Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thử nghiệm tua bin xung kích 2 lần kiểu CINK

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
xung kích 2 lần kiểu Cink

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 tùng phong








5817-5
16/5/2006


hà nội 5/2006

Mục lục

Trang
Chơng I.
tổng quan và phạm vi ứng dụng Tua bin XK2L 1
1.1. Tua bin xung kích 2 lần (XK2L) và quá trình phát triển.
1
1.2. Phạm vi sử dụng của tua bin XK2L:
3
1.3. Những u điểm và nhợc điểm của tua bin XK2L trong thuỷ
điện nhỏ và cực nhỏ

8
1.3.1. Hiệu suất
8
1.3.2. Độ bền:
11
1.3.3. Giá thành chế tạo:
11
1.3.4. Hạn chế của tua bin XK2L
12
1.4. Kết luận
14
Chơng II
.
lý thuyết tua bin xung kích

15
2.1. Cột nớc, lu lợng, công suất và hiệu suất
15
2.2. Tác dụng tơng hỗ giữa dòng tia và tấm bản
18
Chơng III.
tổng quan nghiên cứu lý thuyết tua bin XK2L
và XK2L kiểu CINK
26
3.1. Lý thuyết đơn giản của tua bin XK2L
26
3.1.1. Mô tả tua bin XK2L
26
3.1.2. Chuyển động của dòng chảy qua BCT:
27
3.1.3. Lý thuyết cơ bản của tua bin XK2L
31
3.2. Mở rộng nghiên cứu lý thuyết cơ bản tua bin XK2L
36
3.2.1. Mở rộng lý thuyết tua bin XK2L
36
3.2.2. Góc đặt cánh
39
3.2.3. Bề rộng đĩa cánh và góc ở tâm đĩa cánh.
40
3.2.4. Đờng kính bánh xe và trục BCT
44
3.2.5. Mở rộng lý thuyết dòng chảy tuyệt đối qua tua bin XK2L.
45
Chơng IV

.
Nghiên cứu thực nghiệm tuabin XK2L kiểu CINK 49
4.1. Hớng nghiên cứu Tua bin XK2L kiểu CINK
49
4.1.1 Vòi phun và cơ cấu điều chỉnh lu lợng
50
4.1.2. So sánh kết cấu cánh hớng của tua bin XK2L kiểu
Ossberger và tua bin XK2L kiểu CINK
54
4.1.3 Bánh xe công tác
54
4.1.4. ống hút
58
4.2. Giới thiêu chơng trình tính toán tua bin XK2L
59
4.3. Thiết kế Tua bin XK2L mô hình kiểu CINK
62
4.3.1 Lựa chọn kết cấu
62
4.3.2 Lựa chọn kích thớc, thông số cơ sở tua bin mô hình
63
4.3.3 Tính toán các thông số cơ bản của tua bin mô hình
63
4.3.4 Thiết kế bánh xe công tác
64
4.3.5. Vòi phun
65
4.3.6 ống hút
67
4.4. Mô hình hoá tua bin

68
4.5 Thực nghiệm tua bin mô hình
70
4.5.1 Hệ thống thí nghiệm
70
4.5.2 Thí nghiệm tua bin mô hình
74
4.6. Xây dựng đặc tính tổng hợp chính của tua bin mô hình
80
4.7. Các kết luận rút ra từ thực nghiệm
82
Chơng V.
Kết luận

84
5.1 Các kết quả đề tài đã đạt đợc
84
2. Hớng nghiên cứu tiếp theo
85
Phụ lục
86

NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04

Viện khoa học thuỷ lợi
1
Mở đầu

Nớc ta có một nguồn thuỷ năng vô cùng phong phú. Với khoảng 3/4 diện tích
lãnh thổ là đồi núi, địa hình cao, bị chia cắt mạnh cùng với lợng ma trung bình năm

