáy. 23

2.2. Cơ sở lý thuyết của phơng pháp phân bố xoáy. 25
2.3. Xác định tọa độ đờng nhân profile và xây dựng profile có độ
dày:
31
2.4. Xác định phân bố vận tốc và áp suất trên profile cánh: 32
2.5. Đánh giá tổn thất và hiệu suất của tua bin: 37
2.6. Tính toán bánh công tác trên máy vi tính:
42
2.6.1 Chơng trình tính toán thiết kế profile cánh:
42
2.6.2. Tính toán profile cánh theo phơng pháp phân bố xoáy.
43
2.6.3. Xâu cánh (xếp các profile) theo phơng chiếu đứng và phơng
chiếu bằng.
46
2.6.4. Chơng trình tính toán phân bố vận tốc và áp suất trên profile
cánh.
46
2.6.5 Chơng trình tính toán tổn thất và hiệu suất của bánh công tác: 49

2.7. Kết luận 49
Chơng III. Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm tua bin mô
hình.
52
3.1.Chọn kết cấu tổ máy. 52
3.1.1. Tua bin dạng capxun: 52
3.1.2 Tua bin dòng nửa thẳng: 52
3.1.3. Phần dẫn dòng của tua bin thí nghiệm: 53
3.2. Thiết kế BXCT tuabin mô hình. 53
3.2.1. Xác định các thông số của lới cánh và các thành phần vận tốc

của dòng chảy qua BCT tua bin (cho mẫu cánh 4K84)
53
3.2.2. Xác định các thông số của lới cánh và các thành phần vận tốc
của dòng chảy qua BCT(cho mẫu cánh

9a1).
57
3.2.3. Tính toán, thiết kế profile cánh: 58
3.2.4.Tính toán hiệu suất các mẫu cánh. 60
3.3. Thử nghiệm tua bin mô hình.
62
3.3.1. Đờng đặc tính tổng hợp chính của tua bin và các thông số cần
phải đo đạc.
62
3.3.2.Giá thử nghiệm tua bin.
63
3.3.2.1 Mô tả chung hệ thống.
63
3.3.2.2. Các thông số chính của các bộ phận trong hệ thống.
65
3.3.3. Xác định các thông số của tua bin mô hình cột nớc thấp và hệ
thống thí nghiệm.
68
3.3.3.1 Chọn đờng kính bánh công tác tua bin mẫu.
68
3.3.3.2 Chọn các thông số chính của hệ thống thí nghiệm.
68
3.3.4. Phơng pháp thực nghiệm Tua bin.
69
3.3.4.1. Các số liệu thực nghiệm.

69
3.3.4.2. Quá trình đo.
70
3.3.4.3. Xử lý dữ liệu thí nghiệm. 70
3.3.4.4 Xử lý bộ dữ liệu. 71

Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột nớc thấp Đề tài KC07 - 04
Viện khoa học Thuỷ Lợi
1
Phần mở đầu

Việc sử dụng các nguồn năng lợng mới và tái tạo đã và đang đợc nghiên cứu
và triển khai ở Việt nam. Năng lợng thuỷ điện có những u điểm nổi bật nh hiệu
suất cao, giá thành thấp và đảm bảo vệ sinh môi trờng.
Tua bin thuỷ điện là bộ phận quan trọng của trạm thuỷ điện, kiểu loại tua bin
phụ thuộc vào điều kiện thuỷ năng nh cột nớc, lu lợng. Các vị trí có điều kiện
thuỷ năng thuận lợi với cột nớc địa hình cao cho các trạm thuỷ điện nhỏ đã đợc
khai thác nhiều. Còn lại phổ biến là các điểm có cột nớc thấp, lu lợng lớn. Mặt
khác xây dựng các trạm thuỷ điện cực nhỏ cột nớc thấp là rất cần thiết phục vụ cho
nhu cầu sinh hoạt và sản xuất của đồng bào vùng núi cao, xa lới điện quốc gia.
Từ những năm 1980 trở lại đây đã có nhiều cơ sở sản xuất và nghiên cứu tham
gia vào việc thiết kế chế tạo thiết bị thuỷ điện nhỏ. Song kết cấu và các mẫu cánh
tua bin cột nớc thấp mới chỉ đợc nghiên cứu rất sơ bộ, chủ yếu là việc sao chép từ
các bản vẽ nớc ngoài, nên việc ứng dụng tua bin cột nớc thấp còn rất hạn chế.
Xuất phát từ nhu cầu thực tế đó phần đề tài nhánh của đề tài KC07 - 04 đề cập
đến các nội dung sau:
- Nghiên cứu tổng quan về ứng dụng tua bin cột nớc thấp. Phần này đề cập
một cách khái quát đến nhu cầu khai thác năng lợng cột nớc thấp ở nớc ta,
tóm tắt quá trình nghiên cứu và ứng dụng các tổ máy cột nớc thấp của các
nớc trên thế giới và ở Việt Nam.