khoảng 1960mm, với mạng lới sông suối khá dày đặc và nằm trong vùng khí hậu
nhiệt đới gió mùa đã tạo ra một nguồn tài nguyên quý báu để phát triển thuỷ điện.
Theo một số kết quả nghiên cứu của các đề tài cho thấy trữ năng lý thuyết của
thuỷ điện Việt nam thống kê trên 2864 sông suối có chiều dài L10km vào khoảng
271.000GWh/năm đến 318GWh/năm và trữ năng lý thuyết của thuỷ điện Việt nam
khoảng trên 300.000GWh/năm với công suất lắp máy trên 34.000MW.
Trong những năm gần đây và hiện nay, thế giới và các tổ chức quốc tế nh Ngân
hàng thế giới (WB), Ngân hàng châu á (ADB(, Quỹ năng lợng Nhật bản (NEF)
đang quan tâm tới việc khai thác và phát triển các công nghệ về năng lợng tái tạo
mà trong đó phát triển thuỷ điện nhỏ đang là một mục tiêu quan tâm hàng đầu. Đây là
một giải pháp hiệu quả và bền vững, không chỉ góp phần phát triển kinh tế xã hội vùng
sâu, vùng xa mà còn góp phần bảo vệ bền vững môi trờng. Hiện nay, với nhu cầu về
tiêu dùng điện ngày càng tăng, ớc tính khoảng 15%/năm, thì thuỷ điện nhỏ lại càng
đóng vai trò quan trọng hơn trong việc góp phần phát triển nguồn điện năng cho đất
nớc. Với tình hình đầu t thuỷ điện trong nớc hiện nay thì việc đầu t cho thuỷ điện
nhỏ cũng sẽ có nhiều thuận lợi do quy mô vốn đầu t phù hợp, có thể khuyến khích các
thành phần kinh tế khác và ngời dân đầu t.
Thuỷ điện nhỏ đã đợc phát triển mạnh ở Việt nam từ những năm 80 trở lại đây.
Nhiều cơ quan đơn vị, nhà máy đã tiến hành nghiên cứu, chế tạo thiết bị cho thuỷ điện
nhỏ. Hàng trăm tổ máy thuỷ điện với tổng công suất tới hàng ngàn kW đã đợc chế tạo
và lắp đặt, góp phần phát triển kinh tế-xã hội, xoá đói giảm nghèo cho đồng bào vùng
sâu, vùng xa. Tuy nhiên, do công tác nghiên cứu, chế tạo còn nhiều hạn chế nên chất
lợng thiết bị còn cha bảo đảm yêu cầu, hiệu suất thấp, vận hành không ổn định, tuổi
thọ kém. Trong những năm gần đây, do khoa học công nghệ phát triển nên chất lợng
thiết bị đã đợc cải thiện nhiều.
Tua bin xung kích 2 lần (XK2L) là một loại tua bin rất phù hợp với thuỷ điện
nhỏ và đã đ
ợc thiết kế, chế tạo và đa vào vận hành ở Việt nam từ 1967, với công suất
NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04

Viện khoa học thuỷ lợi
2
từ 5-60kW. Đây là loại tua bin có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, quản lý vận hành và
phù hợp với điều kiện và trình độ ngời dân ở miền núi . Tuy nhiên, với tình trạng
chung ở giai đoạn trớc nên cũng không tồn tại đợc lâu.
Nhận thấy những u điểm nổi bật của loại tua bin này, từ năm 1992 Trung tâm
thuỷ điện - Viện khoa học thuỷ lợi đã đã tập trung nghiên cứu, chế tạo và lắp đặt
khoảng hơn 100 trạm thuỷ điện với công suất từ 5kW đến 200 kW ở các tỉnh miền núi.
Kết quả thực tế cho thấy rằng các tua bin đều làm việc ổn định, độ bền khá cao và phát
huy rất hiệu quả vào mục tiêu phục vụ sản xuất và sinh hoạt cho ngời dân ở miền núi .
Trung tâm cũng không ngừng nghiên cứu hoàn thiện lý thuyết, kết cấu, kiểu dáng và
quy trình công nghệ chế tạo để nânng cao chất lợng của tua bin XK2L. Trong đó, việc
nghiên cứu nâng cao hiệu suất và mở rộng phạm vi hoạt động cho loại tua bin này là
một trong những mục tiêu cần nghiên cứu giải quyết.
Để giải quyết mục tiêu đó, nhóm nghiên cứu trong đề tài đã tập trung ngiên cứu
những nội dung chính nh sau:
1. Phân tích và đánh giá phạm vi sử dụng tua bin XK2L;
2. Nghiên cứu lý thuyết tua bin xung kích và tua bin XK2L kiểu CINK;
3. Nghiên cứu, thiết kế tua bin XK2L kiểu CINK;
4. Xây dựng và hoàn thiện phần mềm tính toán, thiết kế tua bin XK2L;
5. Nghiên cứu thực nghiệm và xây dựng đặc tính năng lợng của tua bin XK2L
kiểu CINK;
6. Đánh giá kết quả nghiên cứu thực nghiệm và kiến nghị.

NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04


Viện khoa học thuỷ lợi
3
Chơng I. tổng quan và phạm vi ứng dụng Tua bin XK2L

1.1. Tua bin xung kích 2 lần (XK2L) và quá trình phát triển.
Tua bin XK2L (Cross - Flow Turbine) do một kỹ s ngời úc là
A.G.M.Michele phát minh vào năm 1903. Sau đó, một giáo s ngời Hungary là
Donat Banky đã xây dựng cơ sở lý thuyết tơng đối hoàn chỉnh vào năm 1916 - 1919,
do vậy tua bin XK2L còn đợc gọi là Tua bin Banky. Năm 1922, kỹ s ngời Đức là
K.L.Ossberger đã nghiên cứu, hoàn thiện và sản xuất rộng rãi loại tua bin này. Hãng
Ossberger đã đa ra thị trờng hơn 5000 tổ máy XK2L với công suất từ 1 - 1000KW.
Gần đây, năm 1993 -1994, giáo s Nadim M.Aziz và nhiều giáo s khác của trờng
Đại học CLEMSON (Mỹ) vẫn tiếp tục nghiên cứu lý thuyết và bằng thực nghiệm loại
tua bin này và đa ra nhiều kết quả nghiên cứu mới và các kết quả thực nghiệm hết sức
quan trọng.



Hình 1. Tua bin XK2L
Tua bin XK2L là loại tua bin kiểu xung kích, sử dụng thành phần năng lợng là
động năng của dòng chảy để chuyển hóa thành cơ năng trên trục quay của tua bin.
Dòng chảy sau khi qua vòi phun của tua bin sẽ chảy vào bánh công tác (BCT),
tác dụng lên BCT 2 lần và truyền toàn bộ năng lợng cho BCT. Do vậy mà tua bin này
đợc gọi là Tua bin XK2L.
NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04


Viện khoa học thuỷ lợi
4
ở Việt Nam loại tua bin này đãđợc chế tạo từ năm 1967 với công suất từ từng
tổ máy từ 5KW đến 60KW. Tuy nhiên, do công tác nghiên cứu, thiết kế và chế tạo loại
tua bin này không đợc chú trọng nên trên thực tế cho thấy loại tua bin này hoạt động
với hiệu suất thấp và tuổi thọ thấp, ít đợc sử dụng trong thực tế. Thay thế vào đó, các
tổ máy hớng trục và tâm trục đợc khuyến khích chế tạo và sử dụng. Ví dụ, các tổ

máy theo mẫu GANZ của Hungari với cột nớc H = 10-20m, công suất N 20KW
đợc sản xuất hàng loạt tại Nhà máy Công cụ số I, hoặc các tổ máy theo mẫu HL 360 -
WG-30, 42 (tua bin tâm trục kiểu buồng chính diện)... là những tổ máy có kích thớc
lớn, khó chế tạo và giá thành cao.
Từ những năm 1980, những thông tin về tua bin XK2L do một số hãng của
Nhật, Đức, CH Séc, Trung Quốc, Mỹ... giới thiệu đã đợc các cán bộ khoa học của
Trung tâm thuỷ điện (TTTĐ), Viện khoa học thuỷ lợi đặc biệt quan tâm. Nhận thấy đây
là loại tua bin rất thích hợp cho thuỷ điện nhỏ nhng cha có cơ quan nào quan tâm
nghiên cứu và chế tạo loại thiết bị này, TTTĐ đã tiến hành tập hợp các tài liệu nghiên
cứu lý thuyết, tiến hành thực nghiệm và chế tạo thử. Các tổ máy XK2L sau khi chế tạo,
lắp đặt và vận hành ở các trạm thuỷ điện đã khẳng định đợc kết quả nghiên cứu và
tính toán lý thuyết và công nghệ chế tạo loại tua bin này. Phần nghiên cứu tính toán lý
thuyết, phần dẫn dòng và biên dạng cánh BCT đã đợc đa vào nghiên cứu trong một
đề tài KHCN cấp Nhà nớc và một số kết quả nghiên cứu đã đợc nghiệm thu.
1.2. Phạm vi sử dụng của tua bin XK2L:
NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04