- Tính toán thiết kế tua bin hớng trục. Trong phần này chúng tôi trình bày cơ
sở lý thuyết của phơng pháp thiết kế tua bin hớng trục, đánh giá tổn thất và
hiệu suất của tua bin. Cũng nh tổng kết việc áp dụng công cụ máy tính và
khai thác các chơng trình tính toán đã đợc thiết lập.
- Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm tổ máy thuỷ điện nhỏ cột n
ớc thấp. Với
mục đích thiết lập một qui trình thiết kế chế tạo tổ máy thuỷ điện cột nớc thấp
và đáp ứng nhu cầu cụ thể về tổ máy thuỷ điện cực nhỏ, sau khi phân tích và
lựa chọn kết cấu chúng tôi thiết kế cánh bánh xe công tác có ứng dụng phơng
pháp tính toán với trợ giúp của máy tính. Các kết quả của việc chế tạo và thử
nghiệm tổ máy cho phép kiểm tra đánh giá quá trình tính toán thiết kế tổ máy
và kiểm tra khả năng ứng dụng thực tế của tổ máy thuỷ điện nhỏ.
Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột nớc thấp Đề tài KC07 - 04
Viện khoa học Thuỷ Lợi
2
Chơng I. Tổng quan về thuỷ điện nhỏ cột nớc thấp.
1.1. Phạm vi làm việc của tua bin hớng trục:
Để xác định phạm vi làm việc của tuabin hớng trục, trớc hết cần phải phân
loại tua bin. Có hai phơng pháp chính để phân loại tuabin hiện nay là:
- Phân loại theo cột nớc.
- Phân loại theo hệ số tỉ tốc N
s
.

Phân loại tuabin theo cột nớc chỉ đợc áp dụng cho các tổ máy lớn. ở các
trạm thủy điện nhỏ việc phân loại tuabin theo N
s
là hợp lí vì với cùng một cột nớc
sẽ có sự trùng lặp các vùng làm việc của các tuabin khác nhau và cách phân loại này
thể hiện đặc tính xâm thực, khả năng thoát, khả năng quay nhanh của tuabin.

Hệ số tỉ tốc của tua bin hớng trục.
Để lựa chọn tua bin thủy lực cần dựa vào các thông số công suất (N), cột nớc
(H), số vòng quay (n). Ngời ta dùng N
s
làm đại lợng đặc trng tổng hợp cho 3
thông số kể trên.
Hệ số tỷ tốc N
s
đợc định nghĩa là số vòng quay của một tuabin mẫu có đờng
kính bánh xe công tác D
1
= 1m, làm việc với cột nớc là H=1m và phát ra công suất
một mã lực.
4
1
. HHD
Nn
N
S
=
(1.1)
Tính theo các thông số quy dẫn:
1
'
1
'
.65,3 QnNs

=
(1.2)

Bảng 1. Phân loại tuabin theo tỷ tốc N
S
STT Loại tuabin Tỷ tốc thấp Tỷ tốc trung bình Tỷ tốc cao
1 Tuabin hớng trục 270 - 500 500 - 750 750 - 1000
2 Tuabin tâm trục 60 - 150 150 - 220 220 - 350
3 Tuabin XK2 lần 42 - 80 80 - 120 120 - 170
4 Tuabin gáo 19 35 60
5 Tuabin tia nghiêng 20 40 70
Nh vậy tuabin hớng trục có tỷ tốc N
S
nằm trong khoảng từ 270 - 1000v/ph,
tuabin hớng trục cột nớc thấp có tỷ tốc N
S
= 750 - 1000v/ph.
Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột nớc thấp Đề tài KC07 - 04
Viện khoa học Thuỷ Lợi
3
1.2. Nghiên cứu và sản xuất tua bin hớng trục thủy điện nhỏ của các nớc.
1.2.1. Tua bin hớng trục thủy điện nhỏ của Trung Quốc:
Gam tua bin thuỷ điện nhỏ của Tung Quốc bao gồm 5 loại tuabin: ZZ760,
ZZ600, ZZ560, ZZ500, ZZ450 có tỷ tốc tơng ứng: 760, 600, 560, 500, 450. Các
chỉ tiêu kỹ thuật đợc trình bày trên bảng sau:
Bảng .2. Các thông số cơ bản trong gam tua bin hớng trục của Trung Quốc
Chế độ tối u
Phạm
vi cột
nớc


(m)

Kiểu
BCT



Đờng
kính
BCT
mô
hình

Chiều
cao
cánh
hớng
nớc
bo/D1
Tỷ số
bầu



do/D1
Số lá
cánh



Z
1

Vòng
quay
quy
dẫn
(v/ph)
Lu
lợng
quy
dẫn
(m
3
/s)
Hiệu suất



(%)
ZD760 250 0,45 0,35 4
3 - 8
ZZ600 195 4 142 1,03 85,5
6 - 15 ZZ560 460 0,40 0,33/0,38 4 140 1,06 89,0
15-22 ZZ560 460 0,40 0,35/0,40 4 140 1,08 88,3
18-30 ZZ500 460 0,40 0,40/0,44 5 128 0,98 89,5
25-40 ZZ450 350 0,375 0,45/0,50 6 120 0,92 90,5
Kết cấu của các loại tua bin ở bảng trên có kết cấu cổ điển là buồng xoắn bê
tông hoặc buồng xoắn kim loại, trục đứng, ống hút thẳng hoặc cong.
Tua bin hớng trục đợc bổ xung thêm một số mẫu cánh cột nớc thấp. Các
thông số cơ bản của tua bin hớng trục kiểu ống đợc nghiên cứu ở Trung Quốc nh
bảng 3.

Bảng 3
H(m) b/D
1
d
b
/D
1
Z
1
n
1
'
(v/ph) Q
1
'
(l/s)
< 7 0,4 0,35 3 172 - 175 1600 - 2800
< 12 0,35 0,40 4 150 - 155 1300 - 2400
< 18 0,32 0,43

5 135 - 142 1250 - 2000
1.2.2. Tua bin hớng trục thủy điện nhỏ của Tiệp khắc (cũ).
Tua bin hớng trục thủy điện nhỏ của Tiệp Khắc chỉ gồm 4 mẫu cánh trong đó
Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột nớc thấp Đề tài KC07 - 04
Viện khoa học Thuỷ Lợi
4
có hai mẫu cánh dùng cho các loại tuabin có kết cấu trục đứng và trục ngang cổ điển
là 4K84 và 4K69, có hai mẫu cánh dùng cho tuabin hớng trục có phần dẫn dòng
hình chữ S là 4PK - 10 và 4PK - 26.
1.2.3. Tua bin hớng trục của Liên Xô (cũ).

Tua bin hớng trục của Liên Xô năm 1962 cho TĐN, có 3 loại BCT, sử dụng
trong phạm vi cột nớc H < 30m. Có số hiệu 70, 510, 587. Sau đó bánh
công tác 510 đợc thay thế bởi bánh công tác 20/661, các chỉ tiêu kỹ thuật
nh ở bảng 4.
Bảng 4
Loại bánh công tác
Các chỉ tiêu kỹ thuật
70 510 587
Hệ số tỷ tốc N
S
810 670 600
Q
I

Max (l/s) 2150 1850 1700
b
O
/D
1
0,415 0,4 0,4
d
b
/D
1
0,35 0,4 0,45
Phạm vi cột nớc (m) 2 - 7 4 - 16 16 - 30
Phạm vi công suất
(KW)
10 - 3000 10 - 5000 5000
Vào những năm thập kỷ 70 - thế kỷ XX Liên Xô (cũ) đã xây dựng gam tua bin

hớng trục trục ngang chủ yếu dùng kết cấu capxun bao gồm các mẫu cánh
- gaI, - 11a, - 16, - 16 - 1 có các thông số của chế độ tối u
nh ở bảng 5:
Bảng 5.
BXCT N
1
(v/ph) Q
1
(l/s)
(%)
kp
- gaI
173 1680 88,5 1,3
- 11a
175 1550 86,5 1,5
- 16
158 1760 87,5 1,17
- 16 - 1
157 1730 87,5 1,23
Để trình bày rõ hơn những thay đổi trong kết cấu gam TBHT, trong phần này
giới thiệu một số hãng tiêu biểu về TĐN sau:
Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột nớc thấp Đề tài KC07 - 04
Viện khoa học Thuỷ Lợi
5
1.2.4. TBHT của hng Kushiro (Nhật) [34].

Hình 1. Tua bin hớng trục hoàn thiện của hãng Kushiro.
Hãng Kushiro đa ra một mẫu kết cấu chung cho tua bin ống dùng cho các
trạm thuỷ điện mini và micro. Sản phẩm của hãng dùng công nghệ cao: dùng bộ
bánh răng hành tinh để dùng máy phát có vòng quay cao. Toàn bộ tua bin, hộp bánh
răng hành tinh và máy phát đợc đặt trong nớc và đợc thể hiện ở hình 2.














Hình 2. Cấu tạo cơ bản của tua bin Kushiro.

Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột nớc thấp Đề tài KC07 - 04
Viện khoa học Thuỷ Lợi
6

Hình 3. Biểu đồ lựa chọn sản phẩm tua bin của hãng Kushiro.
Phạm vi làm việc:
Cột nớc H
1 ữ 35 m
Lu lợng Q
0,3 ữ 15 m
3
/s
Công suất P
10 ữ 1000 kW
TB này cũng sử dụng 2 loại BCT có phạm vi nh trên, toàn bộ tổ máy đặt trong
ống kín, nối trực tiếp vào ống áp lực và ống xả.
1.2.5. TBHT của hng Toshiba (Nhật) [34].

Hình 4. Tua bin hớng trục hoàn thiện của hãng Toshiba.

Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột nớc thấp Đề tài KC07 - 04
Viện khoa học Thuỷ Lợi
7

Hình 5. Cấu tạo cơ bản của tua bin Toshiba.
Hãng Toshiba đa ra mẫu tua bin cáp xun có phần tua bin nằm trong nớc
nhng máy phát lại nằm ngoài và dùng đai truyền động. Loại máy này có thể lắp rất
linh hoạt, trên bất kỳ một đờng ồng dẫn nớc nào có thế năng. Biểu đồ lựa chọn
sản phẩm tua bin của hãng thể hiện trên hình 6















Hình 6. Biểu đồ lựa chọn sản phẩm tua bin của hãng Toshiba.

Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột nớc thấp Đề tài KC07 - 04
Viện khoa học Thuỷ Lợi
8
Phạm vi làm việc:
Cột nớc H
1 ữ 50 m
Lu lợng Q
0,1 ữ 4 m
3
/s
Công suất P
5 ữ 200 kW
Tuabin này cũng sử dụng 3 mẫu với cùng phạm vi cột nớc nhng có phạm vi
lu lợng và công suất khác nhau.
1.2.6. Gam TBHT của hng Turboatom (Nga).









Hình 7. Cấu tạo cơ bản của tua bin Turboatom.
Hãng Turboatom đa ra mẫu tổ máy hình chữ S có thể di chuyển cơ động
đợc. Kết cấu tổ máy rất gọn nhẹ, dùng máy phát không đồng bộ 3 pha và điều tốc
tải giả. Đặc tính của tổ máy đợc thể hiện ở hình 8.

Hình 8. Đặc tính của tuabin Turboatom.


=

Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột nớc thấp Đề tài KC07 - 04
Viện khoa học Thuỷ Lợi
9
Phạm vi làm việc:
Cột nớc H
2 ữ 5m
Lu lợng Q
0,1 ữ 4m
3
/s
Công suất P
1,5 ữ 5,5 kW
1.2.7. Gam tuabin hớng trục của hng Sulzer (Thụy Sĩ )
1. TBHT trục đứng, buồng kín benton:
So với các loại TBHT buồng xoắn benton kiểu cũ, loại TB này có kích thớc
gọn nhẹ và buồng TB đơn giản hơn, cho phép giảm giá thành của thiết bị, xây dựng,
lắp đặt và bảo dỡng. Buồng xoắn đợc thay thế bằng loại buồng có áp, chiều cao

không đổi, tuabin nối với máy phát qua bộ truyền động.



