Viện khoa học thuỷ lợi
5

Hình 2. Biểu đồ sử dụng tua bin XK2L của hãng Meiden (Nhật bản)
NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04


Viện khoa học thuỷ lợi
6
Hình 3. Biểu đồ sử dụng tua bin XK2L của Công ty KUBOTA (Nhật bản)

Hình 4. Biểu đồ sử dụng tua bin XK2L của Ossberger Corp. (Đức)


NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04


Viện khoa học thuỷ lợi
7


Hình 5. Biểu đồ sử dụng tua bin XK2L của Hitachi Corp. (Nhật Bản)








NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04


Viện khoa học thuỷ lợi
8

Hình 6. Biểu đồ sử dụng tua bin XK2L của Fuji Electric Corp. (Nhật Bản)
NC, thiÕt kÕ, chÕ t¹o & thö nghiÖm tua bin XK2L kiÓu CINK ®Ò tµi Kc07-04


ViÖn khoa häc thuû lîi
9

H×nh7. BiÓu ®å sö dông tua bin XK2L cña Linhai Corp. (Trung Quèc)

NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04


Viện khoa học thuỷ lợi
10
1.3. Những u điểm và nhợc điểm của tua bin XK2L trong thuỷ điện nhỏ và cực
nhỏ
Trong những năm gần đây, tua bin XK2L đợc sử dụng ngày càng rộng rãi cho
các trạm thuỷ điện nhỏ với phạm vi sử dụng:
+ Cột nớc : H = 5 ữ 200m
+ Lu lợng: Q = 0,025 - 13 m
3
/s
+ Công suất N = 1 - 1500 KW
1.3.1. Hiệu suất
Một đặc điểm quan trọng và nổi bật nhất của tua bin XK2L là hiệu suất rất phù
hợp cho thuỷ điện nhỏ. Các kết quả nghiên cứu và thực nghiệm từ nớc ngoài cho thấy
hiệu suất đỉnh của tua bin XK2L có thấp hơn các loại tua bin khác (max = 86%), ví

dụ nh tua bin tâm trục (Francis) nhng bù lại là phạm vi của vùng hiệu suất cao rất
rộng, do vậy mà điện lợng thu đợc của tua bin XK2L cao hơn so với tua bin tâm
trục. Các kết quả nghiên cứu gần đây nhất của hãng Entec (Thụy sĩ) cho thấy hiệu suất
lớn nhất của tua bin XK2L có thể đạt max = 86%, tuy hiệu suất đỉnh có thấp hơn một
vài loại tua bin khác (max = 87 ữ 89%). Nhng do phạm vi vùng hiệu suất cao rộng
hơn nên tổng điện lợng thu đợc của tua bin XK2L cao hơn so với tua bin tâm trục.

NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04


Viện khoa học thuỷ lợi
11

Hình 8. So sánh đờng hiệu suất của tua bin XK2L và tua bin tâm trục.



Nhìn vào Hình 1-8 và Hình 1-9 ta thấy rằng tua bin tâm trục có hiệu suất đỉnh
cao hơn tua bin XK2L, tuy nhiên vùng hiệu suất cao khá hẹp nên hiệu suất sẽ giảm rất
Hình 9. Quan hệ về điện lợng - thời gian trong năm của tua bin XK2L và
tua bin tâm trục.
NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04


Viện khoa học thuỷ lợi
12
nhanh khi lu lợng giảm. Để giải thích phạm vi rộng của vùng hiệu suất cao, xem
Hình 1-10

Hình 10: Đờng biểu diễn hiệu suất của tua bin XK2L đợc xây dựng từ
3 đờng hiệu suất tơng ứng với 1/3, 2/3 và đầy tải hay 1/3Q, 2/3Q
và toàn bộ lu lợng Q.
Việc chia bề rộng BCT làm 2 phần có bề rộng 1/3 và 2/3 tổng chiều rộng làm
việc cho phép đã làm mở rộng vùng hiệu suất cao cho tua bin XK2L.
Nh vậy có thể kết luận rằng, tua bin XK2L có đặc tính năng lợng rất tốt và rất
phù hợp đối với thuỷ điện nhỏ.
NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04