Hình 9. TBHT buồng benton của hãng Sulzer

Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột nớc thấp Đề tài KC07 - 04
Viện khoa học Thuỷ Lợi
10

Hình 10. Phạm vi làm việc TBHT hãng Sulzer
2. Tua bin ống trục đứng và xiên:
Phạm vi làm việc:
Cột nớc H
2 ữ 3 m
Lu lợng Q
2 ữ 100 m
3
/s
Công suất P
0,1 ữ 10 MW
Với phơng thức truyền động trực tiếp hoặc thông qua bộ truyền động bánh
răng.
3. Tua bin dòng thẳng sử dụng bộ truyền đai hoặc bánh răng vuông góc.
Phạm vi làm việc:
Cột nớc H
2 ữ 12m
Lu lợng Q

2,5 ữ 45m
3
/s
Công suất P
0,1 ữ 2,6MW

Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột nớc thấp Đề tài KC07 - 04
Viện khoa học Thuỷ Lợi
11

















Hình 11. Bố trí công trình TBHT do hãng Sulzer chế tạo.
Bộ truyền đai đợc sử dụng trong phạm vi công suất P < 600KW.
1.2.8. Một số loại kết cấu đặc biệt khác:
1. Tua bin ống của hãng Neyrpic(Pháp)

Để hạ thấp cao trình lắp máy, nâng cao hiệu suất tổ máy và giảm kích thớc
Neyrpic đã đa ra kết cấu TB ống nh hình 11.








Hình 12. Hình dáng hoàn thiện của TB Neyrpic.
Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột nớc thấp Đề tài KC07 - 04
Viện khoa học Thuỷ Lợi
12

Hình 13. Phạm vi làm việc của TB Neyrpic
Phạm vi làm việc:
Cột nớc H
5 ữ 20m
Lu lợng Q
3 ữ 33m
3
/s
Công suất P
0,2 ữ 3MW
Đặc biệt là TB của Neyrpic đa ra 5 kích thớc bầu BCT tiêu chuẩn, mỗi bầu
tơng ứng với 2 BCT khác nhau nh ở bảng 6.
Bảng 6. Kích thớc bầu và đờng kính BCT trong TB ống của Neyrpic
D
1
(mm) 750,850 950,1060 1180,1320 1500,1700 1900,2120
D.db(mm) 320 405 500 640 810
Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột nớc thấp Đề tài KC07 - 04
Viện khoa học Thuỷ Lợi
13
2. Tua bin hớng trục kiểu cáp xun buồng hở và buồng xi phông.
Để sử dụng cho các TTD cột nớc thấp, hãng ESAC (pháp) đa ra ba kiểu kết
cấu: TBHT kiểu bóng đèn, buồng hở.
Phạm vi làm việc:
Cột nớc H

1,5 ữ 8m
Lu lợng Q
3 ữ 9m
3
/s
Công suất P
37 ữ 1272MW









Hình 14. Bố trí tổng thể của tuabin kiểu bóng đèn buồng hở.
TBHT kiểu bóng đèn buồng kín, phạm vi làm việc với cột nớc lớn hơn.
Phạm vi làm việc:
Cột nớc H
8 ữ 15m
Lu lợng Q
4,5 ữ 13,5m
3
/s
Công suất P
0,4 ữ 1,6MW
Cấu trúc giống nh TB bóng đèn của hãng Fuji Electric
TBHT buồng kín kiểu Xiphông.
Để sử dụng cho các công trình đập có sàn, nhiều hãng đã đa ra cấu trúc

TBHT buồng Xiphông, TB này có thể lắp đặt mà không cần phá vỡ cấu trúc của
công trình thủy công có sẵn, cấu tạo của phần trạm rất đơn giản.
Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột nớc thấp Đề tài KC07 - 04
Viện khoa học Thuỷ Lợi
14

Hình 15. TBHT buồng xiphông
1.3. Nghiên cứu và sản suất tuabin hớng trục ở Việt Nam:
TBHT đợc chế tạo từ những năm 60. Lúc đầu chỉ là những tua bin hết sức
đơn giản, nh tua bin gỗ, tua bin với cánh bằng thép tấm có bề dầy không đổi, hàn
với bầu cánh.
Vào đầu những năm 80, do nhu cầu phát triển TĐN, phục vụ cho phát triển
kinh tế - xã hội khu vực miền núi, đã thúc đẩy nhanh chóng phát triển TĐN.
Bộ đồ án thiết kế thủy điện Kẻ Gỗ có công suất 1000KW là bản thiết kế hoàn
chỉnh đầu tiên do Viện Thiết Kế Thủy Lợi - Thủy Điện thực hiện. Sau đó hàng loạt
cơ quan đã thiết kế, chế tạo hàng trăm tổ máy có công suất 5-1000 KW. TTĐ Phú
Ninh là công trình cỡ lớn đầu tiên đợc lắp đặt tuabin và điều tốc sản suất trong
nớc. Trờng đại học Bách Khoa Hà Nội cũng nghiên cứu và đa ra BCT mới nh
mẫu BCT của TBHT có N
s
600 vào năm 1982,
Các TBHT sản suất trong nớc, sơ bộ đợc thống kê nh sau:
Bảng 7. Một số TBHT sản suất trong nớc.
TT Tên thiết bị Cơ quan sản suất
D
1