Viện khoa học thuỷ lợi
13
1.3.2. Độ bền:
Một đặc điểm khá quan trọng trong kết cấu của tua bin XK2L là không xuất
hiện thành phần lực dọc trục, do vậy trong tua bin XK2L không xuất hiện sự phá vỡ ổ
đỡ do lực quá lớn nh các loại tua-bin khác. Trong thiết kế và chế tạo tua bin XK2L
thờng sử dụng ổ bi đỡ bình thờng, trong khi nhiều loại tua-bin khác phải dùng ổ
trợt với cấu trúc ổ và kết cấu bôi trơn khá phức tạp và đắt tiền. Bánh công tác đợc gia
công chế tạo bằng kết cấu hàn, đợc gia cờng bởi các vách tăng cứng, sử dụng vật liệu
thép không gỉnên có độ bền khá cao.
Theo kết cấu truyền thống và một số kết cấu mới thì hệ thống cánh hớng nớc
của tua bin XK2L rất đơn giản (chỉ có 1 cánh hớng), do vậy ít bị hỏng hóc so với hệ
cánh hớng nhiều cánh (8 ữ 20 cánh) của các loại tua bin khác.
Kết cấu vỏ chắc chắn, đợc định vị rất dễ dàng cho tháo lắp, sửa chữa nên cũng
nâng cao độ bền của tổ máy.
Với các đặc điểm đơn giản và chắc chắn trong kết cấu, tua bin XK2L có độ bền
cao, đảm bảo hoạt động ổn định và lâu dài.
1.3.3. Giá thành chế tạo:
Công nghệ chế tạo tua bin XK2L đơn giản hơn rất nhiều so với các loại tua bin
khác.

Tổng kết quá trình chế tạo cho thấy, giá thành chế tạo tua-bin XK2L bằng 50%
ữ 70% so với tua bin khác cùng công suất.
Kết cấu vỏ bằng thép hàn dễ dàng cho chế tạo đơn chiếc. Việc sử dụng ổ bi cho
các tổ máy công suất lớn cũng làm giảm đáng kể giá thành chế tạo và lắp ráp.
Với kết cấu gọn nhẹ và dễ tháo, lắp nên việc vận chuyển thuận lợi, đặc biệt cho
những vùng giao thông còn khó khăn.
Do cấu trúc đối xứng 2 đầu trục, nên bố trí thiết bị tốn ít diện tích và làm giảm
giá thành xây dựng nhà trạm.
Do lực đóng mở cánh hớng nhỏ, cũng làm giảm đáng kể giá thành của điều tốc
tự động.

NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04


Viện khoa học thuỷ lợi
14
1.3.4. Hạn chế của tua bin XK2L
Theo cách phân loại truyền thống thì tua bin XK2L là loại tua bin xung kích tỷ
tốc thấp nên số vòng quay thấp. ở những trạm có cột nớc thấp phải có bộ truyền
động, do vậy làm tăng giá thành chế tạo tổ máy. ở các nớc công nghiệp tiên tiến, các
trạm thuỷ điện cột nớc thấp dùng tua bin XK2L đều sử dụng bộ truyền bánh răng nối
với máy phát tiêu chuẩn có vòng quay n = 1000-1500 v/phút.
Do có nhiều u điểm so với các loại tua bin khác nên những năm gần đây, tua
bin XK2L ngày càng đợc sử dụng rộng rãi cho thuỷ điện nhỏ và thuỷ điện cực nhỏ.
Nhìn chung, các trạm thuỷ điện nhỏ sử dụng tua bin XK2L đều vận hành ổn định và
góp phần đáng kể vào việc nâng cao đời sống vật chất và tinh thần cho đồng bào các
tỉnh vùng sâu, vùng xa của cả nớc. Hiện nay, nhiều phòng thí nghiệm và các cơ quan
nghiên cứu ở một số nớc vẫn tiếp tục nghiên cứu để nâng cao hiệu quả và mở rộng
phạm vi sử dụng loại tua bin này.
1.4. Kết luận

Qua những phân tích ở trên cho thấy rằng, tua bin XK2L là loại tua bin đợc sử
dụng trên rất rộng rãi ở trên thế giới cho thủy điện nhỏ. Với những u điểm về hiệu
suất, kết cấu, độ bền và công nghệ chế tạo của loại tua bin này, có thể nói rằng tua bin
XK2L rất phù hợp với điều kiện về kinh tế, trình độ công nghệ của Việt Nam. ở
Việt Nam, nếu áp dụng những công nghệ chế tạo thích hợp, quản lý vận hành tốt thì
tua bin XK2L sẽ phát huy đợc những u điểm nổi bật của nó đối với các dự án thủy
điện nhỏ, mà hiện nay đang đợc Nhà nớc và các tổ chức quốc tế nh WB, NEF,
UNDP tổ chức thực hiện tại Việt Nam.

NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04

Viện khoa học thuỷ lợi
15
Chơng II. lý thuyết tua bin xung kích
Nh đã trình bày ở trên, tua bin XK2L đợ c phân loại nh là một tua bin xung
kích. Do vậy, trớc khi nghiên cứu về tua bin XK2L, chúng tôi sẽ đi vào nghiên cứu cơ
sở lý thuyết của tua bin xung kích vì đó là cơ sở lý thuyết ban đầu để xây dựng và phát
triển tua bin XK2L.

2.1. Cột nớc, lu lợng, công suất và hiệu suất
Công suất tua bin tỷ lệ thuận với lợng chất lỏng chảy qua nó trong một đơn vị
thời gian, hiệu số tỷ năng dòng chảy trớc và sau tua bin và hiệu suất của nó.
Lợng chất lỏng chảy qua trong một đơn vị thời gian đo bằng lu lợng Q l/s
hoặc m
3
/s.
Năng lợng một đơn vị trọng lợng chất lỏng (tỷ năng) ở cao trình mực nớc
thợng lu (hình 11).
b
bb

b
Z
g
CP
E ++=
2
2

(2.1)
ở cao trình mực nớc hạ lu:
H
HH
H
Z
g
CP
E ++=
2
2

(2.2)
Trong đó: Z
b
, Z
H
- cao độ mực nớc thợng lu và hạ lu so với mặt chuẩn so
sánh . 0- 0.
- Trọng lợng riêng của nớc.
Hiệu số năng lợng E
b

và E
H
là cột nớc toàn phần của trạm thuỷ điện.
Hb
HbHb
Hb
ZZ
g
CCPP
EEH +

+

===
2
22


(2.3)
Mực nớc thợng lu và hạ lu ở áp suất khí quyển do đó:
`atHb
PPP ==

NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04

Viện khoa học thuỷ lợi
16
Vận tốc nớc chảy ở thợng lu và hạ lu thờng không lớn và chúng không khác
nhau bao nhiêu, có nghĩa là:
Hb

CC

Do đó cột nớc toàn phần H

(2.3) thực tế bằng hiệu số mực nớc thợng lu và
hạ lu.
HbHb
ZZEEH ==


Nhng tua bin không thể sử dụng toàn bộ cột nớc toàn phần H

. Một phần
năng lợng H
n
tiêu hao do tổn thất dọc đờng và tổn thất cục bộ trên đờng dẫn và
đờng ống áp lực mà trong trờng hợp tua bin phản kích cột nớc cao chúng có chiều
dài lớn, và tiêu hao trên các bộ phận dẫn dòng mà những bộ phận này không thuộc vào
các bộ phận của tua bin. Một phần khác H
n
(chỉ đối với tua bin xung kích) bị mất đi
do độ cao đặt BXCT cao hơn mực nớc hạ lu.
Nh vậy cột nớc mà tua bin sử dụng có thể viết dới dạng.
nn
HHHH =

(2.4)
Cột nớc tốt nhất là trực tiếp xác định bằng hiệu tỷ năng dòng chảy trớc và sau
tua bin. Trớc tua bin ở tiết diện cửa vào 1:
1