(cm)
N
(kW)

Cột áp
(m)
1 4K - 69 Nhà máy công cụ I 132 1000 8 - 13,6
2
30/587
1000 14 - 18
3 CCQ - DK - 25 25 16 - 20 8 - 18
4 BT - 40 Nhiều cơ quan 40 10 - 30 2 - 4
5 CC70 - 120 Viện nghiên cứu máy 120 150 4
6 4K84 - DH - 75 Viện KH thủy lợi 75 70 4,5
Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột nớc thấp Đề tài KC07 - 04
Viện khoa học Thuỷ Lợi
15
7 CCQ661 - K - N - 80 80 135 9,5
8 COQ587 - ON - 60 60 80 9 - 12
9
4K84 - H - 30,40,60 Nhiều cơ quan 30 -
60
10 - 40 2 - 4
10
Tuốc bin ống
D
1
= 20 - 40
ĐH Bách Khoa và
nhiều cơ quan
20 -
40
2 - 10 1 - 40
11

TBHT buồng hở
trục ngang
Đại học Bách Khoa 95 200 6 - 8
Các thiết bị TBHT sản suất trong các kiểu kết cấu nh sau:
TBHT, buồng hở, trục đứng, đờng kính BCT D
1
= 12; 15; 20; 25; 30; 40;
60; 80cm, với công suất từ 200W-90 kW, Viện Nghiên cứu máy chế tạo tổ
máy có D
1
= 120cm, công suất 150KW với cột nớc H = 4,5m.
TBHT, buồng hở, trục ngang: một số trạm thủy điện đã sử dụng kết cấu
này, trạm có công suất lớn nhất tại Quảng Ninh do Trờng Đại Học Bách Khoa
nghiên cứu, chế tạo với D
1
= 95cm, cột nớc H = 6 - 8m và công suất
P
max
= 200 kW.
Tổ máy TBHT buồng xoắn + kim loại trục đứng do nhiều cơ quan chế tạo:
Tổ máy có khối lợng lớn theo mẫu GANZ của Hungari, có công suất P = 12 -
20KW, cột nớc H = 10 - 20m. Tổ máy lớn nhất tại TTĐ Phú Ninh với D
1
=
132cm, công suất tới 1000kW.
Tổ máy TB ống do nhiều cơ quan chế tạo nh:Đại Học Bách Khoa, Viện
Khoa học Thủy Lợi, Viện Nghiên cứu máy, Công ty TB điện Đông Anh. Quy
mô lớn nhất đạt tới 100 kW với D
1
= 80cm.

Các tổ máy sử dụng BCT đợc nhập từ rất nhiều nguồn bao gồm: p70,
20/661, 30/587, 10 từ Liên Xô. 4K - 84, 4K - 69 từ Tiệp khắc, mẫu
CCQ - 25 sao từ tổ máy của Hungari.
Về tỷ tốc, các BCT này có thể phân làm ba nhóm:
- Nhóm tỷ tốc cao: 4K - 84, p70, 10.
- Nhóm tỷ tốc trung bình: 20/661, 4K - 69.
- Nhóm tỷ tốc thấp: 30/587.
Các cấp BCT rất đa dạng: D
1
= 12, 13, 15, 18, 20, 25, 30, 60, 75, 80, 95,
Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột nớc thấp Đề tài KC07 - 04
Viện khoa học Thuỷ Lợi
16
100, 120, 132cm.
1.4. Tổng kết về các nghiên cứu TBHT.
Trong TĐN, TBHT giới hạn trong phạm vi cột nớc H< 20m. Trong phạm
vi này, tùy theo đặc điểm của tổ máy để xác định tỷ số N
s
của BCT khác nhau: Với
các loại TB có kết cấu truyền thống nh TB buồng hở buồng xoắn trục đứng.. có thể
dùng BCT với 2 cấp:
- Vùng cột nớc H 8m : N
s
= 750 - 800
- Vùng cột nớc H = 8 - 20m : N
s
= 550 - 600
Một số kết cấu mới cho phép hạ thấp cao trình đặt máy nh: TB kiểu capxun,
TB ống của hãng Neyrpic (hình 10)có thể sử dụng BCT có N
s

= 800 - 900.
Nh vậy, trong điều kiện cụ thể của nớc ta hiện nay, có thể lựa chọn hai loại
BCT để hoàn thiện, trở thành 2 loại BCT của gam TBHT là BCT kiểu 4K - 84 và
20/661. Để mở rộng cho phạm vi làm việc của tuabin, có thể xem xét hai vùng
phụ: - Vùng có tỷ tốc thấp: BCT 30/587
- Vùng có tỷ tốc cao: Vùng này cha có BCT nào
Tổng kết rất nhiều xu hớng nghiên cứu và sản suất cho thấy trong TBHT
có một số dạng kết cấu nh ở bảng sau:
Bảng 8.
TT Loại kết cấu
Phạm vi
cột nớc
(m)
Phạm vi
công suất
(KW)
Đặc điểm
1
Kết cấu buồng hở trục
đứng
2 - 6 300
Công trình trạm lớn, trục dài dễ
chế tạo
2
Kết cấu buồng hở trục
ngang

Hiện nay ít sử dụng
3
Buồng xoắn benton,

trục đứng
6 - 20 5000
Đang đợc sử dụng, một số
nớc đã cải tiến
4 Buồng kiểu chữ S 3 - 18 5000 Rất hay đợc sử dụng
5
Tuabin ống trục đứng
5 - 18 2000

6
TB dòng thẳng sử dụng
bộ truyền
Các nớc công nghiệp tiên tiến
7 TB kiểu bóng đèn Các nớc công nghiệp tiên tiến
Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột nớc thấp Đề tài KC07 - 04
Viện khoa học Thuỷ Lợi
17
Kết cấu phần dẫn dòng của tuabin thủy điện nhỏ rất phong phú, khác với các
loại tua bin hớng trục trục đứng kiểu cũ có khả năng thoát không cao và có kết cấu
xây dựng rất nặng nề, tốn kém, một số tuabin hớng trục có kết cấu mới hiện nay,
cho phép tăng khả năng thoát và giảm đáng kể giá thành xây dựng.
Do vậy trong đề tài chúng tôi tập trung nghiên cứu các loại tua bin trục ngang
kiểu mới: Nghiên cứu tua-bin phần dẫn dòng TBHT kiểu ống và tua bin cáp xun.
1.5. Ưu điểm của tổ máy tua bin hớng trục kiểu dòng chảy thẳng trục ngang.
Tua bin thuỷ lực hớng trục kiểu dòng chảy thẳng trục ngang do nó có nhiều
u điểm:
- Có khả năng qua nớc lớn, có tỷ tốc cao, vùng hiệu suất cao rộng.
- So với tổ máy hớng trục trục đứng truyền thống có cùng đờng kính bánh
công tác, cùng cột nớc thì công suất có thể cao hơn tới 20 25%.
- Khi có cùng công suất, cùng cột nớc thì đờng kính bánh công tác của loại

tua bin trục ngang dòng thẳng có thể giảm nhỏ đến 7 8%.
- Tua bin hớng trục dòng thẳng không cần dùng đến buồng xoắn vì thế
khoảng cách giữa các tổ máy nhỏ, giảm đợc diện tích nhà trạm, khác với kiểu
tổ máy trục đứng, chiều cao của cầu trục không cần phải cao bằng tổng chiều
cao của tổ máy phát điện, mà chỉ cần bằng đờng kính tua bin. Nh vậy, so với
tổ máy kiểu trục đứng chiều cao nhà xởng giảm đi rất nhiều.
- Do tua bin kiểu dáng thẳng có trục máy nằm ngang, hình dạng khối tổ máy
đơn giản, giảm đợc nhiều khối lợng đào đất đá khi xây dựng công trình xét
về hiệu ích kinh tế việc đầu t cho trạm thuỷ địên kiểu này so với tổ máy trục
đứng giảm khoảng 20%.
1.6. Nhiệm vụ nghiên cứu khoa học của đề tài nhánh.
Dựa vào tổng quan đã nêu trên ta thấy có rất nhiều vấn đề cần nghiên cứu để
ứng dụng có hiệu quả tua bin hớng trục cột nớc thấp với kết cấu trục ngang với
công suất từ 5 đến 200kW. Các công việc chính cần phải làm trong thiết kế, thử
nghiệm tua bin thuỷ lực là:
- Nghiên cứu các phơng pháp thiết kế, chọn các thông số phù hợp để nâng cao
hiệu suất thuỷ lực của cánh công tác.
- Nghiên cứu thiết kế phần dẫn dòng của tua bin.
Trong khuôn khổ của đề tài chúng tôi nghiên cứu chọn mẫu phần dẫn dòng tua
Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột nớc thấp Đề tài KC07 - 04
Viện khoa học Thuỷ Lợi
18
bin trục ngang và tập trung nghiên cứu ảnh hởng của các thông số kết cấu BCT tới
đặc tính làm việc của tua bin hớng trục.
Phơng pháp luận của đề tài là:
Bằng lý thuyết xây dựng mẫu cánh có dựa trên một số thông số tham khảo của
BCT của nớc ngoài, Nghiên cứu ảnh hởng của các thông số kết cấu BCT đến tổn
thất thuỷ lực. Dùng thực nghiệm để kiểm chứng các kết quả tính toán lý thuyết, từ
đó vẽ đợc đờng đặc tính tổng hợp của BCT và xác định đợc ảnh hởng của các
thông số kết cấu của BCT đến đặc tính làm việc cuẩ tua bin, cuối cùng đa ra nhận

xét vầ kết luận của đề tài nhánh.
Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột nớc thấp Đề tài KC07 - 04
Viện khoa học Thuỷ Lợi
19
Chơng II
. Nghiên cứu lý thuyết thiết kế tbht
cột nớc thấp.
2.1. Chọn phơng pháp thiết kế tua bin mô hình.
2.1.1. Tổng quan về phơng pháp thiết kế tua bin hớng trục.
Ngày nay khi hiệu suất chung của những tổ máy thuỷ điện cỡ lớn vợt quá
90% trong đó hiệu suất của các tua bin thủy lực đạt tới 93 - 95% tại điểm tính toán
thì không thể không kể đến những đóng góp của những nghiên cứu tính toán và thí
nghiệm phần dẫn dòng tua bin thuỷ lực. Ngay từ những năm 60 ngời ta thấy rằng
có 4 phơng hớng để làm tốt hơn nữa các chỉ số thủy lực của tua bin là :
- Tính toán tới đặc trng không gian của dòng chảy và tổn thất không profile.
- Thiết kế bánh công tác trên dòng thực đợc tạo lập bởi cánh hớng dòng
nhng với sự tính tới ảnh hởng của bánh công tác lên dòng trớc nó.
- Tổ chức hợp lý dòng trớc bánh công tác để đảm bảo tổn thất nhỏ nhất trong
ống hút.
- Tính toán bánh công tác trong tổng thể của toàn phần dẫn dòng.
Nh vậy để nâng cao hiệu suất và chất lợng xâm thực của tua bin ngoài việc
tính tới đặc tính không gian của dòng ngời ta cần chú ý tới sự tơng tác giữa các
phần tử của phần dẫn dòng. Xu hớng 2,3 và đặc biệt là xu hớng 4 đặt việc thiết kế
tính toán bánh công tác trong tổng thể toàn phần dẫn dòng. Vì các phơng trình mô
tả dòng chảy trong tua bin có dạng eliptic nên sự làm việc của bất kỳ phần tử nào
đều chịu ảnh hởng của các phần tử khác trong phần dẫn dòng một cách trực tiếp
hay gián tiếp nên đây là xu hớng hiện đại nhất và cũng chỉ phát triển trong những
năm 90 khi những phơng pháp giải số nh phơng pháp phần tử hữu hạn hoặc
phơng pháp phần tử biên có những thành công nhất định. Các phơng pháp này đòi
hỏi phải giải lặp nhiều lần hệ phơng trình có ẩn số lên tới hàng chục ngàn (nếu