1
21
1
2
Z
g
CP
E ++=

(2.5)
Tiết diện cửa vào lấy ở đoạn ống thẳng của đờng ống nằm giữa van và bộ phần
dẫn dòng. Giả thiết lu tốc và áp suât đợc phân bố đều trên toàn tiết diện này. Nh
vậy P
1
, C
1
là áp suất, vận tốc tại tiết diện 1, Z
1
- cao trình trung tâm tiết diện 1.
Nếu Q là lu lợng chảy qua tua bin thì:
1
1
F
Q
C =
(2.6)
Trong đó: F
1
- diện tích tiết diện 1.
áp suất P

1
đợc đo bằng áp kế. Nếu áp kế đặt cao hơn tâm tiết diện 1 một
khoảng a
1
thì:
NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04

Viện khoa học thuỷ lợi
17
1
1
1
a
P
P
m
+=

(2.7)
Trong đó: P
m1
- chỉ số của áp kế.
Tỷ năng dòng chảy sau tua bin phản kích đợc xác định tại tiết diện cửa ra của
ống hút. Vì trị số động năng của dòng chảy khi ra khỏi tua bin phụ thuộc vào kết cấu
tua bin (tua bin càng hoàn thiện thì đại lợng này càng nhỏ) nếu tỷ năng của dòng chảy
ra khỏi tua bin chỉ tính phần thế năng còn toàn bộ phần động năng đợc tính là tổn
thất của tua bin. Đối với tua bin phản kích tính nh vậy ở mức độ nhất định chỉ là giả
định bởi vì vận tốc cửa ra ngay cả về mặt lý thuyết cũng không thể bằng không.
ở các tua bin xung kích, tỷ năng dòng chảy ở cửa ra đợc xác định khi dòng
chảy ra khỏi cánh BXCT, ở đó vận tốc tuyệt đối về lý thuyết có thể bằng không. Vì vậy

trong trờng hợp này có cơ sở để lấy C
2
= 0. áp cửa ra là áp suất khí quyển và nếu sử
dụng áp suất d thì P
2
= 0.
Nh vậy: E
2
= Z
2
(2.8)
và :
g
C
P
ZaZEEH
m
2
2
1
1
21121
+++==

(2.9)
ở đây Z
2
cao độ của điểm dòng chảy ra khỏi BXCT.
Nhng dòng chảy ra khỏi BXCT không phải qua một điểm mà dọc theo các lá
cánh của BXCT. Ngoài ra cánh BXCT lại chuyển động không ngừng và các điểm ra

thực tế cũng thay đổi. Do đó cao độ điểm cửa ra tính toán đợc lấy ở một điểm trung
bình nào đó: ở tua bin trục ngang lấy ở giao điểm của trục dòng phun với đờng bán
kính BXCT vuông góc với nó.
Công suất của dòng chảy qua tua bin:
QH
QH
N
H
81,9
102
==

KW (2.10)
Trong đó: = 100 Kg/m
3
; Q - m
3
/s.
Công suất của tua bin:
N = N
H
. = 9,81.QH (2.11)
NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04

Viện khoa học thuỷ lợi
18
Trong đó: - hiệu suất tua bin.
Bánh xe công tác của tua bin xung kích chỉ sử dụng động năng của chất lỏng.
Do đó cơ cấu hớng nớc tua bin cần phải biến đổi thế năng của chất lỏng thành động
năng. Xem tổn thất trong bộ phận phân dòng là H

K
ta có cột nớc trớc cơ cấu hớng
nớc là:
Ke
HHH =
(2.12)
Động năng dòng chảy khi ra khỏi vòi phun đợc xác định;
c
Hc
g
C

.
2
2
=

ở đây c - vận tốc dòng phun;
c
- hiệu suất của vòi phun.
Từ đây ta có công thức Torichell về sự chẩy của chất lỏng dới cột nớc không
đổi:
cxc
gHgHC 22
1