chia toàn phần dẫn dòng ra khoảng 3000 phần tử) do vậy cần có máy tính và các
phần mềm mạnh. Cùng với điều đó là các số liệu thí nghiệm trên mô hình để giúp
cho việc mô tả toán học sự tơng tác giữa các phần tử đợc chính xác. Hiện nay
việc thực hiện xu hớng này chỉ có đợc tại các trung tâm tính toán mạnh gắn liền
với phòng thí nghiệm máy thuỷ lực có lịch sử hoạt động đủ dài để có đợc một
chuỗi số liệu thí nghiệm đủ lớn. Do vậy dới đây chỉ đi sâu về đặc tính không gian
của dòng và các bài toán thiết kế có liên quan.
Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột nớc thấp Đề tài KC07 - 04
Viện khoa học Thuỷ Lợi
20
Đặc tính không gian của dòng chảy trong phần dẫn dòng.
Kết cấu dòng trong phần dẫn dòng tua bin rất phức tạp do các nguyên nhân
sau:
- Phần dẫn dòng có độ cong thay đổi dọc theo dòng rất đáng kể dẫn tới sự
không đều của vận tốc và áp suất ở các tiết diện khác nhau của dòng.
- Số lợng hữu hạn của cánh hớng dòng và cánh bánh công tác gây ra sự thay
đổi vận tốc và áp suất theo toạ độ và thời gian ở các tiết diện của dòng.
- Kết cấu của dòng phức tạp do ảnh hởng của độ nhớt, đặc biệt ở trong các
chế độ khác với chế độ tính toán. Sự phát triển của lớp biên và sự tách lớp biên
khỏi mặt chảy bao dẫn tới phức tạp hoá mặt dòng do đó làm thay đổi rất đáng
kể mặt dòng so với mặt dòng đối xứng trục.
Để nghiên cứu dòng không gian trong phần dẫn dòng ngời ta thờng sử dụng
hệ toạ độ cong địa phơng q
1
, q
2
, q
3
. Trục q
1

là giao tuyến giữa mặt kinh tuyến và
mặt dòng đối xứng trục và hớng theo dòng chảy. Trục q
3
là giao tuyến giữa mặt
phẳng vuông góc với đờng tâm trục tua bin và mặt dòng đối xứng trục. Trên mặt
phẳng kinh tuyến trục q
2
là những đờng vuông góc với đờng dòng của dòng kinh
tuyến.
Khái niệm về các bài toán trong lý thuyết máy turbo.
Các nghiên cứu tính toán lý thuyết các quá trình công tác của tua bin thuỷ lực
(tính toán sự trao đổi năng lợng giữa dòng và bánh công tác trong phần dẫn dòng
với việc tính tới các tổn thất thuỷ lực ) liên quan tới việc sử dụng phơng trình
chuyển động, năng lợng, động lợng trong dòng tuyệt đối cũng nh tơng đối. Các
nghiên cứu tính toán và thiết kế phần dẫn dòng tua bin dựa trên việc sử dụng các sơ
đồ thuỷ lực với các giả thiết làm đơn giản hoá hình ảnh thực tế của dòng chảy để có
thể mô tả bằng các phơng trình toán học.
Trong lý thuyết tua bin thuỷ lực thờng nghiên cứu các vấn đề sau:
- Nghiên cứu tính toán dòng chất lỏng lý tởng trong phần dẫn dòng đã cho và
thiết kế cánh khi đã biết dạng dòng (thờng gọi là bài toán thiết kế tính toán
dãy cánh trên mặt dòng đối xứng trục). Phụ thuộc vào điều kiện cụ thể mà
ngời ta chia ra thành bài toán thuận và nghịch.
+ Trong bài toán thuận giả thiết rằng đã biết dạng của vật bị chảy bao và cho
các điều kiện biên cần thiết, xác định phân bố vận tốc, áp suất trong vùng đợc
Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột nớc thấp Đề tài KC07 - 04
Viện khoa học Thuỷ Lợi
21
khảo sát.
+ Trong bài toán nghịch thì cho biết các số liệu nào đó về đặc tính của dòng đủ
để giải bài toán xác định đợc hình dáng vật chảy bao. Trong lý thuyết tính

toán máy turbo thì bài toán thuận đợc sử dụng để tính toán kiểm tra chảy bao
hệ cánh đã có với mục đích đánh giá các chỉ số của chúng còn bài toán nghịch
dùng để thiết kế cánh trong các điều kiện đã cho.
- Nghiên cứu dòng chảy thứ cấp : Là sự nghiên cứu dòng chảy có dạng mặt
dòng khác với chuyển động đối xứng trục đợc thừa nhận.
Để xác định gần đúng dạng dòng trong bánh công tác với các giả thiết đợc
thừa nhận ngời ta sử dụng bài toán thuận mặt dòng đối xứng trục. Sự làm chính xác
mặt dòng trong quá trình giải bài toán thuận cho phép tìm ra hớng để làm tốt hình
dạng hình học phần dẫn dòng và làm giảm tổn thất năng lợng phụ.
Bài toán nghịch thì cho biết trớc phân bố rcu
n
tại các mép vào và ra của cánh
tiến hành xác định dòng kinh tuyến.
- Nghiên cứu dòng chất lỏng thực và tổn thất thuỷ lực nhờ lý thuyết lớp biên.
Giai đoạn đầu tiên là thực hiện các tính toán đối với dòng chất lỏng lý tởng trong
phần dẫn dòng, cho phép tính gần đúng phân bố vận tốc và áp suất trên bề mặt cánh.
Giai đoạn thứ hai là tính toán lớp biên và tổn thất profil cánh cho khả năng trên cơ
sở phân tích các số liệu tính toán nhận đợc để chọn lựa phơng án tối phần dẫn
dòng.
Nhng để có sự lựa chọn cuối cùng cần phải có những thí nghiệm trên mô hình
vì các tính toán đều phải dựa trên các giả thiết gần đúng mô tả quá trình công tác
của tua bin. Các thí nghiệm còn cho các số liệu cho phép làm chính xác và hoàn
thiện hơn các phơng pháp tính toán phần dẫn dòng.
Sự nghiên tính toán lý thuyết dòng chảy chỉ có khi thừa nhận một số giả thiết,
từ đó có thể mô tả và phân tích dòng nhờ công cụ toán học. Thông thờng thừa nhận
giả thiết sau: dòng trong phần dẫn dòng là không nhớt, không nén đợc, dòng trung
bình là ổn định, chuyển động của các phần tử chất lỏng xảy ra dọc theo mặt dòng
tròn quay. Trong lý thuyết máy tuabin phụ thuộc và số toạ độ mà sự thay đổi của các
thông số của dòng đợc tính mà chia ra dòng một chiều, dòng hai chiều, dòng ba
chiều.

- Dòng một chiều chỉ tính tới sự thay đổi của các thông số dọc theo mặt dòng
Báo cáo nghiên cứu, tk, chế tạo thử nghiệm tbtđ cột nớc thấp Đề tài KC07 - 04
Viện khoa học Thuỷ Lợi
22
tức là dọc theo toạ độ q
1
.
- Dòng hai chiều tính tới sự thay đổi của các thông số theo hai toạ độ q
1
và q
2
.
Dòng đợc coi là đối xứng trục nghĩa là không tính tới sự thay đổi vận tốc và áp suất
dọc theo toạ độ q
3
. Sự xác định đờng dòng và pháp tuyến với đờng dòng, phân bố
vận tốc trên đờng dòng và pháp tuyến của nó là nhiệm vụ cơ bản khi xây dựng
dòng kinh tuyến. Phơng pháp này đợc sử dụng khá phổ biến trong thực tế vì nó
mô tả tình hình dòng chảy chính xác hơn dòng một chiều và cũng đủ đơn giản để
cho phép tính bằng tay.
- Dòng ba chiều: Trong dòng thực của máy turbo vận tốc và áp suất thay đổi
theo cả ba toạ độ. Vì rằng vận tốc và áp suất thay đổi theo khi giữa các cánh nên mặt
dòng thực tế không phải là mặt tròn quay. Do đó sự chảy bao xảy ra không phải trên
mặt đối xứng trục S
m
mà theo mặt dòng bậc S
1
. Ngoài ra ở phần giữa của kênh giữa
các cánh mặt dòng S
2

không trùng với mặt cánh S
c
. Sự tính toán dòng không gian có
khó khăn lớn về mặt toán học. Để đơn giản thờng sử dụng phơng pháp tựa ba
chiều. Khi đó việc giải bài toán ba chiều đợc chia ra thành hai bài toán hai chiều:
xác định mặt dòng đối xứng trục S
m
; tính dãy cánh profil của bánh công tác trên mặt
dòng đối xứng trục trong lớp chiều dày biến thiên và xác định dạng mặt dòng S
2

trong kênh giữa các cánh.
Đối với Tua bin hớng trục: Thờng thừa nhận mặt dòng đối xứng trục là các
mặt trụ có trục trùng với trục tua bin. Cánh trên mặt trụ đợc tính theo các phơng
pháp sau.
- Phơng pháp phân bố xoáy: Đợc sử dụng để tính cánh mỏng vô cùng có độ
cong nhỏ. Sự tác động của cánh lên dòng đợc thay thế bằng các xoáy phân bố theo
một quy luật nhất định trên đờng nhân profil. Bớc đầu tiên thì xoáy đợc đặt dọc
dây cung profil và trong quá trình tính toán tiếp theo xác định dạng của đờng nhân.
Sự xây dựng profil dầy thực hiện theo phơng pháp không tính toán nghĩa là đắp
profil theo một trong những profil đối xứng sau khi biết độ dày cánh lớn nhất từ tính
toán bền cánh
- Phơng pháp phân bố xoáy nguồn (phơng pháp Lêxônkin): Sử dụng để tính
dãy cánh profil có chiều dày. Sự tác động của cánh lên dòng đợc thay thế bằng một
hệ thống các xoáy, nguồn, hút phân bố theo một quy luật nhất định trên đờng nhân
profil. Đờng dòng kín của dòng hợp thành từ hệ thống các xoáy, nguồn hút nói trên