==
(2.13)
ở đây
c

=
- hệ số lu tốc
Vòi phun của tua bin XK2L có dạng hình chữ nhật và dòng phun sẽ có tiết diện
hình chữ nhật, điều đó sẽ phù hợp hơn với hình dạng của cánh.
Trong các thí nghiệm trớc đây cho thấy rằng những dòng phun từ các vòi nh
vậy biến dạng nhiều trên đoạn chảy tự do trong khí quyển vì chịu ảnh hởng của lực
kéo mặt. Tiết diện dòng phun bị thu nhỏ theo chiều chuyển động và do đó sẽ bị mất
một phần năng lợng. Sự chuyển động vòng của chất lỏng trong cánh sẽ xấu đi. Mặc
dù vậy, ở các tua bin XK2L và các loại tua bin phản kích khác, tiết diện dòng phun
phải có dạng hình chữ nhật.
2.2. Tác dụng tơng hỗ giữa dòng tia và tấm bản
Tác dụng tơng hỗ của dòng tia lên bản phẳng cố định vuông góc với dòng tia:
Giả thiết chất lỏng là lý tởng, có thể coi trị số tuyệt đối của chất lỏng khi ra
khỏi bản (v
2
) bằng trị số vận tốc tuyệt đối của vận tốc dòng tia ban đầu(v
1
). Dòng tia
tác dụng lên bản phẳng với lực P. Ta có phơng trình biến thiên động lợng:
NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04

Viện khoa học thuỷ lợi
19

fv
g
x
v
x

vQ
g
x
k
x
kP
2
1
)
21
(
21

===
(2.14)
Trong đó:
k
1x
, k
2x
- động lợng theo chiều dòng tia trớc và sau tấm bản
(theo phơng x).
v
1x
, v
2x
- hình chiếu vận tốc lên chiều dòng tia trớc và sau khi gặp
tấm bản.
f - diện tích động mặt cắt ngang phun.
Sự phân bố áp suất trên tấm bản theo thực nghiệm nh hình 2.1:

Hình 11: Sơ đồ dòng tia chảy lan trên mặt bản cố định
kích thớc không giới hạn đặt vuông góc với trục dòng tia.
Trong trờng hợp tổng quát hơn xét bản cong có kích thớc hạn chế đối
xứng nh sơ đồ Hình 12.
Nh trên ta có:
)(
21 xx
vv
g
Q
P =

(2.15)

0
P x
f
0.991V
1
2
/2g

V
1
V
2
V
2
I
I
IIII
IIII
NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04

Viện khoa học thuỷ lợi
20








Hình 12: Sơ đồ dòng tia chảy lên tấm bản cong đối xứng

ở đây: v
1x
= v; v
2x
= v
1x

.cos

Do đó:
)cos1(

)cos1(

2
11
== f
g
v
g
Qv
P
(2.16)
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

=
(2.17)
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
==

(2.18)
vì
g
v
Hh
p
2
2
1
=

suy ra f
1


4f (2.19)
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.
x
f
V
2
V
1
V
2
f
1


NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04

Viện khoa học thuỷ lợi
21
Trên đây ta đã nói đến lực tác dụng tơng hỗ giữa dòng tia và tấm bản. Sự
tác động này sẽ đơn thuần là lực và không có sự trao đổi năng lợng nếu nh tấm
bản đứng yên. 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 13).
Lúc này vận tốc của dòng tia so với tấm bản:

w = c u (2.20)
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 .

=
(2.21)







Hình 13: Sơ đồ dòng tia lên tấm bản cong
đang chuyển động theo trục của dòng tia.
Động lợng ban đầu:

11
fwc
g
k

=
(2.22)
Vận tốc tuyệt đối khi ra:

c
2
=u + w.cos

(2.23)
u
x
f
W

C

W

f
1


NC, thiết kế, chế tạo & thử nghiệm tua bin XK2L kiểu CINK đề tài Kc07-04

Viện khoa học thuỷ lợi
22
Động lợng cuối cùng là:

)cos(
2


wufw
g

k +=
(2.24)
Từ đây, theo (2.13) ta có:

)cos1()(

)cos(
2
121


=== uc
g
f
wucw
g
f
kkP
(2.25)
Công suất do lực P sinh ra:
)cos1()(

.
2

== uuc
g
f
uPN
n

(2.26)
Công suất của dòng tia:

f
g
c
Q
g
c
N
z
2

2
22
==

(2.27)
Hiệu suất thủy lực:

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

==
(2.28)
Để

đạt max, đạo hàm vế trái theo u ta có:
(c - u)
2
- 2u(c - u) = 0
suy ra
3
c
u
tu
=
(vận tốc tối u) (2.29)
Thay vào ta có
)cos1(
27
8
max

=
th
(2.30)
Hiệu suất cực đại

th max

có giá trị lớn nhất khi

= 180
0


1
27
16
max
<<=
th

(2.31)
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